提高航空涡轮发动机性能的重要途径之一就是提高压气机部件的性能,叶片弯曲作为一种能够有效改善叶栅气动性能、降低作为压气机叶栅中主要能量损失来源的端壁损失的设计方法,已经得到广泛的应用和研究。压气机通流部分的三维几何形状对压气机气动性能的影响较大,随着现代航空涡轮发动机推重比的不断提高,研究如何在具有高负荷的压气机叶栅中继续应用叶片弯曲设计思想,以最大限度的提高压气机的性能成为近年来的热点。本文首先采用基于遗传算法的混合优化算法,对不同折转角压气机叶栅进行了正弯曲优化设计,得出了设计冲角下不同折转角时弯高、弯角的最佳匹配方案,并以此为基础确定了弯曲叶栅的实验方案。在低速大尺度环形风洞中,对具有40°、50°和60°的三种叶型折转角的叶栅进行了实验研究,其中每种叶型折转角叶栅又由四种直、弯叶栅组成,分别为常规直叶栅(STR)、15°正弯曲叶栅(PB15)、20°正弯曲叶栅(PB20)和25°正弯曲叶栅(PB25)。在设计零冲角和变冲角情况下,采用五孔探针对叶栅流场进行了详细测量,采用U型水排测量了端壁静压和型面静压分布,并利用墨迹显示的方法对叶栅壁面流场进行了描绘。数值计算和实验结果均表明,在三种折转角叶栅中,零冲角时叶片正弯都可以有效改善叶栅端部流动状况并减小端部流动损失,且采用适合的弯高和弯角能够最大限度降低叶栅总损失。实验结果还表明,在大折转角直叶栅吸力面呈现沿径向的“C”型静压分布,这表明在大折转角叶栅中采用较大弯高和弯角的正弯叶片时,叶栅内低能流体从叶栅端部向中部迁移的能力更强,因此更容易导致中部流动的恶化。在非设计冲角下,随着叶型折转角的增大,叶栅中部损失对冲角的敏感性逐渐增强,最佳正弯角和弯高范围逐渐缩小。在正冲角时,部分正弯叶栅端部流动不仅没有被改善,还有恶化的趋势,这与叶栅中部气流严重分离和堵塞造成对端区低能流体的挤压有关。为了详细研究叶栅流道内的分离流动和旋涡结构对气动性能的影响,文中还对实验条件下的正弯叶栅流场进行了数值模拟。结果表明,大折转角叶栅流道内旋涡由多涡结构向单一涡结构转变的趋势明显,叶片正弯使得流道内近吸力面的涡系径向掺混作用加强;叶展中部流动分离的加重导致集中涡系破裂,从而引起流道内气流的严重堵塞,这是损失激增的主要原因,因此,要在高负荷压气机叶栅中应用正弯叶片,必须有效抑制中部流动的恶化。栅内三维流动随负荷的增大而愈加剧烈,严重时发生较大分离,并容易引起损失激增,如何有效延缓三维分离的发生,降低因较强三维分离而引发的损失增大,对研究涡系之间掺混和相互作用有重要意义。考虑到实验中较厚的进口附面层对流场的影响较大,文中对人工减薄进口附面层条件下的弯曲叶栅进行了数值模拟研究。结果表明,相比实验进口附面层条件,当进口附面层较薄时,在多数工况情况下采用正弯叶片对叶栅气动性能的改善程度都有所增大,而较大正冲角时,在较大折转角叶栅中采用较大弯角的正弯曲叶片仍然引起损失激增。为了更好地控制具有端壁不对称特性的大折转角压气机叶栅分离流,采用均匀设计法和响应面回归,得到了在不同叶型折转角叶栅中,叶片弯角和弯高以及稠度与叶栅损失之间的数学关系,并利用遗传算法进行优化。结果表明,优化后的正弯角和弯高范围随叶型折转角的增大而减小,在部分小稠度大折转角叶栅顶部采用小弯角反弯的弯曲方式取得较好效果。恰当选择具有优化匹配设计的弯曲叶片可以有效扩展压气机中叶片弯曲的应用范围,也表明了在大折转角环形压气机中采用弯曲叶片设计方法仍有巨大的潜力。