随着航空发动机逐步向高性能化的发展,其内部涡轮部件所承受的气动热载荷也随之提高,涡轮动叶的间隙泄漏流动对气动损失的影响也愈加强烈。因此相应的间隙泄漏流动控制方法也应运产生,主要包括叶顶凹槽、叶顶小翼和叶顶修型等被动控制方法。对于叶顶凹槽,其通过凹腔内部的旋涡结构可以显著地降低间隙泄漏流量,但会引起较大的掺混损失。对于叶顶修型,其产生的叶顶形状较为复杂不规则且造型方法也多种多样,没有明显的规律可循。其中波纹状修型叶顶虽然可以较好地提升涡轮气动性能,但其对泄漏流量的抑制作用明显不足,且目前还没有相对统一的生成规则。基于叶顶凹槽和波纹状修型叶顶各自的优缺点,本文尝试将两者相耦合提出一种新型曲面叶顶结构,并给出相应的造型规律和优化设计方法,为进一步抑制间隙泄漏流动和改善涡轮综合气动性能提供了新思路。首先,本文在涡轮平面叶栅模型中对三角函数曲面叶顶进行了间隙泄漏流动的控制研究以及几何结构的优化设计,以便明确曲面叶顶的控制机理和应用潜力。提出了沿中弧线和周向方向上构建准二维和三维三角函数曲面叶顶的几何参数化方法,分析了周期和幅值这两个几何设计参数对叶栅气动性能的影响。并基于Kriging代理模型的遗传优化算法寻优搜索获得了三维最优三角函数数学曲面叶顶结构,进一步利用数值和实验方法对其进行研究。研究结果表明,沿中弧线和周向单一方向修型的准二维三角函数曲面叶顶分别对总压损失和泄漏流量的抑制作用更强。三维最优三角函数数学曲面叶顶的优化预测值与数值计算真实结果间的差值为0.23%,验证了上述优化策略的准确性。最优三角函数数学曲面叶顶的凹腔底部呈现半椭球状,可以提升压力边涡的周向占有率,从而加强对间隙泄漏流动主要发生区的控制作用,同时削弱叶顶泄漏涡,但其整体控制上存在不稳定波动性。其次,本文在涡轮平面叶栅模型中对B样条自由曲面叶顶进行了气动性能分析和优化设计。实现了曲面叶顶结构的全局自由造型,突破了几何局限性,进一步强化了对间隙泄漏流动的控制作用。以二维B样条自由曲面叶顶的优化结果作为三维方向设计的参考,同样利用Kriging代理模型和遗传优化算法获得了三维方向上的最优B样条自由曲面叶顶,并对其进行实验和数值研究。研究结果表明,二维和三维方向上的最优B样条自由曲面叶顶的几何结构相似,凹腔底部从压力边侧到吸力边侧呈现“前凸后凹”的几何特性,且凹陷深度大于凸起高度。该结构使得压力边涡的周向占有率更大,发展稳定性更强,并提升了压力边涡涡核的径向位置,进一步强化了对泄漏流体的气动阻塞作用。同时更有效地降低了涡轮叶栅损失,整体上具有更优的综合气动性能。然后,本文探讨了形变域高度、间隙高度、来流冲角以及机匣相对运动对两种最优曲面叶顶结构的间隙泄漏流动特性以及工况适应特性的影响,给出了涡轮叶栅模型的主要气动性能参数和叶顶凹腔内部旋涡结构与各个影响因素间的变化规律。研究结果表明,增加形变域高度可以促进叶顶凹腔内压力边涡的发展,使间隙内部的径向低速区逐渐向吸力边侧移动,曲面叶顶结构能更好地加强核心区的强度和影响范围。增加间隙高度会导致叶顶凹腔内的压力边涡涡核向吸力边侧和间隙下方移动,曲面叶顶结构可以更有效地增强压力边涡的周向发展尺寸。随着来流冲角的增加,曲面叶顶结构在负冲角和正冲角下主要分别通过削弱叶顶泄漏涡和上通道涡,从而实现整体变冲角条件下降低涡轮气动损失。增加机匣相对运动速度将导致叶顶凹腔内刮削涡的产生,与间隙内原有的压力边涡和吸力边涡相互作用,共同对间隙泄漏流动产生影响。在本文研究的不同工况下,最优B样条自由曲面叶顶对间隙泄漏流动的整体控制性更强,具有更好的综合适用性。最后,本文将最优B样条自由曲面叶顶应用于1.5级涡轮中,采用间隙相对泄漏流量、动叶下游总压损失系数和涡轮等熵级效率等气动参数去评估曲面叶顶结构在真实涡轮中的应用价值,并对间隙和流道内部的流场细节进行分析。研究结果表明,最优B样条自由曲面叶顶的压力边涡和刮削涡的共同作用要更强,能更具选择针对性地抑制间隙泄漏流动,同时能更有效地削弱泄漏涡的强度,进一步降低涡轮的气动损失,提升设计工况下的涡轮等熵效率。