Вращающиеся клапаны: принцип работы и области применения.

Введение

Клапан, в котором вращение каналов в затворе управляет направлением потока.

Роторный клапан (также называемый клапаном с вращательным движением) – это тип клапана, в котором вращение канала или каналов в поперечном затворе регулирует поток жидкости или газа по подключенным трубопроводам. Обычный кран является самой простой формой роторного клапана. Роторные клапаны применяются в многочисленных областях, включая:

Изменение высоты тона духовых инструментов. Управление паровыми и выпускными портами паровых двигателей, особенно в паровой машине Корлисса. Периодическое изменение направления потока воздуха и топлива в мартеновской печи. Загрузка образцов на хроматографические колонны. Определенные типы двухтактных и четырехтактных двигателей. Большинство гидравлических клапанов управления усилителем руля.

Использование в латунистых инструментах

В контексте медных духовых инструментов вращающиеся клапаны используются в валторнах, трубах, тромбонах, флигельгорнах и тубах. Корнет произошел от постгорна, к которому во Франции в 1820-х годах были применены вращающиеся клапаны. Альтернативой трубе с вращающимися клапанами является труба с поршневыми клапанами. Многие европейские трубачи предпочитают вращающиеся клапаны. Клапаны для кронштейна F тромбона обычно вращающиеся, при этом также используются различные варианты базовой конструкции, такие как клапан осевого потока Тейера и клапан Хагмана. Вращающийся клапан впервые был применен к валторне в 1824 году Натаном Адамсом (1783–1864) из Бостона и запатентован в 1835 году Джозефом Ридлом.

Промышленное использование

Роторные клапаны для промышленного производства часто используются в системах транспортировки сыпучих материалов, сбора пыли или пневмотранспорта, в зависимости от области применения. Клапан предназначен для регулирования потока продукта или материала путем поддержания стабильной производительности, соответствующей технологическому процессу. Контроль потока материала помогает предотвратить такие проблемы, как застревание, утечка материала и повреждение самого клапана. Типичные области применения – подача материала во взвешивающий бункер или в мельницу, которая может забиваться продуктом. Клапаны являются частью процесса обмена материалами и применяются для дозирования или подачи, функционируют как роторные воздушные шлюзы или сочетают функции воздушного шлюза и дозирования. В фармацевтической, химической и пищевой промышленности роторные клапаны используются для дозирования и подачи твердых сыпучих продуктов в технологических процессах. Клапаны также широко применяются в строительстве, производстве пластмасс, переработке отходов, сельском и лесном хозяйстве, а также везде, где необходимо безопасно и эффективно транспортировать материал из одной точки в другую. Роторный клапан типа воздушного шлюза принимает и выдает материал из двух камер с разным уровнем давления. Они герметизируют воздушный поток между входом и выходом клапана, поддерживая постоянную разницу давлений, что обеспечивает эффективный поток материала. Камера клапана, находящаяся под давлением, предотвращает попадание посторонних материалов внутрь корпуса и исключает выход транспортируемого материала из системы.

Двигатели четыреххтактные

Двигатель внутреннего сгорания с роторными клапанами обладает рядом значительных преимуществ по сравнению с традиционными конструкциями, включая значительно более высокие степени сжатия и обороты в минуту, что обеспечивает большую мощность, гораздо более компактную и легкую головку блока цилиндров, а также упрощенную конструкцию, что повышает надежность и снижает стоимость. Поскольку впуск и выпуск обычно объединены, особое внимание следует уделять охлаждению клапанов, чтобы избежать детонации. Роторные клапаны применялись в различных конструкциях двигателей. В Великобритании компания National Engine Company Ltd рекламировала свой двигатель с роторными клапанами для использования в ранних самолетах, в то время как тарельчатые клапаны были склонны к заклиниванию или прогоранию. В конце 1930-х годов Фрэнк Аспин разработал конструкцию с роторным клапаном, вращающимся вокруг той же оси, что и цилиндр, но она не имела большого успеха. Американская компания Coates International Ltd разработала сферический роторный клапан для двигателей внутреннего сгорания, который заменяет систему тарельчатых клапанов. Эта конструкция четырехтактная, при этом роторные клапаны приводятся в действие верхними валами вместо верхних распределительных валов (то есть расположены в плоскости ряда цилиндров). Первая продажа такого двигателя была осуществлена в составе газопоршневого генератора. Роторные клапаны потенциально хорошо подходят для высокооборотистых двигателей, таких как те, что используются в гоночных спортивных автомобилях и болидах Формулы-1, где традиционные тарельчатые клапаны с пружинами могут выходить из строя из-за "плавания" клапанов и резонанса пружин, а десмодромический привод клапанов слишком тяжелый, громоздкий и сложный в проектировании. Роторные клапаны позволяют создать более компактную и легкую конструкцию головки блока цилиндров. Они вращаются со скоростью, составляющей половину или четверть скорости вращения коленчатого вала, и лишены инерционных сил возвратно-поступательных механизмов клапанов. Это позволяет увеличить частоту вращения двигателя, обеспечивая прирост мощности примерно на 10%. В 1980-х годах двигатель MGN W12 F1 использовал роторные клапаны, но так и не участвовал в гонках. В период с 2002 по 2004 год австралийская компания Bishop Innovation и Mercedes Ilmor тестировали роторные клапаны для двигателя F1 V10. Патент Bishop Innovations на двигатель с роторными клапанами был приобретен компанией BRV Pty Ltd, принадлежащей Тони Уоллису, одному из первоначальных разработчиков клапанов. BRV построила несколько функционирующих двигателей с использованием технологии роторных клапанов, в том числе Honda CRF 450, который демонстрировал повышенный крутящий момент как на низких (увеличение на 17%), так и на высоких (увеличение на 9%) оборотах, а также обеспечивал увеличение тормозной мощности до 30% при рабочих оборотах. Успех был достигнут благодаря научному подходу Уотсона к проблеме герметизации, изучению предыдущих конструкций, а также его уникальному сочетанию знаний о материалах, навыков обработки, опыта работы с двигателями, настойчивости и реалистичных ожиданий. При этом не использовались новые или недавно разработанные материалы. Полные сведения о разработке автомобиля и двигателя представлены в книге "Ralph Watson Special Engineer", впервые опубликованной в 2004 году, ISBN O 476 01371 2, которая доступна бесплатно и легко находится в интернете по состоянию на 2020 год. В настоящее время автомобиль принадлежит Рэю Фернеру.

The rotary valve combustion engine possesses several significant advantages over the conventional assemblies, including significantly higher compression ratios and rpm, meaning more power, a much more compact and light weight cylinder head, and reduced complexity, meaning higher reliability and lower cost. As inlet and exhaust are usually combined, special attention should be given to valve cooling to avoid engine knocking. Rotary valves have been used in several different engine designs. In Britain, the National Engine Company Ltd advertised its rotary valve engine for use in early aircraft, at a time when poppet valves were prone to failure by sticking or burning. In the end of 1930s, Frank Aspin developed a design with a rotary valve that rotated on the same axis as the cylinder bore, but with limited success. US company Coates International Ltd has developed a spherical rotary valve for internal combustion engines which replaces the poppet valve system. This particular design is four stroke, with the rotary valves operated by overhead shafts in lieu of overhead camshafts (i. e. in line with a bank of cylinders). The first sale of such an engine was part of a natural gas engine generator. Rotary valves are potentially highly suitable for high revving engines, such as those used in racing sportscars and F1 racing cars, on which traditional poppet valves with springs can fail due to valve float and spring resonance and where the desmodromic valve gear is too heavy, large in size and too complex to time and design properly. Rotary valves could allow for a more compact and lightweight cylinder head design. They rotate at half engine speed (or one quarter) and lack the inertia forces of reciprocating valve mechanisms. This allows for higher engine speeds, offering approximately perhaps 10% more power. The 1980s MGN W12 F1 engine used rotary valves but never raced. Between 2002 and 2004 the Australian developer Bishop Innovation and Mercedes Ilmor tested rotary valves for a F1 V10 engine. Bishop Innovations' patent for the rotary valve engine was bought out by BRV Pty Ltd, owned by Tony Wallis, one of the valves original designers. BRV has constructed several functional motors using the rotary valve technology, such as a Honda CRF 450, which had greater torque at both low(17% increase) and high (9% increase) engine speeds, and also produced more brake horsepower up to around 30% more at functional engine speeds. Success was achieved as a result of Watson's academic approach to the problem of sealing, his study of previous designs, and his particular combination of knowledge of materials, machining skills, experience with engines, perseverance and realistic expectations. No new or only recently available materials were involved. Full details of the development of the car and engine appear in the book "Ralph Watson Special Engineer," first published 2004, ISBN O 476 01371 2 and available free and easily searchable, on the internet as of 2020. The car is currently owned by Ray Ferner.

Двухтактные двигатели

Роторный клапан в форме плоского диска, также известный как дисковый клапан, применяется в двухтактных двигателях мотоциклов, где такая конструкция помогает предотвратить обратный поток во впускной канал во время такта сжатия. Австрийский производитель двигателей Rotax использовал роторные впускные клапаны в своей устаревшей конструкции двухтактного двигателя Rotax 532 и продолжает использовать их в преемнике 532 – текущей модели Rotax 582.

Использование в двигателях серийного производства

Британская компания RCV Engines Ltd использует технологию вращающейся гильзы цилиндра как специализированную форму роторного клапана в некоторых из своих четырехтактных модельных и малогабаритных двигателей. RCV также использует горизонтальные и вертикальные роторные клапаны в четырехтактных двигателях в их текущем модельном ряду. RCV разработала двигатель объемом 125 куб. см с вращающейся гильзой цилиндра, включающий роторный клапан в гильзе цилиндра, для применения в скутерах. Компания PGO Scooters из Тайваня сотрудничала с RCV в разработке двигателя для своих нужд. Suzuki RG500 "Gamma" оснащался двухтактным двигателем с роторным клапаном, двумя коленвалами и оппозитной конфигурацией цилиндров, рабочим объемом 498 кубических сантиметров. Мощность составляла 93,7 л.с. (69,9 кВт) при 9500 об/мин.

Использование в хроматографии

Роторные клапаны применяются для ввода образцов на колонки, используемые в жидкостной или газовой хроматографии. Клапаны, используемые в этих методах, как правило, являются роторными клапанами с 6 портами и 2 положениями.