根据热力循环要求,空气涡轮火箭发动机(Air Turbo Rocket, ATR)需要采用以富燃燃烧产物为工质的燃气涡轮。碳氢燃料在富燃燃烧过程中易受热分解,其富燃燃烧产物中存在低分子碳氢化合物,如CH2、CO和H2等。该富燃燃气进入涡轮膨胀做功,在温度降低过程中低分子化合物会复合为较大分子化合物,使涡轮工质的组分和物性发生变化,影响涡轮总体性能和优化设计方法。此外,工质组分间的化学反应会释放或吸收热量,改变工质做功能力,影响涡轮内部流场结构。因此,基于富燃工质化学平衡的涡轮性能及优化研究具有积极的理论价值和工程意义。本课题首先完成了以富燃燃气为工质的高负荷涡轮气动设计,给出了富燃工质变物性、变组分对涡轮特性的影响规律。通过分析涡轮设计点内部流场,阐述了该工况下性能变化的主要原因,并据此给出了涡轮叶片优化设计方法。在此基础上,从富燃工质复合反应释放反应热的角度,阐述了富燃工质对涡轮内部流场结构的影响作用。本文的研究工作主要包括：1.富燃燃气涡轮气动设计与特性分析提出了基于富燃燃气变组分、变物性的涡轮气动设计方案,完成了涡轮叶片三维造型；建立了热完全气体模型、实际气体模型和考虑化学平衡的实际气体模型,采用化学平衡常数法获取了考虑化学平衡的富燃燃气热力性质,采用Peng-Robinson状态方程考虑了实际气体效应；基于相似原理分析讨论了考虑化学平衡的富燃燃气热力性质对涡轮特性的影响。2.富燃燃气涡轮内部流场分析及气动优化设计针对设计点,分析了考虑化学平衡的富燃燃气热力性质对涡轮内部流场中超音鼓包、通道涡和端壁附近边界层分离的影响机理,阐述了涡轮性能变化的原因；根据上述流动分析,对该类涡轮的叶型优化方法进行了相关探索与讨论。这为此类涡轮的设计提供了有效的借鉴和工程依据。3.化学反应热对富燃燃气涡轮内部流场结构的影响研究建立了涡轮转子CFD中考虑化学反应热的多组分流动模型；讨论了富燃燃气组分变化与反应热以及流场特征的关系,进而分析了两个典型工况下考虑化学反应热的流动模型对涡轮边界层、通道涡和波系结构的影响机理。这部分完善了富燃燃气内部化学平衡对涡轮气动性能的影响机制的研究。