爪式轉子的葉片設計方法

2023-05-21 14:10:36 1

專利名稱：爪式轉子的葉片設計方法
技術領域：
本發明涉及一種爪式轉子的葉片設計方法，其是中國臺灣發明專利申請案第94124780號(美國發明專利申請第11/214,876號)的追加專利申請，該方法能以參數化取得三葉片或三葉片以上相互共軛嚙合的定義轉子與共軛轉子，並評估求出最佳共軛嚙合的轉子性能，以提供具有較高壓縮比與輸送容積，不會產生噪音及震動，且具更佳吻合的嚙合效果以降低洩漏發生。
背景技術：
已知爪式轉子的構造型式可分為單葉片、雙葉片及三葉片等，由同一型式葉片相互嚙合的定義轉子(a defined rotor)與共軛轉子(a conjugaterotor)，進行葉片相互嚙合旋轉以提供需進行膨脹、壓縮周期性循環運動的機械上，已知相關爪式轉子的構造可參考美國專利案第1,426,820、4,138,848、4,224,016、4,324,538、4,406,601、4,430,050以及5,149,256號等。該等已知爪式轉子的構造普遍是採用兩葉片的嚙合型態，並且，其共同的缺點在於兩葉片的曲線在尖部形成不連續，因而，當運用於須進行膨脹、壓縮周期性循環運動的機械上，該定義轉子、共軛轉子及腔壁間的工作腔室，由兩轉子嚙合轉動產生的膨脹壓縮過程，當運用於須進行進、排氣周期性循環壓縮運動的機械上，該定義轉子與共軛轉子及腔壁間的工作腔室從無效壓縮至開始膨脹進氣的過程，兩爪會在該尖部運轉不順暢，而會有噪音與震動現象產生。簡言之，爪式轉子的葉片在尖部的曲線不順暢，將造成兩葉片相互嚙合不佳，而在膨脹壓縮過程產生噪音與震動，或造成因不當的嚙合所產生的摩耗，而降低使用壽命。
有鑑於此，前中國臺灣發明專利申請案第94124780號(美國發明專利申請第11/214,876號)已揭露一種能夠由不同參數定義取得相互嚙合的定義轉子與共軛轉子，當運用於須進行進、排氣周期性循環壓縮運動的機械上，於膨脹壓縮過程由不同線形作平滑連接，以解決在運轉的過程會有噪音與震動的現象。

發明內容
本發明的目的，在於提供一種爪式轉子的葉片設計方法，該方法能以參數化取得三葉片或三葉片以上相互共軛嚙合的定義轉子(a defined rotor)與共軛轉子(a conjugate rotor)，且依該方法設計出的定義轉子與共軛轉子具更佳吻合的嚙合效果，能增加工作腔室與轉子間的防洩漏功能，因而，不僅能提高壓縮比與輸送容積，且當運用於須進行膨脹、壓縮周期性循環壓縮運動的機械上，工作腔室於運轉過程中能有效降低洩漏發生。
本發明的目的是這樣實現的，一種爪式轉子的葉片設計方法，該方法以參數化設計出三葉片或三葉片以上相互嚙合的定義轉子與共軛轉子，包含由曲線(E)、第一圓弧(A)、第二圓弧(B)、第三圓弧(F)以及直線(Y)組成的定義轉子的單一葉片外形曲線，再經由該外形曲線旋轉複製N-1份，N為葉片數，N大於或等於3，並依序分別旋轉360/N度至(N-1)360/N度，取得三葉片或三葉片以上的定義轉子，由已取得的定義轉子葉片外形曲線的各定義曲線的共軛曲線組成共軛轉子，其中取得該定義轉子的單一葉片外形曲線的方法包括指定定義轉子最大半徑R、定義轉子的寬度D、定義轉子與共軛轉子的節圓半徑Rp及此二節圓的圓心(t1)、(t3)，此二節圓中心距為2Rp，Rp小於R，且R與Rp二者有一適當比例；取一節圓的圓心(t1)作為定義轉子的圓心，通過另一節圓的圓心(t3)作水平線(h1)，並在該水平線(h1)上取得一第一點(P0)，此第一點(P0)與所述節圓的圓心(t1)的水平距離為R，由第一點(P0)繞所述節圓圓心(t1)產生一共軛曲線(E』)，該共軛曲線(E』)相對於二節圓交點(P7)得一對稱曲線(E)，取此曲線(E)作為轉子的葉片一部份，該曲線(E)在水平線h1上得一交點(P5)；由該水平線(h1)以定義轉子圓心(t1)為圓心，半徑為R的圓心角α，決定定義轉子運動曲線的另一第二點(P1)，連接前述第一點(P0)與第二點(P1)可取得定義轉子的葉片外形曲線的第一圓弧(A)，且與曲線(E)平順連接；於該圓心角α的夾邊(h2)上取得第二圓心點(t2)，並經由如下公式求得第二圓心點(t2)的半徑rB，即rB+(R-rB)sin=D2]]>rB=D/2-Rsin1-sin]]>以第二圓心點(t2)為圓心，第二點(P1)作為第二圓弧(B)的一端點，依半徑rB取得一第二圓弧(B)為定義轉子的葉片外形曲線一部份；取第三圓弧(F)的圓心位置在所述節圓的圓心(t1)，其半徑rF＝2Rp-R，第三圓弧(F)的一端點(P4)在方向角度為Δθ的方向，Δθ為360度除以葉片數N的角度值；取第二圓弧(B)與第三圓弧(F)的外公切線上的兩點(P2)、(P3)，並連接為直線(Y)，上述第二圓弧(B) 與第三圓弧(F)的外公切線上的兩點(P2)、(P3)分別為第二圓弧(B)與第三圓弧(F)的端點；上述的曲線(E)、第一圓弧(A)、第二圓弧(B)、第三圓弧(F)、直線(Y)組成定義轉子的單一葉片外形曲線。
定義轉子最大半徑R與節圓半徑Rp的比例為R＝3Rp/2。


圖1為本發明爪式轉子設計方法形成端點共軛曲線的示意圖。
圖2為本發明爪式轉子設計方法形成定義轉子的三葉片外形的示意圖。
圖3為本發明爪式轉子設計方法形成共軛轉子的三葉片外形的示意圖。
圖4本發明爪式轉子的葉片設計方法中定義轉子的厚度D為45，50，55.....80mm；圓心角α為6度時，定義轉子與共軛轉子的三葉片外形變化的示意圖。
圖5至圖7為本發明四爪、五爪及十爪的定義轉子實施例。
附圖標號定義轉子1，1』 共軛轉子2，2』最大半徑R 定義轉子寬度D節圓半徑Rp 直線Y圓心t1，t2，t3 水平線h1，h2點P0，P1，P2，P3，P4，P7圓心角α 半徑rB，rF曲線E，E』 圓弧A，B，F定義轉子最小者S1』 共軛轉子最大者L1』具體實施方式
請參閱圖1至圖3，為本發明取得三葉片的定義轉子1與共軛轉子2的方法，如圖所示，該定義轉子1的三葉片外形取得包括如下步驟
1.指定定義轉子最大半徑R＝60mm、定義轉子寬度D＝65mm、定義轉子及共軛轉子的節圓半徑Rp＝40mm，此二節圓的圓心分別為t1及t3，Rp小於R，且定義轉子最大半徑R與節圓半徑Rp的比例為R＝3Rp/2。
2.請參閱圖1，取一節圓的圓心t1作為定義轉子的圓心，通過一水平線h1，並在該水平線h1上取得一第一點P0，此點P0與圓心t1的水平距離為R，由該點P0繞所述節圓圓心t1產生一共軛曲線E』，該曲線E』相對於二節圓交點P7得一對稱曲線E，取此對稱曲線E作為轉子的葉片一部份，請參閱圖2，該曲線E在水平線h1上得一交點P5。
3.定義轉子外形曲線的另一第二點P1，由定義轉子圓心t1以半徑R及所指定的圓心角α決定(α＝6)，連接第一點P0與第二P1可取得第一圓弧A。
4.取圓心角α的夾邊h2，且在該夾邊h2上取得一圓心點t2，半徑為rB。
5.該半徑rB由如下公式求得(其中R＝定義轉子的最大半徑；即圓心t1至第二點P1的長度)rB+(R-rB)sin=D2]]>rB=D/2-Rsin1-sin]]>6.以t2為圓心，第二點P1作為第二圓弧B的一端點，依所求得的半徑rB取得一第二圓弧B為定義轉子的葉片外形曲線一部份。
7.取第三圓弧F的圓心位置在所述節圓的圓心t1，其半徑rF＝2Rp-R，第三圓弧F的一端點P4在方向角度Δθ為120度的方向。
8.取第二圓弧B與第三圓弧F的外公切線上的兩點P2與P3，並連接為直線Y，P2，P3分別為第二圓弧B與第三圓弧F的端點。
取上述的曲線E、第一圓弧A、第二圓弧B、第三圓弧F、直線Y等分別旋轉120與240組成三葉片的定義轉子。
另，該形成共軛轉子步驟，利用上述步驟決定定義轉子的三葉片外形後，共軛轉子2的三葉片外形則由定義轉子各定義曲線的共軛曲線組成(如圖3)。另請參閱圖4，為本發明爪式轉子的三葉片其中定義轉子1』最大半徑R為60mm、節圓半徑Rp為45mm、定義轉子寬度D值分別為45，50，55，60....80mm、圓心角α為6度的三葉片的應用例，如圖所示，在如此條件下，定義轉子1』與共軛轉子2』的外形變化，依共軛嚙合的特性，該定義轉子1』的寬度D值最較小者S1』，所對應的共軛轉子2』的外形為最大者L1』，如此類推，實際應用上可以視需要作對應的調整。
續請參閱圖5至圖7，為本發明四葉片、五葉片及十葉片的定義轉子與共軛轉子實施例，其設計方法與前述三葉片的各步驟相同，惟，僅在第三圓弧F的一端點P4方向角度Δθ不同，該Δθ為360度除以N葉片的角度值，即在四葉片時為90度方向、五葉片時為72度方向、十葉片時為36度方向。
由本發明的方法所制出的三葉片或三葉片以上的定義轉子與共軛轉子，當運用於須進行膨脹、壓縮周期性循環運動的機械上，定義轉子與共軛轉子及腔壁間的工作腔室由轉子嚙合轉動的膨脹壓縮過程，以不同曲線平滑連接，故而，能夠使得兩轉子在運轉的過程不會有噪音與震動的現象產生，且共軛轉子外型曲線上相對於定義轉子第三圓弧F所產生的共軛曲線為一圓弧，於轉子運轉時可以有效增加工作腔室密封性，能夠在工作腔室膨脹壓縮過程中有效降低洩漏發生，而更可以提高壓縮比與輸送容積。
雖然本發明已以具體實施例揭示，但其並非用以限定本發明，任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的構思和範圍的前提下所作出的等同組件的置換，或依本發明專利保護範圍所作的等同變化與修飾，皆應仍屬本專利涵蓋之範疇。
權利要求
1.一種爪式轉子的葉片設計方法，該方法以參數化設計出三葉片或三葉片以上相互嚙合的定義轉子與共軛轉子，其特徵在於包含由曲線(E)、第一圓弧(A)、第二圓弧(B)、第三圓弧(F)以及直線(Y)組成的定義轉子的單一葉片外形曲線，再經由該外形曲線旋轉複製N-1份，N為葉片數，N大於或等於3，並依序分別旋轉360/N度至(N-1)360/N度，取得三葉片或三葉片以上的定義轉子，由已取得的定義轉子葉片外形曲線的各定義曲線的共軛曲線組成共軛轉子，其中取得該定義轉子的單一葉片外形曲線的方法包括指定定義轉子最大半徑R、定義轉子的寬度D、定義轉子與共軛轉子的節圓半徑Rp及此二節圓的圓心(t1)、(t3)，此二節圓中心距為2Rp，Rp小於R，且R與Rp二者有一適當比例；取一節圓的圓心(t1)作為定義轉子的圓心，通過另一節圓的圓心(t3)作水平線(h1)，並在該水平線(h1)上取得一第一點(P0)，此第一點(P0)與所述節圓的圓心(t1)的水平距離為R，由第一點(P0)繞所述節圓圓心(t1)產生一共軛曲線(E』)，該共軛曲線(E』)相對於二節圓交點(P7)得一對稱曲線(E)，取此曲線(E)作為轉子的葉片一部份，該曲線(E)在水平線h1上得一交點(P5)；由該水平線(h1)以定義轉子圓心(t1)為圓心，半徑為R的圓心角α，決定定義轉子運動曲線的另一第二點(P1)，連接前述第一點(P0)與第二點(P1)可取得定義轉子的葉片外形曲線的第一圓弧(A)，且與曲線(E)平順連接；於該圓心角α的夾邊(h2)上取得第二圓心點(t2)，並經由如下公式求得第二圓心點(t2)的半徑rB，即rB+(R-rB)sin=D2]]>rB=D/2-Rsin1-sin]]>以第二圓心點(t2)為圓心，第二點(P1)作為第二圓弧(B)的一端點，依半徑rB取得一第二圓弧(B)為定義轉子的葉片外形曲線一部份；取第三圓弧(F)的圓心位置在所述節圓的圓心(t1)，其半徑rF＝2Rp-R，第三圓弧(F)的一端點(P4)在方向角度為Δθ的方向，Δθ為360度除以葉片數N的角度值；取第二圓弧(B)與第三圓弧(F)的外公切線上的兩點(P2)、(P3)，並連接為直線(Y)，上述第二圓弧(B)與第三圓弧(F)的外公切線上的兩點(P2)、(P3)分別為第二圓弧(B)與第三圓弧(F)的端點；上述的曲線(E)、第一圓弧(A)、第二圓弧(B)、第三圓弧(F)、直線(Y)組成定義轉子的單一葉片外形曲線。
2.如權利要求1所述的爪式轉子的葉片設計方法，其特徵在於定義轉子最大半徑R與節圓半徑Rp的比例為R＝3Rp/2。
全文摘要
本發明提供一種爪式轉子的葉片設計方法，該方法以參數化設計出三葉片或三葉片以上相互嚙合的定義轉子與共軛轉子，其包含由曲線(E)、第一圓弧(A)、第二圓弧(B)、第三圓弧(F)以及直線(Y)等組成定義轉子的單一葉片的外形曲線，再由該單一外形曲線旋轉複製N－1份，N大於或等於3，並依序分別旋轉360/N度至(N－1)360/N度，取得三葉片或三葉片以上的定義轉子，該第二圓弧(B)的半徑r
文檔編號F04C18/14GK1987051SQ20051013506
公開日2007年6月27日 申請日期2005年12月23日 優先權日2005年12月23日
發明者鍾添東, 林恆毅 申請人:良峰塑膠機械股份有限公司