气膜冷却作为一种高效的冷却方式在涡轮叶片总体冷却效果提升中占据主导作用。异形孔的创新和应用能够同时改善流向和展向气膜覆盖,使叶片获得更好的冷却均匀性,对于减少冷气用量、降低叶片热应力具有非常重要的意义。收敛缝形孔是一种新型高效的成型孔气膜冷却结构,从入口圆逐渐过渡为出口窄缝,相比常规圆形孔和扩散孔能够有效改善气膜覆盖均匀性,但同时收敛结构会提高气膜孔内的压力损失,降低流量系数。为此提出圆-缝形孔(RTSH)的概念,其整体结构和收敛缝形孔类似,通过改变出口缝的几何参数使得出口面积小于、等于或者大于入口圆面积,分别形成收敛圆-缝形孔、等面积圆-缝形孔及扩张圆-缝形孔。本文针对几种典型的圆-缝形孔在不同压力梯度主流环境中的冷却特性进行研究,并和常规的圆形孔和扇形孔进行对比,主要研究内容及相关结论如下:首先,针对流向压力梯度主流中平板单排圆-缝形孔的气膜冷却特性分别开展了实验和数值研究,包括四种不同的圆-缝形孔结构,并以圆形孔和扇形孔作为比较基准。研究结果表明,除常规肾形涡对以外,圆-缝形孔下游形成另一对与之旋向相反的反肾形涡,有效阻止了高温主流从气膜射流两侧侵入冷却射流下方壁面,增强了气膜的展向扩散能力,同时向主流的法向穿透得到有效抑制。随着出口缝长的增加,圆-缝形孔下游的反肾形涡对尺度和涡量逐渐增大,在流动掺混过程中起主要作用,有利于提升展向气膜覆盖的均匀性,使得孔间区域气膜冷却得到明显改善,但同时气膜的流向扩展能力有所降低,高吹风比下圆-缝形孔相比圆形孔和扇形孔体现出更显著的冷却优势。对于圆形孔而言,主流顺压力梯度有利于抑制冷气射流的法向抬升,提升气膜冷却效率,主流逆压力梯度则反之;对于扇形孔而言,小吹风比下主流逆压力梯度略微改善了平均气膜冷却效果,而高吹风比下主流顺压力梯度有利于抑制扇形孔射流的法向穿透,提升平均冷却效果;对于圆-缝形孔而言,主流逆压力梯度下气膜的流向和展向覆盖效果得到改善,整体冷却效率有所提升,主流顺压力梯度则导致气膜覆盖面积减小,降低了平均冷却效果。主流顺压力梯度下圆-缝形孔的冷却优势相比零压力梯度有所减小,而主流逆压力梯度下圆-缝形孔的冷却优势更加显著。小吹风比下主流顺压力梯度使得各气膜孔流量系数降低,逆压力梯度反之,高吹风比下主流压力梯度对流量系数影响较小。收敛圆-缝形孔RTSH-1的流量系数低于圆形孔,等面积圆-缝形孔RTSH-2的流量系数和圆形孔相当,扩张圆-缝形孔RTSH-3和RTSH-4的流量系数高于圆形孔,在提高冷却效率的同时降低了孔内压力损失。其次,针对涡轮叶栅主流环境中导向叶片表面单排圆-缝形孔气膜冷却特性分别开展了实验和数值研究,并和圆形孔及扇形孔进行对比。研究结果表明,相同名义吹风比下,吸力侧相对较高的主流速度对射流涡尺度及法向抬升具有明显的抑制作用,冷却射流向主流的穿透和压力面相比明显减弱,吸力面上具有较好的气膜贴壁性,形成更薄的气膜保护层。圆形孔射流在吸力面上的气膜分离相比压力面明显滞后,整体冷却效率高于压力面;对于扇形孔和圆-缝形孔而言,除孔口局部区域外,吸力面沿程平均效率整体低于压力面。在本文研究的吹风比范围内,圆-缝形孔均能改善压力面气膜冷却效果,等面积圆-缝形孔RTSH-2能够得到最好的平均冷却效果;对于吸力面圆-缝形孔只有在高吹风比工况下才具有显著的冷却优势,扩张圆-缝形孔RTSH-3的平均冷却效果最好。气膜孔的出口/入口面积比是影响次流引气压力和流量系数的一个重要因素,压力面上各气膜孔的流量系数和吸力面相比更高。第三,针对高温高压主流环境中涡轮导向叶片表面多排孔气膜冷却进行了数值研究,其中前缘布置六排喷淋孔,压力面和吸力面分别布置五排和三排气膜孔,重点讨论改变压力面和吸力面气膜孔形状对气膜流动和冷却性能的影响。研究结果表明,相同引气压力下,改变压力面和吸力面的气膜孔形状对前缘气膜出流量几乎没有影响,压力面和吸力面采用收敛圆-缝形孔时各位置冷气出流量均低于圆形孔,叶栅通道能量损失系数比圆形孔低4.2%左右,扇形孔和扩张圆-缝形孔冷气出流量要略高于圆形孔,叶栅通道能量损失系数分别比圆形孔高3.2%和5%左右,等面积圆-缝形孔冷气出流量和圆形孔相当,叶栅通道能量损失系数比圆形孔高1.7%左右。上游气膜层的发展使得下游各排气膜孔的冷却效率明显提升,但此时扇形孔和圆-缝形孔相比圆形孔的整体冷却优势也有所减小。通过气膜冷却叠加算法得到的叶片表面多级气膜冷却效率分布趋势和数值计算结果一致,压力面上两者之间的偏差较小。考虑叶片导热时叶片表面综合冷却效率分布更加均匀,前缘冷却效率相比绝热冷却明显提升,压力面和吸力面上各排气膜孔出口位置绝热和综合冷却效率相差不大,往下游两者差值逐渐增大。最后,针对旋转状态下涡轮转子叶片压力面单排圆-缝形孔的冷却特性开展数值研究,并和圆形孔及扇形孔进行对比。研究结果表明,旋转状态下叶栅通道内存在明显的径向压力梯度,吸力侧主流保持横向流动,压力侧主流形成往叶尖方向的径向流动。压力面气膜射流在离心力和哥氏力的共同作用下向叶尖方向偏转,肾形涡对不再呈现对称分布,叶片表面冷却效率呈现明显的阶梯状分布,从叶根往叶尖方向下游气膜覆盖面积逐渐增大。旋转状态下圆形孔和扇形孔出口区域冷却效果相比静止状态有所提升,下游冷却效率随转速的增大略有降低,圆-缝形孔展向平均冷却效率随转速增大单调递减,高吹风比下旋转对平均冷却效率的影响更加显著。无论是静止还是旋转状态,圆-缝形孔均能有效抑制冷却射流向主流的法向穿透,高吹风比下对气膜冷却的改善效果更加显著。和静止状态相比,旋转状态下异形孔对气膜冷却效率的改善程度有所削弱。