涡轮叶片高负荷设计能够通过提高叶片负荷水平的方式提高航空发动机的推重比水平,但也存在加大栅内二次流控制难度、提高二次流损失的负面影响。当前研究基于某涡轴发动机第一级动叶根部叶型,对比了变稠度设计与变转角设计对叶片负荷水平的影响及两类高负荷涡轮叶栅的流场特征,开展了叶片复合弯曲与端壁分区造型的设计与应用研究以及二者的联合设计与应用研究。此外,数值方法验证中还提出了一种可以保持风洞侧壁完整的实验系统周期性改进方案。涡轮叶片负荷调整研究分析了二维叶型参数与涡轮叶片负荷水平的关联,讨论了变稠度与变转角两种负荷调整方法以及两类高负荷涡轮叶栅的流场特征与二次流控制思路。研究结果表明:增大叶栅气流折转角、增大叶栅流道周向宽度与缩短叶栅轴向弦长均能有效提高叶片负荷水平,但出于强度等方面的考虑选用了变转角设计与变稠度设计。其中,变转角设计主要通过改变叶栅周向静压梯度调整叶片负荷水平,因而大转角高负荷叶栅中通道涡与吸力面附近流体存在较强的相互作用;变稠度设计主要通过改变流道周向宽度调整叶片负荷水平,因而低稠度高负荷叶栅吸力面边界层较易发生大尺度流动分离。在大转角高负荷涡轮叶栅的基础上,研究展示了叶片复合弯曲造型的设计思路与应用效果。复合弯曲设计是在常用反弯设计的基础上对叶片吸力面端部进行局部正弯造型的设计方法。研究结果表明在大转角高负荷涡轮叶栅中,叶身反弯设计通过调节吸力面叶展中部静压分布削弱了叶展中部吸力面中下游边界层,并抑制了脱落涡高损失区的低能流体堆积与二次流动;端部正弯设计通过增大周向迁移流体与吸力面夹角降低了周向迁移流体折转过程对通道涡与壁角涡的增强幅度,通过调节吸力面端部静压分布抑制了吸力面端部中下游吸力面边界层,削弱了吸力面角区的低能流体堆积与二次流动。因此,叶片复合弯曲设计在常用反弯设计的基础上进一步改善了叶栅端部流场,如在-20°叶身弯角下,复合弯曲设计对能量损失系数的降低幅度是常用反弯设计的1.66倍。在低稠度高负荷涡轮叶栅的基础上,研究展示了端壁分区造型设计的造型思路与应用效果。研究中,端壁分区造型主要由压力侧前缘凸起与吸力侧中下游凸起组成。研究结果表明,压力侧端壁凸起通过调节壁面坡度改变了压力面前缘端部流场的静压分布,抑制了栅前来流向叶栅端部的折转以及折转后流体的周向迁移趋势,从而有效抑制了马蹄涡压力侧分支的发展;吸力侧端壁凸起通过调节壁面坡度改变了吸力面中下游端部流场的静压分布,提高了周向迁移流体与吸力面的夹角,从而有效抑制了吸力面角区低能流体堆积并削弱了壁角涡与吸力面端部尾缘分离等二次流结构。最终,低稠度高负荷涡轮叶栅的能量损失系数由0.0564降低至0.0485,降幅约占原二次流损失的25%。在分别讨论了以上两种设计方法的基础上,研究还展示了二者联合造型的应用效果,分析了两类控制方法的相互影响及其对联合造型设计参数的影响。研究结果表明,低稠度高负荷叶栅吸力面逆压梯度整体偏高,因此不宜采用吸力面弯曲设计、联合造型设计中仅建议考虑压力面反弯设计与端壁分区造型的联合应用;在大转角高负荷叶栅中,叶片弯曲设计与端壁分区造型设计可以在一定程度上互补、提高二次流综合控制效果:在复合弯曲设计与端壁分区造型设计分别将能量损失系数由0.0988降低至0.0796与0.0769的前提下,端壁分区造型与复合弯曲联合应用能将能量损失系数进一步降低至0.0708。