航空发动机涡轮动叶与机匣之间通常会留有一定高度的间隙来防止两者之间的摩擦,称为叶尖间隙。主流气体流过涡轮的过程中在叶片压力侧和吸力侧压差作用下流过叶尖间隙,不仅会造成泄漏损失,还会在叶尖表面形成过高的热负荷,引起严重的腐蚀和氧化,因此对叶尖形状进行改进并设计叶尖冷却是涡轮叶片研究的一个技术关键。突肩叶尖不仅可以允许更小的间隙高度,而且可以形成迷宫封严,从而减小间隙泄漏流量,进而使得间隙泄漏损失和换热量减小,因此在工程上得到了广泛的应用。本文以突肩叶尖为研究对象,对其间隙泄漏流动换热特性开展了数值和实验研究。主要的研究内容及结论如下:1、数值研究了无气膜冷却突肩叶尖间隙泄漏流动换热的形成机理,展示了间隙泄漏流场、间隙泄漏涡的发展以及叶尖表面压力系数和换热系数分布,并对其间隙泄漏流场进行了详细划分,分析了间隙高度、突肩高度和相对机匣运动对叶尖间隙泄漏流动换热特性的影响规律。结果表明:随着间隙高度的增加,间隙泄漏流量增大,进而使得间隙泄漏损失增大,叶尖表面换热系数增大;随着突肩高度的增加,突肩对泄漏流的阻碍作用增大,间隙泄漏流量减小,间隙泄漏损失减小,叶尖表面换热系数先增大后减小;相对机匣运动会使凹槽内机匣下方吸力侧突肩附近形成一个刮擦涡,对泄漏流有阻碍作用,因此间隙泄漏流量减小,间隙泄漏损失减小,叶尖表面换热系数减小。2、根据突肩叶尖间隙泄漏流场特征,从减小泄漏流与主流掺混的角度提出了3种开槽结构,并数值研究了其间隙泄漏流动换热特性。结果表明:压力侧尾缘开槽会使尾缘的泄漏流阻降低,间隙泄漏流量增大,进而使得间隙泄漏损失增大,叶尖表面尾缘区域换热系数增大,开槽长度越大越明显;吸力侧尾缘开槽一方面会使尾缘处泄漏流阻降低,总间隙泄漏流量增大,另一方面可以改变开槽附近泄漏流体的流动路径,有效抑制其与主流的掺混,当开槽长度适当时间隙泄漏损失最小,研究范围内SS-TEcut2获得了最小的间隙泄漏损失;吸力侧前缘开槽会使前缘区域泄漏流阻减小,间隙泄漏流量增大,但是部分泄漏流会沿着叶片吸力面流向尾缘而不与主流发生掺混,因此间隙泄漏损失微弱减小,且吸力侧前缘开槽会使叶尖前缘区域靠近吸力侧的换热系数减小,靠近压力侧的换热系数增大。3、数值研究了气膜孔位置、气膜孔距离和气膜孔角度等因素对带气膜冷却突肩叶尖间隙泄漏流动和冷却特性的影响。结果表明:冷却射流会使进入间隙的泄漏流量略微减小,间隙泄漏损失略微增大,不同的气膜孔位置突肩叶尖的间隙泄漏流量和泄漏损失差别很小;不同气膜孔位置突肩叶尖气膜覆盖范围不同,当气膜孔排布方式为type-C时,整个凹槽底面均有较高的气膜冷却效率;在type-C基础上对气膜孔距离和角度进行局部改进可以使叶尖气膜冷却效率更好。4、数值研究了压力侧尾缘开槽和吸力侧尾缘开槽对带气膜冷却突肩叶尖间隙泄漏流动和冷却特性的影响。结果表明:压力侧尾缘开槽对冷却气体的流动有两方面的影响,一方面会使大部分冷却气体在开槽位置之前离开凹槽底面,另一方面在开槽位置有部分气膜覆盖。相比全突肩叶尖,type-A在压力侧尾缘开槽长度较大时(TA-PScut1)会使尾缘的气膜冷却效率减小,开槽长度较小时(TA-PScut3)会使尾缘的气膜冷却效率增大,而type-D压力侧尾缘开槽均会使尾缘的气膜冷却效率减小;吸力侧尾缘开槽会使部分冷却气体在泄漏流的作用下从开槽处流出间隙,开槽位置有良好的气膜覆盖,开槽长度越大,冷却气体对凹槽底面的覆盖范围越大。5、数值研究了相对机匣运动对带气膜冷却全突肩叶尖和吸力侧尾缘开槽突肩叶尖间隙泄漏流动和冷却特性的影响。结果表明:相对机匣运动会使间隙泄漏流量和泄漏损失减小,而对不同气膜孔排布方式的叶尖气膜冷却效率影响不同。相对机匣运动对type-B的叶尖气膜冷却效率影响很小,对type-D的叶尖气膜冷却效率影响最大,会使type-D中弦区域压力侧附近的气膜冷却效率减小。相对机匣运动对带气膜冷却吸力侧尾缘开槽突肩叶尖的影响与全突肩叶尖一致,对尾缘区域的气膜冷却效率影响很小。此外,本文还提出了一种新的叶尖形式,并在其吸力侧尾缘开槽,使得相对机匣运动条件下突肩叶尖间隙泄漏损失较小,气膜冷却效率较大。6、实验研究和数值分析了气膜孔位置、间隙高度和吹风比等因素对带气膜冷却突肩叶尖间隙泄漏流动和冷却特性的影响。结果表明:数值计算与实验结果吻合较好;不同气膜孔位置突肩叶尖的气膜冷却效率差别较大,当更多的气膜孔合理地布置在前缘和中弦区域时(type-EF),叶尖前半部分的气膜冷却效率将远大于其余的气膜孔排布形式;间隙高度较小或者吹风比较大时,叶尖气膜冷却效率较大;当冷却气体流量相同时,type-EF除尾缘区域外的叶尖气膜冷却效率最好,type-EC的气膜覆盖在轴向弦长方向最大,type-ED的叶尖气膜冷却效率最小。