流体机械是一种以流体为工作介质实现能量转换的叶轮机械,通常包括各类风机、压缩机和泵等。据不完全统计,各种风机和泵的耗电量约占全国发电量的30-40%。即使不太起眼的小型流体机械,由于巨大的使用量,其总耗电量也相当可观。随着“碳达峰、碳中和”的目标提出,对小型风机和泵的节能环保提出了越来越高的要求。

随着我国国民经济的快速发展,各类生产企业如雨后春笋茁壮成长,同时企业对工作环境和环保的要求越发严格,大大促进了废气处理技术的发展。工业废气多为酸性腐蚀性气体,需开发相应的防腐风机。当一心钻研流体机械的李景银教授和十分热衷技术开发的熙诚环保科技集团总经理孟大雪碰面,在防腐风机的研究与水泵的设计开发及应用方面,双方一拍即合,开始了长达十多年的产学研开发之路。

针对当时该行业风机的高耗低效问题,熙诚环保科技集团总经理孟大雪带领企业技术人员做好了设备需求和市场的调研,并不断改进和采用最新的加工技术;交大李景银教授团队则利用最新的风机优化技术和流场分析程序,对传统风机进行升级换代开发。在两个单位的科研团队的“产学研”合作开发过程中,他们的产品开发经历了高效二元离心风机,高效低噪三元离心风机,高效大流量斜流和轴流风机、新型定流量通风阀和新型通风柜的持续开发更新历程,实现了产品效率提高、质量上乘,同时价格比同类产品更低的产品发展目标。

在喷淋塔风机和实验室风柜的高科技产品开发中,李景银教授团队组织多个设计研发小组,常年保持5到8个研究生的研究投入,保持产品开发的及时性和领先性。从最开始的二元叶轮开始,不断总结大流量离心风机优化设计规律;孟大雪总经理领导公司技术人员开发设计更先进的加工工艺,从二元叶轮改进为三元叶轮,在从工程塑料叶轮研发到玻璃钢叶轮叶腹,从矩形蜗壳开发到圆形蜗壳,从单一定流量风阀到多种规格和形式的风阀,从高扬程小流量低效水泵到高效大流量水泵,科研开发取得丰硕成果。

在高效风机的开发中,他们从市场出发,首先重视产品规格的系列化;其次,借助加工工艺的改进,改二元风机叶轮为三元注塑叶轮;第三,为了保证叶轮的比转速和压力系数在合适范围,重点开发了永磁电机、永磁电机控制软件和控制器,从而打破了工业风机受到三相异步电动机的转速限制的难题,为高效离心风机的开发提供了极其有利的基础。高效风机和高效转速可调永磁电机的关键技术的开发,大大提高了风机的整机效率。

在高效风机的开发中,他们以二元叶片为基础开发三元叶片的设计方法进行了深入探究,发现叶片安装角的分布规律尤为重要。同时,二元叶轮设计初期,就要考虑流道形状、叶片数等参数要与三元叶片的改进相匹配。与工业风机不同,注塑工艺允许将蜗壳流道截面形状设计为圆形,从而可以进一步提高风机气动效率。经过以上设计方法和加工工艺的改进,高比转数三元离心风机效率可达90%以上。另外,轴流风机在矿山、实验室、车间等地得到广泛的应用。李景银教授团队与熙诚环保科技集团通力合作,采用最优控制理论优化设计叶轮,结合2500R永磁电机,显著提高风机效率和调节性能,进一步满足对轴流风机的大流量、尺寸紧凑的要求。

高效防腐离心水泵是双方“产学研”成果的又一典型案例。水泵行业和风机行业类似,“一泵多用”、“大马拉小车”和“运行工况偏离”的现象很常见。新型水泵的开发,首先从改进早期产品的结构入手,提高“防腐”能力;其次,优化产品系列,同时优化设计相应的新叶轮,提高叶轮做功能力和效率;对于蜗壳,通过改进和重新优化设计大弧度整体注塑弯头,有效避免了早期产品的回流现象,降低叶轮出水阻力、提高效率。孜孜不倦地努力,换来了新一代高效系列化水泵的广泛使用和市场占有。

在新型流体机械开发中,李景银教授与熙诚环保科技集团密切合作,不断改进加工工艺、优化产品系列、提高产品性能和质量,降低生产成本,获得了丰硕成果,先后获得2016和2018年中国产学研合作促进会的“合作创新成果奖”的优秀奖和二等奖。

近年来,双方又针对实验室的关键设备-通风柜,开展了深入的开发研究。通风柜是排出实验有毒有害气体,保障人员安全的重要设备。李景银教授团队针对通风柜内部气流不均匀、抽风不彻底等早期产品的不足,对通风柜整体流场和导流系统进行详细的实验和计算分析,优化导流板形状位置和尺寸,优化了通风柜内部气流的输送情况,获得预期效果。

通风柜的关键配套产品是通风管道的流量控制。早期的流量阀要么简陋,要么是高精度但是体积大成本高的文丘里流量阀。对此痛点问题,双方开展工艺改进和流场分析和测试,利用可编程控制器和执行器,开发了尺寸紧凑但控制精度高、流动阻力小的通风阀,并且大大降低了制造成本,获得显著进步。

高效三元叶轮

高效防腐三元离心水泵

西安交通大学李景银教授团队与熙诚环保科技集团仍将持续开展深入合作,结合行业发展需求,依托现代设计和加工技术的进步,以降本增效为目标,在产品设计方法上不断探索突破。(李景银 郭朋华 李颖 张舒华 陈云瑞 齐文闯 孟大雪 胡灿)

人民日报报道全文：https://wap.peopleapp.com/article/rmh32188011/rmh32188011