北京
中国青年报客户端讯（中青报·中青网记者 金卓）近日，由大连理工大学机械工程学院“因材施热”学生团队带来的多介质高速射流分区可控快速冷却技术项目，亮相第十七届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛决赛赛场。团队队长史津赫告诉记者，这项技术的突破有望解决航空发动机涡轮盘高性能制造中的热力难题。
航空发动机被誉为“现代工业皇冠上的明珠”，高温合金涡轮盘作为发动机质量最大的核心转动部件，需在高温高压高负载的极端工况下工作，成为航空发动机中性能要求最高、制造难度最大的单体零件之一。
为了充分发挥材料潜力，涡轮盘在生产制造过程中，除了要保证形状精度以外，还要在其成形后进行热力处理，提高涡轮盘的抗拉强度和抗高温蠕变的能力。
史津赫介绍，新一代航空发动机要求服役寿命更长和涡前温度更高，我国主机厂目前主要使用的是“被动受冷”式的油淬工艺，即将加热完成后的涡轮盘直接浸入油槽，无法对涡轮盘的不同区域进行梯度冷却和组织调控。同时，油淬的作业环境极为恶劣，过程中会产生明火和大量油烟。
“欧美的航发厂商已经开发了超级气冷技术，能够利用高速空气射流构建梯度温度场，但受限于空气本身的热物性，该技术冷速低，且涡轮盘达不到服役寿命的标准。”他说。
2022年，“因材施热”团队组建，在机械工程学院指导教授郑凯伦、赵磊、白倩的带领下，针对高温涡轮盘的冷却难题，团队开展了持续3年的技术攻关。既然气冷、油淬都无法满足要求，他们首先想到了同样可作为液冷介质的水。
“涡轮盘经过高温，如果直接扔到水里，会导致温度梯度过高，盘面断裂，所以我们一开始的思路是结合欧美的气冷方式，在空气里面加水，类似我们家里浇花用的喷壶，利用水雾来降温。”团队成员柳胜宇告诉记者。
但问题随之而来，常理来讲想要提高冷却速率，就需要在空气中多加水量，可水量越多实验结果却正好相反。“我们查阅了一些文献资料才发现，这种现象叫作莱顿弗罗斯特效应。”柳胜宇解释，水滴与高温表面接触时会快速蒸发，在水滴与高温表面之间形成一层水蒸气膜，“就像我们把水倒在高温器件上，水并不会迅速气化，而是形成一个个在表面反复跳动的小水珠”。
水多了不行，没有水也不行。机缘巧合，在一次实验中，团队成员由于失误插错了一根水管，可实验效果却有提升。顺着这个思路，团队不停地调水量、记数据，最终发现，当达到某一特定水气混合比时，气体射流恰好可以吹破气膜，同时实现液滴均匀高速接触物体表面并气化。
“利用这种方式，可以有效提高冷却速率，并通过控制不同区域的喷嘴数量和流速来达到分区控温的需要。”柳胜宇说，“在小型涡轮盘的冷却实验中，我们的冷却速度已经超过了欧美超级气冷技术。”
在研发过程中，由于单次试验成本过高，需要开发相应的仿真优化工具，目前世界技术前沿的热力耦合模型，也不能满足新一代航发涡轮盘的技术需求。团队成员利用课余时间，查阅数十篇相关文献，建立了第一个析出相颗粒粗化方程，并在郑凯伦教授的指导下解决了大量参数变化带来的问题。史津赫颇为自豪地告诉记者:“这项成果能够实现更宽温域的组织性能预测，比现有模型的预测温度提高整整一倍。接下来我们要继续完善原理探究，同时争取通过与企业、研究所的合作，实现成果的应用和转化。”
值得一提的是，“因材施热”团队的8位成员均为大连理工大学机械工程学院的本科学生。目前，该团队累计在《国际传热传质》等传热学领域权威期刊发表高水平论文10篇，其中6篇为学生一作/共一。
来源：中国青年报客户端
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