透平前进气温度是影响燃气轮机性能的重要因素之一。透平冷却技术的发展为进一步提高透平前进气温度打下了基础。目前,燃机透平叶片中已发展出包括外部冷却(气膜冷却、发汗冷却等)、内部冷却(对流冷却、冲击冷却)等在内的冷却形式。实际的透平叶片局部采用多种冷却单元来满足高温热载荷的挑战,叶片的前缘、中弦区及端壁等位置用到了气膜/冲击复合冷却方案,多种冷却方式间的耦合传热效果不是简单的冷却效果的叠加。本文采用气热耦合的数值方法分析了复合冷却内部流动和换热特性,进一步将凹形漩涡发生器引入到复合结构中,并对各种复合冷却方案的冷却特性进行了总结,用耦合传热实验方法进行了综合冷却效率的测量。对影响复合结构冷却效率的几何因素、流动因素及固体导热作用进行了研究。对几何因素的研究表明,气膜孔孔型和冲击孔直径是影响复合结构综合冷却效率的重要因素,冲击距离的作用结果并不明显,各种孔型结构中,扇形孔和冲击复合冷却有着最高的综合冷却效率。对流动因素的研究包括:吹风比、冲击雷诺数及冷气量。结果表明吹风比及冲击雷诺数的增大对应着气膜流场中肾形对涡的增强及冲击壁面换热系数的提高,对综合冷却效率均有提升效果。吹风比在达到一定值之后(该值与气膜孔型有关),由于气膜抬离壁面,吹风比对综合冷却效果的提升作用逐渐减弱。增大冷气量供应,复合冷却结构的吹风比和冲击雷诺数均增大,但冷却效率不会随冷气量的增多而无限提高。复合冷却结构中,Biot数可表示冲击冷却对综合冷却效率贡献大小,大Biot数时综合冷却效率分布接近平板绝热气膜冷却,小Biot数时整个平板的冷却效率分布更为均匀,温度梯度变小。对于特定的复合冷却结构,存在一个适当的Biot数,使得冷气潜能在内部冷却和外部冷却得到合理分配,平均综合冷却效率值最高。对凹坑+冲击/气膜复合方案进行了评估,研究了凹坑的布置位置、深径比及冲击雷诺数对综合冷却效率的影响。结果表明,在高速冲击条件下,凹坑与冲击孔交错排布能够有效提高内部对流换热的效果,综合冷却效果有明显提高。不同的凹坑深径比下,冲击浅凹坑的冷却效果更好。凹坑对位置布置及流动条件较为敏感,不当的使用凹坑结构可能引其内部传热的恶化。开展了耦合传热实验方案,建立TSP冷效测量系统,并应用于冲击/气膜复合冷却及凹坑+冲击/气膜复合冷却耦合壁面上温度场测量,将多个时刻的连续测量结果平均后得到相应的综合冷却效率的分布,对数值计算结论进行了验证。