涓涓細流新技術 節能減排大成效--西安交大李景銀科研團隊與熙誠集團齊思共研新型風機！

李景銀教授

     流體機械，是以氣體或液體為工作介質來轉換能量的機械，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，是中國機械工業重要的組成部分。1984年，李景銀考入西安交通大學，開始了他在流體機械專業的求學和科研之路。時光匆匆間，與流體機械產業的高速發展共振同頻，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域的知名學者。

流體機械應用廣泛、設備種類繁多。大到石化、冶金企業所需的軸流壓縮機和離心壓縮機等核心動力設備，小到我們平時用的空調風機和冷卻塔風扇，都屬于流體機械及工程學科研究領域。深耕這一領域多年，李景銀對產業有著自己獨到的見解。他將流體機械設備的特點形象地總結為“三多”：一是種類多，如石化領域的大型透平壓縮機、冶金領域的大型軸流鼓風機、電廠需要的大型離心和軸流通風機，以及各行各業所需的大批量通風設備；二是特殊要求多，如處理氣固兩相流動的燒結風機、介質含水的紡織空調用軸流風機、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機等；三是耗能多，因為風機保有量大，且多長期連續運行，因此，風機的電耗在整個工業領域中所占比重名列前茅，比如，我國電站鍋爐的送風機、引風機、一次風機和增壓風機的風機耗電占電廠總發電量2％以上，占電廠自用電30％以上，其他領域的風機也大多如此，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基金項目、國家重點研發項目、重大專項基礎研究項目、“863”項目和眾多的企業橫向課題，與風機企業和用戶建立了緊密的技術合作。

隨著我國國民經濟的快速發展，各行各業對工作環境和環保的要求越發嚴格，大大促進了廢氣處理技術的發展。工業廢氣多為酸性腐蝕性氣體，需開發相應的防腐風機。當一心鉆研流體機械的李景銀教授和十分熱衷技術開發的熙誠集團公司孟大雪總經理碰面，雙方一拍即合，踏上了長達十多年的產學研開發之路，在防腐風機和水泵的設計開發與應用這一細分領域展開了一系列技術攻關。

針對當時該行業風機的高耗低效問題，孟大雪帶領企業技術人員進行了深入的設備需求梳理和市場調研，并不斷更新加工技術；李景銀科研團隊則利用最新的優化設計技術，對傳統風機進行升級換代開發。合作過程中，他們不斷迭代優化，相繼開發出高效兩元離心風機、高效低噪三元離心風機、高效大流量斜流和軸流風機、新型定流量通風閥和新型通風柜等一系列產品，蹚出了一條產品更高效、質量更上乘、價格優勢更突出的高質量發展之路。

在噴淋塔風機和實驗室風柜風機開發進程中，李景銀教授團隊組織了多個設計研發小組，以確保產品開發的及時性和領先性。他們從最開始的兩元葉輪開始，不斷總結大流量離心風機優化設計規律。孟大雪則帶領公司技術人員開發設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到玻璃鋼葉輪、從矩形蝸殼開發到圓形蝸殼、從單一定流量風閥進階到多種規格和形式的風閥、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。

在高效離心風機的開發中，他們從市場出發，不僅重視產品規格的系列化，而且借助加工工藝的改進，改兩元風機葉輪為三元注塑葉輪。與工業風機不同，注塑工藝可以在不增加成本的基礎上將蝸殼流道截面形狀設計為圓形，從而可以進一步提高風機氣動效率。經過以上設計方法和加工工藝的改進，高比轉數三元離心風機效率大幅度提高。

為了保證葉輪的比轉速和壓力系數在合適范圍，團隊和公司合作，重點開發了永磁電機、永磁電機控制軟件和控制器，從而破解工業風機受三相異步電動機轉速限制的難題，為高效離心風機的開發奠定了基礎。談到永磁電機的開發及其與通風機的配合使用時，“我國稀土資源豐富，開發永磁電機具有得天獨厚的優勢，而永磁電機在風機領域的大規模應用將徹底改變通風機的運行模式和開發方式。”李景銀如是說，“通風設備基本采用電機提供動能，受限于過去異步電動機的轉速，風機設計的比轉速范圍經常落在最優效率之外；此外，風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，對于在空調通風行業得到廣泛使用的多翼風機和高壓前向風機，變工況的耗功巨大變化，導致電機需要很大的功率儲備，甚至不得不按運行區間選擇兩臺電機。”

從風機設計上講，永磁電機的推廣與使用或改良風機傳統設計方法。“通風機的變工況運行常采用定轉速，這種方式可以保證其在設計點上高效運行，但在小流量、大壓力變化條件下風機性能下降變化很快，設計者在設計時不得不在高效率與高工作范圍上進行衡量與取舍，經常顧此失彼。”李景銀介紹道，“永磁電機方便快捷的變轉速功能為通風機在不同工況下采用不同轉速運行提供了可行路線，這也讓設計者們改變設計方法以使風機實現最佳比轉數的追蹤，即通過實時變轉速以保持最大效率運行，從而設計出效率高、性能好、工作范圍更廣的風機。”同時李景銀表示：“永磁電機轉子無需勵磁，減小了電機的銅損和鐵損，也避免了集電環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‘節能’大目標的實現。”

對于團隊致力于開發的三元離心風機，“三元離心風機的制造工藝改進，結合永磁電機驅動器控制轉速，可使風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。

站在應用端的角度，首先是電機的選型上，李景銀表示，“在實際應用中，對于行業常用的通風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“限功率限轉速”的特點，其搭配通風機使用時，可以做到精準選型不浪費。同時，對于普遍應用的前向風機，驅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，“永磁電機與通風機直連，可大范圍調整轉速而無需皮帶輪調整，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載在大范圍內高效穩定運行，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，結合集成通訊模塊，實現風機遠程智能控制，增加風機的核心競爭力。”李景銀指出。

在制造企業最關心的成本問題上，李景銀團隊也做了充分的調研。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硬連接直接輸出動力。通風機用永磁電機發熱小、溫升低，無需過度擔心退磁問題，同時這樣也使得電機的冷卻系統結構簡單，降低了整體成本。”

目前李景銀研究團隊正大力開展4個關鍵技術研究，如高效運行模式的研究和新型流量監測閥門的研制等。

軸流風機則是在礦山、實驗室、車間等地得到廣泛的應用。李景銀研究團隊與熙誠集團通力合作，采用最優控制理論優化設計葉輪，結合2500R永磁電機，顯著提高風機效率和調節性能，進一步滿足對軸流風機的大流量、尺寸緊湊的要求。

高效防腐離心水泵是雙方“產學研”成果的又一典型案例。水泵行業和風機行業類似，“一泵多用”、“大馬拉小車”和“運行工況偏離”的現象很常見。新型水泵的開發，首先從改進早期產品的結構入手，提高“防腐”能力；其次，優化產品系列，同時優化設計相應的新葉輪，提高葉輪做功能力和效率；對于蝸殼，通過改進和重新優化設計大弧度整體注塑彎頭，有效避免了早期產品的回流現象，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鍵設備－通風柜，開展了深入的開發研究。通風柜是排出實驗有毒有害氣體、保障人員安全的重要設備。李景銀研究團隊針對通風柜內部氣流不均勻、抽風不徹底等早期設備缺陷，對通風柜整體流場和導流系統進行詳細的實驗和計算分析，對導流板形狀位置和尺寸、通風柜內部氣流的輸送情況進行了優化，并獲得預期效果。

通風柜的關鍵配套產品是通風管道的流量控制。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，開發了尺寸緊湊但控制精度高、流動阻力小的通風閥門，大大降低了制造成本、減少了安裝空間。

“雙碳”目標宏偉雄大、節能道路任重道遠，西安交通大學李景銀研究團隊與江蘇熙誠環保科技有限公司將持續開展深入合作，結合行業發展需求，依托現代設計和加工技術的進步，放眼高效風機的設計、安裝、運維及元件匹配全流程，縱覽風機的全生命周期，以降本增效為目標，銳意創新，在產品設計方法上不斷探索突破，在流體機械的道路上續寫“綠色”佳話。