燃气轮机广泛应用于航空、发电、舰船、工业驱动、车辆驱动等领域,是航空、能源及国防领域的重要动力设备。提高透平进口温度是提高燃气轮机性能的主要方法之一。而随着进口温度的提高,叶片表面尤其被燃气直接冲刷的前缘部位温度随之升高,超过2200 K。为保证其安全性,长期以来,研究人员一直致力于对燃气透平叶片冷却研究。然而,单一的冷却技术已经无法满足越来越高的冷却要求,复合冷却技术是目前叶片冷却领域研究的热点,也是今后的方向。复合冷却技术包括多内部复合冷却技术和内外部复合冷却技术。现已有的复合冷却研究大多采用简化模型,忽视了叶片几何结构的影响,对多内部复合冷却技术的研究未考虑固体导热及燃气换热影响,故不能准确地分析应用于燃气透平叶片的复合冷却结构强化换热机理及性能。因此,以叶片为研究对象,采用流固热耦合方法,对多内部复合冷却及内外部复合冷却结构的强化换热机理及性能研究,优化复合冷却结构,具有重要的学术价值和工程价值。本文主要研究工作如下:针对叶片多内部复合冷却结构的换热机理和换热性能的研究,以C3X叶片为研究对象,将冲击-酒窝复合冷却结构设计引入燃气透平叶片冷却研究中,分析了冲击结构与酒窝结构的排布方式以及冷却工质与燃气质量流量比对多内部复合冷却性能的影响。研究结果表明,冲击冷却与酒窝扰流冷却相互影响,酒窝结构使冲击冷却的附壁射流区域被压缩,对冲击冷却性能产生负面影响,但是,在两种结构的耦合作用下,复合冷却效率高于单一冲击冷却效率;酒窝结构与冲击结构错排排布时,冷却效率在吸力面上有所提高;酒窝结构与冲击结构交叉错排排布时,冷却效率在叶片前缘全部区域上明显提高。采用单一冲击冷却结构与冲击-酒窝复合冷却结构,叶片前缘面平均冷却效率均随着质量流量比的增加而增大,且增大的趋势逐渐减缓;叶片前缘达到相同冷却效果时,与采用单一冲击冷却结构相比,采用冲击-酒窝复合冷却结构所消耗的冷却工质流量更小,因此更加节能。针对叶片内外部复合冷却结构的换热机理和换热性能的研究,以C3X叶片为研究对象,引入旋流-气膜复合冷却结构,设计了两种旋流式冷却腔结构,定义了“冷却方式贡献系数”,提出了一种可定量评价内部冷却和外部冷却耦合作用下各冷却方式的作用权重和冷却效率的方法,分析了旋流式冷却腔结构和质量流量比对内外部复合冷却性能的影响。研究结果表明,冷却腔结构对气膜冷却有明显影响;通过计算冷却贡献系数发现,内部冷却方式贡献系数超过0.71,即内部冷却在内外部复合冷却中占主导地位;设计的两种旋流式冷却腔结构,均明显提高了内部冷却量和复合冷却量;采用旋流-气膜复合冷却结构,叶片前缘面平均复合冷却效率和复合冷却量均随质量流量比的增加而增大,且增大的趋势减缓;叶片前缘达到相同冷却效果时,与非旋流-气膜复合冷却结构相比,采用旋流-气膜复合冷却结构可以节约冷却工质流量达50%以上,因此更加节能。与非间隔通道式旋流冷却腔结构相比,采用间隔通道式旋流冷却腔结构的复合冷却结构内部冷却性能和复合冷却性能更强。针对复合冷却结构优化设计,基于间隔通道式旋流冷却腔更强的换热性能,以叶片前缘面平均复合冷却效率为指标,以隔板厚度（b）、通道宽度（d）、间隔通道高度（l）为因素,采用正交分析方法,对旋流-气膜复合冷却结构进行了优化,提出了最优方案,对因素的影响权重进行了排序,并对权重最大的因素的影响机理进行了分析。研究结果表明,最优方案是b=3mm,d=1mm,l=3mm;间隔通道几何参数影响权重排序为:通道宽度＞间隔通道高度＞隔板厚度,其中通道宽度和间隔通道高度对叶片前缘面平均复合冷却效率有显著影响。间隔通道高度一定时,通道宽度减小,进入前腔的冷却工质流速升高,涡系增强,内部冷却性能得以提升,内部冷却量增大,复合冷却量增大。本文研究成果将对燃气透平叶片的复合冷却结构强化换热机理及换热性能研究和复合冷却结构优化提供了一种新思路。