作为国防和民用动力装置的核心部件之一,涡轮正不断朝着结构更紧凑、级数更少、重量更轻且效率更高的方向发展,这使得涡轮级负荷增大、内部处于跨声速流动状态,且局部进气结构型式使得高负荷涡轮进气扇区之后的各排动静叶工作在周向非均匀的来流条件,叶排内部流动情况更加复杂的同时,各级动叶也承受着更强烈的非定常气流激振力的作用。因而,系统研究局部进气条件下,高负荷涡轮优化设计方法,理清局部进气涡轮内部非定常流动损失特点和气流激振特性,在此基础上找出进一步改善高负荷局部进气涡轮性能的流动组织方法和构型方式,对于该类型涡轮应用领域的进一步发展有着重要意义。具有低耗气量、高负荷、低展弦比特点的涡轮,采取局部进气的结构型式可以增加涡轮叶片高度,以降低小流量条件下,叶片高度过小所带来的急剧增加的二次流损失和加工制造时的难度。另外,局部进汽的结构型式在采用喷嘴配汽的汽轮机调节级中也有应用,可以减小配汽时的节流损失,提升部分负荷条件下机组的效率。本文首先对局部进气涡轮进行了优化设计研究。利用MATLAB对现有软件模块进行二次开发,实现各模块之间的数据传递,建立了能够在全周进气单流道和局部进气环境下对双级局部进气涡轮进行分步优化设计的平台,并基于神经网络训练所得到的反映各阶段优化参数与涡轮气动性能之间映射关系的近似模型和粒子群-遗传混合算法的全局寻优,获得了双级局部进气涡轮各阶段的优化结果。通过OPT STEP1、OPT STEP2的优化,在考虑该类型涡轮反动度对局部进气构型后泄漏损失影响的前提下,对全周进气单流道条件下涡轮内各叶排间的冲角状态和气动参数进行重新优化组织,并对第一级动叶通过弯优化减少了上下通道涡相互干涉造成的高损失区域,使全周进气单流道条件下优化结果single-OPT2的总静效率较原型累计提升了 3.24%。随后对single-OPT2进行局部进气构型得到双级局部进气涡轮PA-OPT1,其总静效率较原型PA-ORI提升了 2.87%。在前两步优化结果的基础上,OPT STEP3进一步在局部进气环境下对r1动叶叶型进行优化,显著改善了局部进气条件下动叶排根部的流动状态,消除了在进入进气段影响区域时动叶排根部前缘吸力面的分离,同时使得沿周向窜流的净流量较PA-OPT1减小了10.30%。总体来看,优化后的双级局部进气涡轮PA-OPT2其总静效率较PA-OPT1提升了 0.85%,较原型PA-ORI累计提升了 3.72%。在此基础上,对不同结构型式局部进气涡轮非定常流动特性进行了数值研究。对于第二级静叶排也采用局部进气结构型式的case3方案,其第一级动叶排内,处于非进气段后所对应的动叶区域整体静压水平更高,与进气段后所对应的动叶区域的压差较case2小,由局部进气引起的周向窜流、掺混的程度低,其第一级动叶内的时均能量损失水平更低。同时,从前面级来流流体经由第二级局部进气静叶流道收集整合后,再进入第二级动叶内做功,使得case3第二级静叶排进气流道内部流场状态与第二级静叶排全周进气的case2方案相比,更接近全周进气casel时的“理想”状态,流体在第二级静叶排内的掺混损失更小,其后所对应的第二级动叶也更多地工作在接近全周进气来流条件下的高效状态。与case2相比,case3第一级时均总总效率、第二级时均总静效率以及两级总静效率分别提升了 3.14%、8.62%和4.13%。但对于case3,由于不能像case2那样利用第二级全周静叶排对来流进行充分掺混和均化,使得case3第二级动叶所受气流激振力的强度更强,其动叶所受最大交变应力值较case2上升了 32.58%。局部进气条件下,静叶时序位置改变对第二级动、静叶的损失均有显著影响,最佳时序位置方案PA₃.0第二级静叶排的时均能量损失系数较最差时序位置方案PA₀.0上升了 5.12%,而第二级动叶排的时均能量损失系数则下降了 7.49%。最佳时序位置方案PA₃.0时均总静和总总效率分别较最差时序位置方案PA₀.0上升了 1.35%和1.16%。随后,在小局部进气度条件下,设计了单/双向进气再入式涡轮,发现双向进气再入式涡轮整体结构更加紧凑,且可以获得相对较高的总体性能。进气扇区周向布置距离较小、再入扇区内静叶合理调整、选择合适的重复进气次数可以有效提升再入式涡轮总体性能。与双级局部进气涡轮相比,再入式涡轮在较宽的转速范围内依然维持较高的效率水平,且在低膨胀比条件下效率水平也更高。最后,对涡轮模拟试验参数的选取方法进行了阐述,介绍了局部进气涡轮试验台总体结构、试验件各部分设计方案、局部进气涡轮试验测量方案以及试验件关键部件的加工方案,为下一阶段局部进气涡轮试验研究工作奠定了基础。