李景銀教授
流體機械，是以氣體或液體為工作介質(zhì)來轉(zhuǎn)換能量的機械，其通常隱身在大型工程之中，但在國家重大機械裝備中的地位卻舉足輕重，是中國機械工業(yè)重要的組成部分。1984年，李景銀考入西安交通大學(xué)，開始了他在流體機械專業(yè)的求學(xué)和科研之路。時光匆匆間，與流體機械產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展共振同頻，李景銀也從對未來滿懷憧憬的年輕人成長為我國流體機械及工程領(lǐng)域的知名學(xué)者。
流體機械應(yīng)用廣泛、設(shè)備種類繁多。大到石化、冶金企業(yè)所需的軸流壓縮機和離心壓縮機等核心動力設(shè)備，小到我們平時用的空調(diào)風(fēng)機和冷卻塔風(fēng)扇，都屬于流體機械及工程學(xué)科研究領(lǐng)域。深耕這一領(lǐng)域多年，李景銀對產(chǎn)業(yè)有著自己獨到的見解。他將流體機械設(shè)備的特點形象地總結(jié)為“三多”：一是種類多，如石化領(lǐng)域的大型透平壓縮機、冶金領(lǐng)域的大型軸流鼓風(fēng)機、電廠需要的大型離心和軸流通風(fēng)機，以及各行各業(yè)所需的大批量通風(fēng)設(shè)備；二是特殊要求多，如處理氣固兩相流動的燒結(jié)風(fēng)機、介質(zhì)含水的紡織空調(diào)用軸流風(fēng)機、易燃易爆的氧氣壓縮機和氫氣壓縮機、處理腐蝕性氣體的防腐風(fēng)機等；三是耗能多，因為風(fēng)機保有量大，且多長期連續(xù)運行，因此，風(fēng)機的電耗在整個工業(yè)領(lǐng)域中所占比重名列前茅，比如，我國電站鍋爐的送風(fēng)機、引風(fēng)機、一次風(fēng)機和增壓風(fēng)機的風(fēng)機耗電占電廠總發(fā)電量2％以上，占電廠自用電30％以上，其他領(lǐng)域的風(fēng)機也大多如此，是不折不扣的“耗電大戶”。
從事流體機械科研工作以來，李景銀先后主持、參與幾十項科研項目，包括流體機械方向的國家自然科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)項目、重大專項基礎(chǔ)研究項目、“863”項目和眾多的企業(yè)橫向課題，與風(fēng)機企業(yè)和用戶建立了緊密的技術(shù)合作。
隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行各業(yè)對工作環(huán)境和環(huán)保的要求越發(fā)嚴(yán)格，大大促進了廢氣處理技術(shù)的發(fā)展。工業(yè)廢氣多為酸性腐蝕性氣體，需開發(fā)相應(yīng)的防腐風(fēng)機。當(dāng)一心鉆研流體機械的李景銀教授和十分熱衷技術(shù)開發(fā)的熙誠集團公司孟大雪總經(jīng)理碰面，雙方一拍即合，踏上了長達十多年的產(chǎn)學(xué)研開發(fā)之路，在防腐風(fēng)機和水泵的設(shè)計開發(fā)與應(yīng)用這一細(xì)分領(lǐng)域展開了一系列技術(shù)攻關(guān)。
針對當(dāng)時該行業(yè)風(fēng)機的高耗低效問題，孟大雪帶領(lǐng)企業(yè)技術(shù)人員進行了深入的設(shè)備需求梳理和市場調(diào)研，并不斷更新加工技術(shù)；李景銀科研團隊則利用最新的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，對傳統(tǒng)風(fēng)機進行升級換代開發(fā)。合作過程中，他們不斷迭代優(yōu)化，相繼開發(fā)出高效兩元離心風(fēng)機、高效低噪三元離心風(fēng)機、高效大流量斜流和軸流風(fēng)機、新型定流量通風(fēng)閥和新型通風(fēng)柜等一系列產(chǎn)品，蹚出了一條產(chǎn)品更高效、質(zhì)量更上乘、價格優(yōu)勢更突出的高質(zhì)量發(fā)展之路。
在噴淋塔風(fēng)機和實驗室風(fēng)柜風(fēng)機開發(fā)進程中，李景銀教授團隊組織了多個設(shè)計研發(fā)小組，以確保產(chǎn)品開發(fā)的及時性和領(lǐng)先性。他們從最開始的兩元葉輪開始，不斷總結(jié)大流量離心風(fēng)機優(yōu)化設(shè)計規(guī)律。孟大雪則帶領(lǐng)公司技術(shù)人員開發(fā)設(shè)計更先進的加工工藝，先后將兩元葉輪升級為三元葉輪、從工程塑料葉輪研發(fā)到玻璃鋼葉輪、從矩形蝸殼開發(fā)到圓形蝸殼、從單一定流量風(fēng)閥進階到多種規(guī)格和形式的風(fēng)閥、從高揚程小流量低效水泵迭代為高效大流量水泵，取得豐碩成果。
在高效離心風(fēng)機的開發(fā)中，他們從市場出發(fā)，不僅重視產(chǎn)品規(guī)格的系列化，而且借助加工工藝的改進，改兩元風(fēng)機葉輪為三元注塑葉輪。與工業(yè)風(fēng)機不同，注塑工藝可以在不增加成本的基礎(chǔ)上將蝸殼流道截面形狀設(shè)計為圓形，從而可以進一步提高風(fēng)機氣動效率。經(jīng)過以上設(shè)計方法和加工工藝的改進，高比轉(zhuǎn)數(shù)三元離心風(fēng)機效率大幅度提高。
為了保證葉輪的比轉(zhuǎn)速和壓力系數(shù)在合適范圍，團隊和公司合作，重點開發(fā)了永磁電機、永磁電機控制軟件和控制器，從而破解工業(yè)風(fēng)機受三相異步電動機轉(zhuǎn)速限制的難題，為高效離心風(fēng)機的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。談到永磁電機的開發(fā)及其與通風(fēng)機的配合使用時，“我國稀土資源豐富，開發(fā)永磁電機具有得天獨厚的優(yōu)勢，而永磁電機在風(fēng)機領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用將徹底改變通風(fēng)機的運行模式和開發(fā)方式。”李景銀如是說，“通風(fēng)設(shè)備基本采用電機提供動能，受限于過去異步電動機的轉(zhuǎn)速，風(fēng)機設(shè)計的比轉(zhuǎn)速范圍經(jīng)常落在最優(yōu)效率之外；此外，風(fēng)機變工況運行時的效率降低很快，也極大影響能量的高效利用；第三，對于在空調(diào)通風(fēng)行業(yè)得到廣泛使用的多翼風(fēng)機和高壓前向風(fēng)機，變工況的耗功巨大變化，導(dǎo)致電機需要很大的功率儲備，甚至不得不按運行區(qū)間選擇兩臺電機。”
從風(fēng)機設(shè)計上講，永磁電機的推廣與使用或改良風(fēng)機傳統(tǒng)設(shè)計方法。“通風(fēng)機的變工況運行常采用定轉(zhuǎn)速，這種方式可以保證其在設(shè)計點上高效運行，但在小流量、大壓力變化條件下風(fēng)機性能下降變化很快，設(shè)計者在設(shè)計時不得不在高效率與高工作范圍上進行衡量與取舍，經(jīng)常顧此失彼。”李景銀介紹道，“永磁電機方便快捷的變轉(zhuǎn)速功能為通風(fēng)機在不同工況下采用不同轉(zhuǎn)速運行提供了可行路線，這也讓設(shè)計者們改變設(shè)計方法以使風(fēng)機實現(xiàn)最佳比轉(zhuǎn)數(shù)的追蹤，即通過實時變轉(zhuǎn)速以保持最大效率運行，從而設(shè)計出效率高、性能好、工作范圍更廣的風(fēng)機。”同時李景銀表示：“永磁電機轉(zhuǎn)子無需勵磁，減小了電機的銅損和鐵損，也避免了集電環(huán)和電刷摩擦和故障帶來的效率上的損失，其本身的高效性更有益‘節(jié)能’大目標(biāo)的實現(xiàn)。”
對于團隊致力于開發(fā)的三元離心風(fēng)機，“三元離心風(fēng)機的制造工藝改進，結(jié)合永磁電機驅(qū)動器控制轉(zhuǎn)速，可使風(fēng)機的效率得到顯著提高，同時制造成本可控，便于推廣使用。”李景銀補充道。
站在應(yīng)用端的角度，首先是電機的選型上，李景銀表示，“在實際應(yīng)用中，對于行業(yè)常用的通風(fēng)機搭配三相異步電機的形式，使用者更偏向于選擇功率偏大的電機以保證運行安全，這樣就常造成‘大馬拉小車’的情況。但對于永磁電機“限功率限轉(zhuǎn)速”的特點，其搭配通風(fēng)機使用時，可以做到精準(zhǔn)選型不浪費。同時，對于普遍應(yīng)用的前向風(fēng)機，驅(qū)動器可以控制電機限功率運行，也將從根本上解決配套電機過大和安全運行問題。”其次在實際運行中，“永磁電機與通風(fēng)機直連，可大范圍調(diào)整轉(zhuǎn)速而無需皮帶輪調(diào)整，既免去了皮帶輪故障帶來的維修成本，也提高了效率。”李景銀解釋道，“同時，永磁電機可以保證負(fù)載在大范圍內(nèi)高效穩(wěn)定運行，避免了異步電機變頻30Hz以下不能長時間運行的缺陷，使得用戶使用更靈活、方便。”而且，“由于驅(qū)動器的芯片仍有一定的富余算力，可以進一步接入壓力和溫度等傳感器，結(jié)合集成通訊模塊，實現(xiàn)風(fēng)機遠(yuǎn)程智能控制，增加風(fēng)機的核心競爭力。”李景銀指出。
在制造企業(yè)最關(guān)心的成本問題上，李景銀團隊也做了充分的調(diào)研。李景銀表示：“永磁電機的成本集中在釹鐵硼的永磁體上，但相對的，永磁電機可以節(jié)省約三分之二的硅鋼片和二分之一的銅片。且永磁電機體積小、重量輕，在承重沒要求的情況下可以小一到兩個機號，甚至可以把電機安裝在軸承箱上實現(xiàn)硬連接直接輸出動力。通風(fēng)機用永磁電機發(fā)熱小、溫升低，無需過度擔(dān)心退磁問題，同時這樣也使得電機的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，降低了整體成本。”
目前李景銀研究團隊正大力開展4個關(guān)鍵技術(shù)研究，如高效運行模式的研究和新型流量監(jiān)測閥門的研制等。
軸流風(fēng)機則是在礦山、實驗室、車間等地得到廣泛的應(yīng)用。李景銀研究團隊與熙誠集團通力合作，采用最優(yōu)控制理論優(yōu)化設(shè)計葉輪，結(jié)合2500R永磁電機，顯著提高風(fēng)機效率和調(diào)節(jié)性能，進一步滿足對軸流風(fēng)機的大流量、尺寸緊湊的要求。
高效防腐離心水泵是雙方“產(chǎn)學(xué)研”成果的又一典型案例。水泵行業(yè)和風(fēng)機行業(yè)類似，“一泵多用”、“大馬拉小車”和“運行工況偏離”的現(xiàn)象很常見。新型水泵的開發(fā)，首先從改進早期產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)入手，提高“防腐”能力；其次，優(yōu)化產(chǎn)品系列，同時優(yōu)化設(shè)計相應(yīng)的新葉輪，提高葉輪做功能力和效率；對于蝸殼，通過改進和重新優(yōu)化設(shè)計大弧度整體注塑彎頭，有效避免了早期產(chǎn)品的回流現(xiàn)象，降低葉輪出水阻力、提高效率。孜孜不倦地努力，換來了新一代高效系列化水泵的廣泛使用和市場占有。
近年來，雙方又針對實驗室的關(guān)鍵設(shè)備－通風(fēng)柜，開展了深入的開發(fā)研究。通風(fēng)柜是排出實驗有毒有害氣體、保障人員安全的重要設(shè)備。李景銀研究團隊針對通風(fēng)柜內(nèi)部氣流不均勻、抽風(fēng)不徹底等早期設(shè)備缺陷，對通風(fēng)柜整體流場和導(dǎo)流系統(tǒng)進行詳細(xì)的實驗和計算分析，對導(dǎo)流板形狀位置和尺寸、通風(fēng)柜內(nèi)部氣流的輸送情況進行了優(yōu)化，并獲得預(yù)期效果。
通風(fēng)柜的關(guān)鍵配套產(chǎn)品是通風(fēng)管道的流量控制。早期的流量閥要么簡陋，要么是精度高但體積大、成本高的文丘里流量計閥門。針對這一痛點，雙方開展了工藝改進和流場分析及測試，利用非線性控制器，開發(fā)了尺寸緊湊但控制精度高、流動阻力小的通風(fēng)閥門，大大降低了制造成本、減少了安裝空間。
“雙碳”目標(biāo)宏偉雄大、節(jié)能道路任重道遠(yuǎn)，西安交通大學(xué)李景銀研究團隊與江蘇熙誠環(huán)?？萍加邢薰緦⒊掷m(xù)開展深入合作，結(jié)合行業(yè)發(fā)展需求，依托現(xiàn)代設(shè)計和加工技術(shù)的進步，放眼高效風(fēng)機的設(shè)計、安裝、運維及元件匹配全流程，縱覽風(fēng)機的全生命周期，以降本增效為目標(biāo)，銳意創(chuàng)新，在產(chǎn)品設(shè)計方法上不斷探索突破，在流體機械的道路上續(xù)寫“綠色”佳話。
