随着燃气轮机性能的提升,透平进口温度不断提高,但受限于材料的耐温极限,因此,必须利用高效的冷却同时保证透平高温部件的工作强度和寿命。气膜冷却作为最常用的冷却方式,其实质任务是降低部件温度或局部热斑。第一级透平叶栅端壁直接受到高温、高湍流度的燃气冲刷,注射冷气形成的表面气膜又极易受到端壁附近二次流旋涡的影响,气膜冷却特性极不稳定。通过优化气膜布局,以期降低结构温度,减少二次涡的局部影响,获得均匀温度分布,提高难冷区域(以端壁前缘与压力边角落尤甚)的冷却效率,是叶栅端壁冷却设计者面临的重要任务。围绕这一问题,本文的主要研究内容包括如下三大部分:第一,不同于以往的绝热壁面假设条件下的气膜冷却端壁优化,本文根据冷却端壁流-固耦合换热后的温度分布,辅以近端壁三维流动特性,提出了一种新的端壁气膜孔布局设计策略。由于其可以提高过往文献中的局部难冷区域的冷却效率,因此,被称为局部强化气膜孔布局(Locally Enhanced Hole-Layout,LEHL)。通过与相同孔数、孔径和孔注射角的均匀多排孔布局相比较,发现:LEHL不仅提高了前缘和近压力侧区域的冷却效果,而且对整个端壁表面的冷却效果也有积极作用,在小质量流量比(Mass Flow Ratio,MFR)下,这种改善效果更甚;并能显著降低整个端壁的表面温度和压力侧到吸力侧的温度差,这对改善热环境中端壁的变形和强度也是有益的。第二,通过改变主流温度和主流湍流格栅,讨论了主-冷流高温比和主流高湍流度对优化端壁气膜布局冷却特性的影响。研究发现:温比和湍流度均会影响端壁表面高温区域分布,以及展向和轴向冷却效率分布;在每个MFR下,大温比和小湍流度对应更高的冷却效率,随着MFR的增加,温比对端壁冷却效率的影响逐渐减小,相反,湍流度的影响逐渐提高;相比较低温比和低湍流度下,高温比和高湍流度可以改善LEHL中的近压力侧区域的冷却效果。第三,为了进一步提高端壁区域的冷却效率,通过引进层板结构的端壁冷却设计,增加端壁背部冷却。对比普通端壁气膜冷却和端壁层板冷却,发现:层板结构能否发挥冷却优势受到MFR的严重影响;随着MFR的增加,层板冷却的优势增强,冷气覆盖更均匀,对近压力侧区域冷却效果的提升更显著;但在小MFR,层板冷却并未体现出优势,因此,优化层板内部结构值得继续探讨。