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西安晚报硬科技专栏聚焦西安交大谢永慧教授和赵玉龙教授团队
来源:西安晚报 日期 2019-01-21 15:09 点击:

攻克汽轮机“强心”难关

——记西安交通大学谢永慧教授团队

前不久,西安交通大学谢永慧教授团队的“汽轮机系列化减振阻尼叶片设计关键技术及应用”荣获国家科技进步二等奖。这一科研成果,突破了发达国家的技术垄断,对于推动我国汽轮机自主设计制造、提升汽轮机产品的国际竞争力具有重大作用。

“没人能再卡住我们的脖子了”

汽轮机是一种将蒸汽的热能转化为机械功的旋转机械,广泛应用于火电、核电、舰艇动力、冶金、化工等。汽轮发电机组提供了我国70%左右的电能,是关系到国计民生的重大装备,而叶片是汽轮机的动力来源,对于汽轮机的重要性不言而喻,业界将其喻为汽轮机的“心脏”。

该项目立项之初,发达国家对我国进行严格的技术封锁,只卖产品,不提供设计关键技术。技术上的不足,导致我国长期需要进口先进叶片,不仅价格昂贵且难以与国内需求匹配。如何设计生产出完全属于我们自己的先进叶片,成为长期困扰我国的一大难题。

为了满足国家及行业发展的需求,谢永慧团队立志一定要设计出自己的叶片。经过20余年艰苦研发及持续技术攻关,谢永慧团队自主研发了 “频率精准预测—安全性准确评判—强度振动自动寻优设计”的减振阻尼叶片设计关键技术体系,实现了阻尼叶片的最优设计。“我们终于可以自豪地说,我们设计的汽轮机阻尼叶片性能指标优于国外同类产品,没人能再卡住我们的脖子了!”谢永慧激动不已。

产品出口到海外9个国家

谢永慧介绍,团队充分发挥了大学、国有大型企业和重点研究院所的技术优势;自主研发的减振阻尼叶片设计关键技术体系,不仅大大缩短了叶片设计的周期,提升了叶片的安全性,还降低了叶片生产成本。

目前,减振阻尼叶片设计关键技术体系已经应用于从调节级到低压末级共87种叶片。其中包括:世界最长、排汽面积最大的1905mm叶片,国家科技重大专项CAP1400、“华龙一号”核电汽轮机采用的1828mm叶片,新一代超超临界100万千瓦火电汽轮机采用的全转速1200mm叶片,远销沙特的每分钟3600转超临界66万千瓦汽轮机采用的910mm叶片,以及最高转速可达每分钟5500转的世界最长湿冷给水泵汽轮机630mm叶片。这些叶片已应用于835台火电、核电、工业汽轮机,销售到全国22个省,并出口到海外9个国家,实现了大规模工程应用,产生了显著的经济社会效益。团队研发的1710毫米叶片已应用于巴基斯坦核电项目,推动了“华龙一号”走向世界,为我国出口先进核电汽轮机产品提供了重要的技术支撑。

要不断研发先进汽轮机

实现技术突破的道路是充满荆棘的,二十多年如一日的辛勤才取得如今的成果。谢永慧教授表示:“我是土生土长的西安交大人,在交大这片热土上从事了二十多年的叶片研究。我的研究生导师孟庆集先生是西迁教授,他慎思明辨、诲人不倦的学术精神,严谨勤奋的治学风格,一直激励着我尽心竭力搞科研、踏踏实实做工作、精勤励志求发展。”

对于未来发展,谢永慧表示:“问题总是会有的,不同阶段要去解决不同的问题。阻尼叶片就是我们的孩子,我们希望它能越来越优秀、越来越强大。同时我们也向祖国郑重承诺:作为西迁新传人,我们将不忘初心,努力奔跑,永不停息,不断研发先进汽轮机,为祖国发展贡献出我们最大的力量!” (记者 张潇 实习生 陈立颖

文章链接:http://epaper.xiancn.com/newxawb/html/2019-01/21/content_365896.htm?div=0

传感器领域的“铁骑兵”

——记西安交通大学机械工程学院赵玉龙团队

宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来。西安交通大学机械工程学院赵玉龙团队便是这样一支厚积薄发的队伍。经过十余年的攻坚克难,赵玉龙团队完成的“高动态MEMS压阻式特种传感器及系列产品”项目解决了发动机、导弹、水下兵器、燃爆、战机、登月等国防、航空航天以及石化领域中的压力/加速度测量难题,荣获2017年度国家技术发明二等奖。

探索新知 投身传感器领域

“其实我没什么特别之处,只是专注做MEMS(微机电系统)传感器,坚持在这个领域里探索新知。”赵玉龙说,他本科毕业后在中国船舶工业705所工作了5年,为了更加系统而深入地进行科学研究,他回到西安交大,师从蒋庄德院士。自2000年蒋庄德院士团队获得国内第一个MEMS研究科技部立项起,赵玉龙毅然走上了MEMS传感器领域探索之路。“传感器就是机械的感知神经。”赵玉龙拉开手边的抽屉,里面满满当当都是传感器芯片。他笑着拿出一个芯片兴致勃勃地介绍,“在这个指尖大小的芯片中既有机械结构,又有测量电路和电子转换器等,这是一个系统工程,我所做的工作就是在这个小小的芯片中实现耐高温、超高压、高过载等功能。”

我国是制造业大国,但非传感器制造强国,特别是MEMS(微机电系统)压阻式传感器多以普通用途的产品为主。而在航天航空发动机、飞行器、导弹、水下兵器、石化、燃爆冲击等领域,主要采用国外产品解决高冲击、高动态、微小尺度下的压力/加速度测量难题,且部分产品对我国实施禁运。“我们必须打破国外的技术封锁和垄断,着力研究属于我国的高性能MEMS传感器。”赵玉龙决心创造出属于中国自己的具有高动态、高冲击、高过载、微型化的传感器,这一头扎进去就是十几年。

攻坚克难 造就系统工程

2005年,赵玉龙创新性地开展了硅隔离SOI薄膜和多层应力匹配薄膜理论和技术研究,解决了传感器在高温条件下的稳定性问题。接下来,如何解决灵敏度和固有频率的制约矛盾以提高传感器测量精度,一直是MEMS压阻式传感器行业存在的技术难题。“这是一个系统工程,难关需要一个个攻克。”十几年来赵玉龙一直专注于该领域。

传统压阻式压力传感器芯片多采用平膜或岛膜作为力学传递模型,无法解决灵敏度与固有频率的相互制约难题,高灵敏度测量时对侧向干扰非常敏感。随着研究的深入,团队发现其关键问题在于传感器芯片弹性刚度与灵敏度之间的强耦合关系。基于此,他们提出了微纳尺度下弹性复合结构的力学耦合技术,即对传感器芯片进行局部刚化和局部应力集中,避免传统方法对传感器芯片尺寸调整带来的整体刚度上升、灵敏度下降的问题,从本征结构上解决了传感器固有频率与灵敏度的制约难题。由此,团队发明了基于局部应力集中和局部刚化的梁-膜-岛复合压力传感器芯片和基于敏感梁与支撑梁分离的多梁加速度传感器芯片。

固有频率与灵敏度相互制约的矛盾难题解决了,但是在特种环境中,针对燃爆和发动机点火产生的强闪光,以及导电介质给传感器芯片带来的干扰甚至功能失效难题又接踵而至。赵玉龙带领着团队攻克了一道道难关,提出了内引线与压敏电阻条并行制造技术、基于平坦化封装、叠层静电键合及微型化封装等频响强化技术以及宽频信号处理技术,实现了传感器的强抗干扰性、高动态响应性、高稳定性及可靠性。

基于以上关键技术,赵玉龙团队发明了高动态MEMS压阻式压力/加速度传感器及系列产品,打破了国外垄断,为型号研制及高性能传感器国产化做出了突出贡献,取得了显著的经济和社会效益。(记者 王江黎

文章链接:http://epaper.xiancn.com/newxawb/html/2019-01/21/content_365899.htm?div=0

文字:记者 张潇 实习生 陈立颖 记者 王江黎
编辑:星 火

 
 
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