能源是保障经济增长和社会发展的物质基础，推动着现代文明的发展。随着经济快速发展，对能源不合理的开发利用也造成了生态、环境恶化，资源枯竭等问题。叶轮机械作为能源功能转换环节中的重要一项，在国民经济各个领域得到广泛应用。叶栅在叶轮机械中有着举足轻重的作用，它是实现功能转化的主要工作单元，其通流部分的叶片型面损失和端壁二次流损失在总损失中占据很大的份额。因此，研究人员在如何减小通流部分损失，提高叶轮机械的功能转换效率，实现可持续发展方面进行了深入的研究。为了能够成功地进行多级轴流透平通流部分气动优化设计，本文首先深入研究了叶轮机械内部流动细节，通过详细分析二次流在静叶排、动叶排以及透平级中的发生和发展过程，表明由二次流导致的做功损失在通流总损失中占据很大份额，影响了叶轮机械效率。本文旨在减小二次流损失，提高透平性能。本文在课题组已有叶轮机械三维气动优化系统的基础上，对通流部分的几何造型方法和优化参数的形式进行了改进，进一步减少了设计变量，增强了优化设计系统稳定性。该系统由三部分构成：采用三维叶栅通流参数化几何造型系统提取设计变量；利用叶栅通流造型气动性能评价系统对流场进行数值模拟，获得气动性能参量作为优化设计的目标函数；选择合理的优化策略对设计空间进行搜索，获得具有最有气动性能的叶片通流部分几何造型。本文采用三角函数及NURBS曲线对透平叶片端壁及积叠线进行了参数化造型，将该叶片全三维控制模块集成于基于iSIGHT软件的叶片气动优化平台中，选用模拟退火算法对两级轴流高压透平叶片进行了全三维气动优化设计，数值实验结果表明，本文构建的非轴对称端壁与弯叶片联合造型优化方法能够有效改变端壁附近压力分布，降低横向流动，使得通道涡失去充分发展的机会，减小二次流损失，同时显著降低总压损失系数，叶片效率提高0.48%。