本發明屬于燃氣渦輪與燃氫渦輪葉柵氣動傳熱和高效熱防護設計，特別涉及渦輪葉柵內置特斯拉閥島結構的抗脈動高阻尼氣膜孔構型和智能高效布局方法。
背景技術：
1、采用低碳/零碳燃料替代傳統碳基化石燃料已經成為燃氣輪機行業實施源頭降碳的有效途徑。氫氣作為一種無碳清潔燃料，是實現燃氣輪機低碳甚至零碳排放最具潛力的輕質高熱值燃料。相較于傳統化石燃料燃燒，摻氫/全氫燃燒導致燃氣壓力脈動與速度非均勻現象更顯著。摻氫/全氫燃燒產物含水量劇增會導致燃氣綜合比熱容顯著提升，嚴重影響下游渦輪的傳熱特性。強脈動非均勻運行環境中高溫燃氣易通過葉柵中開設的離散氣膜孔入侵渦輪盤腔，造成渦輪盤腔材料超溫和熱破壞。此外，在燃氣輪機典型布雷頓循環中，提升渦輪進口溫度可以顯著提升循環熱效率和推重比，目前在役的高性能燃氣輪機/航空發動機的渦輪前溫度已經超過2200k，極端高溫已遠超單晶鎳基合金的許用溫度，渦輪葉柵極高的熱失效風險嚴重挑戰燃氣輪機/航空發動機運行安全性和使用壽命。
2、高溫渦輪普遍采用氣膜冷卻技術實現葉柵在極端高溫高壓環境中安全可靠性運行，通過在渦輪葉柵表面密集開設微小氣膜孔結構，相對低溫的高壓冷氣通過氣膜孔在燃氣側表面形成氣膜低溫層，從而有效隔絕高溫燃氣。目前渦輪葉柵氣膜孔構型研發聚焦理想無脈動環境中氣膜高冷效和強擴散方面，尚無應用于燃氣渦輪與燃氫渦輪葉柵的抗脈動高阻尼氣膜孔構型和智能高效布局方法。
技術實現思路
1、為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種新型燃氣/燃氫渦輪葉柵抗脈動高阻尼氣膜冷卻結構及布局方法，針對強脈動非均勻運行環境中防止燃氣通過氣膜孔入侵盤腔和渦輪高效冷卻技術研發的迫切需求，創新設計內置特斯拉閥島結構的單向流動氣膜孔構型和渦輪葉柵冷卻布局方式，為燃氣渦輪和燃氫渦輪葉柵高效冷卻布局設計和先進冷卻系統研發提供理論基礎和技術支撐。
2、為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：
3、本發明的第一方面，提供了一種新型燃氣/燃氫渦輪葉柵抗脈動高阻尼氣膜冷卻結構，主要是為傳統圓柱形氣膜孔設置旁路形成特斯拉閥島結構；所述特斯拉閥島結構中，以所述傳統圓柱形氣膜孔為冷氣主流道，以所述旁路為閥島次流道，閥島次流道的出入口均連接在所述冷氣主流道上。
4、在一個實施例中，可以僅為渦輪葉柵的部分傳統圓柱形氣膜孔設置旁路形成所述特斯拉閥島結構，剩余的傳統圓柱形氣膜孔可仍保持原結構不變。
5、在一個實施例中，在葉柵厚度足夠時，可以為單個所述傳統圓柱形氣膜孔設置更多旁路，從而形成多個特斯拉閥島結構，顯然這些特斯拉閥島結構是沿氣流方向分布的。
6、在一個實施例中，每個所述特斯拉閥島結構，由在傳統圓柱形氣膜孔上設置兩條旁路形成，沿氣流方向，所述旁路由上游的圓弧段與下游的直線段平滑銜接組成，基于氣膜孔功能需求，所述特斯拉閥島結構包括對稱閥島構型和非對稱閥島構型兩種基本構型；所述對稱閥島構型，兩條旁路在所述傳統圓柱形氣膜孔上沿冷氣主流道對稱布置，且兩條旁路既可以在同一平面，也可以在不同平面，所述非對稱閥島構型，兩條旁路在所述傳統圓柱形氣膜孔上沿冷氣主流道非對稱布置，兩條旁路既可以在同一平面，也可以在不同平面。進一步地，所述非對稱閥島構型，其非對稱布置，既包括兩條旁路的形狀/參數不同，也包括兩條旁路的連接位置（出入口不同），可以是同時具有這兩種不同。
7、在一個實施例中，對稱閥島構型特斯拉閥島結構的氣膜孔入口一和氣膜孔出口一，以及非對稱閥島構型特斯拉閥島結構的氣膜孔入口二和氣膜孔出口二均直接位于所述冷氣主流道；對稱閥島構型特斯拉閥島結構的兩條旁路為第一閥島次流道，非對稱閥島構型特斯拉閥島結構的兩條旁路為第二閥島次流道和第三閥島次流道，沿氣流流向，第二閥島次流道的出口位于第三閥島次流道的出入口之間，第三閥島次流道的入口位于第二閥島次流道的出入口之間。
8、在一個實施例中，所述冷氣主流道的直徑d1、d2可根據實際冷卻需求確定，優選范圍為0.5~1.5?mm；所述氣膜孔入口與閥島次流道入口間距為l1，可根據實際渦輪葉柵壁面厚度設計；所述第一閥島次流道的直徑d1可根據壓力脈動程度確定，范圍為0.5~1.5?mm；所述第二閥島次流道的直徑d2和第三閥島次流道的直徑d3可根據壓力脈動程度確定，范圍均為0.5~1.5?mm，d2與d3可以相同也可以不同。
9、所述第一閥島次流道出口處與冷氣主流道間角度、第二閥島次流道出口處與冷氣主流道間角度以及第三閥島次流道出口處與冷氣主流道間角度的取值范圍均為25°~50°，與可以相同也可以不同。
10、所述第一閥島次流道的圓弧段內半徑r1和外半徑r2可根據實際渦輪葉柵壁面厚度和第一閥島次流道的直徑d1設計，r1范圍為0.8d1~1.5d1，r2范圍為1.8d1~2.5d1。
11、所述第二閥島次流道的圓弧段內半徑r3和外半徑r4可根據實際渦輪葉柵壁面厚度和第二閥島次流道的直徑d2設計，r3范圍為0.8d2~1.5d2，r4范圍為1.8d2~2.5d2。
12、所述第三閥島次流道的圓弧段內半徑r5和外半徑r6可根據實際渦輪葉柵壁面厚度和第三閥島次流道的直徑d3設計，r5范圍為0.8d3~1.5d3，r6范圍為1.8d3~2.5d3。
13、在一個實施例中，所述第一閥島次流道出入口之間距離l2可根據實際渦輪葉柵壁面厚度和第一閥島次流道的直徑d1設計，l2范圍為4d1~6d1；
14、所述第一閥島次流道直線段長度l3可根據實際渦輪葉柵壁面厚度和第一閥島次流道的直徑d1設計，l3范圍為4d1~6d1；
15、l2和l3可以相同也可以不同；
16、所述第二閥島次流道出入口之間距離l7可根據實際渦輪葉柵壁面厚度和第二閥島次流道的直徑d2設計，l7范圍為4d2~6d2；
17、所述第二閥島次流道直線段長度l8可根據實際渦輪葉柵壁面厚度和第一閥島次流道的直徑d2設計，l8范圍為4d2~6d2設計；
18、l7和l8可以相同也可以不同；
19、所述第三閥島次流道出入口之間距離l9可根據實際渦輪葉柵壁面厚度和第三閥島次流道的直徑d3設計，l9范圍為4d3~6d3設計；
20、所述第三閥島次流道直線段長度l10可根據實際渦輪葉柵壁面厚度和第三閥島次流道的直徑d3設計，l10范圍為4d3~6d3設計；
21、l9和l10可以相同也可以不同。
22、在一個實施例中，本發明對稱閥島構型和非對稱閥島構型可以通過金屬3d打印等增材制造技術制造。
23、本發明的第二方面，提供了一種所述新型燃氣/燃氫渦輪葉柵抗脈動高阻尼氣膜冷卻結構的布局方法，基于cfd等技術精確獲取渦輪葉柵流場特性與渦系分布特征，針對渦輪葉柵的冷卻需求差異和抗脈動需求差異，基于已獲取的葉柵流場特性和渦系分布特征，借助機器學習或神經網絡等手段，對渦輪葉柵進行智能化和精細化的區域劃分。
24、在一個實施例中，所述渦輪葉柵端壁的每個分區中實施對稱閥島構型的閥島沿 y方向布置或閥島沿 z方向布置；所述渦輪葉柵端壁的每個分區中實施非對稱閥島構型的閥島沿 y方向布置或閥島沿 z方向布置；
25、所述渦輪葉柵端壁的每個分區中實施對稱閥島構型和非對稱閥島構型的協同布置；所述協同布置，指的是分區中同時存在對稱閥島構型和非對稱閥島構型；
26、所述渦輪葉柵端壁的每個分區中實施對稱閥島構型的順序排布一和交叉排布一，實現冷氣覆蓋連續性；所述順序排布一，指的是下游對稱閥島構型與上游對稱閥島構型處于同一條直線上；所述交叉排布一，指的是下游對稱閥島構型位于上游相鄰對稱閥島構型中心軸向延長線上；
27、所述渦輪葉柵端壁的每個分區中實施非對稱閥島構型的順序排布二和交叉排布二，實現冷氣覆蓋連續性；所述順序排布二，指的是下游非對稱閥島構型與上游非對稱閥島構型處于同一條直線上；所述交叉排布二，指的是下游非對稱閥島構型位于上游相鄰非對稱閥島構型中心軸向延長線上。
28、與現有技術相比，本發明通過在氣膜孔中內置特斯拉閥島結構設計抗脈動高阻尼氣膜孔構型，實現氣流在微觀尺度的分層精準調控和冷氣單向低阻流動。由此，針對渦輪葉柵高脈動非均勻運行環境，本發明的智能高效冷卻布局方法根據渦輪葉柵流場特性與渦系分布特征，通過分區施策策略與流場自適應方法精確調控氣膜孔抗脈動性能和冷卻能力，抑制壓力脈動誘發的高溫燃氣入侵，對降低渦輪葉柵熱失效風險和提升其運行安全性具有重要工程應用意義，可助力高效渦輪葉柵冷卻技術和高性能燃氫渦輪研發設計。