重型燃气轮机汇集了人类社会工程技术领域最先进科技成果,其研制水平展现了一个国家的工业生产能力,它在能源的高效、洁净和安全利用中起至关重要的作用。而重燃的高温动叶不仅要承受超过本身制造材料许用温度的高温,而且在运行中始终处于高速转动状态,在较大的离心力、科氏力及其衍生的浮生力的作用下,工作环境在重燃叶片中最为恶劣。因此,高温动叶及其冷却结构的研究乃是重燃通流部件研制中的制高点技术。本文首先为高温动叶的研究作了下述准备工作。在哈工大经过工程考核的S2流面计算软件的基础上,开发了针对重燃多级气冷涡轮的一维设计软件、准三维设计软件和一维热流管网计算软件。针对重燃涡轮内外流动气热耦合一体化设计和数值模拟,采用具有试验数据的Mark II型叶片和带有多排气膜孔的C3X叶片作为计算模型,验证了本文采用的数值方法。应用一维和准三维设计软件消化和吸收了9FA的先进设计经验,自主设计了F级中低热值燃料重燃涡轮的通流部分,并与9FA的通流特性作了对比。结果表明,两者三级涡轮各级承担的焓降均为逐级降低的,第二级降低的梯度较小,这样分配涡轮通流部分的焓降,既能提高上游级的承载能力,又能减少通流部分的余速损失。由于中低热值涡轮在通流设计中,采用了子午收敛和可控涡相结合的设计方法,叶栅轴向间隙中沿叶高的气动参数分布比较均匀,上游叶栅为下游叶栅提供了良好的进口流场,同时也降低了径向掺混损失。但是,由于中低热值涡轮初温较低,冷气流量较大,通流效率比9FA涡轮低1.0%。此外,使用一维热流管网计算软件,快速预测了MarkⅡ叶栅原型圆管内冷通道改型为突扩突缩“竹节”通道以及高温动叶高速旋转对内部冷却的影响,发现加强内部冷却壁面对冷气的扰动会强化冷气与叶片壁面的换热效应,这为高温动叶内部冷却结构的改型设计打下了理论基础。以9FA涡轮动叶为母型,在缺乏原始几何数据的条件下,经过反复理论推敲和气热耦合数值模拟,探索9FA涡轮的先进设计经验,基于我国燃料供应特点,设计出高温动叶和其内部冷却结构的初始方案。此后借助气热耦合数值模拟,获取初始方案的流动特性和换热特性,理论分析该方案的可行性以及存在的问题。接着进行了三次改型设计,获得高温动叶的原型方案。在改型设计中主要调整了冷却通道拐角形式、挡板冲击孔尺寸、尾缘出流通道宽度、补气孔位置及角度等。对原型方案的数值分析表明,叶片的流动和换热特性良好,基本达到了预期的设计目标。最后,对原型方案作了进一步改型设计:改进冷却腔内的扰流肋形式,采用60°V型肋;在冷却通道Ⅵ、Ⅶ之间沿叶高增设三处贯通缝结构。对其进行数值计算,结果显示:叶片外表面温度有所下降,局部换热强化效果较好;冷气入口参数更趋合理;冷气质量流量增大,展向分布更为均匀;气膜喷射及覆盖能力增强。显然,预期的冷气流场改善与冷却效果得到了部分实现,改型叶片,即最终得到的冷却结构对于工程应用具有重要的参考价值。为了尽量降低叶片金属表面的温度,延长叶片的使用寿命,数值研究了在叶片表面涂覆热障涂层对叶片换热性能的影响。与无涂层的高温动叶相比较,有涂层叶片表面与气膜之间的温差减小,因而降低了通过叶片的热流密度,这导致叶片金属表面的温度分布更加均匀。除特殊的叶顶区之外,有涂层的叶片金属表面比无涂层的叶片表面温度低80K。一般内部冷却结构中都设置补气孔,本文在相同冷气流量的条件下,通过比较有无补气孔内部冷却结构的流动和换热性能,来认识补气孔的作用。对有无补气孔的高温动叶内部冷却结构的气热耦合数值模拟结果显示,无补气孔时,冷却效果明显高于有补气孔的内冷结构,可是由于冷气在内冷结构中的流程长而曲折,流阻大幅增高,需求的冷气进口压力已远超压气机供气的最高压力,因此无补气孔的内冷结构没有工程应用价值。而具有补气孔的内冷结构与无补气孔的比较,冷却效率较低,叶表温度和温度梯度较高,然而在叶表温度及其梯度不超标的情况下,要求的冷气进口压力在压气机的供气压力范围内。内冷结构后腔有无补气孔不仅叶表温度分布相当,而且冷气进口压力也几乎没有差别,后腔补气孔可以取消。鉴于高温动叶冷却效应实验研究存在困难,本文应用气热耦合计算方法进一步研究了高速旋转对冷却系统的影响,计算结果表明,冷气的湍流度显著升高,流阻与换热能力加强,叶表温度在静止状态达到设计要求,在旋转状态下也一定符合设计要求。数值结果证明了对于燃气涡轮高温动叶冷却结构,以静态试验替代动态试验的可行性。在亚声速风洞上,完成了F级中低热值燃料重燃涡轮高温动叶叶型的气动特性吹风试验。试验结果证明,高温动叶的叶型损失随冲角的变化曲线比较平坦,说明F级中低热值燃料重燃涡轮高温动叶选择的叶型具有良好的变冲角特性。