燃气轮机作为典型的高新技术密集型动力装备,对调整能源结构,促进节能减排具有重要意义。而透平作为其主要部件之一,将直接影响燃气轮机的整体性能表现。近年来,透平进口温度呈整体上升趋势,对高温部件的可靠性提出了更高的要求。冷却技术在透平中得到了广泛应用,而随着冷气比例的提高,透平内部流动和传热的相互影响也愈发显著。透平内气热耦合现象给透平的设计分析带来了很大的挑战,亟须一套可靠的通流设计分析体系。基于冷却透平的气热耦合机理,本文将冷却模型和传统通流方法相结合,提出了气热耦合通流方法,发展了传统通流理论,并建立了冷却透平的气热耦合通流设计分析体系。冷却模型的发展方面,在解析模型的基础上,发展了适用于通流方法的冷却模型。在该模型中考虑了燃气温度沿叶片展向和弦向的分布,将叶片表面沿展向及弦向划分为多个传热单元,在传热单元内假定燃气和冷气之间的叶片厚度不变,提出采用等效换热面积及等效导热厚度进行传热计算,最后沿传热单元建立热量平衡关系并通过迭代预测透平所需要的冷气量。在气热耦合通流方法中,推导了适用于冷却透平的和质量、动量和能量守恒方程。其中,将实际的流动过程简化为理想膨胀、传热和掺混过程。引入损失模型和落后角模型分析理想膨胀的损失和落后角。考虑冷却的历史影响,采用冷却损失模型分析传热和掺混引起的损失。基于以上工作,开发了气热耦合通流程序,并将气热耦合通流计算结果与半经验数据及Mark II实验数据的对比,验证了气热耦合通流方法和发展的冷却模型的可靠性。本文最后将该气热耦合通流设计方法应用于某型涡轴发动机两级透平的设计当中,计算得到了冷气量以及进出口气流角等参数。采用三维造型程序进行叶片造型,并对该设计透平进行了三维CFD气热耦合数值分析。分析结果表明,该设计透平性能满足设计要求,且通流程序对尾缘劈缝后损失的预测结果与已有研究一致。综上所述,该气热耦合通流设计体系可作为冷却透平设计分析的有效工具。