为追求更高性能的航空发动机,降低重量、提升叶片负荷成为低压涡轮部件重要发展方向,但高负荷叶片在高空低雷诺数工况下出现边界层分离风险显著提高,导致低压涡轮效率迅速衰减,进而影响整个航空发动机推力及耗油率。因此,探讨低雷诺数下多级环境中低压涡轮流动特征,研究叶片边界层转捩、分离及再附等过程对性能的影响,进而发展高性能多级低压涡轮气动设计方法,对自主研制先进航空发动机具有重要的意义。本文首先在CFD求解器NUAA-Turbo中进一步发展γ和γ-Reθ两种转捩模型,适用于叶轮机械中定常及非定常下边界层转捩数值计算分析。在低雷诺数工况下,通过对均匀来流及上游尾迹扫掠下T106-EIZ叶栅数值模拟验证,讨论转捩模型的预测精度;并将分离修正模型应用于γ模型,解决了γ模型预测层流分离泡过大等问题,为多级低压涡轮设计过程中数值校核提供可靠的工具和基础。另一方面,基于曲率控制叶型造型方法,开发和完善多级低压涡轮三维气动设计程序,可实现不同载荷分布叶型设计并保证曲率连续、可导,径向分布规律包含等环量、等α角和变功等设计方案。然后通过不同曲率分布对T106D-EIZ叶型进行重新设计,获得前加载叶型T106D-F和后加载叶型T106D-A,在低雷诺数工况下,T106D-F对分离的抵抗能力得到增强,在上游尾迹作用下喉道分离泡进一步被抑制,而T106D-A由于扩散区逆压力梯度增加,在相同尾迹通过频率下,吸力面边界层仍处于开式分离状态,总压损失系数约为T106D-F的三倍。接着,利用SST-γ模型对典型高性能低压涡轮GE-E3开展数值计算分析,研究表明,带分离修正的γ转捩模型能捕捉多级低压涡轮中二次流诱导转捩、叶尖泄漏流诱导转捩及分离转捩等流动现象,计算得到的低压涡轮等熵效率较全湍流边界层假设的计算结果高2.9%;在低雷诺数工况下,SST-γsep模型预测叶片吸力面出现不同程度开式分离,导致GE-E3 LPT等熵效率较设计点工况降低了3.6%。并利用开发的三维造型程序对GE-E3重新设计,将叶型载荷前移后能在更低的雷诺数工况下提高涡轮等熵效率约0.8%,但同时会导致端区二次流有所增强。最后,本文针对典型后加载高性能五级低压涡轮开展数值研究,探讨高负荷后加载叶型设计特点与流动特征,将各排叶片数减少20%,研究超高载荷叶型高空巡航点工况下多级低压涡轮流场特点,并其中作为损失主要来源的导叶重新设计,结果表明,将喉道位置移至叶型通道时,该后加载叶型仍能保持很好的气动性能,且具有湍流边界层覆盖面积小、端区二次流强度弱等优点;当进一步减小叶片数、提高叶型负荷时,叶片未覆盖区出现层流分离泡并能诱导边界层转捩再附,减少20%叶片数后该五级低压涡轮等熵效率仅降低约0.9%。