气膜冷却作为保证空冷燃机高温部件安全运行及合理寿命的重要手段,是现代燃气轮机透平冷却的关键技术之一。本文以实验测量为主,结合三维数值计算和理论分析等研究手段,对孔单元的气膜冷却流动传热机理、叶栅环境中的气膜冷却基础特性及接近燃机真实工况马赫数条件下的全叶片气膜冷却特征三个方面内容,开展了气膜冷却的流动传热基础研究。气膜冷却是对流主导的三维流动传热过程,因而气膜射流流场和涡系结构对气膜冷却效果具有重要的影响作用。本文在深入剖析典型孔单元的气膜冷却流动传热特征的基础上,揭示孔型结构影响气膜冷却流动传热的内在机理,进而指出进一步提高孔单元气膜冷却效率的方向及其控制机制,并由此构建了新型的气膜孔结构,且将其命名为元宝孔(已申请国家发明专利);同时在平板模型及叶栅环境中实验研究其气膜冷却特性,结果表明,元宝孔比扇形孔、双射流及圆孔等典型气膜孔单元具有更优的气膜冷却效果,为发展面向未来更高温度等级燃机轮机透平冷却的先进气膜冷却技术提供了基础支撑。依托低马赫数的透平叶栅基础研究实验台,在透平静叶栅环境中研究了圆孔、扇形和元宝孔三种孔型在叶片表面的气膜冷却特性,分析吹风比、供气方案、孔型等变量对透平静叶表面气膜冷却的影响规律,比较三种孔型在静叶表面的气膜冷却性能,结果表明:元宝孔在透平叶栅环境中同样能够有效提高气膜冷却效果,且在实验工况范围内,元宝孔及扇形孔的气膜冷却效果与吹风比成正相关,而圆孔成负相关。针对某型燃机透平动叶,在透平动叶栅环境中对叶顶气膜冷却特性进行了实验研究,分析平面和凹槽两种叶顶基本模型在该动叶顶部的气膜冷却特征,探讨冷气质量流量比、密度比和叶顶间隙等参数对叶顶表面气膜冷却的影响规律,综合评价平面叶顶与凹槽叶顶的气膜冷却性能。依托高亚音速透平叶栅气膜冷却实验台,以某型号F级重型燃机第一级透平静叶的全叶片气膜冷却为背景,开展了叶栅进出口马赫数接近燃机真实工况条件的全叶片气膜冷却研究。实验分析了设计工况/变工况条件下的静叶表面全叶片气膜冷却效率的分布特征,且与低马赫数条件的叶栅气膜冷却实验结果进行对比分析,探讨马赫数对全叶片气膜冷却的影响特性。通过补充三维数值计算,分析元宝孔在近真实工况马赫数条件下的全叶片气膜冷却性能。