CN1062339C - 旋转叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固定于轴上随轴旋转的叶片。解决提高效率问题。其特征是，切入边缘的旋线以自然等角旋线的等角弧度为：旋线每向内旋转5度，便有23.5度的收缩率，旋线向外旋转5度，便有18.5度的扩张率而构成；撤离边缘的旋线以自然等角旋线的等角弧度为：旋线每向外旋线5度，便有18.5度的扩张率或者旋线向内旋转5度，便有23.5度的收缩率而构成。可广泛用于风扇、螺旋浆、涡轮机及切割刀等。

Description

旋转叶片

本发明涉及一种旋转叶片，更具体地说，涉及以自然等角弧度的旋线组合设计出来的旋转叶片，如风扇扇叶、螺旋桨桨叶以及切割刀片等。

现时工商业上的设备和用品，都有引用由各类曲线的弧度和线段制造出各种的机械、通讯设备、建筑构架和家庭用品等等，藉以达到更高和更精确的工作效率和品质，减低噪音和损耗等。例如：

1、亚基米德螺线——用于螺丝、精确的机械推进器和车床的同步卡盘等；

2、圆渐展螺线——用于等时钟摆、内燃机中的转子等；

3、抛物线、双曲线——用于飞机的头部、碟形天线、射电望远镜、聚光反光灯罩及激光设备等；

4、对数螺线——用于凸轮、速降雨线层檐等。

由上可见，不同曲线或旋线有不同的科学价值和工业实用性，基于各种不同的旋线去设计和制造出各种高效率构件，乃至整个机械或机器是人们利用自然现象，进而以创造性的劳动造福人类的成果。

与本发明最接近的背景技术资料，申请人仅能提供的是1991年9月影印于台湾谦谦出版社出版的《青少年百科丛书之奇妙的曲线》一书第18-73页。(详见附录)，申请人从该书得到启发，但现有技术中未见有“自然等角弧度旋线”的设计应用。

本发明的目的旨在提供一种以自然等角弧度的旋线组合设计出来的旋转叶片，例如，风扇扇叶、螺旋桨桨叶及切割刀片等，以便改进和提高现有产品的功能及效率，降低损耗和噪音。

本发明的目的是通过以下方式达到的：旋转叶片，其是一种以轴心，即旋转中心，简称旋心为中心的圆周，并按该圆周均等固设于旋转轴上的片状体，如风扇扇叶、螺旋桨桨叶、涡轮机叶片及旋转切割刀片，该片状体含有切外旋转5度，便会有18.5度扩张率，每向内旋转5度，会有23.5度收缩率的旋线。

由于以上这些度数是以黄金分割自然比率(GoLden Sectionψ=1.618；ψ=0.618)配合物理(简谐运动SimpLe Harmonic Motion)；原理计算出来的。很显然，利用这些角度和常数计算而制成“自然等角弧度旋线”应用到旋转构件，例如，风扇扇叶、螺旋浆浆叶及切割刀片等，可使其形成产品达到高效率、高精确度、低损耗、低噪音以及自然畅顺等良好的效果。

以下，将结合附图以及实施例对本发明作详细地叙述。

图1为本发明以自然比率开方及由电脑绘制的自然等角弧度旋线示意图；

图2为本发明自然等角弧度旋线扩张或收缩的轨迹示意图；

图3为本发明正五边五星几何制作***图；

图4为本发明内旋等角计算几何图；

图5为本发明外旋等角计算几何图；

图6为本发明实施例之一风扇扇叶主视示意图；

图7为图6中一块叶片的侧视示意图；

图8、9、10为本发明三种不同的叶片翘起弧度示意图；

图11、12为本发明自然等角弧度扇叶或浆叶组合设计理解图；

图13为本发明实施例之二涡轮机叶片示意图；

图14、15为本发明涡轮机叶片、组合设计理解图；

图16为本发明实施例之三切割刀片示意图；

图18、19为本发明切割刀片组合设计理解图。

图中标记：b叶片宽度，h固定环，O旋心，y轴。

参照图1，这是把自然比率开方并由电脑绘制而成的自然待角弧度旋线。它由1开始，旋转一周之后便是自然比率的五次方(11.089倍)所谓自然比率则为由自然级数求出的数值，如0，1，2，3，5，8，13……。由3开始，以下每一个数均为前面两个数的和，如8为3+5之和。设自然级数之中，上一个数为U，下一个数为L。则正比值ψ=L/U；反比值ψ^-1=U/L，如3/2为正比值；2/3为反比值。当取较大的自然级数时，其正比值ψ=1.61803398875……，反比值ψ^-1=0.61803398875……。由于与几何中得出的黄金分割数值同，故而又称之黄金分割自然比率。

另外，旋转运动以每360°为一周期。根据以上一周期五次的原理把圆周分成五等分(72°×5=360°)。参照图2，由圆心即旋心O向外等分给出五条直线，然后在各线段上截取各个相当于自然级数的长度如1，2，3，5，8。再把各点以曲线连接起来，便成为一条自然比率的旋线。很显然，它每旋转72°便有1.618倍的扩张或者0.618倍的收缩，如89至144；89至55。此外它每旋转360°便有1.618⁵=11倍的扩张或0.618⁵=1/11的收缩，如3与34，5与55，8与89……。

参照图3，以几何制作***为例，由圆周切线而设计出的正五边五星形，其中各条线段全部都是“费本纳期”自然级数的数值，如3，5，8，13，21……。图形的周期变化，各自含有自然率的五次方(ψ⁵)和自然级数的五个数，例如3，5，8，13，21或55，34，21，13，8是正边形于一周运动中(向上-向下-向上)的五个级数。又由3至5，8，13，21，34是正五星形一周运动中(向上-向下-向上)的五倍自然率(34∶3=ψ⁵=11.09)。由89至55，34，21，13，8是(8∶89=ψ^-5=1/11)反比率的五次方。

自然等角旋线一周360°含有ψ5倍(1.618⁵)的扩张率。而ψ-次方的度数应该是360°/5=72°。但这个度数和倍数较大，要量度或计算旋线的等角必须把它们微分。1为最小的整数，再以五次方为一周期的同一原理，故而5°便成为计算旋线等角的指标。

自然数字的最小整数为1，旋线1°的微分扩张率为1，6180339887的72次开方，(dψ=1.006705882)。同样，旋线1°的微分收缩率为0.61803398887的72次开方，(dψ^-1=0.993338787)。按照前述五次方为一周期的相同原理，微分率的五次方(把72°×5=360°化成5°×72=360°)便是计算自然等角旋线弧度的精确方法。参照图4，由以下算式可以得出内旋等角为23.5°。

参照图5，由以下算式可以得出外旋等角为18.5°

图6为本发明扇叶的主视图，图7为图6中一块叶片的侧视示意图，其中A、B、C为三种不同的叶片翘起弧度。这里再对其构成作补充；

A型翘起弧度：以扇叶直径的1.618倍距离为旋心O作旋线轨迹。在这旋线轨迹上截取相等于扇叶宽度b之弧线即为其翘起弧度；

B型和型翘起弧度：同上所述，差别在于B型是以扇叶直径1.0倍，C型是以扇叶直径0.618倍距离为旋心。

扇叶直径为其旋转时形成的旋转圆角之直径，即为图6所示虚线圆的直径。扇叶宽度b则为图10中FG的长度。刀片直径定义同扇叶叶片直径所述。

另外，图13为本发明涡轮机叶片主视图，图14、15表示图13中每叶片的构成示意图。图16为本发明切割刀片主视图，图17、18表示每刀片的构成示意图。为了在每幅图上比较清楚地表示“切入边缘”和“撤离边缘”、在图7、图11、图13、图14、图16以及图17上加以顺时针方向表示旋转方向的箭头。在图6、13、16中，切入边缘以“2”表示，撤离边缘以“3”表示。更具体地，可参见图11，其中EF为切入边缘，DG为撤离边缘。FG为圆周线，在图14中，EF为切入边缘，DG为撤离边缘，FG为圆周线；在图17中，EF为切入边缘，DF为撤离边缘。

关于“收缩率”和“扩张率”的含意，请参照图4和图5再作进一步说明。

首先，确定旋转方向，例如图4和图5，箭头表示旋转方向。在图4中当以O为施心，旋线向内旋转5°，便由A点转至C点。设OA=1，则OC=Δψ^-5=0.993338787⁵=0.967134706；∠PAC=23.5°。

参照图5，当以O为旋心，旋线向外旋转5°，便由A点转至B点。同样设OA=1，则OB=Δψ5=1.006705882⁵=1.033982124；∠XAB=18.5°。

所以，如果本发明旋转构件以自然等角弧度旋线的等角为：旋线每向外旋转5度，便会有18.5度的外摆角及1.033982124倍的扩张率。旋线每向内旋转5度；便会有23.5度的内摆角及0.967134706倍的收缩率。自然等角(5°)弧度旋线的轨迹请见图11中所示。

图1说明见上述；图2中旋心以“O”表示，五条直线从旋心“O”引出，相互之间夹角均为72°，自然等角弧度旋线从“O”开始之扩张或收缩的轨迹。与第一条直线之交点为“1”，第二条为“2”，第三条为“3”第四条为“5”，第五条为“8”，旋线旋转一周再与第一条线之交点为“13”……。

图3中，正五边形五星形中各条线段的长度就是前面自然级数的各个数值，例如3，5，8……图形越大，数值越精确。

图4、5、6、7上面已有说明，这里不再赘述。

图11在说明书中已有说明，图12是为帮助理解说明图11而作，H表示旋线的轨迹。在图11中，以“O”为旋心，则可得到ODG旋线轨迹，其相当于图12中之“H”。同样，以“P”为旋心，则可得到OEF旋线轨迹，其也相当于图12中之“H”。将DGFE连接并在G、F处修成圆角，则可成为图6中的一块扇叶，三块扇叶以120°排列并固定在以OA为半径的固定环h上，则构成旋转扇叶，它与转轴连接，即可被马达带动旋转。

图13为一涡轮，图14为图13涡轮叶片之构成，即首先在以“OB”为半径的圆周上作等分，如涡轮有30片，则在所说圆周上作30等分，如P、Q、R、S……，然后分别以P、Q、R、S……为旋心，作旋线轨迹，以P为旋心，分别相交于E、F以Q为旋心分别相交于D、G，设OB=1，OC=1.618；OA=0.618，图15作用与图11相同，以OA为半径之圆为涡轮机叶片固定环h，图16为切割刀片，图17为图16刀片的构成示意图，即作三个同心圆，使OB=1，OA=0.518，OC=1.618，以“O”为旋心，使∠FOD为144，由D作如图18所示轨迹，得到F点，然后使∠FOD为72°，以“P”为旋心，作轨迹，得到E、F，连接DEF则为一片刀片。以OA为半径之圆即为刀片固定环h。

自然等角旋线的内外摆角以5°为计算的指标是关键所在。因为所有5°，ψ⁵，Δψ⁵，五边形，五星形，五个“费本纳其级数”等，全部都证实与运动***的一个周期有关。所求出的等角，亦证实是地球上各种自然现象的象限。

先以黄金分割自然比率(ψ)与圆周率(π)的关系所定出之程式为例，可见π和ψ⁵都与运动 $\mathrm{\π}=\frac{2{\mathrm{\Ψ}}^5\mathrm{}}{7}=\frac{2\×{1.518}^5}{7}=\frac{2\×11}{7}=\frac{22}{7}$

***的一个周期有关。

再以几何制作***为例，由圆周切线而设计出的正五边五星形，其中各个线段全都都是“费本纳其”自然级数的数值，图3图形的周期变化，各自含有自然率的五次方(ψ⁵)和自然级数的五个数。例如：

3，5，8，13，21或55，34，21，13，8是正五边形于一周运动中(向上-向下-向上)五个级数。又由3至5，8，13，24是正五星形一周运动中(向上-向下-向上)的五倍自然率(34∶3=ψ⁵=11.03)。由89至55，34，21，13，8亦是(8∶89=ψ^-5=1/11)反比率的五次方。

自然等角旋线一周360°含有ψ5倍(1.618⁵)的扩张率。而ψ一次方的度数应该是360°/5=72°。但这个度数和倍数较大，要量度或计算旋线的等角必需把它们微分。1为最小的整数，再以五次方为一周期的同一原理，5°便成为计算旋线等角的指标。

微分-度=Δψ=1.6181/72；微分五度=Δψ⁵=1.6185、72。

对数螺线(A)的扩张率为每周2倍(n周的倍数为2n)。比较自然等角旋线(B)有以下的分别。

360°扩张率    72°扩张率    5°扩张率A     2.0          1.148698355   1.009673533B    11.089        1.618033989   1.033982124

如果用自然等角旋线图3、4的同样方法计算作比较，对数螺线的外摆等角的3°47’29”。而它的内摆等角为8°12’31”。那些度数与周期运动设有什么关系。与自然现象也没有什么吻合的地方。而自然等角旋线的内摆角23°26’32”。正是地球自转轴线的倾斜角度，为“南北回归限”(TRPICLIALIMILS)的度数。它外摆角的弧度18°26’32”又正是地球大气层对太阳光的折射率，为地平线下天文曙暮光)TMILIGHTLIMITS)的限度。地球上的循环生息交替活动，都是由这两个象限创造出来的。

5，°72，°360°，23.5°和18.5°等度数都是地球上各自然现象的度数。结合了这些度数和前面一周期五倍的原理设计出的旋线有：周期性“简谐运动”的完满性；有地球上生息能力的高效性；也有如自然现象的揉合性。把自然等角旋线应用到机械产品上，可使操作更畅顺及提高效率，可减低噪音和损耗。

实施例1

参照图6、7可见本发明的旋转构件为一种自然等角弧度扇叶或浆叶，它一般由三块扇叶或浆叶构成，每块扇叶或浆叶均包括切入边缘2和撤离边缘3，由本发明的扇叶或浆叶构成的旋转构件以现有的连接方式与转轴连接或与转轴构成一体。图11、12说明自然等角弧度扇叶或浆叶的具体设计，其中设OB的长度为1；AB为0.618，OC为1.618，同时分别以O为圆心作三个同心圆。取OQ=OB，使BQ垂直于OP并取OP=OB，分别以P、Q为旋心以及以O为起点，制出各向外旋72°的轨迹，分别相交于D和G以及E和F。以OA为半径的圆为扇叶或浆叶的固定轴心。DEFG的尖角经修圆即成为圆6中所示的一扇叶或浆叶。

扇叶或浆叶翘起的弧度可以依不同需求(推动空气和水等功能)而决定。参照图7，一般来说，如果本发明作为吹风之扇叶，则其扇叶翘起弧度是以扇叶直径1.518倍距离为旋心作一旋线，其中截取一段，则为扇叶截面弧度，如图7中以A表示的弧线。若用作抽气扇，则其扇叶翘起弧度是以扇叶直径的1倍距离为旋心的旋线轨迹而成，如图7中以B表示的弧线。如果用作液体推动，如推进器浆叶，则其浆叶翘起弧度是以浆叶直径的0.618倍距离为旋心的旋线轨迹而成，如图7中以C表示的弧线。

实施例2

参照图13，本发明的旋转构件为一种自然等角弧度涡轮机叶片4，它一般由多块叶片，例如30块叶片构成。每块叶片均包括切入边缘2和撤离边缘3。图14和15说明自然等角弧度叶片的具体设计，其中每块叶片本身的切入及撤离边缘和横切面翘起的弧度，都是以自然等角旋线组合设计制造，其方法与实施例1中所述相同，不同之处在于本实施例叶片数是较多，其翘起弧度一般是以叶片直径的1倍距离为旋心的旋线轨迹而成。

实施例3

参照图16，本发明的旋转构成件为一种自然等角弧度旋转刀片5，它一般由二块刀片构成。每块刀片均包括切入边缘2和撤离边缘3。图17和18说明自然等角弧度刀片的具体设计，其中每块刀块本身的切入及撤离边缘和横切面翘起弧度，都是以自然等角旋线组合设计制造，其方法与实施例1中所述相同，所不同之处在于刀片的数量较少，且旋转刀片的其中一边可以旋至144°，其翘起弧度可以依照不同需要而定。例如旋转刀片作为刨刮之用，则刀片为一平面，没有弧度，作为切割及推拨之用，则其刀片翘起弧度一般是以刀片直径的1倍距离为旋心的旋转轨迹而成。

由上述实施例可知，本发明的旋转构件由于用自然等角弧度组合设计，故而可以达到发挥自然力量，和谐自然运用，揉合自然规律等效果，具有低噪音，节能以及高效率之特点。

Claims (10)

1、旋转叶片，其是一种以轴心，即旋转中心，简称旋心为中心的圆周并按该圆周均等固设于旋转轴上的片状体，如风扇扇叶、螺旋桨桨叶、涡轮机叶片及旋转切割刀片，其特征是：该片状体含有切入边缘和撤离边缘，所说的切入边缘的旋线以自然等角旋线的等角弧度为：旋线每向内旋转5度，便有23.5度的收缩率或者旋线每向外旋转5度，便有18.5度的扩张率而构成；所说的撤离边缘的旋线以自然等角旋线的等角弧度为：旋线每向外旋转5度，便有18.5度的扩张率或者旋线每向内旋转5度，便有23.5度的收缩率而构成；也就是说切入边缘含有每向内旋转5度，会有23.5度的收缩率，每向外旋转5度，会有18.5度扩张率的旋线；而撤离边缘则有每向外旋转5度，会有18.5度扩张率，每向内旋转5度；会有23.5度收缩率的旋线。

2、如权利要求1所述的旋转叶片，其特征是：该片状体为两块且为切割刀片，并均等对称设置于旋转轴上。

3、如权利要求1所述的旋转叶片，其特征是：该片状体中的一边旋至144度。

4、如权利要求1所述的旋转叶片，其特征是：该片状体为平片状。

5、如权利要求1所述的高效旋转构构件，其特征是：该片状体为三块，且为风扇扇叶或螺旋桨桨叶，并均等设置于旋转轴上。

6、如权利要求1或5所述的旋转叶片，其特征是：该片状体的翘起弧度是以该片状体直径的1.618倍距离为旋心的旋线轨迹构成。

7、如权利要求1或5所述的旋转叶片，其特征是：该片状体的翘起弧度是以该片状体直径的1倍距离为旋心的旋线轨迹构成。

8、如权利要求1或5所述的旋转叶片，其特征是：该片状体的翘起弧度是以该片状体直径的0.618倍距离为旋心的旋线轨迹构成。

9、如权利要求1所述的旋转叶片，其特征是：该片状体为30块，且为涡轮机叶片，并均等对称设置于旋转轴上。

10、如权利要求1或9所述的旋转叶片，其特征是：该片状体的翘起弧度是以该片状体直径的1倍距离为旋心的旋线轨迹构成。

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