燃气轮机作为重要的热力发动机,在航空、航天、舰船等领域发挥着关键作用。先进燃气轮机的燃气温度已经远超涡轮叶片材料耐热极限,开发高效冷却方式对涡轮叶片安全稳定的运行至关重要。旋流冷却由于具有较高的传热性能、较好的热均匀性,得到了越来越多学者的关注。热流固耦合分析方法在涡轮叶片领域得到较为广泛应用,但在对旋流冷却分析的过程利用并不充分。研究高温燃气冲刷叶片、叶片导热、冷气对流冷却叶片这一完整过程,精准确定旋流冷却传热靶面边界条件具有重要的工程实际意义。首先,建立了由高温燃气叶栅通道区域、叶片前缘固体区域以及旋流冷却区域组成的模型。选取了15,19,23,27,31以及35mm六种旋流腔室高度,探究了旋流腔室高度对旋流冷却性能的影响规律。结果表明:随着旋流腔室高度的降低,通流面积减小,冷气密度升高。旋流冷气对腔室靶面的冲刷作用增强,传热性能提升,并且相对应的流动阻力系数也逐渐升高。利用综合换热因子评定旋流冷却的性能,结果显示当旋流腔室高度为19mm时,旋流冷却的流动与传热特性最优。随着旋流腔室高度的降低,旋流冷却传热效果逐渐增强,叶片固体温度,热应力以及热应变均逐渐降低。其次,利用纵轴与横轴比a/b分别为0.48,0.72,1.00,1.31以及1.73的椭圆构建了旋流腔室前缘型线,形成了具有不同弧度的靶面。在不同靶面弧度下对旋流冷却的流动与传热特性,叶片前缘固体区域的应力与应变特性进行了分析。结果表明:随着a/b值的降低,旋流腔室靶面高努塞尔数区域由长条状转变为椭圆状。当a/b=0.72时,靶面平均努塞尔数最高,流动阻力系数较小,因此获得了最优的综合换热因子。随着a/b值的减小,叶片前缘固体区域的温度与热应力逐渐降低。由于a/b值的改变导致叶片前缘固体区域的厚度发生改变,热应变的变化趋势较为复杂。最终可以得到当a/b=0.72时可以获得最优的旋流冷却性能。涡轮动叶处在高速的旋转运动中,为了探究旋流冷却在动叶中的应用,选择了0,0.183,0.339,0.457以及0.512五种旋转数,在旋转条件下对旋流冷却进行了热流固耦合分析。探究了叶片旋转产生的离心力,离心浮升力,科氏力以及科氏浮升力对旋流冷却的影响。并在旋转条件下提出了一种提升旋流冷却性能的措施。结果表明:在高转速下,离心力驱使冷气向旋流腔室下游流动,导致下游聚集了大量的冷气,冷气压力升高。衍生出了较高的离心浮升力,致使冷气回流并从上游喷嘴流出,上游靶面不能得到冷气较好的冲刷,传热效果较差。热载荷对叶片应力与应变特性的影响最为显著,由于旋流腔室上游冷却效果较差,叶根区域温度较高,产生了较高的热应力集中。此外,通过将进气腔室改进为收敛形式,可以促进冷气向喷嘴侧流动,减弱回流冷气的影响,从而获得更好的旋流冷却性能。