提高燃气轮机的效率和输出功率的一个重要途径是提高涡轮燃气进口温度。随着材料和冷却技术的发展,燃气轮机的初温在不断提高,燃气轮机进气温度从600℃增加到1500℃,甚至更高,超出了涡轮叶片金属材料的允许温度,从安全运行考虑,需要对叶片进行冷却。为了提高叶片内部冷却效率,传统的空气冷却结构越来越复杂,使得高温合金叶片的制造成本越来越高。水雾/空气冷却就是向空气中添加水雾形成的汽雾两相流,通过雾滴的相变来改善空气换热能力的一项冷却技术,将水雾/空气冷却技术应用于涡轮叶片的冷却,能在保证冷却效果的前提下简化叶片内部的冷却结构。本文以实验和数值模拟方法为基础,对采用水雾冷却方式的涡轮叶片高效冷却方法进行了研究。设计搭建了水雾/空气冲击冷却实验平台并进行了空气和水雾/空气冲击冷却的实验研究,结果发现水雾/空气冲击冷却的壁面的热传导系数在滞止点的热传导显著加强,同空气冲击冷却相比,在空气流量为1.0 m~3/h工况下,添加60%的水雾使热传导系数提高了108%。用CFX软件数值模拟研究了水雾/空气冲击冷却壁面的热传导强化冷却问题,计算结果与实验数据比较吻合,证明数值计算的结果是可信的。水雾含量42.7%的水雾/空气冷却同单纯空气冷却,在空气流量为2.0m3/h,加热热流密度为35%最大热流的工况,滞止点热传导系数提高了175%,并分析了流场的温度分布和蒸汽浓度分布特点,解释了水雾强化冷却的机理。利用经实验数据验证的气热耦合和相变传热数值技术方法,选用某地面燃气轮机的第二级静叶,采用简单的径向冷却通道结构,研究水雾/空气冷却应用于涡轮叶片冷却的性能。计算结果表明,在水雾含量为21.8%的情况下水雾/空气冷却工况相比叶片无冷却工况叶片表面最高温度下降了112.6K,水雾/空气冷却方式冷却效果要优于相同流量的单空气冷却效果,两种冷却方式对叶栅主流的速度场、温度场以及压力场的几乎都没有影响,只影响主流的温度边界层分布。针对叶片根部尾缘高温区域改良的冷却结构使叶片表面的最高温度下降了207.8K。