燃气轮机采用传统空气冷却实现透平初温需求是以消耗大量冷却空气和高度复杂的冷却结构为代价的,这不仅会导致整个系统的效率降低,而且使高温叶片的制造成本提高。闭式蒸汽冷却可以满足透平叶片的冷却需求,冷却结构得以简化,而且避免了掺混损失,但其面临着蒸汽消耗量大和冷却系统复杂的缺点。水雾/空气相变冷却可以提供一个解决上述问题的途径,该冷却方式是通过雾滴的相变潜热吸收、雾滴和水蒸汽的大比热吸热、雾滴和冷却壁面的直接接触导热以及雾滴和边界层作用来改善冷却空气换热能力的一项分布式冷却技术,将水雾/空气相变冷却应用于透平叶片冷却的目的是在保证冷却效果的前提下降低冷却空气量,同时简化高温透平叶片的冷却结构。本文采用欧拉-拉格朗日颗粒追踪方法对水雾/空气相变冷却进行数值研究,并通过修正模型与商用软件的嵌套考虑了雾滴的二次破碎、雾滴之间的碰撞和雾滴与壁面之间的相互作用。水雾/空气相变冷却透平叶栅的三维流动气热耦合力学模型是一个组合流体动力学问题,包含气热、气弹、热对流与热传导以及工质的相变等问题,其强化换热机理和颗粒动力学特性极为复杂,在此利用现有的实验数据对数值计算采用的多相流模型进行了校核。基于传热传质的经典理论,以单个雾滴为研究对象,建立热质传递过程的数学模型,给出了平衡及非平衡条件下雾滴的蒸发速率、存在时间及运动距离的理论计算模型,研究了雾滴初始直径、空气压力及温度和滑移速度对雾滴蒸发过程中直径和速度变化的影响,并从单个雾滴的能量守恒方程出发,应用有效薄膜理论分析了添加水雾的相变冷却引起干空气预冷效果的机理。为了寻求更好的透平导叶前缘内部冷却结构,对透平高温叶片前缘内部冲击和旋流相变冷却的流动换热机理进行了深入研究,探索了冲击和旋流相变冷却的涡流结构、换热强度、流动阻力和热均匀性,同时对叶片前缘内部冲击和旋流相变冷却进行了对比研究。结果显示,旋流结构所形成的涡系有利于换热的增强和热均匀性的提高,当加湿量为8%时,旋流冷却的换热性能较冲击冷却增强了 16%,而其压力损失系数是冲击冷却的68%,同时旋流冷却的换热系数不均匀度比冲击冷却低15%左右。通过对带有前缘气膜冷却和多排气膜冷却的水雾/空气相变冷却的研究,探索了水雾/空气相变气膜冷却的换热机理。研究了水雾加湿量、雾滴直径、雾滴颗粒的受力、壁面边界条件和雾滴喷射位置对换热特征的影响。结果显示,增加水雾加湿量可以降低叶片表面的温度和换热系数,并可以提高叶片表面的绝热气膜冷却有效度,而且压力面喷雾的强化效果要优于吸力面。分布式的相变冷却技术可以通过控制喷入雾滴的尺寸来实现各个位置不同程度的冷却,而且水雾/空气相变冷却只降低边界层的温度而对边界层的厚度及边界层外主流流体的温度没有影响。在之前研究的冲击、旋流和气膜相变冷却技术的基础上,将相变冷却技术应用到实际某重型燃气轮机透平导向叶片的冷却系统中,分别研究了气膜-强化肋-尾缘劈缝复合结构、冲击-气膜-强化肋-尾缘劈缝复合结构和旋流-冲击-气膜-强化肋-尾缘劈缝复合结构耦合水雾/空气相变冷却后的冷却性能。结果显示,将冲击及旋流冷却结构纳入到导向叶片的冷却系统后,叶片表面的平均降温效果相比于气膜+肋+劈缝复合冷却结构提高了18%,叶片表面平均总体冷却有效度提高了7.4%左右,但其使叶片表面平均温度梯度提高了19%左右,而且叶片前缘采用吸力面旋流冷却时的叶片表面平均冷却效果略高于压力面旋流和冲击冷却。