本技術涉及一種用于超臨界二氧化碳非平衡凝結過程中可控制縮放比的收縮擴散噴管裝置，尤其涉及一種超臨界二氧化碳非平衡凝結縮放噴管動態(tài)控制技術方法，屬于超臨界二氧化碳非平衡凝結實驗。

背景技術：

1、得益于超臨界二氧化碳閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)理論的深入研究，以及高速輕型轉子制造技術及相關工藝的快速發(fā)展，超臨界二氧化碳動力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)正處于關鍵技術突破與實踐應用研究階段。而隨著工業(yè)化試驗的逐步推進，其動力循環(huán)系統(tǒng)中透平、壓縮機等核心動力部件持續(xù)在高參數運行狀態(tài)下的可靠性應用問題逐漸成為該領域的最新技術難點，也成為了制約超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)未來產業(yè)化應用過程中安全可靠、經濟高效、可持續(xù)運行的關鍵因素之一。2014年，美國sandia國家實驗室在其構建的超臨界二氧化碳閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)試驗過程中最早觀察到了向心透平的葉片損傷情況，在超臨界二氧化碳向心透平動葉片尾緣出現了較為明顯的葉片損傷現象，在靜葉片尾緣則出現了更為嚴重的損傷斷裂現象。隨著超臨界二氧化碳發(fā)電試驗系統(tǒng)功率的增大、運行參數的提高，其核心動力部件向心透平的葉片損傷現象也越來越嚴重。

2、造成上述葉片損傷其中一個重要的原因是：高速向心透平葉柵流道內sco2極速膨脹流動過程中形成的凝結液滴沖蝕葉片形成的損傷。葉柵流道內sco2液滴的形成是熱力不平衡與動力不平衡耦合作用下的非平衡凝結流動過程，包含液滴成核和液滴動態(tài)生長兩個過程，涉及液滴與周圍流體、液滴與液滴之間的傳熱傳質，是非常復雜的相變過程。在sco2流體相變成核與生長過程中存在著兩個重要的不平衡特性，一種是過飽和膨脹產生的熱力不平衡，即液滴和流體之間溫差引起的不平衡，這種不平衡的過飽和狀態(tài)通過成核和凝結過程恢復至平衡的流體狀態(tài)稱為熱馳復；二是高速汽流中夾帶的具有不同動力學特性的液滴產生的動力不平衡，即液滴和流體之間速度差引起的不平衡，流體從低于汽流速度的狀態(tài)恢復到與汽流速度相等的平衡狀態(tài)稱為慣性馳復。所以，超臨界二氧化碳非平衡凝結過程的實驗研究就十分重要，對超臨界二氧化碳發(fā)電機組的安全可靠運行提供重要基礎保障。

3、目前，在進行超臨界二氧化碳平衡凝結實驗過程中，主要采用收縮擴散噴管結構形成不同的流體膨脹率對整個流體的非平衡凝結過程進行分析。現有超臨界二氧化碳收縮擴散噴管實驗平臺為固定結構式，需要更換不同的收縮擴散噴管結構才能實現不同膨脹率條件，無法實現在不拆卸條件下的自主控制，無法針對不同膨脹率條件下的超臨界二氧化碳非平衡凝結過程變化進行自主動態(tài)精準調控。

技術實現思路

1、為解決上述技術問題，本實用新型提供的技術方案為：一種用于超臨界二氧化碳非平衡凝結過程中可控制縮放比的收縮擴散噴管裝置，包括收縮擴散噴管裝置本體，所述收縮擴散噴管裝置本體一端設置有縮放噴管入口，另一端設置有縮放噴管出口，所述縮放噴管入口、縮放噴管出口之間連通有縮放噴管流道；超臨界二氧化碳流體經縮放噴管入口流入，經縮放噴管流道，從縮放噴管出口流出；

2、所述收縮擴散噴管裝置上半部分由縮放噴管入口端至縮放噴管出口端依次設置有7個壓力測量動模塊，所述縮放噴管出口處設置有上出口處動模塊；所述收縮擴散噴管裝置下半部分由縮放噴管入口端至縮放噴管出口端依次設置有7個溫度測量動模塊，所述縮放噴管出口處設置有下出口處動模塊；

3、所述壓力測量動模塊包括噴嘴滑動模塊一、滑動區(qū)間一、驅動結構一和壓力傳感器，所述驅動結構一通過數據線與驅動控制裝置相連，所述壓力傳感器通過數據線與壓力數據采集裝置相連；

4、所述溫度測量動模塊包括噴嘴滑動模塊二、滑動區(qū)間二、驅動結構二和測溫裝置，所述驅動結構二通過數據線與驅動控制裝置相連，所述測溫裝置通過數據線與溫度數據采集裝置相連；

5、所述上出口處動模塊包括噴嘴滑動模塊三、滑動區(qū)間三、驅動結構三，所述驅動結構三通過數據線與驅動控制裝置相連；所述下出口處動模塊包括噴嘴滑動模塊四、滑動區(qū)間四、驅動結構四，所述驅動結構四通過數據線與驅動控制裝置相連；所述壓力數據采集裝置、驅動控制裝置和溫度數據采集裝置通過數據線均與計算機系統(tǒng)相連。

6、本實用新型與現有技術相比的優(yōu)點在于：本實用新型通過設置多個帶噴嘴滑動模塊的壓力測量動模塊、溫度測量動模塊，不用更換噴嘴結構，通過模塊化的結構設置，實現噴嘴結構形狀動態(tài)控制，匹配不同的流體膨脹率條件。

技術特征：

1.一種用于超臨界二氧化碳非平衡凝結過程中可控制縮放比的收縮擴散噴管裝置，其特征在于：包括收縮擴散噴管裝置本體，所述收縮擴散噴管裝置本體一端設置有縮放噴管入口(1)，另一端設置有縮放噴管出口(2)，所述縮放噴管入口(1)、縮放噴管出口(2)之間連通有縮放噴管流道(3)；超臨界二氧化碳流體經縮放噴管入口(1)流入，經縮放噴管流道(3)，從縮放噴管出口(2)流出；

2.根據權利要求1所述的一種用于超臨界二氧化碳非平衡凝結過程中可控制縮放比的收縮擴散噴管裝置，其特征在于：所述壓力測量動模塊(ⅰ)中，滑動區(qū)間一(5-1)、驅動結構一(6-1)依次設置于噴嘴滑動模塊一(4-1)遠離縮放噴管流道(3)的一側，所述壓力傳感器(7)與噴嘴滑動模塊一(4-1)固定并與驅動結構一(6-1)傳動連接，所述驅動結構一(6-1)控制噴嘴滑動模塊一(4-1)和壓力傳感器(7)在滑動區(qū)間一(5-1)內同步上下運動。

3.根據權利要求1所述的一種用于超臨界二氧化碳非平衡凝結過程中可控制縮放比的收縮擴散噴管裝置，其特征在于：所述溫度測量動模塊(ⅱ)中，所述滑動區(qū)間二(5-2)、驅動結構二(6-2)依次設置于噴嘴滑動模塊二(4-2)遠離縮放噴管流道(3)的一側，所述測溫裝置(8)與噴嘴滑動模塊二(4-2)固定并與驅動結構二(6-2)傳動連接，所述驅動結構二(6-2)控制噴嘴滑動模塊二(4-2)和測溫裝置(8)在滑動區(qū)間二(5-2)內同步上下運動。

4.根據權利要求1所述的一種用于超臨界二氧化碳非平衡凝結過程中可控制縮放比的收縮擴散噴管裝置，其特征在于：所述上半部分7個壓力測量動模塊(ⅰ)、1個上出口處動模塊(ⅲ)與下半部分7個溫度測量動模塊(ⅱ)、1個下出口處動模塊(ⅳ)為上下對稱方式設置，上半部分7個壓力測量動模塊(ⅰ)與1個上出口處動模塊(ⅲ)，共8個模塊呈左右對稱方式設置，下半部分7個溫度測量動模塊(ⅱ)與1個下出口處動模塊(ⅳ)，共8個模塊呈左右對稱方式設置。

5.根據權利要求1所述的一種用于超臨界二氧化碳非平衡凝結過程中可控制縮放比的收縮擴散噴管裝置，其特征在于：從縮放噴管入口(1)到縮放噴管流道(3)中間喉部位置，處于噴管收縮階段，噴嘴滑動模塊(4)的橫向間距逐漸減小；從縮放噴管流道(3)中間喉部到縮放噴管出口(2)，處于噴管擴散階段，噴嘴滑動模塊(4)的橫向間距逐漸增大，相鄰噴嘴滑動模塊(4)之間的比例關系為：l1＝1.14*l2+0.36*m，m為壓力傳感器(7)或測溫裝置(8)的跨度尺寸。

6.根據權利要求1所述的一種用于超臨界二氧化碳非平衡凝結過程中可控制縮放比的收縮擴散噴管裝置，其特征在于：所述7個壓力傳感器(7)和7個測溫裝置(8)實時將數據通過壓力數據采集裝置(9)和溫度數據采集裝置(11)傳輸至計算機系統(tǒng)(12)中，根據壓力和溫度測量數據，可計算出發(fā)生超臨界二氧化碳非平衡凝結所需的膨脹率，進而通過膨脹率計算出縮放噴管的縮放比，根據所需縮放比要求，計算機系統(tǒng)(12)通過驅動控制裝置(10)對14個驅動結構(6)在滑動區(qū)間(5)進行精準進動或退出控制，實現縮放噴管流道(3)結構的動態(tài)控制。

技術總結
本技術公開了一種用于超臨界二氧化碳非平衡凝結過程中可控制縮放比的收縮擴散噴管裝置，包括收縮擴散噴管裝置本體，所述收縮擴散噴管裝置本體一端設置有縮放噴管入口，另一端設置有縮放噴管出口，所述縮放噴管入口、縮放噴管出口之間連通有縮放噴管流道；超臨界二氧化碳流體經縮放噴管入口流入，經縮放噴管流道，從縮放噴管出口流出；本技術通過設置多個帶噴嘴滑動模塊的壓力測量動模塊、溫度測量動模塊，不用更換噴嘴結構，通過模塊化的結構設置，實現噴嘴結構形狀動態(tài)控制，匹配不同的流體膨脹率條件。

技術研發(fā)人員：張昕喆,李國舉,張國杰,余彬,王仁濤,劉思凡,張潛銳
受保護的技術使用者：鄭州航空工業(yè)管理學院
技術研發(fā)日：20240419
技術公布日：2025/4/28