燃气轮机被广泛应用于航空、航天、航海、地面发电等领域用于产生动力,但是随着技术的发展,人们越来越注重燃气轮机的综合性能(包括热效率、推重比、功率等参数)的提高,研究结果表明这些参数很大程度上依赖于进口燃气温度的提高,伴随而来的是叶片材料不能承受如此高的进口温度的问题,进而影响燃气轮机的强度和可靠性,因此需要先进的冷却技术对叶片进行有效冷却。传统的涡轮设计方法为对涡轮进行初始设计,计算分析,改型,再分析的不断迭代过程,但是由于进口燃气温度的不断提高,涡轮叶片内部越来越趋于复杂化,单次的不断计算改进大大增加了涡轮的设计周期,因此人们提出了优化设计方法,但是该方法一般基于全三维的数值模拟,优化一次少则一个月,多则几个月,因此还是不能达到快速设计的目的。本文则以课题组管道网络法为基础,搭建了基于管网的优化设计平台。基于一维进行快速计算,大大缩短了计算时间,经过验证表明可以对涡轮叶片壁面温度分布进行预测,从而大大减小了涡轮叶片内冷通道的设计周期。本文选取MarkⅡ叶型进行气热耦合数值验证,将五种湍流模型的计算结果与实验结果进行对比分析,综合考虑计算精度、收敛速度和网格划分难易程度等因素,选取k-ω湍流模型作为后续数值计算的湍流模型。对某型高压涡轮动叶原型利用CFX软件进行全三维气热耦合计算,分析涡轮叶片存在的高温区以及温度梯度过大的区域产生原因,进而提出改型措施。将改型后的涡轮叶片进行全三维气热耦合计算分析改型效果,最终定型,用于接下来优化设计的原型。结果表明相比于原型,改型后的涡轮叶片冷气分配趋于合理化,叶片壁面最高温度降低,最低温度升高,壁面温度分布更加趋于均匀化。对改型后的叶片进行管网拓扑划分,并进行基于管网的气热耦合计算,获得相关参数,以iSIGHT软件为基础平台,利用所获得的文件搭建优化平台,选取多岛遗传算法(MIGA)作为本文的优化方法。以扰流肋的肋高、肋间距、肋倾角以及气膜孔、冲击孔和贯通孔的直径作为优化参数,以壁面最高温度最小化作为优化目标对其进行优化,将获得的优化参数对涡轮叶片进行二次改型,对二次改型的涡轮叶片进行全三维气热耦合计算,并与改型涡轮叶片计算结果进行对比分析。结果表明二次改型后的涡轮叶片各种冷却结构的尺寸与冷气更加匹配,在不增加冷气总流量的情况下显著降低了叶片壁面最高温度,并且提高了冷气的利用率。