涡轮叶尖泄漏严重影响发动机性能,有效抑制叶尖泄漏并冷却叶尖是提高涡轮效率和可靠性的关键之一。本文以航空发动机涡轮叶尖间隙泄漏控制技术和冷却技术为研究背景,深入研究间隙泄漏产生机制、叶尖几何参数和流动参数对间隙流动换热的影响规律。首先,数值研究了无射流条件下平顶叶尖间隙泄漏流流动与换热,研究内容包括无射流时叶尖间隙泄漏流场结构、叶栅出口截面总压损失系数及叶尖换热系数分布。详细研究了间隙高度、叶栅进口参数及机匣相对转动对间隙泄漏流动换热的影响规律。研究结果表明:叶尖区域由于间隙泄漏流动会形成间隙分离涡和间隙泄漏涡。叶尖间隙分离涡影响范围较小,而泄漏涡的影响范围能达到75%叶高以上的叶尖区域。受间隙泄漏流动影响,叶顶前缘由于边界层较薄,换热系数会较高,叶顶中部的泄漏流量较大,换热系数也较高,而叶顶压力面侧以及吸力面侧由于分离涡和泄漏涡核对壁面的扰动,换热系数也会较高。间隙高度对泄漏流流动换热特性影响较显著,随间隙高度增加泄漏流量线性增加,气动效率线性降低,泄漏总压损失系数增大,换热系数增加。与间隙高度变化相比,叶栅进口冲角和湍流度对泄漏流流动换热影响很微弱。机匣相对转动会降低10%泄漏流量和10%泄漏总压损失系数,增加0.16%气动效率,叶尖换热系数降低约为5%。其次,数值研究了无射流条件下突肩和平翼叶尖间隙泄漏流流动与换热,详细研究了突肩及平翼叶尖几何参数对泄漏流流动换热的影响规律。研究结果表明:泄漏流在突肩叶尖凹槽腔内形成剧烈涡流使间隙内的静压升高,这是突肩叶尖能增加泄漏流阻的本质原因。与平顶叶尖相比,突肩叶尖能增加气动效率降低泄漏流量和总压损失系数,但突肩叶尖形成的凹槽式结构会使泄漏流在叶尖腔内产生剧烈扰动,从而增加叶尖换热系数。突肩高度增加时泄漏流流过间隙的流阻增大,但突肩高度有一个最佳值,而叶尖换热系数随突肩高度增加而增加。突肩宽度变化对泄漏流流动换热的影响很小。平翼叶尖主要通过抑制流体径向进入叶尖间隙而减少泄漏流,因此平翼叶尖泄漏流量和总压损失系数都比平顶叶尖低。平翼叶尖叶顶换热系数较低,但压力侧平翼本身换热系数会较大。平翼宽度增加后对泄漏流动阻挡作用也增强,但平翼本身的换热系数会增大。平翼高度变化对泄漏流流动换热的影响较小。然后,数值研究了叶顶有冷却射流条件下的间隙泄漏流流动换热情况。详细研究了平顶叶尖射流孔位置、射流喷气角度及吹风比等参数对气动效率、泄漏流量、泄漏损失及气膜冷效的影响,对比研究了平顶叶尖与突肩和平翼叶尖叶顶有冷却射流时的间隙泄漏流流动与换热。研究结果表明:有射流情况下叶尖区域整体流动状态与无射流时的流动状态相似,相比叶尖无射流的情况,叶尖有冷却射流时气动效率增加,泄漏流量略有降低,泄漏总压损失系数增加。叶尖有射流时射流孔后气膜冷却效率较高,而叶尖前缘、压力面侧以及前缘附近的吸力面侧气膜冷效较低,这些区域都是叶尖冷却射流无法达到的区域。改变射流孔位置时,压力侧射流孔气动效率最高、泄漏流量和总压损失系数最小,并且气膜冷却效果最好。改变射流喷气角度时,90度射流孔气动效率最高、泄漏流量和总压损失系数最小,但随着射流角度增加,叶尖气膜冷效降低,即射流的冷效效果变差。射流吹风比越大,气动效率越高、泄漏流量越低,但吹风比增大时总压损失系数也会增加,叶尖气膜冷效随着吹风比增加而增大。平顶、突肩和平翼叶尖有射流条件下气动效率都会提高、泄漏流量都会降低、总压损失系数都会增加。突肩叶尖气动效率最高、泄漏流量最小、总压损失系数最小,平顶叶尖气动效率最低、泄漏流量最大、总压损失系数最大。吹风比小于1.1时突肩叶尖气膜冷却效率低于平顶叶尖,而吹风比较大时气膜冷却效率会高于平顶叶尖。吹风比从0.45到1.78时,平翼叶尖气膜冷效都低于平顶叶尖。平顶叶尖、突肩叶尖和平翼叶尖气膜冷效都随吹风比增加而增大。最后采用PIV对某型带有冷却气流的涡轮叶片叶冠间隙流场进行了分析,并对叶冠间隙泄漏流动特性和换热特性进行了实验研究和数值计算,分析了叶尖间隙高度、泄漏流雷诺数、前后孔岀流比对叶冠泄漏总压损失系数和换热系数的影响。研究结果表明:叶冠腔内存在一低速带,这是因为前孔冷却气流与后孔冷却气流的注入使得叶冠腔内压力升高,从而阻碍了泄漏流的流动。前孔冷却流与后孔冷却流对间隙泄漏流均会有一定的阻挡作用,前孔冷却流的阻挡作用更为明显。随前孔与后孔岀流比增加,前孔流及后孔流对泄漏流的阻挡作用增强。随着泄漏流雷诺数增大,叶冠泄漏总压损失系数不断增大,叶冠平均换热系数增大。叶冠泄漏总压损失系数随前孔岀流比增大而增大,随后孔岀流比基本无变化;换热系数随前后孔岀流比增大而增大,其中前孔出流比的影响较为显著。随着间隙高度的减小,叶冠泄漏总压损失系数增大,且小间隙下总压损失系数随泄漏流雷诺数和前孔岀流比增长较快。间隙高度减小,换热系数增大,并且换热系数随间隙减小增长加快。