《振動噪音產學技術聯盟》轉動機械_轉子系統的「頻率」有哪些?(6) 雙螺桿壓縮機有甚麼特徵頻率?

 

 這個單元要來探討的主題是:「轉動機械(rotary machinery) /轉子系統(rotor system)的「頻率(frequency)有哪些?(6)雙螺桿壓縮機(Twin Screw Compressor)有甚麼「特徵頻率(characteristic frequency)

 

這是這個系列的6,著重在介紹「雙螺桿壓縮機」以及其所特有的「特徵頻率」。

 

參閱圖片右上方的圖示,是一個典型的「雙螺桿壓縮機」實體架構,就是有兩個「轉子(rotor),主要應用在大型空調系統的冷媒壓縮機,參閱「雙螺桿壓縮機」的示意圖,要探討其「特徵頻率」,需瞭解其主要的組成:

 

1.      公螺桿轉子(Male Screw Rotor):一般是由馬達(motor)所驅動。

2.      母螺桿轉子(Female Screw Rotor):就被驅動的轉子,就是一部壓縮機(compressor)

 

在推算「雙螺桿壓縮機」的「特徵頻率」,需要的主要參數,參閱「雙螺桿壓縮機」的示意圖,包括:

 

1.      公螺桿轉子𝑺𝟏= 輸入軸轉速,可以表示為每分鐘迴轉數:RPM (revolution per minute)CPM (cycle per minute);也可以表示為「轉速頻率(rotating frequency),單位:Hz𝑻𝟏 = 公螺桿轉子之輸入螺旋齒輪的齒數。

2.      母螺桿轉子𝑺𝟐= 輸出軸轉速,以及𝑻𝟐= 母螺桿轉子之輸出螺旋齒輪的齒數。。

 

雙螺桿壓縮機(Twin Screw Compressor)的「特徵頻率(characteristic frequency),綜合下來可得到以下三個「特徵頻率」:

 

1.      𝑺𝟏=𝟏𝑿:輸入軸的「轉速頻率(rotating frequency)𝟏𝑿:代表的是馬達轉速的一個「階次(order),也就是馬達轉速的一倍頻率。

2.      𝑺𝟐=(𝑻𝟏/𝑻𝟐)𝑿:輸出軸的「轉速頻率(rotating frequency),會是輸入與輸出螺旋齒輪的齒數比值(𝑻𝟏/𝑻𝟐),乘以𝑺𝟏=𝟏𝑿。因為,「雙螺桿壓縮機」的傳動比關係: 𝑺𝟏 𝑻𝟏=𝑺𝟐 𝑻𝟐。所以,可以推算:𝑺𝟐 = (𝑻𝟏/𝑻𝟐) 𝑺𝟏 = (𝑻𝟏/𝑻𝟐) 𝑿。因此,輸出軸的轉速「階次(order),就是𝑺𝟐=( 𝑻𝟏/𝑻𝟐)𝑿。由此可知,如果𝑻𝟏 < 𝑻𝟐,輸出軸轉速,就是減速。反之,𝑻𝟏 > 𝑻𝟐,輸出軸轉速,就是增速。

3.      𝑮𝑴𝑭= 𝑺𝟏 𝑻𝟏= 𝑺𝟐 𝑻𝟐:「齒輪嚙合頻率(Gear Mesh Frequency, GMF),會是螺旋齒輪軸的轉速,乘以該螺旋齒輪的齒數。可以由驅動輸入軸、或是被動輸出軸,計算取得:𝑮𝑴𝑭= 𝑺𝟏 𝑻𝟏= 𝑺𝟐 𝑻𝟐。由於,常採用𝑿階次(order)表示,因此,𝑮𝑴𝑭就是驅動輸入螺旋齒輪數的𝑿階次」,也就是𝑮𝑴𝑭= 𝑻𝟏 𝑿。為什麼需要知道𝑮𝑴𝑭?因為「雙螺桿壓縮機」的振動與噪音會有𝑮𝑴𝑭的頻率特徵,後續會介紹其噪音頻譜(noise spectrum)會觀察到𝑮𝑴𝑭 的特徵頻率。

 

接著,就取一個數值案例,來說明。假設已知:𝑺𝟏 = 3000 RPM𝑻𝟏 = 5 (tooth)𝑻𝟐 = 6 (tooth)。推算求得「雙螺桿壓縮機(Twin Screw Compressor)的「特徵頻率(characteristic frequency),如下:

 

1.      𝑺𝟏 = 3000 RPM = 5𝟎 𝐇𝐳 = 𝟏𝑿。輸入軸的轉速,可以表示為:RPMHz轉速頻率」、𝑿階次」。

2.      𝑺𝟐=( 𝑻𝟏/𝑻𝟐) 𝑺𝟏 = (5 / 6) 𝑺𝟏 = 𝟎.833𝑿。所以,𝑺𝟐 = 𝟎.833𝑿 = 41.66 𝐇𝐳 = 2500 RPM。同樣,可以表示為:RPMHz轉速頻率」、𝑿階次」。

3.      𝑮𝑴𝑭= 𝑺𝟏 𝑻𝟏= 5 𝑿。所以,𝑮𝑴𝑭 = 5𝑿 = 250 𝐇𝐳 = 15,000 RPM。同樣,可以表示為:RPMHz轉速頻率」、𝑿階次」。

 

參閱圖片中間圖示,為典型的「雙螺桿壓縮機」之噪音頻譜(noise spectrum),現象的觀察與討論如下:

 

1.      1𝑿以及5 𝑿的「諧頻(harmonics):可以觀察到,有1𝑿= 50 𝐇𝐳以及5 𝑿= 250 𝐇𝐳的「諧頻(harmonics),也可稱「簡諧倍頻」,也就是會有整數倍的頻譜特徵。

2.      齒輪嚙合頻率= 𝑮𝑴𝑭= 𝑺𝟏 𝑻𝟏= 𝑺𝟐 𝑻𝟐:本案例,因為,公螺桿轉子之輸入螺旋齒輪的齒數= 𝑻𝟏 = 5 (tooth),所以,𝑮𝑴𝑭= 𝑺𝟏 𝑻𝟏= 5 𝑿。而,5𝑿 = 250 𝐇𝐳,因此,在250 𝐇𝐳的倍數,都可以觀察到峰值(peak)

3.      又此5𝑿 = 250 𝐇𝐳= 𝑺𝟏 𝑻𝟏,也可以由𝑺𝟐 𝑻𝟐 得之,也就是6 𝑺𝟐,因為,𝑺𝟐 = 𝟎.833𝑿,所以,𝑺𝟐 𝑻𝟐 也會是5 𝑿,如圖示有公轉子和母轉子的轉速倍頻數量,其中公轉子的倍頻樹為綠色,51015等標註紅色,就是𝑮𝑴𝑭= 5 𝑿。而,藍色只顯示6,代表的是母轉子的轉速倍頻數量,實際上和𝑮𝑴𝑭= 5 𝑿,是重合的,也就是相同的轉速,因為,𝑮𝑴𝑭= 𝑺𝟏 𝑻𝟏= 𝑺𝟐 𝑻𝟐

 

綜合一下這個單元的討論,有關「雙螺桿壓縮機(Twin Screw Compressor)的「特徵頻率(characteristic frequency),總結如下:

 

1.      雙螺桿壓縮機」的主要組成:(1) 驅動的公螺桿轉子(Male Screw Rotor)(2) 被動的母螺桿轉子(Female Screw Rotor)

2.      雙螺桿壓縮機」的主要參數:(1) 驅動Input公螺桿轉子𝑺𝟏= 輸入軸轉速,𝑻𝟏 = 輸入螺旋齒輪的齒數。(2) 被動Output母螺桿轉子𝑺𝟐= 輸出軸轉速,𝑻𝟐= 輸出螺旋齒輪的齒數。

3.      雙螺桿壓縮機(Twin Screw Compressor)的「特徵頻率(characteristic frequency),有3個,其關係如下:(1) 𝑺𝟏=𝟏𝑿(2) 𝑺𝟐=(𝑻𝟏/𝑻𝟐)𝑿(3) 𝑮𝑴𝑭= 𝑺𝟏 𝑻𝟏= 𝑺𝟐 𝑻𝟐

4.      典型的「雙螺桿壓縮機」之噪音頻譜(noise spectrum):可以觀察到有「齒輪嚙合頻率= 𝑮𝑴𝑭= 𝑺𝟏 𝑻𝟏= 𝑺𝟐 𝑻𝟐,會出現其「簡諧倍頻」、或簡稱「諧頻(harmonics)

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2025.10.13

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