专利名称：用于罗茨型增压器的具有最优化螺旋角的转子的制作方法
技术领域：
本发明涉及罗茨型鼓风机，尤其涉及其中叶片不是直的(即平行于转轴的轴线)，而是被“扭转”以形成螺旋角的鼓风机。
背景技术：
通常在例如汽车发动机的升压或增压的应用中，罗茨型鼓风机用来输送大量的空气。本领域技术人员公知，罗茨型鼓风机增压器的目的是将比发动机的排量大的大量空气送入发动机的燃烧室中，从而提高(“升压”)燃烧室内的空气压力，以取得较大的发动机输出马力。尽管本发明并不仅限于用于发动机增压的罗茨型鼓风机，但是本发明在该应用中特别有利，因此将结合该应用对本发明进行描述。
在罗茨型鼓风机的早期制造和使用中，通常提供两个转子，每个转子有两个直叶片。然而，随着这类鼓风机进一步发展，以及对这类鼓风机的应用的更高要求，已开始提供具有三个叶片并且叶片被扭转的转子。本领域技术人员公知，罗茨型鼓风机的一个区别特征在于它使用两个相同的转子，该两转子这样排列，即，从一个轴端来看，一个转子的叶片顺时针扭转，而啮合转子的叶片逆时针扭转。而现在为本领域技术人员所公知的还有，本发明所涉及的这类鼓风机的转子上的这些扭转叶片的使用使得鼓风机具有更好的空气调节特性，并且空气的脉动和紊流减小了很多。
美国专利No.2,654,530中示出了罗茨型鼓风机的一个示例，该专利转让给本发明的受让人，并引用在此作为参考。许多现在用作汽车发动机增压器的罗茨型鼓风机为“后进口”类型，即，增压器由朝向发动机舱的前端部设置的带轮机械地驱动，而鼓风机的进气口设置在相反的端部，即朝向发动机舱的后端部。在大多数的罗茨型鼓风机中，出气口形成在壳体壁上，使得当气流流过出口时，气流方向相对于转子轴线为径向。因此这类鼓风机被称为“轴向进口，径向出口”的类型。应该了解，本发明并不绝对局限于使用“轴向进口，径向出口”的类型，但这显然是本发明的优选实施例，因此，下面结合此实施例对本发明进行描述。
美国专利No.5,078,583示出罗茨型鼓风机的一个更新的示例，该专利也转让给本发明的受让人，并引用在此作为参考。在“扭转叶片”类型的罗茨型鼓风机中，一个普遍的特征是出口通常为三角形，该三角形的顶点设置在包含由交叠的转子腔室限定的出口尖端(cusp)的平面内。通常，三角形出口的倾斜边所限定的角基本等于转子的螺旋角(即叶片外径处的螺旋角)，因此每个叶片在其转动中以“线到线”的方式经过出口的倾斜边。根据上面引用的美国专利No.5,078,583的教导，有必要在出口孔的任一边设置回流槽，以为回流提供出气口，从而在(叶片)横过出口孔的倾斜边之前将由转子相邻未啮合叶片捕获的空气以控制的量转移。尽管本发明并不仅限于使用具有三角形出口孔的鼓风机壳体，其中由倾斜边限定的角对应于转子的螺旋角，但是这样的设置是有利的，因此下面将结合该设置对本发明进行描述。
如现在为本领域技术人员所公知的，并且如后面的附图将会图示说明的，罗茨型鼓风机具有交叠的转子腔室，交叠部分的位置限定通常所指的一对“尖端”，在下文中，术语“进口尖端”是指邻近进口孔的尖端，而术语“出口尖端”是指被出口孔中断的尖端。此外，通过定义，应该理解，下文中所引用的转子叶片的“螺旋角”的意思是指叶片节圆处的螺旋角。
本发明的重要方面之一涉及到被称为“密封时间”的罗茨型鼓风机参数，其中，这里的“时间”并非该词原本的含义，因为该术语实际上指的是角度的大小(即，以旋转角度来表示)。因此，“密封时间”指的是转子叶片(或控制容积)在经过特定运转“阶段”的运动中移动的角度大小，下文中将描述各个阶段。在讨论“密封时间”时，认识到限定为相邻叶片之间夹角大小并被称为“叶片间隔”的量很重要。因此，在一般具有三个叶片的现有技术罗茨型鼓风机中，“叶片间隔”(L.S.)用如下等式来表示L.S.＝360/N，当N＝3时，叶片间隔L.S.等于120度。罗茨型鼓风机有四个运转阶段，对每个阶段存在如下的相关的密封时间(1)“进口密封时间”指的是在控制容积暴露到进口孔期间的旋转角度的大小；(2)“输送密封时间”指的是在传送容积与进口“事件”和回流“事件”隔绝期间旋转角度的大小；(3)“回流密封时间”指的是在传送容积排放到出口孔之前与“回流”口(将在后文中定义这个术语)相通期间的旋转角度的大小；(4)“出口密封时间”指的是在传送容积暴露到出口孔期间的旋转角度的大小。
罗茨型鼓风机中的另一个重要参数是每个叶片的“扭转角”，即在从转子后端部到转子前端部的“移动”过程中发生的以度数表示的角位移。在罗茨型鼓风机技术中，选择特定的扭转角以及甚至在设计和研发后续的鼓风机原型中利用该角度是普遍的做法。仅作为例子，本发明的受让人多年来一直在其鼓风机转子的叶片上使用60度的扭转角。选择此特定的扭转角主要是因为在当时60度的扭转角是当时所用的叶片滚刀能够提供的最大扭转角。因此，在扭转角预先确定的情况下，通过应用已知的几何关系确定叶片的螺旋角，随后将对其进行更详细的描述。在罗茨型鼓风机技术中，还已知，提供更大的扭转角(例如差不多120度)，其结果是得到更大的螺旋角和改善的性能，具体为更高的热力压缩机效率和更低的输入功率。
罗茨型鼓风机气流特性和鼓风机转子可以转动的速度随包括叶片螺旋角的叶片几何参数而变化，这也为本领域技术人员所公知，并将在随后较详细说明。理想的是，叶片啮合的线速度(即啮合的转子叶片中的一点脱离啮合的线速度)接近空气通过进口孔进入转子腔室的线速度。如果叶片啮合的线速度(下文以“V3”表示)远大于进入空气的线速度(下文以“V1”表示)，其结果是叶片的运转实际上会在进口边造成至少局部的真空。V1和V3的这种不匹配会造成脉冲、紊流和噪音，(而且产生这些现象需要“做功”)，所有这些都严重不利于转速为差不多15000rpm到约18000rpm的发动机增压器。
罗茨型鼓风机增压器的领域内的技术人员早已经认识到，需要提高鼓风机的“压力比”，即出口压力(绝对值)与进口压力(绝对值)的比。对于联结有鼓风机的发动机而言，较高的压力比会使马力得到较大提升。本发明的受让人把使罗茨型鼓风机的压力比不超过会使出口空气温度超过150摄氏度的压力比作为设计标准。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种罗茨型鼓风机，其中设计转子和叶片以提高鼓风机的总工作效率，并且特别是提高热效率和减少输入功率。
本发明的一个相关目的是提供一种用于罗茨型鼓风机转子的改进的设计方法，该方法能实现上述目的同时允许转子以更高速度旋转，从而改善叶片的啮合线速度与进入空气的线速度之间的“匹配”。
本发明的另一个目的是提供这样一种用于罗茨型鼓风机转子的改进的设计方法，使得鼓风机可以以比常规的现有技术的鼓风机略大的压力比运转。
本发明的再一目的是提供这样一种用于罗茨型鼓风机转子的改进的设计方法，其中可以改变回流密封时间的大小，从而在鼓风机内有效地产生动态的内部压缩；并且可以确定转子的扭转角，该扭转角能为给定设计提供最大且理想的螺旋角，而不会产生会显著降低鼓风机低速性能的内部泄漏。
通过提供一种用于罗茨型鼓风机转子的改进的设计方法来实现本发明的以上和其它目的，所述鼓风机包括限定第一和第二横向交叠的柱状腔室的壳体，该壳体包括第一端壁和第二端壁，该第一端壁限定一进口孔。该壳体限定一形成于第一和第二腔室的交界处并与第二端壁相邻的观察口。所述鼓风机包括分别设置在第一和第二腔室中的第一和第二啮合并带叶片的转子。每个转子包括N多个叶片，每个叶片具有分别与第一和第二端壁密封配合的第一和第二轴向朝向的端面以及一与柱状腔室密封配合的顶部密封面。每个叶片的第一和第二轴向朝向的端面限定一扭转角，并且每个叶片限定一螺旋角。
改进的设计转子的方法包括以下步骤根据每个转子上叶片的个数N确定每个叶片的最大理想扭转角；根据该扭转角和叶片的第一与第二轴向朝向的端面之间的轴向长度确定每个叶片的螺旋角。
根据本发明的一个更特别的方面，用于罗茨型鼓风机转子的改进的设计方法的特征在于，确定最大理想扭转角的步骤还包括根据第一和第二转子限定的中心到中心的距离并根据由叶片顶部密封面限定的外径来确定最大理想扭转角。
图1是可利用本发明的类型的罗茨型鼓风机的透视图，图中示出进口孔和出口孔；图2是图1中以透视方式示出的鼓风机的壳体的轴向剖视图，但是为了便于说明移去转子；图3是对应于通过鼓风机横向截面的稍微概略的视图，示出交叠的转子腔室和转子叶片；图4是图3中概略性示出的转子组的顶部主要部分的俯视图，示出叶片的螺旋角；图5是表示转子腔室的几何视图，该图用于确定包括本发明一个重要方面的最大理想扭转角；图6是以米/秒为单位的线速度的图表，示出随鼓风机转子旋转速度(以RPM为单位)变化的叶片啮合速度和进口空气速度，并且比较了本发明与
具体实施例方式
下面参照不用于限制本发明的附图，图1是总体标识为11的罗茨型鼓风机的外部透视图，该鼓风机包括鼓风机壳体13。如本公开背景技术部分所述，鼓风机11优选为后部进口、径向出口类型，因此通过朝发动机舱前端部设置的带轮15来实现用于驱动鼓风机转子的机械输入。鼓风机壳体13朝图1中视图的“下”端限定一总体标识为17的进口孔。
从图1中可以最清楚地看到，鼓风机壳体13也限定一总体标识为19的出口孔，该出口孔总体呈三角形，该三角形包括基本与鼓风机11的轴线A(参见图2)垂直的端面21和一对侧面23和25，该两侧面在下文中将进一步说明。在这种鼓风机中要求构造进口孔，使得进口密封时间至少等于转子叶片扭转角的大小。因此，当进口孔的外侧由转子腔的外径“限制”时，扭转角越大，进口孔的“范围”(以旋转角度表示)越大。进口密封时间必须至少等于扭转角，以确保传送容积在与进口孔的连通隔断之前能够完全的脱离啮合。
下面主要参照图2，并也结合图3，鼓风机壳体13限定一对横向交叠的柱状腔室27和29，图2是从腔室27看向腔室29的视图。在图3中，腔室29是右手边的腔室，图3是从转子腔室的后端部(图2的右端)-即在发动机舱内往前看-得到的视图。鼓风机腔室27和29在进口尖端30a(该进口尖端与进口孔17成一直线)处交叠，并且在出口尖端30b(该出口尖端与出口孔19成一直线，并实际上被出口孔19截断)处交叠。
下面主要参照图2，鼓风机壳体13限定第一端壁31，进口孔17穿过该端壁31，因此为了下文说明书和所附权利要求书的需要，第一端壁31描述为“限定”进口孔17。在腔室27和29的前端，鼓风机壳体13限定一将柱状转子腔室27和29与齿轮腔室35分隔开的第二端壁33，如本领域内技术人员公知的，在该齿轮腔室内包括正时齿轮，正时齿轮中的一个显示为局部剖开并标识为TG。正时齿轮的结构和功能不构成本发明的一方面，且为本领域技术人员所公知，因此在这里不再进一步说明。
下面主要参照图3，也参照图4，可以看到总体标识为37的转子设置在转子腔室27中，总体标识为39的转子设置在转子腔室29中。转子37相对于转子轴41固定，转子39相对于转子轴43固定。罗茨型鼓风机转子的总体结构及其安装在转轴上的方式通常为本领域技术人员所公知，并与本发明不是特别相关，因此在这里不再进一步说明。本领域人员可以认识到，存在许多不同的已知并且可用于形成鼓风机转子、随后将这样的转子固定地安装在它们的转子轴上的方法。例如，已知的有制造转子坯体、用滚刀滚出叶片，通常也已知的是挤压空心转子但其端部封闭或密封。除非在权利要求中另外具体说明，否则，本发明可以使用任何类型的叶片，不管它们是如何形成的，并且本发明可以使用任何将转子安装在转子轴上的方式。
在本实施例中，仅作为例子，每个转子37和39有N多个叶片，转子37的叶片总体标识为47，转子39的叶片总体标识为49。在本实施例中，仅作为例子，个数N在图示中等于4，这样转子37包括叶片47a、47b、47c和47d。同样，转子39包括叶片49a、49b、49c和49d。叶片47具有轴向朝向的端面47s1和47s2，叶片49具有轴向朝向的端面49s1和49s2。应该注意，在图4中端面47s1和49s1是实际可见的，然而对于端面47s2和49s2，因为其在图4中是看不到的，所以引出线仅“引向”叶片的端部。端面47s1和49s1与第一端壁31密封地配合，而端面47s2和49s2与第二端壁33密封地配合，密封方式为本领域人员所公知，并且与本发明不直接相关。
如罗茨型鼓风机领域内的技术人员公知，当如图3所示从进口端观看转子时，左手侧转子37顺时针转动，右手侧转子39逆时针转动。因此，通过进口17流入转子腔室27和29的空气将流入例如在叶片47a和47b之间或在叶片49a和49b之间限定的控制容积，这些控制容积内包含的空气将分别沿它们各自的方向围绕腔室27和29由它们各自的叶片运送，直到这些特定的控制容积与出口孔19相连通。每个叶片47包括顶部密封面47t，每个叶片49包括顶部密封面49t，顶部密封面47t和49t分别与柱状腔室27和29密封地配合，这些为本领域技术人员所公知，因此在这里不再进一步说明。
在这里使用的术语“控制容积”可以理解成主要指在跟随叶片经过进口尖端之后且在导引叶片经过出口尖端之前，两个相邻的未啮合叶片之间形成的区域或者容积。然而，本领域技术人员也可以理解两个相邻叶片(例如，叶片47d和47a)之间的区域也经过转子啮合，如在图3中处于叶片47d和47a之间的叶片49d显示为处于啮合状态。每个区域或控制容积要经过在本公开的背景技术中所说明的四个运转阶段，即进口阶段、传送阶段、回流阶段和出口阶段。因此，观看图3，在叶片47a和47b之间(以及叶片49a和49b之间)的控制容积包括进口阶段，叶片47b和47c之间的控制容积也包括进口阶段。叶片47c和47d之间的控制容积刚好处于回流阶段之前的传送阶段。一旦图3中的叶片47d通过出口尖端30b，则叶片47d与叶片47c之间的控制容积就会处于回流阶段。当叶片47d在进口孔平面(图3)处通过出口尖端30b时，控制容积通过“喷口”暴露于出口压力，这将在下文中说明。为了确保没有泄漏回流到进口孔17，叶片47c和47d之间的控制容积必须完全与进口孔不连通，即必须不处于进口阶段。在叶片47d是控制容积的“导引”叶片，而叶片47c是控制容积的“跟随”叶片的情况下，如图3所示，当导引叶片47d相对于出口尖端30b仍然密封时，跟随叶片47c必须在进口尖端30a的顶点处仍然相对于腔室27密封。上面的要求表明，用于进口密封时间和传送密封时间的总密封时间的最大量对随后确定最大理想扭转角具有重要意义。
按照本发明的一个重要方面，已认识到，通过显著增加转子叶片的扭转角可以显著地提高罗茨型鼓风机的性能，虽然扭转角本身并不直接提高鼓风机的性能。然而，增加转子叶片的扭转角允许显著增加每个转子叶片的螺旋角。更具体地，作为本发明一个方面，已认识到对于每个鼓风机的构造，可以确定最大理想扭转角，然后可用该最大理想扭转角来确定“最优”螺旋角。“最大理想扭转角”意思是在不打开从出口孔19通过叶片啮合回到进口孔17的泄漏路径的情况下，每个转子叶片的最大可能扭转角，术语“泄漏路径”将在下文说明。
下面主要参照图5，本发明的一个重要方面是认识到存在着一个“理想的”最大扭转角，一旦计算出该理想的最大扭转角，则其能够用来为叶片47和49确定最大(最优)螺旋角。图5示出转子腔室(交叠的柱状腔室)27和29的几何视图，转子腔室27和29分别限定腔室轴线27A和29A。通过比较图5与图3可以最清楚地看到，腔室轴线27A是转子轴41的旋转轴线，腔室轴线29A是转子轴43的旋转轴线。因此，图5带有标识“CD/2”，该标识表示的是腔室轴线27A和29A之间的中心-中心间距的一半的直线。
如上所述，柱状腔室27和29沿直线交叠，然后这些直线成为进口尖端30a和出口尖端30b。图5带有标识“OD/2”，“OD/2”基本等于由转子叶片47或49限定的外径的一半。作为本发明的一个重要方面，在确定理想最大扭转角时发现，有必要确定进口尖端30a和出口尖端30b之间的旋转角。因此，在图5的几何图中，标出了角“X”，从图5中可以看出，角“X”表示进口尖端30a和出口尖端30b之间的旋转角的一半。夹角X可以由下面的等式来确定Cosine X＝CD/OD；或者也可以表示为X＝Arc cos CD/OD。
从上面可以看出，最大理想扭转角(TAM)可以如下确定TAM＝360-(2×X)-(360/N)；其中2×X＝尖端-尖端的间隔N＝每个转子的叶片个数360/N＝叶片-叶片的间隔。
对于本发明的本实施例，最大理想扭转角(TAM)已确定为大约170度。应当理解，运用上述关系所计算出的是叶片47和49的扭转角，因此导出进口密封时间和传送密封时间一起的总的最大密封时间，但是其中传送密封时间等于0。密封时间在进口和传送(其中传送密封时间＝0)之间的这种分配产生用于较高速度性能的“理想的”最大扭转角。通过对本说明书的阅读和理解，本领域技术人员可以认识到，如果目的是在相对较低速度下实现最优性能，则要减少进口密封时间而相应提高传送密封时间，但进口时间和传送时间之和保持恒定。换句话说，可以“调整”鼓风机的孔口布置以用于特定车辆应用。在对用于罗茨型鼓风机的转子的设计方法进行改进的过程中，出发点是确定在“传送”密封时间为0时的“最优”螺旋角。如果对于特殊的应用要求提高低速时的效率，则如上所述，应该增加传送密封时间，因此进口密封时间减少，并且最大理想扭转角(TAM)也因此减少。
本发明设计方法的下一步是利用最大理想扭转角TAM和叶片长度来计算每个叶片47或49的螺旋角(HA)。通过调整叶片长度可以获得最优螺旋角。如上所述，可以理解，典型地在转子37和39的节圆(或节圆直径)处计算螺旋角HA，这些术语为齿轮和转子领域的技术人员所熟知。在本实施例中并仅作为例子的是，最大理想扭转角TAM计算成约170°，螺旋角HA可以由下式计算出螺旋角(HA)＝(180/π*arctan(PD/导程))其中PD＝转子叶片的节圆直径；以及导程＝叶片完成360度扭转所需的叶片长度，导程随扭转角(TAM)和叶片长度而变化。
对本实施例，螺旋角HA计算出来大约是29度。
根据本发明，已确定改进的转子设计方法的一个重要好处在于，由此可以增加进口孔17的尺寸和流动面积。观察图1并结合图3可以看出，进口17在进口尖端30a的每侧具有较大的拱形或旋转范围(比典型的现有技术中的拱形或旋转范围大)，因此增加了进入的空气通过进口孔流入相邻叶片间的控制容积的时段。例如，对于如用于增压器的大多数罗茨型鼓风机中所使用的常规的现有技术的进口孔，该进口孔允许空气流入叶片47a和47b之间的控制容积中，并且至少部分地填充叶片49a和49b之间的控制容积。但是，常规的现有技术中的进口孔一般不与叶片47b和47c间的控制容积相连通并且不允许空气流入其中，而通过比较图1和图3可以看到，图1中所示进口孔17几乎与叶片47b和47c之间的整个控制容积交叠。同时，在图1右边，进口孔17仍然与叶片49b和49c之间的控制容积部分连通。
现在主要参照图4，其中示出与大大地提高叶片47和49的螺旋角(HA)有关的本发明的另一个重要方面。如本公开的背景技术部分所提到的，现有技术中罗茨型鼓风机增压器的缺点之一是在通过进口孔进入转子腔室的空气的线速度和叶片啮合的线速度之间通常存在“不匹配”。在图4中，标出的箭头用来表示与本发明克服现有技术中的“不匹配”的方式的论述相关的不同量值V1＝流过进口孔17的进口空气的线速度；V2＝转子叶片沿径向方向的线速度；以及V3＝叶片啮合线速度。
仍然参照图4，但下面结合图6的图表，可以看到在已知的具有小得多的现有技术螺旋角的“现有技术”罗茨型鼓风机中，V1和V3间存在很大的不匹配，使得在“现有技术”的装置中，叶片啮合线速度V3比进口空气的流动V1快几倍，因此，如本公开背景技术所述，将会有大量不希望的紊流并会产生真空。此外，在现有技术的装置中，已经发现，在转速大约为8500rpm时，“产生的噪声”将超过100db。通过与本发明的对比，从图6可以看到，V1和V3之间的间隙要小得多，这可以推断出会造成小得多的紊流并且形成真空的可能性小得多。通过对此推断的证实，在对依照本发明制成的鼓风机的测试中发现，即使当鼓风机的速度增加到超过16000rpm时，本发明产生的噪声也未超过100db。从图6的图表中可以发现，对于任何给定的转子叶片的构型(即螺旋角)，V1将“滞后于”V3，但是可以发现并确定，作为本发明的一个重要方面，当螺旋角HA增加时，叶片啮合的线速度V3减小，V3和V1之间的间隙减小，从而获得如下优点形成更少空气紊流(脉动)，形成更少的真空和产生更小的噪声。
现在主要参照图7，将会说明显著增加的螺旋角HA的另一优点。当转子37和39旋转时，叶片47和49(即47a等，49a等)进入啮合和脱离啮合，并且瞬时地沿出口尖端30b与转子腔室27和29的相邻表面配合以限定总体标识为51的“喷口”，该喷口也可以称为回流口。由于每个喷口51由叶片的啮合“产生”，所以在前的控制容积可以与相邻的控制容积相连通。这就是前面所提到的回流阶段或回流“事件”，而且这种回流事件用于允许相邻的控制容积在与出口连通前平衡压力。
本领域技术人员可以理解喷口51的形成以周期方式发生，即一个喷口51由两个相邻的、啮合的叶片47和49形成，当叶片啮合线性移动时喷口沿朝向出口孔19的方向也线性移动。喷口51一直存在直到它线性地移到出口孔19。根据回流密封时间的范围，在任一时间可能产生并存在数个喷口51。包括多个喷口51的“回流”事件的优点在于，存在一分布在多个控制容积上的连续事件，该连续事件具有使在一个较长的时间间隔内到出口事件或出口阶段的过渡变得平坦的可能，从而提高回流事件的效率。
已发现，由作为本发明一方面的更大的螺旋角HA带来的与喷口51的固有形式有关的优点之一是不需要在出口孔19的任一边(即，通常，与侧面23或25平行的一边)上形成回流槽。因此，从图1中可以最清楚地看出，在鼓风机壳体13中与出口19相邻处没有设置这样的回流槽。
可以确定根据本发明的更大的螺旋角的另一优点是鼓风机13能够在更高的“压力比”下运行，压力比即出口压力(绝对压力)与进口压力(绝对压力)的比值。作为比较，由本方面的受让人生产和销售的现有技术的罗茨型鼓风压缩机，在压缩比大约为2.0时鼓风机的运转温度达到150摄氏度(出口孔19的空气温度)。已发现，一台除了是根据本发明制造外与现有技术罗茨型鼓风压缩机基本相同的鼓风机能够在达到已确定的“极限”出口空气温度150摄氏度前，在大约为2.4的压力比下运转。更大的压力比表示具有更大的提高发动机输出功率的可能，其中的原因为内燃机领域的技术人员所公知。
如增压器领域技术人员所公知的，螺旋压缩机式增压器与罗茨型鼓风机增压器的主要性能区别在于，具有常规的较小螺旋角的常规的现有技术罗茨型鼓风机不产生任何“内部压缩”(即实际上不在鼓风机内压缩空气，而是仅仅传送空气)，而典型的螺旋压缩机式增压器则在内部压缩空气。然而，通过对本发明商业实施例的设计、发展、和测试已发现，根据本发明制造的罗茨型鼓风机11会产生一定量的内部压缩。在通常需要较少增压时的相对低速下，喷口51(或者更准确地讲是一连串的喷口51)充当“泄漏路径”，使得不存在内部压缩。随着鼓风机速度的增大(例如，随着鼓风机转子以10000rpm的速度旋转，然后以12000rpm的速度旋转等等)以及相应更多的空气被传送，喷口51仍然可以减小部分所建立的压力，但是随着速度的增大，喷口51并不能减小足够的气压来防止出现内部压缩，从而在某特定输入速度(鼓风机速度)以上，也就是需要对发动机提供更多的增压时，内部压缩逐渐增加。本领域的技术人员可以知道，在利用本发明的转子设计方法中，熟练的设计师可以改变某些参数以有效地“设计”内部压缩与鼓风机速度的关系，以适应特定的车辆发动机的应用。
现在主要参照图8，提供有一随以RPM为单位的鼓风机速度而变化的热效率曲线图。从图8中可以看出，有三条表示现有技术装置的曲线，其中两条曲线表示由本发明的受让人销售的现有技术罗茨型鼓风机，这两台鼓风机由在14000rpm处终结的曲线表示。第三个现有技术装置是螺旋型压缩机，在图8中表示该装置的曲线在10000rpm处终结，已知螺旋型压缩机可以在更高的速度下运转，但这个测试就到这里停止。文中在提及图8中现有技术曲线图时所使用的术语“终结”可以理解成是指单元已达到在上面已经讨论过的确定的出口空气“极限”温度150摄氏度。一旦达到该空气温度，就不再进一步提高鼓风机速度，并且停止测试。
通过比较，从图8中可以看出，根据本发明(“发明”)制造的罗茨型鼓风机在大约4500rmp时能比任何一个现有技术装置取得更高的热效率，并且在所有更高的鼓风机速度下，本发明的热效率保持显著地高于现有技术装置。特别重要的是，本发明的鼓风机可以继续提高鼓风机的速度，并且直到鼓风机达到18000rmp，也还没有达到出口空气的“极限”温度150摄氏度。
尽管本发明结合这样一种罗茨型鼓风机进行图示和描述，即其每个转子37和39设计有渐开线轮廓以及四个叶片(N＝4)，但是可以理解本发明并不仅限于此。渐开线转子轮廓作为示例用于说明本发明，并且本发明的优点并不仅限于任何特定的转子轮廓。然而，对于大多数罗茨型鼓风机的设计，期望每个转子的叶片数为3、4或5，特别当鼓风机用作汽车发动机增压器时。
但是在发明的范围内，每个转子的叶片个数(N)可以设为少于3个或者多于5个，下面给出一简要解释，说明最大理想扭转角(TAM)如何根据每个转子的叶片的不同个数(N)而变化。回到这个等式TAM＝360-(2×X)-(360/N)并且假设在叶片个数N变化时CD和OD保持为常数，可以从等式看出，等式的第一部分(360)和第二部分(2×X)不受叶片个数变化的影响，而只有第三部分(360/N)随叶片个数变化而变化。
因此，随着叶片个数N从3到4到5变化，最大理想扭转角TAM的变化(并且假设与先前使用的一样的CD和OD)如下所示当N＝3时，TAM＝360-(2×50)-(360/3)＝140°；当N＝4时，TAM＝360-(2×50)-(360/4)＝170°；和当N＝5时，TAM＝360-(2×50)-(360/5)＝188°；如上述所解释的，一旦确定和计算出最大理想扭转角TAM，则在已知长度的情况下，可以基于节圆处的直径(PD)和导程计算出螺旋角HA。
在上述说明书中非常详细的描述了本发明，并且相信本领域技术人员通过对说明书的阅读和理解可以清楚看出本发明的不同变型和修改。只要这些变型和修改落入所附权利要求中，则这些变型和修改都包括在本发明中。
权利要求
1.一种用于罗茨型鼓风机(11)的转子的设计方法，该罗茨型鼓风机(11)包括限定横向交叠的第一柱状腔室(27)和第二柱状腔室(29)的壳体(13)，所述壳体包括限定进口孔(17)的第一端壁(31)以及第二端壁(33)，所述壳体限定在所述第一腔室(27)和第二腔室(29)的交界处形成并与所述第二端壁(33)相邻的出口(19)；所述鼓风机(11)包括分别设置在所述第一腔室(27)和第二腔室(29)内的啮合并带叶片的第一转子(37)和第二转子(39)；每个转子包括N多个叶片(47，49)，每个叶片具有分别与所述第一端壁(31)和第二端壁(33)密封配合的第一轴向朝向端面(47s1，49s1)和第二轴向朝向端面(47s2，49s2)以及与所述柱状腔室(27，29)密封配合的顶部密封面(47t，49t)，每个叶片(47，49)的第一轴向朝向端面(47s1，49s1)和第二轴向朝向端面(47s2，49s2)限定扭转角(TA)，并且每个叶片限定螺旋角(HA)；所述设计转子的方法包括以下步骤(a)部分地根据所述转子上叶片(47，49)的个数N来确定所述叶片的最大理想扭转角(TAM)；(b)根据所述扭转角(TA)与所述叶片(47，49)的第一轴向朝向端面(47s1，49s1)和第二轴向朝向端面(47s2，49s2)之间的轴向长度(L)来确定每个叶片的螺旋角(HA)。
2.如权利要求1所述的转子的设计方法，其特征在于，所述叶片的N多个包括至少3个，但不超过5个。
3.如权利要求1所述的转子的设计方法，其特征在于，所述出口孔(19)限定端面(21)和第一侧面(23)及第二侧面(25)，该端面设置成相邻于且基本上平行于所述第二端壁(33)，所述第一侧面(23)及第二侧面(25)设置成分别由所述第一转子(37)和第二转子(39)的各个叶片(47，49)的所述顶部密封面(47t，49t)横过，所述第一侧面(23)和第二侧面(25)中的每一个与所述端面(21)配合以限定基本等于所述螺旋角(HA)的角度。
4.如权利要求1所述的转子的设计方法，其特征在于，所述步骤(a)包括根据由所述第一转子(37)和第二转子(39)限定的中心-中心距离(CD)，并根据由所述叶片的所述顶部密封面(47t，49t)限定的外部直径(OD)，来确定所述最大理想扭转角(TA)。
5.如权利要求1所述的转子的设计方法，其特征在于，所述步骤(b)包括确定导程，其中所述导程随所述最大理想扭转角(TAM)和所述轴向长度(L)而变化，然后根据下列等式来确定所述螺旋角(HA)螺旋角(HA)＝(180/π*arctan(PD/导程))，其中PD为叶片节圆直径。
全文摘要
本发明涉及用于罗茨型增压器的具有最优化螺旋角的转子。一种用于罗茨型鼓风机的转子的设计方法，该鼓风机包括具有圆柱腔室的壳体，该壳体限定出口孔(19)。鼓风机包括设置在腔室内的啮合并带有叶片的转子(37，39)，每个转子包括N多个叶片(47，49)，每个叶片具有第一(47s1，49s1)和第二(47s2，49s2)轴向朝向端面。每个叶片的轴向朝向端面限定扭转角(TA)，并且每个叶片限定螺旋角(HA)。转子的设计方法包括根据转子上叶片的个数N确定最大理想扭转角(TA
文档编号F04C18/18GK1880766SQ20061010553
公开日2006年12月20日 申请日期2006年5月22日 优先权日2005年5月23日
发明者M·G·斯瓦茨兰德尔 申请人:伊顿公司