燃气涡轮动叶叶顶间隙的存在,不仅引起涡轮气动性能下降,高温泄漏流对叶尖加热致使叶尖区局部温度过高,还可造成叶尖区域氧化及烧蚀,导致性能下降甚至动叶失效。因此,对燃气涡轮动叶叶尖设计而言,不仅需要采用更合理的叶尖结构来控制泄漏流动、改善涡轮气动性能,还要求对叶尖进行有效冷却,以满足冷却设计需求。本文的研究从叶尖泄漏流动控制及叶尖传热冷却两个方面展开。传统的肋条叶尖具有结构简单并能有效控制叶尖泄漏流动的优势,因而被广泛应用于涡轮动叶中。本文尝试改进叶尖结构,以期进一步减小叶栅气动损失,并降低动叶效率随间隙的变化率。不同叶尖结构的泄漏流动存在一定差异,直接影响叶尖区域的传热,而叶尖传热是冷却的基础。因此,在细致分析叶尖区域传热的基础上开展叶尖及机匣冷却研究,以降低叶尖及机匣表面的温度及热负荷。首先构建了叶尖参数化模型,通过数值方法对平面叶栅叶尖进行气动优化。优化的小翼凹槽叶尖降低了叶尖泄漏流量,同时削弱了叶尖泄漏涡和上通道涡强度,获得较凹槽叶尖更低的叶栅出口气动损失和损失随间隙的变化率。压力侧小翼叶尖虽减小了叶尖泄漏涡损失,但增加了上通道涡损失;吸力侧小翼有效减弱了上通道涡和泄漏涡强度,并将泄漏涡推离叶片吸力侧。平面叶栅试验的端壁流场显示及出口损失分布验证了小翼叶尖控制泄漏流动、改善叶栅气动性能的有效性。对小翼叶尖的关键参数小翼宽度和倾角研究表明,增大压力侧小翼倾角增加了压力侧肋条上方的收缩系数,有利于降低叶尖相对泄漏流量;而增加吸力侧小翼宽度降低了叶栅出口总损失。对小展弦比燃气涡轮动叶叶尖开展气动优化,结果表明小翼凹槽叶尖有效地提升了涡轮级效率,并降低了级效率随间隙的变化率。与低速平面叶栅小翼凹槽叶尖作用机制不同的是,燃气涡轮动叶中优化的小翼叶尖增加了叶尖泄漏涡损失。叶尖泄漏损失增加原因在于:一方面小翼叶尖增大了凹槽内部损失;另一方面,延伸至叶尖喉部位置的吸力侧小翼增加了叶尖中后部泄漏驱动压差,这将增大叶尖泄漏流与主流掺混速度及掺混损失。对单侧小翼叶尖的研究表明,压力侧小翼有效控制了叶尖泄漏流动,但增加了上通道涡损失;吸力侧小翼降低上通道涡损失的同时增大了泄漏涡损失,增加吸力侧小翼宽度能提升涡轮级效率。三维非定常分析表明,小翼凹槽叶尖获得更高的时均效率和更低的时均泄漏流量,且气动性能随时间脉动更小。结合压力侧小翼和吸力侧小翼的叶尖设计,能进一步提高涡轮气动效率。叶栅气动参数和叶尖几何直接影响叶尖各部分传热,增加Re数增大了叶尖区传热,但对叶尖泄漏流动影响较弱;增加叶栅出口Ma数增强了叶尖泄漏流动,致使叶尖传热发生变化,但不同区域变化趋势并不一致,亚声速区传热随出口Ma数增加而增强,而超声速区呈相反趋势。同时,详细探讨了凹槽叶尖传热变化规律,对叶尖传热进行分解分析显示,叶尖不同部分的传热差异明显。泄漏流强度、泄漏流在间隙内的分离及再附、流道内泄漏涡强度及其与叶片表面相对位置会显著影响叶尖及机匣热负荷。吸力侧小翼叶尖使得泄漏涡远离叶片吸力面,有利于降低叶尖热负荷,在实现叶栅出口损失降低的同时,抵消因叶尖传热面积增大而引起的叶尖热负荷升高。基于叶尖传热特性,对叶尖及机匣表面进行冷却。叶顶冷却降低了叶尖表面温度和热负荷;压力面靠近叶尖冷却降低了压力面靠近叶尖区、压力侧肋条表面及叶尖尾缘的温度;机匣冷气缝冷却减小了机匣、叶尖凹槽表面及吸力面叶尖区的温度及热负荷。单独采用叶顶喷气、压力面靠近叶尖喷气及机匣喷气仅获得了叶尖及机匣局部的冷却效果,综合采用以上三种冷却方式实现了整个叶尖及机匣的冷却。合理的叶顶冷气孔布置、机匣冷气缝设计及冷气参数设定有利于提高叶尖及机匣冷却效率和净热负荷减少量。