纵观美国现役发动机、验证机、预研计划—-IHPTET计划实施的各阶段,可以看出美国在航空发动机涡轮设计方面的发展趋势是：常规→常规高负荷→1+1对转→1+1/2对转。无论对于常规高负荷、还是1+1对转以及1+1/2对转涡轮,高负荷跨音速涡轮是其关键组成部分。通过采用高负荷跨音速涡轮能够增大级负荷从而减少涡轮的级数,提高整个发动机的推重比。种种趋势表明,高负荷跨音速涡轮已成为航空燃气涡轮发动机的一个重要发展方向。在前人开展高负荷涡轮设计方法和内部流动工作的基础上,本文进一步针对超高负荷涡轮进行设计方法和数值模拟的研究工作,并利用国内首座暂冲式短周期对转涡轮实验台上所获数据对本文中提出的高负荷跨音速缩扩型涡轮叶片设计理论的正确性进行了验证,建立了超高负荷跨音速涡轮的设计体系。本文的主要工作及结论如下：1.开展了高负荷跨音速缩扩型流道涡轮叶型造型参数选取方法的研究。缩扩比、喉部距前缘相对位置、尾缘厚度是高负荷跨音速缩扩型流道涡轮叶型的三个关键造型参数,其选取的恰当与否决定着涡轮叶型性能的好坏。通过理论分析,本文提出了缩扩比、喉部距前缘相对位置、尾缘厚度三个关键造型参数相应的选取方法,并采用数值模拟验证了该方法的正确性；2.通过理论分析提出了高负荷跨音速缩扩型全三维涡轮叶片沿叶高缩扩比的选取方法,开展缩扩比沿径向分布规律的研究工作,并采用该理论与方法针对本课题组在“十五”期间完成的某高负荷无导叶对转涡轮中的高压动叶进行了优化设计。针对原高负荷无导叶对转涡轮与采用优化设计高压动叶的高负荷无导叶对转涡轮进行数值模拟,并利用于国内首座暂冲式短周期对转涡轮实验台上所获数据对本文中提出的高负荷跨音速缩扩型涡轮叶片设计理论的正确性进行了验证,进一步验证设计理论与方法的正确性；3.本文探索了超高负荷涡轮的设计方法和理论,力图发现区别于常规涡轮设计存在的问题。基于常规负荷涡轮设计体系,在一维方案设计、通流计算、叶片设计过程中根据高负荷因素进行修正,探索超高负荷涡轮设计体系的组成和应用策略,建立了超高负荷跨音速涡轮的设计体系。对所设计超高负荷涡轮进行了数值模拟,从而验证了设计理论的正确性；4.对超高负荷涡轮的流场进行三维非定常数值模拟,通过对其流场进行深入研究,分析超高负荷涡轮区别于常规负荷涡轮的非定常流动现象,并探索如何利用非定常效应来改进超高负荷涡轮的气动性能。