燃气轮机广泛用于航空推进、地面工业发电等能源动力领域,在国民经济与国防建设中的作用日显重要。透平进口温度的提高是改善燃气轮机热效率的有效手段,因受到部件材料高温性能的限制,研究和发展先进的燃气轮机冷却技术,降低高温部件工作温度是改进燃气轮机经济性与安全性的重要保障。透平叶片冷却技术作为燃气轮机的关键技术之一受到国内外研究者的广泛关注,多年来的实验及数值研究工作积累了大量的经验。就目前应用的空气冷却技术而言,已经发展得较为完善,可使发动机涡轮进口温度达到1700℃以上,地面重型燃气轮机透平进口温度也达到1400℃左右。然而随着透平进口温度的提高,用于冷却透平的空气用量也不断增加,对燃气轮机比功和循环效率带来不利影响,部分抵消了提高透平前燃气温度所带来的在效率方面的收益。因此提出一种既能有效保护叶片又能不减少做功能力和循环效率的冷却技术尤为重要。闭式蒸汽冷却技术是一种先进的冷却概念,在地面发电用联合循环机组中已经得到应用,其工作原理是利用联合循环中底层相对“较冷”的过热蒸汽直接冷却高温部件,通过闭式流路达到冷却的目的,吸收一定热量的蒸汽再进入底循环进行能量的回收。与常规的空气冷却技术相比,选择蒸汽作为冷却工质,大幅度减少了从压气机的冷却抽气量,闭式流路消除了局部冷气掺混的损失,因此对整个循环系统的性能有较大的提高。叶片闭式蒸汽冷却技术是目前工业燃气轮机最先进的冷却技术之一,公开发表的相关文献不多,可供借鉴的设计方法也较少。本文依据成熟的气冷结构设计方法,对某型燃气轮机透平导叶气冷结构进行闭式蒸汽冷却改型设计,力图在相同的透平进口条件下,用闭式蒸汽冷却代替空气冷却,并满足冷却要求。为了实现这一目标,本文主要从以下几个方面开展了研究:1.利用具有实验数据的MarkⅡ叶型算例,对气热耦合CFD方法进行了验证,并研究了气热耦合数值计算中湍流模型、网格密度等因素对计算结果的影响。2.初步实现了闭式冷却结构,分析了闭式蒸汽冷却的冷却效果及损失,并与原开式空气冷却的结果进行了比较;对相同的闭式冷却结构,分别用空气和蒸汽作为冷却介质进行了计算,分析对比了两种冷却介质冷却效果的差异。3.根据热负荷分布和叶型特点,在叶片不同部分布置相应的冷却结构,利用分区方法研究不同部分的冷却策略,提出了一组能满足各部分冷却要求的闭式冷却冷却。结合叶片各部分的冷却结构,并考虑上下端壁冷却的需要,最终将整个叶片冷却系统进行了集成。4.利用气热—热弹耦合方法,研究了具有简单柱型孔冷却结构的透平叶片的复合应力分布,发现热应力是复合应力的主要组成部分,在叶片冷却结构设计中应着重考虑由温度梯度造成的局部热应力集中问题。