0 引言

　　日本三井造船株式会社是世界上先进的民用轴流压缩机制造商之一，其轴流压缩机广泛应用于高炉鼓风、催化裂化和风洞试验中。特别是伴随着日本冶金工业的发展，其轴流压缩机在大中型高炉的市场应用中始终以其先进的工艺匹配设计、优良的气动性能和运行的高可靠性著称，特别是在 4000m³ 以上大型高炉中，世界上已投产的高炉鼓风机半数以上采用日本三井产品。

　　由于产品成本的限制，三井轴流压缩机在中国的市场份额一直不大。沈阳鼓风机集团有限公司于 2004 年底引进了三井轴流压缩机设计制造及检测技术。 2007 年，山东富伦钢铁有限公司新建 1650m³ 高炉，需要配套使用轴流压缩机，沈鼓集团为其提供了引进技术后的首套高炉鼓风用轴流压缩机。

1 技术方案及其特点

1.1 　主要技术指标

　　该高炉鼓风机用轴流压缩机的配置是一台轴流压缩机对应一套高炉，压缩机气量要满足夏季最大 3900Nm³/min ，冬季最小 2800Nm³/min 的工艺要求，年平均压缩机多变效率不低于 90% 。鉴于如此大的工况范围要求，技术人员利用轴流压缩机集成优化设计程序 IMES 进行了详细核算，通过对用户当地冬季、夏季、年平均大气条件的综合考虑，确定技术方案采用 MA120 机型， 11 级。在考虑大气湿度变化的前提下，合理计算压缩机不同进气量情况下的进出口管路及附属设备的压力损失，给出了 3 种不同大气条件下的性能曲线。确保了在工艺要求范围内，机组无放风长期稳定高效运行。

1.2 技术方案特点

　　该机组设计制造参照日本三井的轴流压缩机技术进行，与欧系轴流压缩机相比，有着明显的技术特色。

　　（ 1 ）　整机效率优化设计

　　该轴流压缩机全部采用了更高设计效率的 50% 反动度叶栅，摒弃了 80%~100% 反动度的叶栅，使叶栅的气动设计效率有所提高。在叶片加工上，进一步提高动静叶片的表面光洁度要求，使叶片表面达到镜面要求，减少了气流在叶栅流动过程中的摩擦损失。针对轴流叶栅前的进口机壳收敛加速通道与轴流叶栅后的出口机壳扩压通道，进行了当量锥管锥度的详细核算与优化，使其在满足合理结构设计条件下气流的流动损失降低到合理的数值。根据现场实际运行比较，该机组运行效率略高于采用欧系轴流压缩机技术的轴流压缩机。

　　（ 2 ）　整机安全性优化设计

　　该轴流压缩机采用全部静叶可调以保证性能调节范围，在设计叶片安装角的基础上，前置静叶在± 28 °范围内进行正负预旋调节，其他各级静叶在± 20 °范围内进行正负预旋调节。由于机组启动升速过程中，机内气流不稳定，极易对动静叶片产生气流脉动激励。该轴流压缩机将启动静叶角度定为正预旋 15 °，尽管增加了启动时的升速阻力矩，但更好地保护了轴流压缩机最核心零部件——动静叶片。这与欧系轴流压缩机将启动时静叶开度设为正常调节时的最小角度，甚至更小的做法不同，该压缩机尽管牺牲了部分启动阻力矩特性，却可获得更加可靠的长期运转的安全性。

　　在动叶设计寿命上，该压缩机通过对各级较高的平均圆周速度的设计，使其速度环量较大。从而使微小尘埃颗粒对动叶片根部的磨损远小于上部，减小了进口气体过滤后的残余（固体颗粒）对叶片强度的破坏，有效提高了动叶片的长期使用寿命。同时通过对动叶片进行弯曲、扭转和弯扭耦合 3 种模态， 1~6 阶固有频率的计算校核，通过优化翼厚比，使其避开转速激励及喷嘴激励的频率。尽管这使得动叶的设计与分析计算非常繁琐，但这与仅仅校核振动能量大的低阶固有频率的做法相比，更能保证长周期运行条件下的轴流压缩机动叶片的安全性。

　　（ 3 ）　整机结构优化设计（见图 1 ）

　　该轴流压缩机采用等外径 + 等内径通流流道。在等外径区域，随着级数的增加，各级的平均周速增大，单级对气体的压缩能力也相应得到提高。而其后采用等内径通道，使得最末几级叶栅展弦比不至于太小，从而有效保证其气动效率不会得到降低。这样在相同压比情况下，较少的压缩级数即可满足要求，与欧系轴流压缩机相比，比单纯的等内径通流流道形式级数可减少 2~4 级。

　　由于该压缩机级数少，轴承跨距小，同时主轴部分直径较大，保证了转子较好的刚性，令其稳定性得到有效提高。这样在异常条件下，转子不易被激发大幅振动，有效提高了机组运行的稳定性。

　　由于全部采用 50% 反动度的叶栅，每级的动静叶片进出口差压均比较小，使得在保证合理的叶顶泄漏情况下，各级均能够采用较大的叶顶间隙，减小了动静叶片叶顶碰磨的危险，从而也有效保证了机组的运行安全。

　　（ 4 ）　整机控制系统

　　该轴流压缩机组采用了综合控制系统 TRIDENT 实现机组的控制与安全保护，根据高炉鼓风的工艺特点，设置了定风压调节、定风量调节、电子调速、防喘振保护、紧急放风保护、防逆流保护、机械振动报警联锁、轴承温度报警联锁、润滑油系统控制与安全保护以及控制油系统安全与保护等功能。

2 　现场运行

　　2009 年 7 月， MA120 轴流压缩机组在山东富伦钢铁有限公司现场试运转，见图2 。现场进行了仪器仪表调试、低负荷机械运转试验、性能试验、防喘振线实测试验及并网运行等步骤。经过严格的现场考核，机组正常的可操作调节范围满足机组技术协议和用户的工艺使用要求，气动效率达到设计值。特别是机组的机械振动指标，从机组实际运行情况看（见图3 ），机组的 4 个测点振动全幅值均低于 8 μm，远远低于 API617-2002 版提出的 25.4 μm的要求。

3 　结论

　　根据 MA120 样机的设计制造与用户运行情况来看，日系轴流压缩机气动性能稳定，与设计参数吻合度高，机组机械运行平稳，振动指标明显优于欧系轴流压缩机组。

　　但由于进出口机壳等气体通流流道均针对用户参数进行特殊设计，设计制造周期较长；转子直径较大，在刚性好的前提下，增大了转子的转动惯量；同时启动静叶调节角度偏大，提高安全性的前提下，增大了机组启动阶段的负载；对于电动机启动，则需要采用其它手段来解决启动问题。

　　因此，综合来看，日系轴流压缩机适用于对安全性和机组运行效率有更高要求的大中型高炉鼓风工艺流程，特别是多台套轴流压缩机共同组建的复杂供风管网的工艺场合。