提高燃气轮机涡轮进口温度是目前提高燃气轮机循环功率和热效率的主要途径和手段,与此同时也对涡轮叶片的耐高温性能提出了更高的要求。目前燃气轮机涡轮进口温度的提高速度已经远远超过了涡轮叶片耐高温材料的发展速度,因此,在继续发展耐高温材料的同时必须加强对涡轮叶片冷却技术的发展力度。燃气轮机高温涡轮叶片的冷却技术主要包括内部冷却和外部冷却,在所有的内部冷却方式中,冲击冷却是最高效和最有潜力的一种冷却技术手段,主要用在热负荷比较高的区域,如涡轮转子叶片前缘或者是一些涡轮叶片的中部区域。冲击冷却的研究在整个涡轮叶片冷却技术研究领域占有举足轻重的地位。本文对涡轮叶片冲击冷却结构进行了简化,具体主要通过数值仿真的手段研究了单孔射流冲击冷却和阵列射流冲击冷却的流场和换热特性,最后采用瞬态液晶测温技术对阵列射流冲击冷却的换热特性进行了实验研究,为数值仿真计算结果提供了实验数据基础。对于单孔射流冲击冷却结构,研究发现,射流雷诺数的增大可以提高靶面局部努赛尔数,增强单孔射流对靶板的冷却效果;靶面平均努赛尔数与射流雷诺数的0.66次幂(Re^0.66)呈现出近乎完美的线性关系;射流冲击间距的增加使得靶面中轴线上局部努赛尔数的第二个峰值逐渐消失,并且在相对冲击间距H/D=2时,靶面平均努赛尔数达到峰值。对于阵列射流冲击冷却,研究表明,a)增大冲击孔射流雷诺数可以提高靶板表面的局部努赛尔数和平均努赛尔数,但同时也会增大靶板所受到的冲击压力并且降低被冷却面温度的均匀程度,引起一些强度问题。b)冲击间距越大,靶板所受到的冲击压力越小。在相对冲击间距H/D=2⁴时,随着H/D的增加,靶面平均努赛尔数逐渐减小,但靶板表面温度均匀度增加。c)错排结构与顺排结构的靶面平均努赛尔数相差不大;但错排结构靶面温度均匀度大于顺排结构。d)初始横向流速度增加,靶面平均努赛尔数减小;靶面温度分布不均匀程度减小;初始横向流可以提高靶面温度分布的均匀性,在一定程度上可以解决被冲击板由于温度分布不均匀和射流压力差异所造成的强度问题。e)蒸汽射流冷却时,在相同位置的靶面局部努赛尔数均大于空气冷却下的数值,增大百分比约为40%;靶面平均努赛尔数增强百分比在50%左右甚至更高;但是靶面温度分布的均匀性降低,易在靶板形成较大的热应力;在靶板的热应力承受范围内,蒸汽射流冷却仍是一种高效地冷却方法,值得采用。f)双向出流情况下的靶板表面平均努赛尔数高于单向出流,并且双向出流提高了靶板表面温度分布的均匀程度。对于基于瞬态液晶测温技术下的阵列射流冲击冷却实验,本文主要研究了5种冲击间距、不同射流雷诺数和出流方向对其换热性能的影响规律。研究发现,靶面纵向平均努赛尔数均随射流雷诺数的增加而逐渐增大;在H/D=1⁵的范围内,对于双向出流结构,靶面纵向平均努赛尔数随H/D的增大而逐渐减小;对于单向出流结构,在距离出流边界较远的5个靶面纵向平均努赛尔数峰值在H/D=3时达到最大值,但靠近出流边界的5个峰值随H/D的增加呈现出逐渐减小的趋势;在相同或相近的实验段进口流量情况下,双向出流结构靶面的纵向平均努赛尔数高于单向出流结构,但二者的差异随着H/D的增加以及进口流量的增加而逐渐减小。本文数值仿真结果与实验结果误差在10%²0%左右。实验研究为数值仿真计算研究提供了大量数据基础。