涡轮作为燃气轮机的重要部件，其性能的优劣对燃气轮机性能有着至关重要的影响。在目前追求发动机大推重比与高效率的要求下，由燃气轮机热循环可知，要达到这一目标需大幅提升涡轮前燃气初温，这导致了冷却气体用量增加，为气动设计带来难度，影响了气冷涡轮气动性能进一步提升。传统的多个学科孤立的设计流程同样不利于现代气冷涡轮的设计，在气动设计初期缺乏对传热设计的考虑，最终传热设计引入的冷气以及边界条件变化影响了最初气动设计的性能。针对气冷涡轮的气动优化工作也是如此，缺乏对传热设计的考虑，影响了最终结果的可信度与实用性。因此，针对现代气冷涡轮的气动型线设计与冷却结构设计应紧密耦合。本文针对上述问题完善了气冷涡轮设计体系，应用设计体系进行多个涡轮设计与优化，验证其实用性，在设计与优化过程中，对涡轮的气动与传热进行一定分析，对设计思想进行一定总结。本文对设计体系进行了完善与应用，原设计体系在对大冷气量涡轮的气动设计与优化初期中无法准确评估气膜冷却与冷却结构对气动性能的影响，针对此问题建立针对气冷涡轮的考虑气膜冷却的叶片三维气动优化平台以及三维气热耦合优化平台。采用设计体系对5个涡轮进行一维方案的设计、核算及优化，对6个涡轮进行S2方案的设计、核算与优化，并对上述不同类型涡轮的设计特点以及设计参数进行分析与总结，为后续研究与开发工作进行一定积累，并通过该部分工作验证设计体系中方案设计与优化部分的工程实用性。本文研究了建立平台过程对气冷涡轮计算精度存在影响的因素，其中包括多组分、热辐射、壁面边界条件以及叶型积迭位置调整对气动效率以及对传热效果的影响。提出了采用消散函数对气冷涡轮损失进行评估的方式，与采用熵增、总压损失系数以及能量损失系数的方式相比，采用消散函数对损失进行评估可消除冷气影响，更准确判断损失分布，反映气体流动情况。本文应用涡轮分层设计优化体系对某船用五级动力涡轮进行了完整的气动设计与优化，最终设计方案在设计点具有良好气动性能并且具有平稳的变工况特性，该设计方案经过了试验的检验，单列动叶的试验表明其各个攻角下的损失显著下降，对第一级涡轮的试验达到了设计要求，文中对多级涡轮的设计流程与设计思想进行了总结；应用设计体系对某民用航空高压涡轮进行气动设计与优化，通过三维计算对气动效率与传热效果进行初步评估与调整，验证了气动与传热设计的合理性并对设计特点进行一定总结。文中涡轮最终设计方案的确定以三维设计为准，设计体系中后续模块始终对通过前一模块所得的设计方案进行一定修正。文中建立了考虑气膜冷却的涡轮气动优化平台，其中包括优化目标函数以及变量选取原则，充分利用多目标优化中Pareto解集的形式体现优化结果，为设计人员提供不同设计需求的方案，为设计提供更大自由度；采用该平台对某气冷涡轮的静叶、动叶进行了以叶型和气膜孔参数为变量的多目标优化，气动效率及传热效果均取得良好的果；对某小流量发动机的高压涡轮进行了整级多目标优化，气动效率和传热效果得到改善。流道内叶型损失与横向二次流损失下降是单列叶片气动效率提升主要因素，文中小流量、大膨胀比、低展弦比涡轮气动效率提升则是由于静叶内激波损失下降以及动叶压力侧分离形式与位置变化导致。文中总结了部分造型参数对气动性能的影响，分析了叶片前缘附近气膜孔沿叶高向下的复合角度对气动性能以及传热效果的影响。最后本文建立了气冷涡轮气热耦合优化平台，同样采用Pareto解集形式体现优化结果；采用该平台对存在简单冷却结构的某涡轮静叶叶型和积迭规律进行气热耦合条件下多目标优化，在气动效率提升的同时有效解决了尾缘烧蚀的问题。对于文中小径高比叶片，激波损失以及二次流损失的降低是气动效率提升的主要因素。除增加冷气量，通过控制叶型与弯叶片使外流场端区附近低能流体减少也是缓解叶片端区烧蚀的手段之一；最后对某动叶以及某涡轮级进行了气热耦合多目标优化，在流阻基本不变的情况下，有效提升了气动效率并改善了传热效果。气热耦合优化平台的建立，为后续的多学科并行设计打下了基础。