热障涂层（Thermal barrier coatings,即TBCs）已经变成高性能航空发动机不可缺少的技术,其可以显著降低部件中金属温度而提高部件寿命,已被广泛应用于军民用航空发动机,工业用燃气轮机中。热障涂层的隔热效果关系到叶片冷却通道设计、冷气流量调整、强度甚至是叶片部件整体的极限服役性能。影响热障涂层隔热效果的服役环境和冷却结构方面因素众多,本文基于流-固耦合的有限元方法研究了热障涂层的厚度,燃气和冷气参数以及气膜孔位置对热障涂层隔热效果的影响,定性和定量揭示其影响规律并为叶片结构和叶型的设计提供指导。具体研究内容和结果如下:第一,本文首先基于NASA的报告建立了带有热障涂层和气膜孔的三维涡轮叶片以及外流场,进行网格划分并设置合适的边界条件,用SST k-ω湍流模型进行流-固耦合计算。将计算的结果与NASA实验报告进行验证对比发现有较高的一致性,从而验证了模型的可行性。基于此模型研究了0.3 mm、0.4mm、0.5 mm厚度的热障涂层对带气膜孔涡轮叶片涂层隔热效果的影响。结果表明,在研究范围内涂层厚度与涂层隔热效果正相关,即涂层越厚其隔热效果越好。热障涂层厚度每增加0.1mm可使合金温度平均降低34K。第二,研究了服役环境下燃气温度、燃气流量、冷气温度、冷气流量对带气膜孔涡轮叶片热障涂层隔热效果的影响。结果表明,TBCs冷却效率随燃气冷气温度、流量的增加而增大;隔热效果随燃气温度和冷气温度的增大而减少,随冷气流量以及燃气流量增大而增大,叶片在不同的地方有不同的隔热效果。燃气温度每升高400K热障涂层可以平均隔热27K。燃气流量每提高0.1kg/s,TBCs的平均隔热19K。冷气温度每下降300K,热障涂层可以隔热40K。冷气流量每增加0.02kg/s TBC可以平均隔热25K。第三,通过改变气膜孔在涡轮叶片中前缘、压力面、以及吸力面的不同位置,通过流-固耦合传热数值模拟,得到了不同气膜孔位置对TBCs隔热效果的影响。结果表明,气膜孔在涡轮叶片当中所处的位置,直接影响了相应的隔热效果,气膜孔越靠近前缘对TBCs隔热效率影响越大,靠近尾缘处的气膜孔对TBCs的隔热效果影响较小。气膜孔应尽量设在靠近前缘处,在尾缘处应减少不必要的气膜孔。