低压涡轮高负荷设计是减轻低压涡轮部件重量,提升军用发动机推重比、民用发动机经济性的有效途径之一。然而叶片负荷的提高势必会增大端区横向压差,增强二次流、加剧损失。尤其是Zweifel数1.4以上的超高负荷低压涡轮,其内部存在异常严重的流动分离现象,极大地限制了超高负荷叶片在低压涡轮设计中的应用。本文针对高性能航空发动机设计中这一重要技术瓶颈,围绕低压涡轮端区非定常流动机理及流动损失控制等问题,以具有尾迹扫掠模拟功能的低速大尺寸叶栅风洞为实验载体,采用实验和数值计算相结合的研究方法,深入细致地开展了以下4方面的研究工作:(1)典型低压涡轮内部端区二次流的演化机制:以典型常规负荷低压涡轮叶片为研究对象,采用实验测试为主,数值计算为辅的研究方法,重点分析了低压涡轮内部端区二次流的非定常演化机制,掌握了上游尾迹对端区二次流、叶片附面层以及相关损失的影响规律,详细探讨了来流雷诺数、端壁边界层厚度对端区二次流的影响机理,并尝试利用上游尾迹扫掠抑制端区二次流的发展。研究发现:上游尾迹可以改善叶栅前缘攻角特性,降低叶片前端负荷,尾迹中的正负涡团与轮毂通道涡相互作用交替进行,二次湍动能在整个周期内的时均值降低,削弱了端区二次流的强度。(2)上游尾迹扫掠下低压涡轮端区二次流非定常时空演化机制及建立端区涡系结构模型:在典型低压涡轮叶片的基础上发展了两套不同负荷分布的超高负荷低压涡轮叶片(Zw=1.58),重点分析了上游尾迹与超高负荷低压涡轮端区二次流的相互作用机理,在定常和非定常气动环境下获得了来流雷诺数、尾迹扫掠频率和叶片负荷分布对端区二次流特性及其损失发展的影响规律。在此基础上,通过凝练总结定常和非定常工况下端区复杂涡系结构的迁移规律,完善并建立了超高负荷低压涡轮端区定常和非定常涡系结构模型,进一步深化对超高负荷低压涡轮端区二次流形成和发展过程的认识。(3)上游尾迹与非轴对称端壁对端区二次流耦合控制机理研究:非轴对称端壁的设计优化需要考虑上游非定常效应的影响,否则定常工况下设计的非轴对称端壁应用在真实涡轮环境下很可能出现负面效应。以尾迹周期性扫掠下低压涡轮端区二次流发展演化规律为出发点,优化非轴对称端壁几何结构参数,在非定常尾迹扫掠下揭示非轴对称端壁对端区二次流及其涡系结构影响机理;在此基础上,进一步提升叶片负荷,在定常和非定常工况下,对比光滑壁面和非轴对称端壁作用下的超高负荷低压涡轮端区涡系结构的流场变化;初步建立上游尾迹与非轴对称端壁的耦合机制,结果表明,上游尾迹耦合非轴对称端壁较大限度地进一步抑制低压涡轮端区流动分离。(4)激振器射流与端壁抽吸对附面层和二次流的综合调控机制研究:将机理性研究成果应用到低压涡轮流动控制当中,探索了超高负荷低压涡轮端区流动损失的新型控制方法。针对低雷诺数下超高负荷后加载叶片吸力面出现开式大分离的问题,采用大涡模拟的计算方法,开展了脉冲射流式涡激振器对超高负荷低压涡轮附面层的调控机制研究;随后详细分析了尾迹扫掠下端壁边界层抽吸对超高负荷低压涡轮端区二次流的控制机理;最后探讨了射流式涡激振器和端壁边界层抽吸对吸力面附面层和端区二次流的综合调控机制,实现吸力面射流与端壁边界层抽吸流量的平衡,达到削弱二次流、抑制吸力面分离泡的目的,使超高负荷低压涡轮气动损失减小约66.8%,显著提升了低压涡轮部件的气动性能,为超高负荷低压涡轮内部流动损失的综合调控提供了一个新的思路。