大型軸流加離心壓縮機優(yōu)化設(shè)計

金 鑫

（沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

0 引言

空分行業(yè)市場容量巨大，尤其是大型空分裝置，預(yù)計每年有15～20套十萬等級空分壓縮機，絕大部分十萬等級空分裝置用壓縮機均為進口。目前，國際上主流的十萬等級大型空分裝置主空壓機均采用軸流+離心組合型壓縮機。其中曼透平機組結(jié)構(gòu)為6級軸流+1級離心壓縮機，機型為“AR”型；西門子機組結(jié)構(gòu)為9級軸流+2級離心壓縮機，機型為“SR”型。兩家公司均采用軸向進氣模式。國內(nèi)目前僅有該公司為神華寧煤設(shè)計制造的一套10萬等級空分壓縮機在運行，采用8級軸流+2級離心結(jié)構(gòu)，徑向進氣，焊接機殼。該機組技術(shù)水平達到了國際先進水平，但是部分技術(shù)指標與國際領(lǐng)先水平還有一定差距，還需要進一步提升，包括機組成本、效率指標和外觀等。該項目以寧夏寶豐公司2套10萬空分為依托，通過開發(fā)全新一代軸流+離心壓縮機，使大型軸流+離心機殼各項指標達到國際先進水平。

1 主要內(nèi)容及方法

該項目在神華寧煤國內(nèi)首臺10萬等級空分裝置用MAC180軸流+離心共軸壓縮機組技術(shù)的基礎(chǔ)上，依托寧夏寶豐公司2套10萬空分裝置，進一步開展專項技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)了新一代10.5萬空分裝置用大型軸流+離心壓縮機，在機組成本、效率指標和外觀等方面實現(xiàn)新的技術(shù)突破，使機組可靠性及能耗指標達到國際領(lǐng)先水平。新一代MAC180壓縮機本體為單軸雙支撐結(jié)構(gòu)，采用兩段壓縮，段間設(shè)置中間冷卻器，第1段為8級軸流，第2段為2級離心，軸流葉片采用與HC1相同葉型，軸流段首級動葉片名義直徑為1800 mm。兩級離心葉輪采用新開發(fā)的閉式葉輪模型級，葉輪直徑分別為Φ1487 mm和Φ1465 mm。壓縮機旋轉(zhuǎn)方向為：從軸伸端看，葉輪為順時針旋轉(zhuǎn)，如圖1、圖2所示。

圖1 MAC180三維剖面圖

圖2 MAC180三維剖面圖

2 定子部件優(yōu)化設(shè)計

2.1 軸向進氣機殼結(jié)構(gòu)設(shè)計

新一代MAC180壓縮機設(shè)計為軸向進氣，進氣機殼采用水平剖分的焊接結(jié)構(gòu)，通過垂直向的法蘭與整體機殼把合在一起，并以止口定位。支撐、推力軸承箱設(shè)置在進氣機殼的內(nèi)部，外殼與軸承箱通過翼型板連接，以減少氣流通過時的流動損失。進氣機殼的下半機殼設(shè)置支撐筋板以提高剛性，如圖3所示。

圖3 MAC180進氣機殼結(jié)構(gòu)圖

2.2 整體焊接機殼結(jié)構(gòu)設(shè)計

軸流段、離心段采用全新的水平剖分型整體機殼，采用碳鋼焊接結(jié)構(gòu)與以往的分段式機殼相比，剛性更好，壓縮機檢維修更為便利，如圖4、圖5所示。該項目設(shè)計過程中進行了整體機殼的強度、剛性分析，滿足了空壓機的使用要求。

2.3 空壓機的橇塊設(shè)計

新一代MAC180空壓機將軸承溫度、軸振動、軸位移的檢測儀表及接線從軸承箱蓋連接到接線箱，全部集成在本體上。為了布局美觀，走線簡潔，在機殼兩側(cè)分別布置溫度檢測和振動位移檢測2個接線箱，在三維模型中建立空間點連接引線，使引線緊貼機殼布置。儀表箱通過定制的支架安裝在機殼兩側(cè)。頂升油系統(tǒng)是MAC180空壓機的標準配置，主要由過濾器、超高壓油泵、電機、自立式調(diào)節(jié)閥、壓力表、安全閥以及管路等部件組成，為了實現(xiàn)本體的高度集成化，將頂升油及附屬件全部安裝在機殼下定子底板上，提高了外觀質(zhì)量和操作便利性。導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機構(gòu)及液壓執(zhí)行器均安裝在整體機殼內(nèi)，液壓油系統(tǒng)通過機殼上的管路接頭與伺服油站連接。

2.4 軸流段靜葉調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

空壓機的軸流段為全靜葉可調(diào)結(jié)構(gòu)，靜葉可調(diào)機構(gòu)設(shè)置在整體機殼與內(nèi)機殼之間，包括與內(nèi)機殼外筒成一體結(jié)構(gòu)的貓爪，與整體機殼成一體結(jié)構(gòu)的貓爪支架，貓爪壓板，石墨墊板，氣動執(zhí)行器，可調(diào)靜葉及靜葉驅(qū)動柄，貓爪設(shè)置于貓爪支架上并通過貓爪壓板固定，貓爪壓板固定連接在貓爪支架上，石墨墊板設(shè)置于貓爪和貓爪支架之間，起潤滑作用，氣動執(zhí)行器固定于貓爪支架上，氣動執(zhí)行器通過傳動桿與中央機殼外筒固定連接，可調(diào)靜葉上端穿過中央機殼上開的圓孔連接在中央機殼上，可套圓孔中心線旋轉(zhuǎn)，可調(diào)靜葉頂端通過靜葉驅(qū)動柄與中央機殼外筒連接。該項目的內(nèi)置靜葉可調(diào)機構(gòu)，設(shè)置于軸流式壓縮機的整體機殼中，不易受到損壞，在機殼兩側(cè)安裝執(zhí)行器的位置開方孔，一是便于執(zhí)行器的安裝調(diào)試與檢修，二是有助于軸流段機殼外部的通風(fēng)冷卻。相對于國外機組的部分靜葉可調(diào)，該項目采用了全部靜葉可調(diào)，即8級軸流靜葉均可調(diào)節(jié)角度，大大提高了壓縮機組的工作范圍，調(diào)節(jié)經(jīng)濟性等。

2.5 軸承區(qū)設(shè)計

新一代MAC空壓機采用軸向進氣形式，壓縮機包括進氣機殼、離心段整體機殼、軸流中央機殼、推力側(cè)軸承區(qū)、隔板、葉輪、主軸、支撐側(cè)軸承區(qū)，進氣機殼與離心段整體機殼軸向可拆卸連接，軸流中央機殼設(shè)置于離心段整體機殼內(nèi)部，推力側(cè)軸承區(qū)設(shè)置于進氣機殼內(nèi)部，推力側(cè)軸承區(qū)的內(nèi)軸承箱設(shè)置在進氣機殼內(nèi)部并與進氣機殼固定連接，內(nèi)軸承箱外部設(shè)置軸承箱外殼組，軸承箱外殼組前后端分別與前導(dǎo)流罩和后導(dǎo)流罩止口連接，前導(dǎo)流罩和后導(dǎo)流罩固定連接在進氣機殼內(nèi)部，如圖6所示。

圖4 整體焊接機殼（上）

圖5 整體焊接機殼（下）

圖6 新一代MAC180軸承區(qū)結(jié)構(gòu)

3 轉(zhuǎn)子部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

新一代MAC180轉(zhuǎn)子在主軸結(jié)構(gòu)及裝配、離心段的密封部位、新模型級的葉輪結(jié)構(gòu)等方面進行了改進設(shè)計。主軸設(shè)計采用3段把合形式，中間段（軸流段）為空心軸結(jié)構(gòu)，左右兩段局部也設(shè)計為空心結(jié)構(gòu)以減小重量。針對主軸的3段軸的把合螺栓，研制了全新的超級螺栓結(jié)構(gòu)和液壓拉伸器工裝，該技術(shù)多年來一直被德國公司壟斷，如圖7所示。該項目的超級螺栓技術(shù)成果，具有全部的自主知識產(chǎn)權(quán)。這種預(yù)緊式螺栓連接組件及裝配方法實現(xiàn)了襯套的側(cè)面與主軸連接孔之間的零間隙配合，進而消除了超大型壓縮機主軸的靜撓度[1]，從而提高了超大型壓縮機連續(xù)運轉(zhuǎn)的可靠性。離心段的2個葉輪采用了新開發(fā)的混流式[2]高效率模型級NAC50100、NAC50070。2個葉輪均采用銑制+焊接形式，葉輪與主軸采用過盈配合。為了方便動平衡，在輪盤背部設(shè)置可調(diào)整位置的平衡塊。離心段2個葉輪材料為高強度合金鋼，材料屈服極限為612 MPa。對MAC180的離心段2個葉輪進行葉輪強度分析，并對帶入口導(dǎo)葉的第1級葉輪進行頻率干涉分析，滿足長期運轉(zhuǎn)的可靠性。第1級葉輪在跳閘轉(zhuǎn)速下最大等效應(yīng)力值為594 MPa，小于材料屈服極限，滿足設(shè)計要求。閘轉(zhuǎn)速下，第1級葉輪軸孔最大徑向變形量為1.498 mm，設(shè)計半徑最小過盈量 1.550 mm，滿足 40%接觸要求。在第1級葉輪進氣前設(shè)置了進口導(dǎo)葉，出口擴壓器為無葉形式。針對第2級葉輪，在跳閘轉(zhuǎn)速下，第2級葉輪的最大等效應(yīng)力值為566 MPa，小于材料屈服極限，滿足相關(guān)設(shè)計要求。在跳閘轉(zhuǎn)速下，第2級葉輪軸孔最大徑向變形量為1.496 mm，設(shè)計半徑最小過盈量為1.550 mm，接觸面積滿足設(shè)計要求。

圖7 國外超級螺母結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

該項目的完成，不僅提高了大型空分壓縮機的各項指標，同時也確定了沈鼓在十萬等級空分壓縮機的主導(dǎo)地位，隨著份額的不斷擴大，使得進口機組價格不斷下降的同時份額不斷降低，為民族工業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻。