燃气轮机凭借其运转稳定,功率密度大,噪声低,启动快等优势广泛应用于航空器、舰船、电站等领域。我国在燃气轮机研发和制造领域与国外先进水平具有较大的差距,为突破卡脖子技术我国近年来在民用和军用航空领域正在奋起直追。燃气轮机涡轮动叶顶部与静止机匣间不可避免地存在着间隙,在运行过程中高温泄漏气持续不断地掠过涡轮叶顶极易导致其发生氧化,热烧蚀,甚至断裂现象。在这种背景下,本文从冷气侧和燃气侧两个角度出发,以强化内部换热,削弱外部热负荷为目标,提出了多种被动冷却措施,为新一代燃气涡轮叶顶的设计提供参考。首先,本文以典型双流程内部冷却通道为研究对象建立流动换热模型,通过分析流动拓扑阐述了典型内冷通道旋涡演化及换热机制,讨论了不同折转间隙,隔板厚度和长宽比的内冷通道流动与换热特性。总结出冲击剪切流和折转效应引起的对转迪恩涡贡献了顶部的高换热量,下游流动分离螺旋上升形成的低能流体团堆积抑制了局部换热。其次,本文研究了顶部冷气出流影响内冷通道流动与换热的作用规律,对比了冷气孔尺寸,流量和布局位置发生变化时内部流场的改变,归纳出顶部强化换热规律。发现冷气孔排列在折转中部时对顶部换热的强化作用较明显,冷气出流对迪恩涡的拖拽作用和对周围流体的加速作用激发了近壁湍流强度,削弱了边界层厚度从而增强了顶部的换热。再次,本文提出了三角翼纵向涡发生器强化顶部换热的新措施,通过分析流动拓扑解释了换热增强的原因,并通过试验方法确定了强化换热的效果。总结了三角翼类型,布局,位置,攻角,间距等参数对顶部换热的影响规律,并利用数值模拟方法验证了三角翼涡流发生器在涡轮叶片中的有效性。发现在设计时需要注意三角翼方向与主流布局关系,前缘相对布局方式更有利于顶部换热,布置在顶部中下游位置时能够激发下游低能流体团的扰动,同时不破坏上游冲击区原本的强换热性,从而带来顶部整体换热的提升。此外,本文提出的锥形涡流发生器可以在提升顶部换热的同时有效改善顶部的温度均匀性,相较于传统的扰流柱顶部强化措施,该方式可以在较小的流动损失下获得较优的换热性能。最后,针对传统的肋条叶片存在局部高温区和较大的温度梯度,本文提出了肋条气膜喷射冷却方式,通过将肋条与气膜冷却有效结合,可以有效抑制间隙泄漏并降低叶顶热负荷。通过分析喷射几何构型,喷射位置和喷射量等参数对叶顶的影响,发现肋条气膜缝冷却方式优于肋条气膜孔冷却,这种新型设计形式可以使冷气与高温燃气提前掺混,在凹槽内卷成旋涡。凹槽深度增加会增强旋涡在槽内的旋转和保持,有助于降低叶顶热负荷。此外,从内部冷却出发,将三角翼纵向涡发生器应用于叶片内冷通道的顶部,通过三维气热耦合计算验证新型强化换热微结构对叶顶的保护作用。通过设计不同攻角和间距的顶部三角翼涡流发生器,归纳出三角翼涡流发生器强化涡轮叶顶内壁换热优化方式,为新型叶顶内冷通道的设计提供参考。