提高透平进口温度是改善燃气轮机性能的关键技术之一。先进重型燃气轮机转子进口温度远远超过金属材料的熔点,并不断提高。发展新型叶片内冷结构,提高叶片冷却效率是提高叶片耐热性,延长叶片使用首命的有效方法。采用新型叶片冷却结构并结合换热性能良好的蒸汽作为冷却介质,可以减小冷却介质用量,提高冷却效率,增加叶片表面温度均匀性。本文受自然界仿生分形换热系统的启发,基于Murray定律设计了不同级数的分形树状微通道,并通过实验比较了三种微通道结构的换热性能;研究了空气冷却下,不同工况参数(冷却空气入口流量、壁面加热功率)对微通道表面温度、流动阻力及冷却效率的影响。通过对三种微通道的大量实验数据进行拟合,获得了所设计微通道换热实验准则关系式,揭示了分形树状微通道的流动换热规律。同时对分形树状微通道进行了仿真分析,进一步探究了树状微通道的强化换热机理;并将四级分形树状微通道与具有相同换热表面积、相同流道体积的单程和双程蛇形通道进行了比较,结果表明所设计的四级微通道换热性能最佳。基于上述对分形树状微通道的研究,以701F重型燃气轮机透平第一级静叶为原型,采用四级分形树状微通道,设计了一种叶片内冷结构,并对其冷却性能进行仿真分析。针对所设计叶片存在的问题,提出两种叶片结构优化方案。研究比较优化后的叶片表而温度分布与冷却效率,最终获得一种冷却效果良好的新型仿生叶片内冷结构。最后对设计优化的叶片结构,在不同工况因素(入口温度、入口流量)下,不同冷却工质冷却(空气和蒸汽)的换热特性作进一步研究分析,为叶片内冷结构的进一步设计优化提供理论依据。