Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Тип обратного клапана
Type of check valve
Реечные клапаны – это тип обратного клапана, который ограничивает поток жидкости в одном направлении, открываясь и закрываясь под воздействием переменного давления с обеих сторон. Современные модели часто изготавливаются из гибких металлов или композитных материалов (стекловолокна или углеродного волокна).
Reed valves are a type of check valve which restrict the flow of fluids to a single direction, opening and closing under changing pressure on each face. Modern versions often consist of flexible metal or composite materials (fiberglass or carbon fiber).
Традиционные
Камышовые клапаны, как правило, представляющие собой кожаный язычок, перекрывающий отверстие, являются одними из самых ранних форм автоматического управления потоком жидкостей и газов. Они использовались на протяжении тысяч лет в водяных насосах и сотни лет в мехах для высокотемпературных кузниц, а также в музыкальных инструментах, таких как церковные органы и аккордеоны. В природе сердечные клапаны функционируют схожим образом.
Reed valves, normally a leather flap covering a hole, are amongst the earliest form of automatic flow control for liquids and gases. They have been used for thousands of years in water pumps and for hundreds of years in bellows for high temperature forges and musical instruments such as church organs and accordions. In nature, heart valves operate in a somewhat similar fashion.
Насосы
Камышовые клапаны используются в некоторых конструкциях возвратно-поступательных компрессоров, а также в насосных элементах музыкальных инструментов, больших и малых.
Reed valves are used in some reciprocating compressor designs, and in the pumping element of some musical instruments, large and small.
Двухтактные двигатели
Тростниковые клапаны обычно используются в высокопроизводительных версиях двухтактных двигателей, где они контролируют подачу топливно-воздушной смеси в цилиндр. При подъеме поршня в цилиндре под ним в картере создается вакуум. Возникающая разница давлений открывает клапан, и топливно-воздушная смесь поступает в картер. При опускании поршня давление в картере повышается, что приводит к закрытию клапана для удержания смеси и ее предварительного сжатия перед переходом в камеру сгорания. Шведская мотоциклетная компания Husqvarna производила двухтактный одноцилиндровый двигатель объемом 500 куб. см с впускным каналом, управляемым тростниковым клапаном – один из самых крупных двигателей, использующих такую конструкцию. В двухтактных двигателях тростниковые клапаны устанавливаются как во впускных каналах, так и для управления подачей в пространство коленчатого вала. В гоночных двигателях, особенно в картинге, предпочтительны композитные материалы, поскольку жесткость лепестков можно легко регулировать, и они относительно безопасны при разрушении. Высокоскоростное воздействие негативно сказывается на всех тростниковых клапанах, при этом металлические клапаны подвержены усталости. Физическая инерция тростниковых клапанов означает, что они не столь точны в работе, как роторные клапаны; двигатель с роторным клапаном может работать лучше, чем двигатель с тростниковым клапаном в узком диапазоне оборотов, но двигатель с тростниковым клапаном часто превосходит его в более широком диапазоне. Более сложные конструкции частично решают эту проблему, создавая многоступенчатые тростники с более мелкими и отзывчивыми лепестками внутри более крупных, которые обеспечивают больший объем на более поздних стадиях цикла. Тем не менее, современные технологии отдают предпочтение тростниковым клапанам, практически исключая роторные клапаны благодаря их простоте, низкой стоимости реализации и меньшей вращающейся массе.
Reed valves are commonly used in high performance versions of the two stroke engine, where they control the fuel air mixture admitted to the cylinder. As the piston rises in the cylinder a vacuum is created in the crankcase beneath the piston. The resulting pressure differential opens the valve and the fuel air mixture flows into the crankcase. As the piston descends, it raises the crankcase pressure causing the valve to close to retain the mixture and pressurize it for its eventual transfer through to the combustion chamber. The Swedish motorcycle company Husqvarna produced a two stroke, 500 cc displacement single cylinder engine with a reed valve controlled intake, one of the biggest in using this arrangement. Reed valves in two stroke engines have been placed in the intake ports and also in controlling the intake to the crankshaft space. Composite materials are preferred in racing engines, especially in kart racing, because the stiffness of the petals can be easily tuned and they are relatively safe in failure. High speed impact takes its toll on all reed valves, with metal valves suffering in fatigue. The physical inertia of reed valves means that they are not as entirely precise in action as rotary valves, a rotary valve engine may run better than a reed valve engine at a small rpm range but the reed valve engine often runs better over a wider rpm range. More sophisticated designs partly address this by creating multi stage reeds with smaller, more responsive reeds within larger ones that provide more volume later in the cycle. Nevertheless, current technology favors reed valves almost to the exclusion of rotary valves due to their simplicity and low implementation costs and less rotational mass.
Двигатели внутреннего сгорания с ротационным двигателем Wankel
Японский производитель двигателей Yanmar Diesel стал пионером во внедрении лепестковых клапанов для управления потоком в впускных каналах своих небольших роторных двигателей Wankel, продемонстрировав улучшение крутящего момента и характеристик на низких оборотах и при частичной нагрузке. Компания Toyota обнаружила преимущества подачи свежего воздуха во выпускной канал Wankel RCE и также использовала лепестковый клапан в прототипах при испытаниях концепции SCRE (двигатель Wankel со слоеной зарядкой). Однако, такая конструкция впускных каналов так и не была применена в серийном производстве роторных двигателей RCE для автомобилей. По словам Дэвида В. Гарсайда, разработчика мотоциклов Norton с роторными двигателями Wankel, данные других производителей RCE показали, что лепестковые клапаны действительно улучшают характеристики на низких оборотах и при частичной нагрузке, но снижают мощность двигателя на высоких оборотах, что считалось недостатком для мотоциклетных двигателей.
Yanmar Diesel, a Japanese engine maker, was pioneer in introducing reed valves for flow control at intake ports of its small Wankel engines, showing an improvement in torque and performances at low rpm and under partial load of the engine. Toyota discovered the benefits of injecting fresh air into the Wankel RCE exhaust port, and also used a reed valve in prototypes where they tested the SCRE concept (Stratified Charge Rotary Engine). However, this kind of intake port arrangement never reached the production line for automobile size RCEs. According to David W. Garside, who developed the Norton line of Wankel powered motorcycles, data from other RCE producers pointed that reed valves do improve performances at low rpm and under partial load, but reduce the high speed power output of the engine, a feature considered inconvenient for motorcycle engines.
Импульсные струи
Редные клапаны используются в недорогих, но неэффективных импульсных воздушно-реактивных двигателях, таких как двигатель Argus As 014, применявшийся в немецкой V-1 (летающей бомбе). Клапаны в передней части цилиндрического двигателя открываются из-за пониженного давления в камере сгорания, вызванного резонансом воздушного столба в двигателе, топливо впрыскивается в камеру сгорания и воспламеняется горячими продуктами сгорания предыдущего цикла. После того как заряд расширился и в основном вышел из двигателя, давление внутри снова падает ниже атмосферного, и редный клапан позволяет свежему воздуху поступать внутрь, после чего цикл повторяется. Часть давления воздуха, создаваемого движением вперед, способствует продувке и заполнению камеры сгорания новым, свежим зарядом воздуха, тем самым повышая мощность двигателя на более высоких скоростях.
Reed valves are used in the cheap but inefficient pulse jet engine, such as the one used by the Argus As 014 engine in the German V 1 (flying bomb). The valves at the front of the cylindrical engine are opened by the low pressure in the combustion chamber caused by the resonance of the air column in the engine, fuel is squirted into the combustion chamber and ignited by the hot combustion gases of the previous cycle. Once the charge has expanded and mostly left the engine, pressure inside drops again to below atmospheric values and the reed valve allows fresh air to enter and the cycle be repeated. Some ram air pressure due to forward motion helps scavenging and filling the combustion chamber with the new, fresh air charge, thus improving the power of the engine at higher speeds.
Проектирование и моделирование
Вентили с тростниковыми пластинами проектируются с учетом градиента давления и массового расхода. Градиент давления используется для оценки хода пластины в открытом состоянии; ход и общая геометрия компонента (с учетом коэффициента гидравлического сопротивления) затем используются для расчета массового расхода. Для высокоскоростных применений (компрессоров и двигателей) необходимо учитывать динамическую реакцию. Простой подход заключается в определении первой собственной частоты, которая сравнивается с частотой возбуждения. Конструкция тростниковых вентилей может быть уточнена с помощью моделирования. Динамику пластин можно изучать, не учитывая связь между потоком жидкости и конструкцией: в этом случае изменение состояния конструктивной части моделируется с использованием моделей с сосредоточенными параметрами или методом конечных элементов, а коэффициенты расхода при различных ходах пластин определяются экспериментально или с помощью CFD-моделирования. Для изучения полной системы требуется интегрированная модель взаимодействия жидкости и конструкции.
Reed valves are designed considering the pressure gradient and mass flow. The pressure gradient is used to evaluate the valve lift during open condition; the lift and overall component geometry (considering also a pressure loss coefficient) are then used to calculate the mass flow. For high speed applications (compressors and engines) the dynamic response has to be considered. A simple approach consists in the evaluation of first eigenvalue that is compared with exciting frequency. Design of reed valves can be refined using simulations. The dynamic of petals can be studied neglecting the coupling between fluid and structure: in this case the evolution of the structural part are simulated using lumped parameters models or FEM models, discharge coefficients at various valve lift are evaluated with experiments or CFD simulations. The study of the complete system needs an integrated Fluid structure interaction model.