李景銀教授

     流體機(jī)械，是以氣體或液體為工作介質(zhì)來轉(zhuǎn)換能量的機(jī)械，其通常隱身在大型工程之中，但在重大機(jī)械裝備中的地位卻舉足輕重，是中國(guó)機(jī)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(jī)械專業(yè)的求學(xué)和科研之路。時(shí)光匆匆間，與流體機(jī)械產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展共振同頻，李景銀也從對(duì)未來滿懷憧憬的年輕人成長(zhǎng)為我國(guó)流體機(jī)械及工程領(lǐng)域的知名學(xué)者。

流體機(jī)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(jī)和離心壓縮機(jī)等核心動(dòng)力設(shè)備，小到我們平時(shí)用的空調(diào)風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)扇，都屬于流體機(jī)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(duì)產(chǎn)業(yè)有著自己獨(dú)到的見解。他將流體機(jī)械設(shè)備的特點(diǎn)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(jī)、冶金領(lǐng)域的大型軸流鼓風(fēng)機(jī)、電廠需要的大型離心和軸流通風(fēng)機(jī)，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(dòng)的燒結(jié)風(fēng)機(jī)、介質(zhì)含水的紡織空調(diào)用軸流風(fēng)機(jī)、易燃易爆的氧氣壓縮機(jī)和氫氣壓縮機(jī)、處理腐蝕性氣體的防腐風(fēng)機(jī)等；三是耗能多，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)保有量大，且多長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，因此，風(fēng)機(jī)的電耗在整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中所占比重名列前茅，比如，我國(guó)電站鍋爐的送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)機(jī)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(jī)也大多如此，是不折不扣的“耗電大戶”。

從事流體機(jī)械科研工作以來，李景銀先后主持、參與幾十項(xiàng)科研項(xiàng)目，包括流體機(jī)械方向的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、重大專項(xiàng)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、“863”項(xiàng)目和眾多的企業(yè)橫向課題，與風(fēng)機(jī)企業(yè)和用戶建立了緊密的技術(shù)合作。

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)工作環(huán)境和環(huán)保的要求越發(fā)嚴(yán)格，大大促進(jìn)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(jī)。當(dāng)一心鉆研流體機(jī)械的李景銀教授和十分熱衷技術(shù)開發(fā)的熙誠(chéng)集團(tuán)公司孟大雪總經(jīng)理碰面，雙方一拍即合，踏上了長(zhǎng)達(dá)十多年的產(chǎn)學(xué)研開發(fā)之路，在防腐風(fēng)機(jī)和水泵的設(shè)計(jì)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(duì)當(dāng)時(shí)該行業(yè)風(fēng)機(jī)的高耗低效問題，孟大雪帶領(lǐng)企業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行了深入的設(shè)備需求梳理和市場(chǎng)調(diào)研，并不斷更新加工技術(shù)；李景銀科研團(tuán)隊(duì)則利用最新的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行升級(jí)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(jī)、高效低噪三元離心風(fēng)機(jī)、高效大流量斜流和軸流風(fēng)機(jī)、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(jià)格優(yōu)勢(shì)更突出的高質(zhì)量發(fā)展之路。

在噴淋塔風(fēng)機(jī)和實(shí)驗(yàn)室風(fēng)柜風(fēng)機(jī)開發(fā)進(jìn)程中，李景銀教授團(tuán)隊(duì)組織了多個(gè)設(shè)計(jì)研發(fā)小組，以確保產(chǎn)品開發(fā)的及時(shí)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(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)律。孟大雪則帶領(lǐng)公司技術(shù)人員開發(fā)設(shè)計(jì)更先進(jìn)的加工工藝，先后將兩元葉輪升級(jí)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(jìn)階到多種規(guī)格和形式的風(fēng)閥、從高揚(yáng)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(jī)的開發(fā)中，他們從市場(chǎng)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(jìn)，改兩元風(fēng)機(jī)葉輪為三元注塑葉輪。與工業(yè)風(fēng)機(jī)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(jì)為圓形，從而可以進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)氣動(dòng)效率。經(jīng)過以上設(shè)計(jì)方法和加工工藝的改進(jìn)，高比轉(zhuǎn)數(shù)三元離心風(fēng)機(jī)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(tuán)隊(duì)和公司合作，重點(diǎn)開發(fā)了永磁電機(jī)、永磁電機(jī)控制軟件和控制器，從而破解工業(yè)風(fēng)機(jī)受三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制的難題，為高效離心風(fēng)機(jī)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。談到永磁電機(jī)的開發(fā)及其與通風(fēng)機(jī)的配合使用時(shí)，“我國(guó)稀土資源豐富，開發(fā)永磁電機(jī)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，而永磁電機(jī)在風(fēng)機(jī)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用將徹底改變通風(fēng)機(jī)的運(yùn)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(jī)提供動(dòng)能，受限于過去異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的比轉(zhuǎn)速范圍經(jīng)常落在最優(yōu)效率之外；此外，風(fēng)機(jī)變工況運(yùn)行時(shí)的效率降低很快，也極大影響能量的高效利用；第三，對(duì)于在空調(diào)通風(fēng)行業(yè)得到廣泛使用的多翼風(fēng)機(jī)和高壓前向風(fēng)機(jī)，變工況的耗功巨大變化，導(dǎo)致電機(jī)需要很大的功率儲(chǔ)備，甚至不得不按運(yùn)行區(qū)間選擇兩臺(tái)電機(jī)。”

從風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)上講，永磁電機(jī)的推廣與使用或改良風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。“通風(fēng)機(jī)的變工況運(yùn)行常采用定轉(zhuǎn)速，這種方式可以保證其在設(shè)計(jì)點(diǎn)上高效運(yùn)行，但在小流量、大壓力變化條件下風(fēng)機(jī)性能下降變化很快，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)不得不在高效率與高工作范圍上進(jìn)行衡量與取舍，經(jīng)常顧此失彼。”李景銀介紹道，“永磁電機(jī)方便快捷的變轉(zhuǎn)速功能為通風(fēng)機(jī)在不同工況下采用不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行提供了可行路線，這也讓設(shè)計(jì)者們改變?cè)O(shè)計(jì)方法以使風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳比轉(zhuǎn)數(shù)的追蹤，即通過實(shí)時(shí)變轉(zhuǎn)速以保持最大效率運(yùn)行，從而設(shè)計(jì)出效率高、性能好、工作范圍更廣的風(fēng)機(jī)。”同時(shí)李景銀表示：“永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子無需勵(lì)磁，減小了電機(jī)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(shí)現(xiàn)。”

對(duì)于團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)的三元離心風(fēng)機(jī)，“三元離心風(fēng)機(jī)的制造工藝改進(jìn)，結(jié)合永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制轉(zhuǎn)速，可使風(fēng)機(jī)的效率得到顯著提高，同時(shí)制造成本可控，便于推廣使用。”李景銀補(bǔ)充道。

站在應(yīng)用端的角度，首先是電機(jī)的選型上，李景銀表示，“在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于行業(yè)常用的通風(fēng)機(jī)搭配三相異步電機(jī)的形式，使用者更偏向于選擇功率偏大的電機(jī)以保證運(yùn)行安全，這樣就常造成‘大馬拉小車’的情況。但對(duì)于永磁電機(jī)“限功率限轉(zhuǎn)速”的特點(diǎn)，其搭配通風(fēng)機(jī)使用時(shí)，可以做到精準(zhǔn)選型不浪費(fèi)。同時(shí)，對(duì)于普遍應(yīng)用的前向風(fēng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)器可以控制電機(jī)限功率運(yùn)行，也將從根本上解決配套電機(jī)過大和安全運(yùn)行問題。”其次在實(shí)際運(yùn)行中，“永磁電機(jī)與通風(fēng)機(jī)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(shí)，永磁電機(jī)可以保證負(fù)載在大范圍內(nèi)高效穩(wěn)定運(yùn)行，避免了異步電機(jī)變頻30Hz以下不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的缺陷，使得用戶使用更靈活、方便。”而且，“由于驅(qū)動(dòng)器的芯片仍有一定的富余算力，可以進(jìn)一步接入壓力和溫度等傳感器，結(jié)合集成通訊模塊，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程智能控制，增加風(fēng)機(jī)的核心競(jìng)爭(zhēng)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(tuán)隊(duì)也做了充分的調(diào)研。李景銀表示：“永磁電機(jī)的成本集中在釹鐵硼的永磁體上，但相對(duì)的，永磁電機(jī)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(jī)體積小、重量輕，在承重沒要求的情況下可以小一到兩個(gè)機(jī)號(hào)，甚至可以把電機(jī)安裝在軸承箱上實(shí)現(xiàn)硬連接直接輸出動(dòng)力。通風(fēng)機(jī)用永磁電機(jī)發(fā)熱小、溫升低，無需過度擔(dān)心退磁問題，同時(shí)這樣也使得電機(jī)的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了整體成本。”

目前李景銀研究團(tuán)隊(duì)正大力開展4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)研究，如高效運(yùn)行模式的研究和新型流量監(jiān)測(cè)閥門的研制等。

軸流風(fēng)機(jī)則是在礦山、實(shí)驗(yàn)室、車間等地得到廣泛的應(yīng)用。李景銀研究團(tuán)隊(duì)與熙誠(chéng)集團(tuán)通力合作，采用最優(yōu)控制理論優(yōu)化設(shè)計(jì)葉輪，結(jié)合2500R永磁電機(jī)，顯著提高風(fēng)機(jī)效率和調(diào)節(jié)性能，進(jìn)一步滿足對(duì)軸流風(fēng)機(jī)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(jī)行業(yè)類似，“一泵多用”、“大馬拉小車”和“運(yùn)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(jìn)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(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)相應(yīng)的新葉輪，提高葉輪做功能力和效率；對(duì)于蝸殼，通過改進(jìn)和重新優(yōu)化設(shè)計(jì)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(chǎng)占有。

近年來，雙方又針對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)有毒有害氣體、保障人員安全的重要設(shè)備。李景銀研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(duì)通風(fēng)柜整體流場(chǎng)和導(dǎo)流系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析，對(duì)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(jìn)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(jiǎn)陋，要么是精度高但體積大、成本高的文丘里流量計(jì)閥門。針對(duì)這一痛點(diǎn)，雙方開展了工藝改進(jìn)和流場(chǎng)分析及測(cè)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(dòng)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(tuán)隊(duì)與江蘇熙誠(chéng)環(huán)保科技有限公司將持續(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(jì)和加工技術(shù)的進(jìn)步，放眼高效風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)維及元件匹配全流程，縱覽風(fēng)機(jī)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(jì)方法上不斷探索突破，在流體機(jī)械的道路上續(xù)寫“綠色”佳話。