金 鑫

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

0 引言

空分行业市场容量巨大，尤其是大型空分装置，预计每年有15～20套十万等级空分压缩机，绝大部分十万等级空分装置用压缩机均为进口。目前，国际上主流的十万等级大型空分装置主空压机均采用轴流+离心组合型压缩机。其中曼透平机组结构为6级轴流+1级离心压缩机，机型为“AR”型；西门子机组结构为9级轴流+2级离心压缩机，机型为“SR”型。两家公司均采用轴向进气模式。国内目前仅有该公司为神华宁煤设计制造的一套10万等级空分压缩机在运行，采用8级轴流+2级离心结构，径向进气，焊接机壳。该机组技术水平达到了国际先进水平，但是部分技术指标与国际领先水平还有一定差距，还需要进一步提升，包括机组成本、效率指标和外观等。该项目以宁夏宝丰公司2套10万空分为依托，通过开发全新一代轴流+离心压缩机，使大型轴流+离心机壳各项指标达到国际先进水平。

1 主要内容及方法

该项目在神华宁煤国内首台10万等级空分装置用MAC180轴流+离心共轴压缩机组技术的基础上，依托宁夏宝丰公司2套10万空分装置，进一步开展专项技术攻关，开发了新一代10.5万空分装置用大型轴流+离心压缩机，在机组成本、效率指标和外观等方面实现新的技术突破，使机组可靠性及能耗指标达到国际领先水平。新一代MAC180压缩机本体为单轴双支撑结构，采用两段压缩，段间设置中间冷却器，第1段为8级轴流，第2段为2级离心，轴流叶片采用与HC1相同叶型，轴流段首级动叶片名义直径为1800 mm。两级离心叶轮采用新开发的闭式叶轮模型级，叶轮直径分别为Φ1487 mm和Φ1465 mm。压缩机旋转方向为：从轴伸端看，叶轮为顺时针旋转，如图1、图2所示。

图1 MAC180三维剖面图

图2 MAC180三维剖面图

2 定子部件优化设计

2.1 轴向进气机壳结构设计

新一代MAC180压缩机设计为轴向进气，进气机壳采用水平剖分的焊接结构，通过垂直向的法兰与整体机壳把合在一起，并以止口定位。支撑、推力轴承箱设置在进气机壳的内部，外壳与轴承箱通过翼型板连接，以减少气流通过时的流动损失。进气机壳的下半机壳设置支撑筋板以提高刚性，如图3所示。

图3 MAC180进气机壳结构图

2.2 整体焊接机壳结构设计

轴流段、离心段采用全新的水平剖分型整体机壳，采用碳钢焊接结构与以往的分段式机壳相比，刚性更好，压缩机检维修更为便利，如图4、图5所示。该项目设计过程中进行了整体机壳的强度、刚性分析，满足了空压机的使用要求。

2.3 空压机的橇块设计

新一代MAC180空压机将轴承温度、轴振动、轴位移的检测仪表及接线从轴承箱盖连接到接线箱，全部集成在本体上。为了布局美观，走线简洁，在机壳两侧分别布置温度检测和振动位移检测2个接线箱，在三维模型中建立空间点连接引线，使引线紧贴机壳布置。仪表箱通过定制的支架安装在机壳两侧。顶升油系统是MAC180空压机的标准配置，主要由过滤器、超高压油泵、电机、自立式调节阀、压力表、安全阀以及管路等部件组成，为了实现本体的高度集成化，将顶升油及附属件全部安装在机壳下定子底板上，提高了外观质量和操作便利性。导叶调节机构及液压执行器均安装在整体机壳内，液压油系统通过机壳上的管路接头与伺服油站连接。

2.4 轴流段静叶调节机构设计

空压机的轴流段为全静叶可调结构，静叶可调机构设置在整体机壳与内机壳之间，包括与内机壳外筒成一体结构的猫爪，与整体机壳成一体结构的猫爪支架，猫爪压板，石墨垫板，气动执行器，可调静叶及静叶驱动柄，猫爪设置于猫爪支架上并通过猫爪压板固定，猫爪压板固定连接在猫爪支架上，石墨垫板设置于猫爪和猫爪支架之间，起润滑作用，气动执行器固定于猫爪支架上，气动执行器通过传动杆与中央机壳外筒固定连接，可调静叶上端穿过中央机壳上开的圆孔连接在中央机壳上，可套圆孔中心线旋转，可调静叶顶端通过静叶驱动柄与中央机壳外筒连接。该项目的内置静叶可调机构，设置于轴流式压缩机的整体机壳中，不易受到损坏，在机壳两侧安装执行器的位置开方孔，一是便于执行器的安装调试与检修，二是有助于轴流段机壳外部的通风冷却。相对于国外机组的部分静叶可调，该项目采用了全部静叶可调，即8级轴流静叶均可调节角度，大大提高了压缩机组的工作范围，调节经济性等。

2.5 轴承区设计

新一代MAC空压机采用轴向进气形式，压缩机包括进气机壳、离心段整体机壳、轴流中央机壳、推力侧轴承区、隔板、叶轮、主轴、支撑侧轴承区，进气机壳与离心段整体机壳轴向可拆卸连接，轴流中央机壳设置于离心段整体机壳内部，推力侧轴承区设置于进气机壳内部，推力侧轴承区的内轴承箱设置在进气机壳内部并与进气机壳固定连接，内轴承箱外部设置轴承箱外壳组，轴承箱外壳组前后端分别与前导流罩和后导流罩止口连接，前导流罩和后导流罩固定连接在进气机壳内部，如图6所示。

图4 整体焊接机壳（上）

图5 整体焊接机壳（下）

图6 新一代MAC180轴承区结构

3 转子部件的结构设计

新一代MAC180转子在主轴结构及装配、离心段的密封部位、新模型级的叶轮结构等方面进行了改进设计。主轴设计采用3段把合形式，中间段（轴流段）为空心轴结构，左右两段局部也设计为空心结构以减小重量。针对主轴的3段轴的把合螺栓，研制了全新的超级螺栓结构和液压拉伸器工装，该技术多年来一直被德国公司垄断，如图7所示。该项目的超级螺栓技术成果，具有全部的自主知识产权。这种预紧式螺栓连接组件及装配方法实现了衬套的侧面与主轴连接孔之间的零间隙配合，进而消除了超大型压缩机主轴的静挠度[1]，从而提高了超大型压缩机连续运转的可靠性。离心段的2个叶轮采用了新开发的混流式[2]高效率模型级NAC50100、NAC50070。2个叶轮均采用铣制+焊接形式，叶轮与主轴采用过盈配合。为了方便动平衡，在轮盘背部设置可调整位置的平衡块。离心段2个叶轮材料为高强度合金钢，材料屈服极限为612 MPa。对MAC180的离心段2个叶轮进行叶轮强度分析，并对带入口导叶的第1级叶轮进行频率干涉分析，满足长期运转的可靠性。第1级叶轮在跳闸转速下最大等效应力值为594 MPa，小于材料屈服极限，满足设计要求。闸转速下，第1级叶轮轴孔最大径向变形量为1.498 mm，设计半径最小过盈量 1.550 mm，满足 40%接触要求。在第1级叶轮进气前设置了进口导叶，出口扩压器为无叶形式。针对第2级叶轮，在跳闸转速下，第2级叶轮的最大等效应力值为566 MPa，小于材料屈服极限，满足相关设计要求。在跳闸转速下，第2级叶轮轴孔最大径向变形量为1.496 mm，设计半径最小过盈量为1.550 mm，接触面积满足设计要求。

图7 国外超级螺母结构图

4 结语

该项目的完成，不仅提高了大型空分压缩机的各项指标，同时也确定了沈鼓在十万等级空分压缩机的主导地位，随着份额的不断扩大，使得进口机组价格不断下降的同时份额不断降低，为民族工业的发展做出了巨大贡献。