CN100526607C - 爪式转子的叶片设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种爪式转子的叶片设计方法，该方法以参数化设计出三叶片或三叶片以上相互啮合的定义转子与共轭转子，其包含：由曲线(E)、第一圆弧(A)、第二圆弧(B)、第三圆弧(F)以及直线(Y)等组成定义转子的单一叶片的外形曲线，再由该单一外形曲线旋转复制N-1份，N大于或等于3，并依序分别旋转360/N度至(N-1)360/N度，取得三叶片或三叶片以上的定义转子，该第二圆弧(B)的半径r_B，是由如下公式取得：r_B+(R-r_B)sinα＝D/2，r_B＝(D/2-Rsinα)/(1-sinα)，直线(Y)为第二圆弧(B)和第三圆弧(F)的外公切线，由此方法设计出的爪式转子，运用于须进行周期性循环膨胀、压缩运动的机械上，能够在工作腔室膨胀压缩过程中降低泄漏发生，更可提高压缩比与输送容积。

Description

爪式转子的叶片设计方法

技术领域

本发明涉及一种爪式转子的叶片设计方法，其是中国台湾发明专利申请案第94124780号(美国发明专利申请第11/214,876号)的追加专利申请，该方法能以参数化取得三叶片或三叶片以上相互共轭啮合的定义转子与共轭转子，并评估求出最佳共轭啮合的转子性能，以提供具有较高压缩比与输送容积，不会产生噪音及震动，且具更佳吻合的啮合效果以降低泄漏发生。

背景技术

已知爪式转子的构造型式可分为单叶片、双叶片及三叶片等，由同一型式叶片相互啮合的定义转子(a defined rotor)与共轭转子(a conjugaterotor)，进行叶片相互啮合旋转以提供需进行膨胀、压缩周期性循环运动的机械上，已知相关爪式转子的构造可参考美国专利案第1,426,820、4,138,848、4,224,016、4,324,538、4,406,601、4,430,050以及5,149,256号等。该等已知爪式转子的构造普遍是采用两叶片的啮合型态，并且，其共同的缺点在于两叶片的曲线在尖部形成不连续，因而，当运用于须进行膨胀、压缩周期性循环运动的机械上，该定义转子、共轭转子及腔壁间的工作腔室，由两转子啮合转动产生的膨胀压缩过程，当运用于须进行进、排气周期性循环压缩运动的机械上，该定义转子与共轭转子及腔壁间的工作腔室从无效压缩至开始膨胀进气的过程，两爪会在该尖部运转不顺畅，而会有噪音与震动现象产生。简言之，爪式转子的叶片在尖部的曲线不顺畅，将造成两叶片相互啮合不佳，而在膨胀压缩过程产生噪音与震动，或造成因不当的啮合所产生的摩耗，而降低使用寿命。

有鉴于此，前中国台湾发明专利申请案第94124780号(美国发明专利申请第11/214,876号)已揭露一种能够由不同参数定义取得相互啮合的定义转子与共轭转子，当运用于须进行进、排气周期性循环压缩运动的机械上，于膨胀压缩过程由不同线形作平滑连接，以解决在运转的过程会有噪音与震动的现象。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种爪式转子的叶片设计方法，该方法能以参数化取得三叶片或三叶片以上相互共轭啮合的定义转子(a defined rotor)与共轭转子(a conjugate rotor)，且依该方法设计出的定义转子与共轭转子具更佳吻合的啮合效果，能增加工作腔室与转子间的防泄漏功能，因而，不仅能提高压缩比与输送容积，且当运用于须进行膨胀、压缩周期性循环压缩运动的机械上，工作腔室于运转过程中能有效降低泄漏发生。

本发明的目的是这样实现的，一种爪式转子的叶片设计方法，该方法以参数化设计出三叶片或三叶片以上相互啮合的定义转子与共轭转子，包含：由曲线(E)、第一圆弧(A)、第二圆弧(B)、第三圆弧(F)以及直线(Y)组成的定义转子的单一叶片外形曲线，再经由该外形曲线旋转复制N-1份，N为叶片数，N大于或等于3，并依序分别旋转360/N度至(N-1)360/N度，取得三叶片或三叶片以上的定义转子，由已取得的定义转子叶片外形曲线的各定义曲线的共轭曲线组成共轭转子，其中取得该定义转子的单一叶片外形曲线的方法包括：

指定定义转子最大半径R、定义转子的宽度D、定义转子与共轭转子的节圆半径Rp及此二节圆的圆心(t1)、(t3)，此二节圆中心距为2Rp，Rp小于R，且R与Rp二者有一适当比例；

取一节圆的圆心(t1)作为定义转子的圆心，通过另一节圆的圆心(t3)作水平线(h1)，并在该水平线(h1)上取得一第一点(P₀)，此第一点(P₀)与所述节圆的圆心(t1)的水平距离为R，由第一点(P₀)绕所述节圆圆心(t1)产生一共轭曲线(E’)，该共轭曲线(E’)相对于二节圆交点(P₇)得一对称曲线(E)，取此曲线(E)作为转子的叶片一部份，该曲线(E)在水平线h1上得一交点(P₅)；

由该水平线(h1)以定义转子圆心(t1)为圆心，半径为R的圆心角α，决定定义转子运动曲线的另一第二点(P₁)，连接前述第一点(P₀)与第二点(P₁)可取得定义转子的叶片外形曲线的第一圆弧(A)，且与曲线(E)平顺连接；

于该圆心角α的夹边(h2)上取得第二圆心点(t2)，并经由如下公式求得第二圆心点(t2)的半径r_B，即：

$r_B+(R-r_B)\sin \mathrm{\α}=\frac{D}{2}$

$r_B=\frac{D/2-R\sin \mathrm{\α}}{1-\sin \mathrm{\α}}$

以第二圆心点(t2)为圆心，第二点(P₁)作为第二圆弧(B)的一端点，依半径r_B取得一第二圆弧(B)为定义转子的叶片外形曲线一部份；

取第三圆弧(F)的圆心位置在所述节圆的圆心(t1)，其半径r_F＝2Rp-R，第三圆弧(F)的一端点(P₄)在方向角度为Δθ的方向，Δθ为360度除以叶片数N的角度值；

取第二圆弧(B)与第三圆弧(F)的外公切线上的两点(P₂)、(P₃)，并连接为直线(Y)，上述第二圆弧(B)与第三圆弧(F)的外公切线上的两点(P₂)、(P₃)分别为第二圆弧(B)与第三圆弧(F)的端点；

上述的曲线(E)、第一圆弧(A)、第二圆弧(B)、第三圆弧(F)、直线(Y)组成定义转子的单一叶片外形曲线。

定义转子最大半径R与节圆半径Rp的比例为R＝3Rp/2。

附图说明

图1：为本发明爪式转子设计方法形成端点共轭曲线的示意图。

图2：为本发明爪式转子设计方法形成定义转子的三叶片外形的示意图。

图3：为本发明爪式转子设计方法形成共轭转子的三叶片外形的示意图。

图4：本发明爪式转子的叶片设计方法中定义转子的厚度D为45，50，55.....80mm；圆心角α为6度时，定义转子与共轭转子的三叶片外形变化的示意图。

图5至图7：为本发明四爪、五爪及十爪的定义转子实施例。

附图标号：

定义转子 1，1’                           共轭转子 2，2’

最大半径 R                                定义转子宽度 D

节圆半径 Rp                               直线 Y

圆心 t1，t2，t3                           水平线 h1，h2

点 P₀，P₁，P₂，P₃，P₄，P₇

圆心角 α                                  半径 r_B，r_F

曲线 E，E’                               圆弧 A，B，F

定义转子最小者 S1’                       共轭转子最大者 L1’

具体实施方式

请参阅图1至图3，为本发明取得三叶片的定义转子1与共轭转子2的方法，如图所示，该定义转子1的三叶片外形取得包括如下步骤：

1.指定定义转子最大半径R＝60mm、定义转子宽度D＝65mm、定义转子及共轭转子的节圆半径Rp＝40mm，此二节圆的圆心分别为t1及t3，Rp小于R，且定义转子最大半径R与节圆半径Rp的比例为R＝3Rp/2。

2.请参阅图1，取一节圆的圆心t1作为定义转子的圆心，通过一水平线h1，并在该水平线h1上取得一第一点P₀，此点P₀与圆心t1的水平距离为R，由该点P₀绕所述节圆圆心t1产生一共轭曲线E’，该曲线E’相对于二节圆交点P₇得一对称曲线E，取此对称曲线E作为转子的叶片一部份，请参阅图2，该曲线E在水平线h1上得一交点P₅。

3.定义转子外形曲线的另一第二点P₁，由定义转子圆心t1以半径R及所指定的圆心角α决定(α＝6°)，连接第一点P₀与第二P₁可取得第一圆弧A。

4.取圆心角α的夹边h2，且在该夹边h2上取得一圆心点t2，半径为r_B。

5.该半径r_B由如下公式求得：(其中R＝定义转子的最大半径；即圆心t1至第二点P₁的长度)

$r_B+(R-r_B)\sin \mathrm{\α}=\frac{D}{2}$

$r_B=\frac{D/2-R\sin \mathrm{\α}}{1-\sin \mathrm{\α}}$

6.以t2为圆心，第二点P₁作为第二圆弧B的一端点，依所求得的半径r_B取得一第二圆弧B为定义转子的叶片外形曲线一部份。

7.取第三圆弧F的圆心位置在所述节圆的圆心t1，其半径r_F＝2Rp-R，第三圆弧F的一端点P₄在方向角度Δθ为120度的方向。

8.取第二圆弧B与第三圆弧F的外公切线上的两点P₂与P₃，并连接为直线Y，P₂，P₃分别为第二圆弧B与第三圆弧F的端点。

取上述的曲线E、第一圆弧A、第二圆弧B、第三圆弧F、直线Y等分别旋转120°与240°组成三叶片的定义转子。

另，该形成共轭转子步骤，利用上述步骤决定定义转子的三叶片外形后，共轭转子2的三叶片外形则由定义转子各定义曲线的共轭曲线组成(如图3)。另请参阅图4，为本发明爪式转子的三叶片其中定义转子1’最大半径R为60mm、节圆半径Rp为45mm、定义转子宽度D值分别为45，50，55，60....80mm、圆心角α为6度的三叶片的应用例，如图所示，在如此条件下，定义转子1’与共轭转子2’的外形变化，依共轭啮合的特性，该定义转子1’的宽度D值最较小者S1’，所对应的共轭转子2’的外形为最大者L1’，如此类推，实际应用上可以视需要作对应的调整。

续请参阅图5至图7，为本发明四叶片、五叶片及十叶片的定义转子与共轭转子实施例，其设计方法与前述三叶片的各步骤相同，惟，仅在第三圆弧F的一端点P₄方向角度Δθ不同，该Δθ为360度除以N叶片的角度值，即在四叶片时为90度方向、五叶片时为72度方向、十叶片时为36度方向。

由本发明的方法所制出的三叶片或三叶片以上的定义转子与共轭转子，当运用于须进行膨胀、压缩周期性循环运动的机械上，定义转子与共轭转子及腔壁间的工作腔室由转子啮合转动的膨胀压缩过程，以不同曲线平滑连接，故而，能够使得两转子在运转的过程不会有噪音与震动的现象产生，且共轭转子外型曲线上相对于定义转子第三圆弧F所产生的共轭曲线为一圆弧，于转子运转时可以有效增加工作腔室密封性，能够在工作腔室膨胀压缩过程中有效降低泄漏发生，而更可以提高压缩比与输送容积。

虽然本发明已以具体实施例揭示，但其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围的前提下所作出的等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，皆应仍属本专利涵盖之范畴。

Claims (2)

1.一种爪式转子的叶片设计方法，该方法以参数化设计出三叶片或三叶片以上相互啮合的定义转子与共轭转子，其特征在于包含：由曲线(E)、第一圆弧(A)、第二圆弧(B)、第三圆弧(F)以及直线(Y)组成的定义转子的单一叶片外形曲线，再经由该外形曲线旋转复制N-1份，N为叶片数，N大于或等于3，并依序分别旋转360/N度至(N-1)360/N度，取得三叶片或三叶片以上的定义转子，由已取得的定义转子叶片外形曲线的各定义曲线的共轭曲线组成共轭转子，其中取得该定义转子的单一叶片外形曲线的方法包括：

指定定义转子最大半径R、定义转子的宽度D、定义转子与共轭转子的节圆半径Rp及此二节圆的圆心(t1)、(t3)，此二节圆中心距为2Rp，Rp小于R，且R与Rp二者有一适当比例；

取一节圆的圆心(t1)作为定义转子的圆心，通过另一节圆的圆心(t3)作水平线(h1)，并在该水平线(h1)上取得一第一点(P₀)，此第一点(P₀)与所述节圆的圆心(t1)的水平距离为R，由第一点(P₀)绕所述节圆圆心(t1)产生一共轭曲线(E’)，该共轭曲线(E’)相对于二节圆交点(P₇)得一对称曲线(E)，取此曲线(E)作为转子的叶片一部份，该曲线(E)在水平线h1上得一交点(P₅)；

由该水平线(h1)以定义转子圆心(t1)为圆心，半径为R的圆心角α，决定定义转子运动曲线的另一第二点(P₁)，连接前述第一点(P₀)与第二点(P₁)可取得定义转子的叶片外形曲线的第一圆弧(A)，且与曲线(E)平顺连接；

于该圆心角α的夹边(h2)上取得第二圆心点(t2)，并经由如下公式求得第二圆心点(t2)的半径r_B，即：

$r_B+(R-r_B)\sin \mathrm{\α}=\frac{D}{2}$

$r_B=\frac{D/2-R\sin \mathrm{\α}}{1-\sin \mathrm{\α}}$

以第二圆心点(t2)为圆心，第二点(P₁)作为第二圆弧(B)的一端点，依半径r_B取得一第二圆弧(B)为定义转子的叶片外形曲线一部份；

取第三圆弧(F)的圆心位置在所述节圆的圆心(t1)，其半径r_F＝2Rp-R，第三圆弧(F)的一端点(P₄)在方向角度为Δθ的方向，Δθ为360度除以叶片数N的角度值；

取第二圆弧(B)与第三圆弧(F)的外公切线上的两点(P₂)、(P₃)，并连接为直线(Y)，上述第二圆弧(B)与第三圆弧(F)的外公切线上的两点(P₂)、(P₃)分别为第二圆弧(B)与第三圆弧(F)的端点。

2.如权利要求1所述的爪式转子的叶片设计方法，其特征在于：当定义转子为三叶片时，定义转子最大半径R与节圆半径Rp的比例为R＝3Rp/2。

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