燃气轮机作为一种重要的动力设备,广泛应用于航空推进、地面发电以及其他工业领域。提高透平进口温度是增加燃气轮机热效率的重要手段,但受限于叶片耐高温材料的发展,先进冷却技术的应用成为提高透平进口温度的主要手段。闭式蒸汽冷却技术使用热物性更优的过热蒸汽,通过叶片内部的闭式流路对叶片进行冷却,相比空气冷却,减少了冷气的使用量,避免了冷气与主流的掺混损失,有利于提高机组的热效率。公开的文献中叶片闭式蒸汽冷却整体结构设计资料较少,本文的目的在于实现对某重型燃气轮机透平动叶的闭式蒸汽冷却改型设计。利用C3X叶片换热实验的实验数据,运用商业软件CFX进行了气热耦合数值模拟校核,分析了不同湍流模型、冷却通道冷气进口湍流度等因素对耦合计算结果的影响。结果表明,气热耦合计算能够准确预测叶栅通道的流动情况,受湍流模型影响较小,也能预测叶片换热情况,但受湍流模型影响较大。考虑转捩流动特性的SSTγ-θ转捩模型对叶片换热的预测结果相比更为接近实验值,能够较为准确的预测叶片吸力面上边界层的转捩流动现象对叶片表面换热的影响,但其仍然存在预测的转捩位置靠后等问题。冷却通道冷气进口湍流度对透平叶片气热耦合换热计算的准确性具有较大影响。在冷却通道壁面上施加冷气温度和换热系数的第三类热边界条件,可以将C3X直叶栅三维气热耦合模拟转化为二维耦合计算,节省计算资源。但通过换热系数准则关系式获取的换热系数值偏大,换热计算结果的准确性降低。透平动叶因叶顶间隙的存在而呈现出与静叶有所差异的流动和换热特性,在对GE-E3平面叶栅叶顶换热实验进行数值模拟校核的基础上,数值研究了透平实际旋转工作环境中,4种不同叶顶结构对动叶顶部的流动和换热的影响。通过分析叶顶间隙泄漏流场结构、叶片压力分布以及通道中的损失、出口气流角等情况,发现叶顶结构的不同使得泄漏流场结构不同,引起流出间隙的泄漏涡与通道马蹄涡也不尽相同,进而改变了吸力面上叶顶附近的压力分布以及通道中的损失等情况,其中凹槽结构所具有的损失最小,密封性能也最好。叶顶表面换热系数分布与叶顶间隙内的流动相对应。相比平叶顶结构,叶顶肩壁结构的使用降低了叶顶的平均换热系数,其中吸力面肩壁结构表现最好,但肩壁表面的换热系数也通常较高。分析叶片外表面的换热系数分布,发现叶顶具有整个叶片表面最强的换热,在动叶冷却结构设计中应予以足够重视。对具有复杂冷却结构的原型空气冷却动叶进行了整体气热耦合计算,分析了叶片叶顶附近的流动和叶片的换热特性,表明原型气冷结构基本能够为该叶片提供较好的保护。根据叶片表面热载荷的分布,对该叶片进行了闭式蒸汽冷却初始改型设计,针对初始设计中存在的问题,相应的给出改进设计,结果表明,采用平叶顶、内部为蛇形通道和尾缘多排错列柱肋结构的闭式结构能够满足叶片闭式蒸汽冷却要求,同时能够提高透平的气动性能。