如今，燃气轮机在航空、舰船、电力等诸多领域中得到了广泛的应用。燃气轮机技术的应用和发展，已经成为了评判一个国家的军事工业和民用工业水平的关键衡量标准。近年来，得益于先进的涡轮冷却技术的不断发展，燃气轮机的整体性能大大提高。越来越多的研究人员，相继投入到涡轮冷却技术相关领域中，取得了丰硕的成果。但燃气轮机的涡轮叶片处于高温、高压、高负荷的恶劣工作环境中，工质的流动过程处在三维、有粘、可压、非定常与多场耦合的条件下。如此的研究特点，无论是对实验研究还是数值研究，都提出了不小的难度。文章采用了数值研究的方法，依托国家重点863课题，针对我国自主研制的某型燃气轮机涡轮叶片模型，进行了第二级叶片冷却结构设计、第二级轴间间隙冷气掺混的气动与换热性能研究以及三级涡轮冷气掺混的整体气动影响分析。为我国自主研制的某型燃气轮机第二级涡轮叶片的冷却结构，提供了设计思想和效果验证。特别对第二级单级涡轮以及整体三级涡轮的气动性能，旋涡结构、传热现象、能量损失和做功能力等问题进行了重点分析。第二级单级涡轮的研究，在不同流量的叶栅端壁轴间间隙冷却流体掺混条件下，侧重流场流动和传热的细节分析。整体三级涡轮的气动性能研究，在有无冷却流体掺混的两种条件下，以涡轮的做功能力、整体性能变化为研究重点。本文的研究，为第二级涡轮叶片提供了有效的冷却结构设计思想。通过研究发现，叶栅前缘轴间间隙冷气喷射使二次流现象变得更加明显，能量损失增大，对下游叶栅的做功能力有消极影响，但对端壁冷却可以起到良好的效果。多级涡轮在相同的进口总温、总压与出口背压条件下，掺混冷气使得涡轮进口燃气流量降低，各列叶栅静压和比热下降，流场Ma数降低，进口气流角减小。同时各列叶栅的做功能力发生不同的变化，涡轮整体效率略有降低。