随着飞行器对动力要求越来越高,传统涡轮设计技术已经难以满足未来航空燃气涡轮发动机对涡轮性能进一步提升的需求。因此,综合考虑多种对涡轮性能影响因素的精细化设计成为主流,多种影响因素中涡轮轮缘封严气流对主流流动特性及性能的影响成为必须考虑的重要问题,深入研究涡轮轮缘封严气流与主流非定常干涉机理和损失控制方法具有重要的学术价值和工程应用意义。本文以1.5级涡轮为研究对象,对涡轮轮缘封严气流与主流非定常干涉的流动机理、损失机理、不同参数和结构的影响规律和端壁造型的影响机制等方面开展研究。主要内容如下:首先,分析了导叶、动叶和腔体内部及出口的非定常流场分布,研究了封严气流与主流二次流的非定常干涉机理。结果发现,0.9%的封严流量使得涡轮级效率降低0.56%。燃气入侵发生在导叶尾迹区域,封严出流发生在导叶吸力面下游,入侵主流受到封严气流的粘性阻滞会侵出并汇入到封严出流中。封严腔体出口轴向中间位置的静压梯度可以用于判断燃气入侵和封严出流的位置和强度。导叶造成腔体静止壁面附近形成交叉分布的正负涡量分布,腔体壁面的相对转动在转动壁面附近形成腔体诱导涡。封严出流通过堵塞作用减弱导叶轮毂二次流的强度,并且在腔体上方和下游挤压导叶轮毂二次流。同时,封严出流与主流的粘性剪切作用形成的剪切诱导涡增加了动叶轮毂二次流的径向位置和强度。燃气入侵等造成主流和封严气流发生动量交换,使得封严气流具有较高的非定常波动水平,封严气流进入主流通道加剧了动叶的非定常波动水平。其次,对不同损失对应的流动特性和损失机理开展了研究,提出了轮缘封严气流与主流干涉的损失分解量化方法。结果表明,轮缘封严气流与主流的干涉产生了四种损失:粘性剪切损失、堵塞效应损失、二次流交互作用损失和第二级导叶的附加损失。封严气流与主流的粘性剪切损失主要由两者之间的周向速度差造成。堵塞效应来源于高径向动量的封严出流对主流的局部挤压和阻塞作用,造成导叶叶型损失和轮毂二次流损失减小,而动叶叶型损失和叶尖二次流损失增加。由于封严出流与主流的周向和径向速度差、动叶通道内横向压力梯度和封严出流的堵塞效应,封严出流与动叶轮毂二次流的干涉产生了二次流交互作用损失。封严气流恶化了第二级导叶进气条件,在第二级导叶中造成了附加损失。基于四种损失具有明显的空间分布特性,结合粘性耗散系数差值云图的分布,提出了轮缘封严气流与主流干涉的损失分解量化方法。在设计工况下,粘性剪切损失的比例为67.68%,其它三种损失的权重相当。封严流量增加时,四种损失都增加;预旋比增加时,除了二次流交互作用损失,其它三种损失减小。然后,研究了不同封严流量、预旋比、落压比、转速、腔体轴向位置、倾斜角度和导流段结构对轮缘封严气流与主流非定常干涉流动和损失分布的影响。结果发现,封严流量、落压比、轴向位置比、倾斜角度和导流段倒圆角角度的增加都使得总损失增加,而预旋比和转速的增加使得总损失减小。从增减幅度来看,封严流量的影响最显著,1%封严流量使得总损失相对于设计工况平均增加约104.25%,预旋比其次,100%预旋比使得总损失相对于设计工况平均减小约24.46%,其它参数的影响较小。同时,封严流量、轴向位置比、倾斜角度和导流段倒圆角角度的增加都使得动叶的非定常波动水平增加,而预旋比的增加使得其减小。封严流量增加虽然减弱燃气入侵而降低了封严气流的非定常波动水平,但是通过增加封严出流的强度使得动叶的非定常波动水平增加,而倒圆角角度增加通过加剧燃气入侵使得封严气流和动叶的非定常波动水平都增加。最后,研究了导叶和动叶轮毂端壁造型以及导流段凸凹造型对封严气流造成损失的调控效果。结果发现,导叶轮毂端壁造型使得叶型载荷呈现出明显的后加载方式,减小了堵塞效应导叶损失,动叶轮毂端壁造型通过减小通道中段的叶表压差,减小了二次流交互作用损失。导叶和动叶结合的轮毂端壁造型进一步减小了二次流交互作用损失,使得总损失相对于基准减小了12.11%。导叶轮毂端壁造型增加了燃气入侵的区域和封严出流的径向速度,动叶轮毂端壁造型在动叶通道中调控了封严出流的流动方向,都增强了动叶的非定常波动水平,但是导叶和动叶结合的轮毂端壁造型的非定常波动水平降低。导流段凸凹造型对干涉损失的改善效果很小,导流段倒圆角造型与导叶和动叶结合的轮毂端壁造型组合,进一步改善了干涉损失和动叶的非定常波动水平,并减小了对于不同封严流量的敏感性,其总损失相对于基准减小了17.64%。