随着燃气轮机综合性能的不断提升,透平动叶进口温度及落压比越来越高,恶劣的工作环境使透平动叶的冷却问题越来越受到关注。透平进口温度的提高以及落压比的增加,导致透平动叶热负荷增大,叶顶泄漏流和动叶叶根端壁二次流结构变得更加复杂,从而增加了透平动叶叶身、叶顶和叶根端壁的冷却难度。需要对冷却结构进行改善及重新设计以提高叶片冷却效果。提高气膜冷却效果是增加透平动叶综合冷却效果的有效途径。以平板为简化模型,通过实验研究了垂直横流对槽型扩张孔气膜冷却效果的影响。在垂直横流条件下,对比研究了不同形状的槽型截面孔的气膜冷却效果,提出垂直横流影响下具有较高气膜冷却效果的新孔型。当垂直横流存在时,气膜孔下游出现非对称反肾形涡系结构,气膜冷却效果低于大腔室供气方式。当吹风比BR≥1.5时,面平均气膜冷却效果的降低量超过了22%。中等吹风比时,顺流供气方式下带展向倾斜角的槽型扩张孔气膜冷却效果高于常规槽型扩张孔气膜冷却效果。这得益于展向倾斜孔在孔下游形成一对旋向相同强度相当的对涡,该涡系结构增加了冷气的附壁性能。通过实验对比研究了槽型扩张孔与扇形孔在透平动叶叶身上的气膜冷却效果,同时研究了气膜孔流向位置及密度比对压力面气膜冷却效果的影响。在压力面上,槽型扩张孔气膜冷却效果明显高于传统扇形孔。当气膜孔靠近前缘时,槽型扩张孔对气膜冷却效果提升作用最明显,面平均气膜冷却效果增加量可达0.2。气膜孔越远离前缘,当地壁面曲率越小,气膜冷却效果越高。相比于扇形孔,槽型扩张孔气膜冷却效果对气膜孔流向位置的敏感度较低,这得益于槽型扩张孔冷气出流较好的附壁性能。在叶片吸力面上,槽型扩张孔冷气射流附壁性能低于扇形孔,导致扇形孔气膜冷却效果高于槽型扩张孔。通过实验和数值计算研究了气膜孔位置、叶顶间隙、吹风比及进气攻角对吸力面凸肩叶顶气膜冷却效果的影响。实验研究表明,相比于气膜孔沿中弧线布置或靠近吸力面布置,气膜孔靠近压力面侧布置时具有更高气膜冷却效果。吹风比及叶顶间隙的变化改变了叶顶“再附线”位置。小吹风比下,靠近压力面的冷气射流流向压力面侧,当吹风比增加到BR=2.0时,靠近压力面的冷气射流对叶顶泄漏流具有较好的阻塞效果,“分离泡”被限制在气膜孔和压力面之间的区域,冷气射流流向吸力面侧。叶顶间隙的增加使得“再附线”不断向吸力面迁移,这增加了流向压力面的冷气量。根据实验结果提出了以“再附线”为基准的吸力面凸肩叶顶全覆盖气膜冷却的气膜孔布置方法,并进行了实验验证。数值计算结果表明,相比于负攻角进气,正攻角进气可以较大幅度的提高中弧线附近和吸力面侧附近气膜孔的气膜冷却效果。通过实验研究了转静间隙结构、气膜孔形状及布局方式对动叶叶根端壁气膜冷却效果的影响,并通过数值计算对流场进行了分析。研究发现,转静间隙冷气射流的气膜冷却范围是以“转静间隙出口下游边界”、“通道涡边界”以及“马蹄涡吸力面分支边界”组成的一个近似三角形的区域。相比于收缩间隙结构,带有+55°导流结构的转静间隙对动叶叶根端壁气膜冷却效果的提升作用更为明显。收缩间隙的加速效应突破了前缘滞止区对转静间隙冷气出流的限制,在紧邻转静间隙出口处气膜周向覆盖范围最宽。在动叶叶根端壁上,新型槽型扩张孔具有比传统扇形孔更高的气膜冷却效果。当吹风比BR=2.5时,相比于传统扇形孔,槽型扩张孔面平均气膜冷却效果的相对增加量超过了40%。槽型扩张孔的“扁长”特征使其气膜冷却效果对气膜孔布局方式的敏感度高于传统扇形孔。当靠近压力面前缘气膜孔方向角偏向压力面时,压力面角区气膜冷却效果被显著增加。根据实验结果提出了基于叶型及叶根端壁几何参数来提高动叶叶根端壁气膜冷却效果的气膜孔布置方法。转静间隙冷气泄漏流使“马鞍点”和“分离线”位置前移,导致分离线附近冷气射流的流动轨迹朝吸力面偏转。