燃气在涡轮中膨胀做功的主要损失有端部的二次流损失、叶型损失和间隙泄漏损失。而在燃气轮机的动力涡轮中,流道的子午扩张会造成较大的端部二次流动及端区损失。因此对大子午扩张涡轮端部流动进行深入研究,并提出有效的降低大子午扩张涡轮端部流动损失的方法显得十分必要,这对提高现有涡轮气动性能具有十分重要的意义。涡轮叶片采用正交化设计是创新型设计,目前在国内还极度缺少相关方面的论文研究和应用。不过,在罗罗公司的遗达系列航空发动机和MT30舰用燃气轮机中皆创造性地使用了正交涡轮的设计。本文基于此对现有大子午扩张涡轮进行正交化优化设计并深入分析和研究正交设计对大子午扩张涡轮气动性能的影响。首先,本文引入了变厚度S1流层的概念。利用变厚度S1流层能够更加准确的分析大子午扩张涡轮端区的流动情况,为大子午扩张涡轮叶片的端区设计提供依据。利用变厚度S1流层进行流场计算和分析时与平面流动和普通回转面流动的区别主要在于:流面弯曲;流面厚度变化和沿流程叶栅栅距变化。可以发现,平面流动流面不存在弯曲,同时由于流道在子午面上的扩张使得流层厚度沿流向增厚,并使得叶栅栅距随流向回转半径增加而减小,所以流面厚度变化和沿流程叶栅栅距变化可以区分普通回转面流层和变厚度S1流层的区别。变厚度S1流层是唯一能够准确分析大子午扩张涡轮端区流动的方式。本文在后续章节的研究中,利用变厚度S1流层对大子午扩张涡轮端区流动进行分析。其次,本文对采用正交涡轮静叶片的动力涡轮第一级进行通流计算并和原型涡轮第一级的比较中,进出口平均流量基本保持不变,效率提升了 0.69%,主要提升位置在40%到90%相对叶高处。并对采用了正交涡轮静叶的动力涡轮第一级的流场进行了分析。讨论了正交静叶对流场产生的影响。研究发现,正交涡轮静叶片由前部加载变为均匀加载,使得流动更加平缓,压力梯度减小;同时,由于低压区向后向上移动,使得在静叶的吸力面形成了“C”型压力场,使得上端壁的流动沿压力梯度向叶片的中部移动,减少了端壁的流动损失。从一级涡轮来看,正交设计能够有效的提高涡轮的效率和作功能力。最后,本文对采用正交静叶作为第一级静叶以及采用正交静叶作为四级静叶的四级动力涡轮进行通流计算并和原型涡轮进行比较,计算了整体性能参数,并利用静压分布和极限流线分布分析了正交静叶对涡轮性能的影响。