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随着航空发动机推重比不断增大和大功率燃气轮机结构紧凑化的发展趋势，涡轮动叶叶片载荷不断提高，由此导致叶顶间隙泄漏流动增强，进而使动叶气动损失增大。针对这一问题，本论文采用风洞试验和数值模拟方法，研究不同叶顶结构涡轮叶栅的间隙泄漏流动特征，在此基础上，开展叶顶结构优化，并分析优化叶顶对泄漏流和叶栅性能的影响机理。研究旨在控制叶顶间隙泄漏以提高叶栅与涡轮效率。
研究内容包括以下四个方面:
一、翼型冠对涡轮平面叶栅性能的影响研究。针对翼型冠结构，采用数值模拟方法分析全周小翼宽度和部分冠位置对平面叶栅流场结构和气动性能的影响机理，获得部分冠位置的设计准则;在翼型冠叶顶上，增加两个密封齿，叶栅风洞试验和数值模拟结果表明密封齿能进一步提高翼型冠的间隙泄漏控制能力。
二、带翼型冠涡轮级性能和动叶旋转效应研究。基于LISA1.5级涡轮，采用数值模拟方法分析平顶、整冠、全周小翼和翼型冠对涡轮级气动性能的影响规律，研究表明两种动叶叶顶间隙下，翼型冠都能使涡轮效率提高;然后，基于该涡轮平顶和翼型冠动叶栅，通过数值模拟对比分析叶片旋转和机匣旋转对叶顶间隙泄漏流动和叶栅气动性能影响的异同，发现不同旋转条件下，翼型冠叶栅的气动损失都低于平顶叶栅。
三、基于源项的数值模拟(SCFD)技术及其在翼型冠喷气孔优化中的应用。为节省数值计算成本，建立带源项模型的流动传热控制方程，通过模拟典型涡轮流动和传热问题，分析均匀网格和湍流模型方程源项对SCFD计算准确性的影响;然后，采用SCFD、基于贴体网格的数值模拟(BCFD)和叶栅风洞试验，研究有叶顶喷气时翼型冠叶栅的气动性能，结果表明不同喷气流量下，SCFD预测的叶栅损失与BCFD和试验结果一致，基于此，通过使用SCFD的数值优化方法，获得使叶栅性能提高的翼型冠叶顶喷气孔布置。
四、动叶叶顶结构拓扑优化研究。采用SCFD、拟灵敏度和伴随灵敏度分析方法，建立流体拓扑优化体系。以进出口总压损失最小为优化目标，首先对突扩管和U型管流道进行设计，以分析拓扑优化生成损失小性能高流路的潜力;基于二维叶顶间隙泄漏模型，开发叶顶结构的拓扑优化算法，并对三维涡轮叶栅不同轴向位置截面的叶顶结构开展拓扑优化设计，通过风洞试验和数值计算表明优化叶顶能抑制间隙内部的泄漏损失和间隙出口的泄漏流量，从而使叶栅气动性能提高。
以上研究为翼型冠的工程应用和为流体拓扑优化应用于涡轮动叶叶顶结构设计提供了理论依据和技术支撑。
研究内容包括以下四个方面:
一、翼型冠对涡轮平面叶栅性能的影响研究。针对翼型冠结构，采用数值模拟方法分析全周小翼宽度和部分冠位置对平面叶栅流场结构和气动性能的影响机理，获得部分冠位置的设计准则;在翼型冠叶顶上，增加两个密封齿，叶栅风洞试验和数值模拟结果表明密封齿能进一步提高翼型冠的间隙泄漏控制能力。
二、带翼型冠涡轮级性能和动叶旋转效应研究。基于LISA1.5级涡轮，采用数值模拟方法分析平顶、整冠、全周小翼和翼型冠对涡轮级气动性能的影响规律，研究表明两种动叶叶顶间隙下，翼型冠都能使涡轮效率提高;然后，基于该涡轮平顶和翼型冠动叶栅，通过数值模拟对比分析叶片旋转和机匣旋转对叶顶间隙泄漏流动和叶栅气动性能影响的异同，发现不同旋转条件下，翼型冠叶栅的气动损失都低于平顶叶栅。
三、基于源项的数值模拟(SCFD)技术及其在翼型冠喷气孔优化中的应用。为节省数值计算成本，建立带源项模型的流动传热控制方程，通过模拟典型涡轮流动和传热问题，分析均匀网格和湍流模型方程源项对SCFD计算准确性的影响;然后，采用SCFD、基于贴体网格的数值模拟(BCFD)和叶栅风洞试验，研究有叶顶喷气时翼型冠叶栅的气动性能，结果表明不同喷气流量下，SCFD预测的叶栅损失与BCFD和试验结果一致，基于此，通过使用SCFD的数值优化方法，获得使叶栅性能提高的翼型冠叶顶喷气孔布置。
四、动叶叶顶结构拓扑优化研究。采用SCFD、拟灵敏度和伴随灵敏度分析方法，建立流体拓扑优化体系。以进出口总压损失最小为优化目标，首先对突扩管和U型管流道进行设计，以分析拓扑优化生成损失小性能高流路的潜力;基于二维叶顶间隙泄漏模型，开发叶顶结构的拓扑优化算法，并对三维涡轮叶栅不同轴向位置截面的叶顶结构开展拓扑优化设计，通过风洞试验和数值计算表明优化叶顶能抑制间隙内部的泄漏损失和间隙出口的泄漏流量，从而使叶栅气动性能提高。
以上研究为翼型冠的工程应用和为流体拓扑优化应用于涡轮动叶叶顶结构设计提供了理论依据和技术支撑。