随着燃气轮机透平进口温度的不断提高，为了保证燃气轮机的安全运行，内部冷却已经成为高温透平叶片必不可少的冷却方式之一，且叶片内部冷却结构形式愈加多样，冷气在其中的流动传热特性也更加复杂。因此，掌握透平叶片内部冷却的流动传热机理是掌握和优化透平叶片传热冷却技术的重要前提。本文针对内部蛇型冷却通道中的典型结构——带肋U型通道进行了较为系统的流动传热机理研究。搭建了透平叶片内部冷却实验台，采用瞬态液晶等测量手段研究了其中的流动传热分布规律，并总结了相关的经验公式。同时，本文通过导流片和肋片对其中弯头区域的流动传热进行了优化，研究表明：导流片能抑制弯头区域的大分离流动，从而有效减小该区域的压力损失，而导流片与肋片的组合可使传热分布更为均匀，有利于减小通道中的温度梯度。实验和数值模拟的对比表明，RANS方法对光滑及带45度肋U型通道中的流动传热分布的计算基本可靠，具备工程应用的参考价值。而由于其计算大分离流动能力的不足，弯头区域的传热计算误差较大。对梯形U型通道内流动传热特性的研究表明，非对称壁面会导致通道中横向二次流分布的不对称。对于梯形带肋通道，通道竖板壁面的传热系数均高于斜板壁面，而冷气进口方式对带肋通道中的流动传热情况影响不大。本文还采用实验、一维流体网络计算和三维数值计算方法相结合，对某F级重型燃机高温透平叶片冷却系统进行了较为全面的分析研究，揭示了其中的流动传热分布规律，分析了其冷却设计的特点。研究表明：经过经验公式校核的一维流体网络计算和三维数值计算能较好的预测出叶片复杂通道中的压力分布和冷气量的分配，并获得了该F级叶片内部冷气量分配比例关系。静止状态下，叶片成比例缩放后，冷却系统中的无量纲压力分布趋势不变，且通道中的压力分布和冷气量分配比例基本一致。旋转状态下，两种计算方法获得的压力分布和冷气量分配也基本相同。瞬态液晶传热实验结果和数值模拟，均较好的显示了该冷却叶片内部复杂传热分布，两者获得的传热系数分布基本一致，从而印证了两种方法在研究冷却叶片内部复杂流动传热问题的可靠性。