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随着航空发动机的经济性指标不断提升，涡轮部件正面临着越来越严苛的来流温度和单级负荷。对于涡轮动叶，叶顶间隙泄漏流动削弱了燃气的做功能力，泄漏流体将在吸力侧通道内形成泄漏涡结构，加剧动叶通道内部的二次流动损失。叶顶间隙泄漏流动还将加剧叶顶表面的换热强度，损害动叶的有效使用寿命。叶顶间隙泄漏控制技术包括叶顶围带、凹槽叶顶等被动控制技术和叶顶射流等主动控制技术。蜂窝叶顶是一种基于蜂窝密封的叶顶结构，能够改善叶顶间隙泄漏流动及相关损失，能够在叶顶与机匣摩擦碰撞过程中保护叶片主体，因而在涡轮叶顶间隙泄漏控制领域具有应用潜力。
本文尝试利用射流来增强蜂窝叶顶对间隙泄漏流动的抑制作用，在涡轮叶栅模型中结合数值计算和风洞实验分析了射流蜂窝叶顶的气动性能。鉴于上述叶顶结构的泄漏阻碍机制尚不明确，本文参照密封领域的有关研究构建了蜂窝结构和射流蜂窝结构的平板密封模型。本文还尝试将上述叶顶结构应用于真实1.5级涡轮模型，评估叶顶结构对真实涡轮性能的提升效果。另一方面，本文针对组合蜂窝叶顶开展了优化研究。
首先，本文在平板密封模型中研究了蜂窝结构和射流蜂窝结构的密封机制。利用间隙内部的速度、静压分布等分析了上述密封结构的作用，提出了流量损失厚度和动量损失厚度来精确表述密封结构对流场的影响，探讨了蜂窝深度和射流强度对密封性能的影响，开展了不同来流雷诺数或间隙高度条件下的适用性研究。研究结果表明，蜂窝结构和射流蜂窝结构增加了平板密封段的摩擦系数，使得泄漏流量分别减小约13.3%和19.7%。密封结构增加了泄漏流动的流量损失厚度和动量损失厚度，减小了泄漏流体的有效通流面积，增大了沿程泄漏流动阻力。部分泄漏流体将被蜂窝侧壁面阻拦，进入蜂窝腔并维持腔内的旋涡运动，滞止高压也将在间隙内形成局部的阻塞效果。
其次，本文在涡轮叶栅模型中开展了组合蜂窝叶顶的结构优化研究。以组合蜂窝叶顶的结构参数和间隙泄漏流量分别作为输入变量和设计目标，利用基于代理模型的遗传算法搜索并获得最优的叶顶结构，完成了最优叶顶结构的数值计算和风洞实验。研究结果表明，最优叶顶的数值结果证明了上述优化策略的预测和搜索精度，最优叶顶能够减小泄漏流量约16.81%。蜂窝深度是影响间隙泄漏流量的重要因素，高度比和边长比的影响规律较为复杂。除了间隙压力侧分离泡外，涡轮叶顶间隙内部的流场结构与平板密封模型基本相似。最优叶顶结构能够加速泄漏流体在蜂窝腔内的循环速率，从而获取更强的泄漏流动抑制效果。叶顶结构也将影响叶栅下游通道内泄漏涡、上通道涡等结构的相对位置及有关损失。
同时，本文在涡轮叶栅模型中开展了射流蜂窝叶顶的性能研究。分析了射流蜂窝叶顶对涡轮叶栅气动性能和换热状况的改善作用，探讨了射流方位角、射流位置、蜂窝深度和射流强度等对涡轮叶栅性能的影响，开展了不同机匣运动速度或间隙高度条件下射流蜂窝叶顶的气动性能研究，并且完成了射流蜂窝叶顶的涡轮叶栅风洞实验。研究结果表明，射流蜂窝叶顶能够降低间隙泄漏流量和叶栅下游的平均总压损失分别约27.6%和2.6%。射流能够加快蜂窝腔内泄漏流体的循环速率，增强蜂窝叶顶对泄漏流动的抑制作用。冷却射流还能够降低蜂窝叶顶的整体换热强度，改善叶片吸力面的局部换热状况。
最后，本文在真实1.5级涡轮模型中开展了射流蜂窝叶顶的应用研究。对比分析了间隙泄漏流量、涡轮等熵效率和动叶出口平均总压损失等主要性能参数，分析了间隙及动叶通道内的流场结构，探讨了蜂窝深度、射流强度对涡轮气动性能的影响，开展了不同转速或间隙高度条件下射流蜂窝叶顶的气动性能研究。研究结果表明，蜂窝叶顶和射流蜂窝叶顶能够减小间隙泄漏流量分别约8.74%和63.95%，并且提高涡轮等熵效率。在转子相对坐标系下，叶顶间隙内部的流场结构与涡轮叶栅模型相似，射流流体与泄漏流体的动量交换将增加沿程的泄漏流动阻力。
本文尝试利用射流来增强蜂窝叶顶对间隙泄漏流动的抑制作用，在涡轮叶栅模型中结合数值计算和风洞实验分析了射流蜂窝叶顶的气动性能。鉴于上述叶顶结构的泄漏阻碍机制尚不明确，本文参照密封领域的有关研究构建了蜂窝结构和射流蜂窝结构的平板密封模型。本文还尝试将上述叶顶结构应用于真实1.5级涡轮模型，评估叶顶结构对真实涡轮性能的提升效果。另一方面，本文针对组合蜂窝叶顶开展了优化研究。
首先，本文在平板密封模型中研究了蜂窝结构和射流蜂窝结构的密封机制。利用间隙内部的速度、静压分布等分析了上述密封结构的作用，提出了流量损失厚度和动量损失厚度来精确表述密封结构对流场的影响，探讨了蜂窝深度和射流强度对密封性能的影响，开展了不同来流雷诺数或间隙高度条件下的适用性研究。研究结果表明，蜂窝结构和射流蜂窝结构增加了平板密封段的摩擦系数，使得泄漏流量分别减小约13.3%和19.7%。密封结构增加了泄漏流动的流量损失厚度和动量损失厚度，减小了泄漏流体的有效通流面积，增大了沿程泄漏流动阻力。部分泄漏流体将被蜂窝侧壁面阻拦，进入蜂窝腔并维持腔内的旋涡运动，滞止高压也将在间隙内形成局部的阻塞效果。
其次，本文在涡轮叶栅模型中开展了组合蜂窝叶顶的结构优化研究。以组合蜂窝叶顶的结构参数和间隙泄漏流量分别作为输入变量和设计目标，利用基于代理模型的遗传算法搜索并获得最优的叶顶结构，完成了最优叶顶结构的数值计算和风洞实验。研究结果表明，最优叶顶的数值结果证明了上述优化策略的预测和搜索精度，最优叶顶能够减小泄漏流量约16.81%。蜂窝深度是影响间隙泄漏流量的重要因素，高度比和边长比的影响规律较为复杂。除了间隙压力侧分离泡外，涡轮叶顶间隙内部的流场结构与平板密封模型基本相似。最优叶顶结构能够加速泄漏流体在蜂窝腔内的循环速率，从而获取更强的泄漏流动抑制效果。叶顶结构也将影响叶栅下游通道内泄漏涡、上通道涡等结构的相对位置及有关损失。
同时，本文在涡轮叶栅模型中开展了射流蜂窝叶顶的性能研究。分析了射流蜂窝叶顶对涡轮叶栅气动性能和换热状况的改善作用，探讨了射流方位角、射流位置、蜂窝深度和射流强度等对涡轮叶栅性能的影响，开展了不同机匣运动速度或间隙高度条件下射流蜂窝叶顶的气动性能研究，并且完成了射流蜂窝叶顶的涡轮叶栅风洞实验。研究结果表明，射流蜂窝叶顶能够降低间隙泄漏流量和叶栅下游的平均总压损失分别约27.6%和2.6%。射流能够加快蜂窝腔内泄漏流体的循环速率，增强蜂窝叶顶对泄漏流动的抑制作用。冷却射流还能够降低蜂窝叶顶的整体换热强度，改善叶片吸力面的局部换热状况。
最后，本文在真实1.5级涡轮模型中开展了射流蜂窝叶顶的应用研究。对比分析了间隙泄漏流量、涡轮等熵效率和动叶出口平均总压损失等主要性能参数，分析了间隙及动叶通道内的流场结构，探讨了蜂窝深度、射流强度对涡轮气动性能的影响，开展了不同转速或间隙高度条件下射流蜂窝叶顶的气动性能研究。研究结果表明，蜂窝叶顶和射流蜂窝叶顶能够减小间隙泄漏流量分别约8.74%和63.95%，并且提高涡轮等熵效率。在转子相对坐标系下，叶顶间隙内部的流场结构与涡轮叶栅模型相似，射流流体与泄漏流体的动量交换将增加沿程的泄漏流动阻力。