燃气轮机是航空推进和化石能源高效利用的关键动力装备,先进和高效的透平冷却结构是其核心技术之一。薄壁结构作为一种有潜力的高效冷却结构,降低冷气与燃气间热阻、提高换热效率,并与内部支撑结构形成薄壁双层壁叶片。本文立足于薄壁双层壁叶片,研究其内部与气膜典型冷却单元的关键问题和作用机制,分析和验证了薄壁双层壁叶片高效冷却的机制和特性。本文研究了短冲击距离阵列冲击冷却特性与柱肋通道的对流与耦合传热特性,指出了短冲击距离降低上游孔出流、增加横流效应、降低总体传热系数的传热特性,发现了倾斜冲击(≤40°)偏斜驻点改善局部传热、平均传热与直冲击相当的传热特性,并总结了适用于低冲击距离的阵列冲击传热系数关联式;同时,提出了一种定量评价冲击冷却温度均匀性的参数RSD,揭示了降低冲击靶面厚度会显著提高冷却效率、增加温度不均匀性的耦合传热特性,指出了增大面平均冷气量时冲击冷却存在极限冷却能力的传热特性。针对薄壁双层壁叶片外壁薄、气膜孔长径比小的特点,本文开展了平板/叶栅环境下变长径比气膜冷传热实验与大涡模拟研究,指出了极短长径比孔提高进口湍流度加快肾形涡耗散而大幅提高气膜有效度、短长径比孔内肾形涡与主流K-H剪切涡混合后形成主流肾形涡降低气膜有效度、和大长径比减弱肾形涡提高气膜有效度的传热特性;基于孔内湍流度和涡系结构发展特性,提出了改变孔进口形状、扩大孔出口面积的短长径比成型孔优化方法,实验验证了优化后的短长径比成型孔具有更高的综合换热性能。在上述冲击和气膜冷却单元的基础上,本文研究了薄壁发散气膜单元对流传热特性,探讨了气膜射流方向与壁面厚度对气膜有效度和传热系数的影响:降低正向射流气膜板厚度,会促进射流吹离降低气膜有效度,降低近壁湍流扰动从而降低壁面传热系数;降低反向射流气膜板厚度,会强化主流-射流掺混,抑制气膜射流吹离,提高气膜有效度,并略微提高壁面传热系数,提高气膜板的综合传热性能。更进一步地,本文研究了薄壁双层壁耦合传热特性,定量评价了冲击冷却、发散冷却、扰流柱肋、以及其复合结构对综合冷却效率的贡献比重,论述了降低壁面厚度会显著提高双层壁结构综合冷却效率,指出了解耦的传热研究方法在薄壁双层壁冷效预测上的偏差和耦合传热研究方法的必要性。本文成果为下一代燃气轮机透平叶片高效冷却设计提供了研究基础。