本文以运行于IGCC系统中的中低热值燃料燃气轮机透平为研究对象，主要目的在于研究中低热值燃料燃气透平进口燃气组分变化及燃气组分非均匀性（组分斑）对气冷透平流动及传热特性的影响规律及其内在物理机理。本文首先在气膜冷却平板模型上开展了高温燃气组分对其流热耦合特性影响机理的研究并且在此项研究过程中采用了理论、计算以及实验相结合的研究方法。理论研究方面，本文提出了可用于预测绝热及耦合条件下冷却效率及相应动能掺混损失的自封闭模型集；数值研究方面，本文提出了可用于模拟高温多组分气膜冷却问题的数值计算模型集；实验研究方面，本文合作搭建了可用于模拟中低热值燃料燃气透平真机相近工况的高温平板气膜冷却流热耦合实验台。本文将以上三方面研究成果应用于研究高温燃气组分变化对流热耦合平板冷却效率及流动损失特性影响的研究之中，从而揭示了燃气组分变化对流热耦合平板传热及流动损失特性的影响规律及其物理机制。在掌握燃气组分变化对流热耦合平板冷却效率及流动损失特性影响的基础上，进一步采用模型分析及数值计算相结合的方法研究了高压气冷透平在其进口燃气组分变化条件下的流热耦合特性变化规律及其物理机理。在高温多组分气膜冷却平板数值计算模型集的基础上，引入了滞止点异常限制器、转捩动量厚度雷诺数拟合公式以及各向异性湍流模型以扩充原有CFD模型集的预测性能，提出了用于模拟高压气冷透平流热耦合问题的CFD模型集并将其成功应用于透平进口高温燃气组分对其流热耦合特性影响的研究之中，从而在高压气冷透平模型上更加深入地揭示了燃气组分变化的影响。本文最后系统深入地研究了透平进口组分斑对高压透平级内部二次流结构及其局部换热特性的影响规律及其物理机制，采用理论分析及数值计算相结合的研究方法。提出了分析组分斑影响透平级二次流结构的理论框架，并在此理论框架范围内发现了组分斑在动叶通道内部诱导的两类二次流结构，即“热斑强化结构”和“斜压扭矩结构”，从而拓宽了透平级动叶通道内部的二次流图谱。