在现代燃气轮机燃烧室发展中高温升、低排放燃烧室是其主要的趋势。此种燃烧室由于冷却的空气量急剧减小,高效的冷却保护成为亟待解决的难题。发散冷却是通过在火焰筒壁面上开设大量离散小孔,形成规则化的多孔结构,利用冷却板内的强制对流换热以及燃烧室流动侧均匀的气膜覆盖实现对火焰筒壁面进行有效的热防护。它具有在冷却介质消耗较少的同时,可以提供较好冷却保护的优点。并随着现代制造工艺的日趋进步,诸如快速激光加工以及增材制造等方法的工业应用,发散冷却已被认为是现代燃气轮机尤其是航空发动机燃烧室中一种先进的冷却方式。本文以燃气轮机燃烧室发散冷却为研究对象,采用实验与数值模拟相结合的手段对燃烧室非反应态/反应态发散冷却的耦合传热特性开展了深入研究。首先对非反应态/反应态工况下发散冷却耦合传热特性进行了实验研究。利用红外测温技术对火焰筒壁面综合冷却效率分布进行了测量,通过调整发散孔倾斜角度(30°,90°和150°)重点考察了射流入射方向(前倾,垂直和后倾)对冷却流量特性和冷却性能的影响规律,冷却板压降范围为0-2.5%。实验结果表明:流量及流量系数随冷却板压降的增加而增加,无论非反应态还是反应态,斜孔(前倾和后倾)孔阵的流量系数均小于直孔孔阵。扩张旋流冲击壁面区域处冷却效率最低,其原因为冲击滞止点换热系数高,且抑制了冷却射流的有效喷射,孔内对流换热强度降低,气膜也无法在热侧覆盖。非反应态工况下,冷却板压降相同时,后倾孔综合冷却效率最高,直孔的冷却效率最低;反应态工况下,冷却板压降较低时,前倾孔的综合冷却效率最高,直孔的冷却效率最低,当冷却板压降增加至1.5%时,直孔冷却流量的大幅增加使得其综合冷却效率高于前倾孔结构。后倾发散孔引入的逆向射流对角回流区和冲击区冷却效率的提升效果在冷却板压降较大时才比较明显。其次,对非反应态/反应态工况下发散冷却性能的实验结果进行了深入对比分析,比较最低展向平均综合效率点轴向位置的迁移,并基于非反应态冷却效率结果,提出对反应态综合冷却效率值进行修正的方法。开展雷诺时均方法的数值模拟考察非反应态/反应态工况下近壁面的流动特征,揭示冷却性能差异的机理及主流-冷却射流的相互干涉作用。研究结果表明:在非反应态和反应态工况下,单位质量的冷却空气冷却效能随冷却板压降的增加而减小,其中后倾孔结构冷却效能最高,而直孔结构冷却效能最低。前倾孔冷却结构易于形成贴壁的覆盖气膜,其对主流的影响程度最小;直孔结构在靠近燃烧室出口处将主流抬升偏向燃烧室上部;后倾孔的逆向射流与主流之间存在强烈剪切作用,形成贴近壁面的涡结构,对主流影响最大。后倾孔冷却结构下的逆向射流动量与主流动量的竞争关系决定了发散气膜能否覆盖角回流区及冲击区,进而提高当地的冷却效率,同时也决定了冷却板上最低展向平均综合冷却效率点位置是否向上游移动。最后,针对实际环形燃烧室内外环面上主流-冷却射流不同的相干效应,及其对发散冷却性能的影响,开展了三喷嘴扇段燃烧室的发散冷却特性的耦合传热实验研究,利用红外方法测量火焰筒内外环面的温度分布并对比综合冷却效率。考察了冷却性能受冷却空气量和孔阵排布形式(顺排和叉排)的影响规律,研究结果表明:曲率不同导致高温燃气对内外环面辐射热负荷有所差异,内环面温度稍高于外环面。外环面上周向平均综合冷却效率随着流向距离的增加而增加,多排气膜叠加效应显现,而在内环面上,发散气膜附着能力衰退,没有出现气膜叠加效应。相比于顺排布置,叉排布置的发散冷却孔阵可以提供更好的冷却保护。综上,本研究掌握了与真实燃烧室工作状态更接近的反应态工况下主要参数对发散冷却性能的影响规律。同时提出了建立非反应态和反应态工况下关于综合冷却效率的修正方法,为利用实验室非反应态工况的实验结果指导实际燃气轮机燃烧室的发散冷却设计提供了支撑。最后提出了应用于燃烧室壁面发散冷却的逆向射流孔结构形式,对燃烧室发散冷却孔阵局部优化提供了新的思路。