现代航空工业的发展,要求不断提高航空发动机的性能,压气机作为核心部件之一,实现其高负荷、高效率的目标具有十分重要的意义。在高负荷压气机的设计过程中,由加工精度、机械振动、人工操作失误等不确定性因素带来的微小几何形变对压气机端区流动乃至整机性能有重要影响,研究这些微小形变因素带来的影响规律并搭建考虑不确定性因素的叶片端部鲁棒性优化方法是实现高负荷、高效率压气机设计的重要基础。本文首先建立了端区附面层在轴流压气机环境中的厚度发展模型,并详细研究了不同转速、不同做功工况条件下附面层厚度的变化规律。随后分别使用端弯、端部二面角以及端掠三种传统叶片端部处理方式对端区流动施加控制措施。研究表明传统的叶片端部处理虽能改善端区流动,但效果不再明显,而借助优化算法并考虑不确定性因素影响的改进型叶片端部处理技术更具发展潜力。其次研究了压气机中常见的微小几何形变:间隙尺寸、表面粗糙度、前缘形状以及叶根倒圆等带来的不确定性因素对于端区流动及整机性能的影响规律。研究发现,随着间隙尺寸的增大,压气机气动效率显著下降,非均匀间隙设计较传统均匀间隙设计的气动性能更佳。表面粗糙度的增加导致压气机气动效率以及流通能力的恶化,就压气机峰值效率而言,叶片表面粗糙度导致了绝大部分的性能衰退,轮毂表面粗糙度的影响次之,机匣表面粗糙度导致的影响最小。叶片前缘由圆形变为椭圆形状之后,流动由层流过渡到全湍流状态的转捩过程被延缓,总压损失随着前缘椭圆度的增大呈单调下降趋势。叶根倒圆半径小于来流附面层位移厚度时,倒圆的存在对于压气机效率及总压比有提升作用;而当倒圆半径大于来流附面层位移厚度时,叶根倒圆使压气机流动损失增大。随后基于Python语言将不确定性量化分析程序Dakota与流场求解软件ANSYS CFX结合,搭建了针对高负荷压气机中典型微小几何形变影响的不确定性量化分析平台。研究表明,多项式混沌展开法在不确定性量化分析方面较传统蒙特卡洛法有明显优势,其预测精度更高且所需计算成本更低。压气机绝热效率和流通能力对不确定性因素的敏感性排序大体一致:叶片厚度及表面粗糙度导致的影响最明显,进口湍流度次之,随后是端壁表面粗糙度,间隙尺寸,影响最小的是进口总压;对于压气机喘振裕度而言,进口总压的重要性得到提升,而进口湍流度的影响被弱化。借助该不确定性分析平台,还得到了压气机在间隙尺寸以及表面粗糙度不确定性影响下的性能概率分布结果。最后在不确定性量化分析平台基础上形成了NAGA-II+PCE+Kriging组合型鲁棒性优化设计方法,并提出了四种优化策略。优化策略一基于优化算法对传统端部处理技术进行改进,改型叶片在叶根区域表现为端掠与端部二面角的结合,在叶顶区域表现为端掠与端弯的组合。优化策略二在考虑表面粗糙度影响的前提下对压气机叶片端部进行优化设计,结果证明,对于单级压气机设计而言,表面粗糙度因素在设计阶段出现的先后位置并不会影响最终的优化结果。优化策略三对间隙尺寸分布进行优化设计,压气机绝热效率被提高约0.64%,喘振裕度被拓宽约48.18%;与原型相比,压气机绝热效率增益的88%源于平均间隙尺寸的减少,而喘振裕度拓宽的30%源于间隙斜率的调整。优化策略四完成了考虑间隙尺寸不确定性因素影响的叶片端部鲁棒性优化设计,优化结果表明:压气机绝热效率以及压比期望值得到提升的同时,相应的统计方差值被进一步缩小。流场的改善源于主要气动载荷向下游的推移,证明了后弦向位置主载荷设计的叶片性能对微小几何形变因素带来的影响更具鲁棒性。