涡轮气动优化设计的最终过程是多级涡轮全三维气动优化设计,但三维计算在空间和时间上的复杂度都比较高,且设计过程需要考虑的问题非常之多。如果没有一套很好的准三维计算结果作为全三维设计的初始值,很难在短时间内得出非常好的结果。所以将传统设计流程和现代设计概念相结合,形成一套完善的分层次优化设计系统是非常有必要的。本文首先阐述了涡轮气动设计体系与气动优化设计的发展历史,主要内容包括:一维气动设计体系,准三维气动设计体系,三维气动设计体系;一维气动优化设计,准三维气动优化设计,三维气动优化设计。然后通过一维、S2和三维的优化计算来证明分层优化体系的可行性。在一维的优化计算中使用不同的优化方法对涡轮进行优化计算使效率提高了1%左右。也证明了使用模拟退火算法可以取得比遗传算法更好的结果。对一台四级涡轮进行改型设计,研究不同级数和外径对涡轮效率的影响,发现随着涡轮外径的提高涡轮的效率也有所提高。研究反动度、级负荷和涡轮效率之间的联系,提高中间级的级负荷也可以提高涡轮的总体效率。对一台两级涡轮和一台一级涡轮进行S2优化,分别提高了效率0.8%和0.91%。并通过分析叶片参数沿叶高的分布寻找其效率提高的原因。通过使用NUMECA对一列叶栅进行设计并优化,使其效率提高了1.1%。由以上的结论证明涡轮分层优化体系是可行的。