现代透平中，叶片负荷的不断提高导致叶栅通道中的二次流增强。非轴对称端壁造型技术的应用，可以减少二次流损失并提高透平的气动性能。本文针对轴流透平，提出了一种非轴对称端壁造型方法，并用于透平叶栅和透平级的非轴对称端壁优化设计。通过环形叶栅吹风实验对数值计算方法和静叶叶栅的优化设计结果进行了验证。阐明了非轴对称端壁减少叶栅二次流损失的流动机理。在此基础上，研究了非轴对称端壁透平叶栅和透平级的变工况气动特性，分析了非轴对称端壁对透平级非定常流动特性的影响。
提出了基于曲率分布与压力场变化和二次流强度关联的双控制型线端壁造型方法，并结合全局优化自适应差分进化算法和气动性能评价方法，建立了具有自主知识产权的叶栅和透平级非轴对称端壁优化设计体系。气动性能评价方法中数值计算模块采用了高精度SST湍流模型以及边界层转捩模型，并使用了所开发的非轴对称端壁叶栅网格生成技术。完成了非轴对称端壁叶栅和透平级的优化设计，与轴对称端壁透平相比，最优化非轴对称端壁静叶叶栅的总压恢复系数提高了0.21%，非轴对称端壁透平级效率提高了0.26%。通过对流场的分析，揭示了非轴对称端壁通过改变流场压力梯度进而抑制通道涡发展，减少叶栅二次流损失的流动机理，研究了非轴对称端壁透平级效率和输出功率提高的原因。
开展了非轴对称端壁环形叶栅吹风实验研究，检验了数值计算方法的可靠性，并验证了非轴对称端壁叶栅的优化设计效果。结合实验台风洞尺寸及气源条件，设计了具有“高负荷、低展弦比”特点的透平级型线。提出了周向尾迹厚度估算方法，以评估叶栅尺寸对实验测量精度的影响，并基于五坐标位移机构开发了集探针走位、停留和数据记录于一体的五孔探针全自动数据采集系统。针对轴对称端壁和最优化非轴对称端壁静叶叶栅完成了吹风实验。所得到的实验结果流场清晰，尾迹和二次流等涡系结构明显。数值计算结果和实验值吻合良好，证明了所采用的数值方法的可靠性；非轴对称端壁有效地减少了静叶叶栅的二次流损失，验证了所提出的非轴对称端壁叶栅优化设计方法的有效性。
研究了非轴对称端壁静叶叶栅和透平级的变工况气动特性。通过边界条件的设定，独立地分析了雷诺数和马赫数对非轴对称端壁叶栅气动性能的影响。研究结果表明：叶片表面的压力分布是决定非轴对称端壁能否减少叶栅二次流的关键。雷诺数的改变　
并未引起叶片负荷的变化，因此对非轴对称端壁抑制二次流的效果没有影响。而马赫数变化时，叶片压力分布偏离设计工况，特别是在高马赫数条件下，叶片载荷向后加载方式发展，非轴对称端壁在降低叶栅通道前部载荷的同时增大了扩压区的压力梯度，增加了气动损失，使得非轴对称端壁减少二次流损失的效果减弱。数值分析了三种转速下五种不同压比时轴对称端壁和非轴对称端壁透平级的流场结果。在透平级流场中，动叶流场的变化是影响透平级气动特性的主要原因，可以通过动叶进口攻角变化来判定透平级非轴对称端壁造型效果。动叶进口攻角在-60.0°至20.0°范围内，同一转速下，当压比减小时或者在同一压比下，转速增加时，攻角减小，动叶压力分布的变化使得非轴对称端壁能够更加有效地减少动叶通道下部的二次流损失，使得非轴对称端壁透平级效率提高幅度增加。当动叶攻角小于-60.0°时，动叶进口气流直接冲击到吸力面端壁凹区，非轴对称端壁的效果减弱。当动叶攻角大于20.0°时，非轴对称端壁所能降低叶片负荷的范围减小，无法有效地减少二次流损失。
数值研究了非轴对称端壁透平级的非定常气动特性。对比了动静干涉作用下轴对称端壁和非轴对称端壁透平级中静叶尾迹和二次流的时空演化特性，总结了透平级总体气动性能参数的变化。由于非轴对称端壁透平级中静叶尾迹和二次流损失的减少，静叶来流在动叶通道中所引发的脉动速度降低，与动叶通道中主流和二次流的非定常干涉作用减弱。时均结果和同一物理时刻的瞬时结果均表明，非轴对称端壁有效地减少了透平级非定常流场中的气动损失，提高了透平级效率和输出功率。同时，由于非定常干涉作用的减弱，非轴对称端壁透平级效率、功率周期性脉动幅度减小。
本文建立了轴流透平的非轴对称端壁优化设计体系和非轴对称端壁环形叶栅吹风实验平台，对于推动非轴对称端壁造型技术在透平设计中的应用，提高透平气动设计水平具有重要的现实意义。同时，揭示了非轴对称端壁减少二次流损失的流动机理，总结了非轴对称端壁叶栅和透平级的变工况气动特性，分析了非轴对称端壁对透平级非定常气动性能的影响，这些工作对非轴对称端壁造型技术在透平中的实际应用提供了理论支持。