Поворотный клапан ( также называемый поворотным клапаном ) — это тип клапана , в котором вращение прохода или проходов в поперечной пробке регулирует поток жидкости или газа через присоединенные трубы. [1] Обычный запорный кран — это простейшая форма поворотного клапана. Поворотные клапаны применяются во многих областях, включая:
В контексте духовых инструментов поворотные клапаны встречаются на валторнах , трубах , тромбонах , флюгельгорнах и тубах . Корнет произошел от почтового рожка путем применения поворотных клапанов в 1820-х годах во Франции. [3] Альтернативой трубе с поворотными клапанами может быть труба с поршневыми клапанами . [4] Многие европейские трубачи , как правило, отдают предпочтение поворотным клапанам. [ требуется ссылка ]
Клапаны крепления тромбона F обычно являются поворотными, также используются несколько вариаций базовой конструкции, такие как клапан осевого потока Thayer и клапан Hagmann .
Поворотный клапан был впервые применён к рогу в 1824 году Натаном Адамсом (1783-1864) из Бостона и запатентован в 1835 году Джозефом Ридлом. [5]
Поворотные клапаны для промышленного производства часто используются в системах обработки сыпучих материалов, сбора пыли или пневматических конвейерных системах, в зависимости от области применения. Клапан используется для регулирования потока продукта или материала путем поддержания постоянной скорости потока, подходящей для данного процесса. Управление потоком материала помогает предотвратить такие проблемы, как застревание, утечка материала и повреждение самого клапана. [6] Типичные области применения — загрузка взвешенного бункера или загрузка мельницы, которая может быть забита продуктом.
Клапаны являются частью процесса обмена материалами и работают в системах дозирования или подачи, выполняют функцию поворотных шлюзов или обеспечивают комбинацию функций шлюза и дозирования.
Вращающийся клапан в фармацевтической, химической и пищевой промышленности используется для дозирования и подачи твердых сыпучих продуктов в рамках технологических процессов. Клапаны также широко используются в строительстве, производстве пластмасс, переработке, сельском и лесном хозяйстве или везде, где необходимо безопасно и эффективно перемещать материал из одной точки в другую.
Поворотный клапан типа шлюза получает и распределяет материал из двух камер с разными уровнями давления. Они герметизируют поток воздуха между входом и выходом клапана, чтобы поддерживать постоянный перепад давления, что способствует эффективному потоку материала. Герметичная камера клапана предотвращает проникновение инородного материала в корпус и не допускает утечки транспортируемого материала из системы. [7]
Общее принятие поворотных клапанов вместо тарельчатых клапанов в двигателях внутреннего сгорания было предотвращено проблемой уплотнения. Тарельчатые клапаны имеют уплотнение вокруг конического фланца отверстия, и это уплотнение улучшается с увеличением рабочего давления в камере сгорания, поскольку давление заставляет клапан закрываться. Напротив, поворотные клапаны должны свободно двигаться для работы и должны смазываться маслом, что вызывает проблемы с удержанием давления до 100 бар при температуре 1000 градусов Цельсия, с соответствующим тепловым расширением различных уплотнений и цилиндра клапана. Это расширение клапана вызывает несоосность в интерфейсе клапан-уплотнение, когда двигатель переходит от комнатной температуры к полной рабочей температуре. Если уплотнения прижимаются к клапану с более высоким давлением, чтобы приспособиться к этому расширению, происходит высокое трение и потеря мощности, а также высокие показатели износа. [8]
Двигатель внутреннего сгорания с роторным клапаном обладает несколькими существенными преимуществами по сравнению с обычными сборками, включая значительно более высокие степени сжатия и обороты в минуту, что означает большую мощность, гораздо более компактную и легкую головку цилиндров и меньшую сложность, что означает большую надежность и меньшую стоимость. Поскольку впуск и выпуск обычно объединены, особое внимание следует уделять охлаждению клапана, чтобы избежать стука двигателя .
Поворотные клапаны использовались в нескольких различных конструкциях двигателей. В Великобритании National Engine Company Ltd рекламировала свой двигатель с поворотным клапаном для использования в ранних самолетах, в то время, когда тарельчатые клапаны были склонны к выходу из строя из-за заедания или сгорания. [9]
В конце 1930-х годов Фрэнк Аспин разработал конструкцию с поворотным клапаном, который вращался на той же оси, что и отверстие цилиндра, но с ограниченным успехом. [10]
Американская компания Coates International Ltd разработала сферический поворотный клапан для двигателей внутреннего сгорания, который заменяет систему тарельчатых клапанов . Эта конкретная конструкция является четырехтактной, с поворотными клапанами, управляемыми верхними валами вместо верхних распределительных валов (т.е. в соответствии с рядом цилиндров). Первая продажа такого двигателя была частью газового двигателя-генератора . [11]
Поворотные клапаны потенциально очень подходят для двигателей с высокими оборотами, например, используемых в гоночных спорткарах и гоночных автомобилях F1 , на которых традиционные тарельчатые клапаны с пружинами могут выйти из строя из-за резонанса клапана и пружины, а десмодромный клапанный механизм слишком тяжелый, большой по размеру и слишком сложный для правильного расчета и проектирования. Поворотные клапаны могут позволить создать более компактную и легкую конструкцию головки блока цилиндров. Они вращаются на половине скорости двигателя (или на четверть) и лишены инерционных сил возвратно-поступательных клапанных механизмов. Это позволяет развивать более высокие скорости двигателя, обеспечивая примерно на 10% больше мощности. Двигатель MGN W12 F1 1980-х годов использовал поворотные клапаны, но никогда не участвовал в гонках. В период с 2002 по 2004 год австралийский разработчик Bishop Innovation и Mercedes-Ilmor испытывали поворотные клапаны для двигателя F1 V10. [12]
Патент Bishop Innovations на двигатель с роторным клапаном был выкуплен компанией BRV Pty Ltd, принадлежащей Тони Уоллису, одному из первоначальных конструкторов клапанов. BRV сконструировала несколько функциональных двигателей с использованием технологии роторного клапана, например, Honda CRF 450 , который имел больший крутящий момент как на низких (увеличение на 17%), так и на высоких (увеличение на 9%) оборотах двигателя, а также выдавал большую тормозную мощность примерно на 30% больше на функциональных оборотах двигателя. [12] Двигатель также был значительно меньше и легче, так как узел головки цилиндра был не таким большим.
Компания из Великобритании под названием Roton Engine Developments достигла определенного прогресса в 2005 году с двухроторным (один для впуска и один для выпуска) одноцилиндровым мотоциклетным двигателем Husaberg. Они подали патенты и запустили образец в 2006 году, но получили поддержку от MG Rover, которая впоследствии обанкротилась, оставив Roton без достаточных средств для продолжения. Конструкции всплыли несколько лет спустя в Австралии с Engine Developments Australia Pty Ltd. Прототип литья был произведен в 2013 году на параллельном двухцилиндровом агрегате Kawasaki Ninja 300. Этот агрегат все еще находится в стадии разработки на момент написания статьи, но он имеет важное значение, поскольку имеет потенциал для работы с гораздо более высокими степенями сжатия, чем даже другие двигатели с роторным клапаном, благодаря значительному, но нераскрытому новому методу охлаждения камеры сгорания и возможности полностью исключить дроссельную заслонку, что делает его значительно более экономичным на более низких оборотах двигателя, так утверждается.
Доказанный полностью успешный автомобильный роторный двигатель был построен покойным Ральфом Огденом Уотсоном из Окленда, Новая Зеландия, в 1989 году. Автомобиль проехал много миль без проблем с той даты и по-прежнему используется. [13] [14] Успех был достигнут в результате академического подхода Уотсона к проблеме герметизации, его изучения предыдущих конструкций и его особого сочетания знаний о материалах, навыков обработки, опыта работы с двигателями, настойчивости и реалистичных ожиданий. Не было задействовано никаких новых или только недавно доступных материалов. Полные сведения о разработке автомобиля и двигателя приведены в книге «Ralph Watson Special Engineer», впервые опубликованной в 2004 году, ISBN O-476-01371-2 и доступной бесплатно и легко находимой в Интернете по состоянию на 2020 год. В настоящее время автомобиль принадлежит Рэю Фернеру.
Американская компания VAZTEC создала совместимую систему уплотнения поворотного клапана, которая решает проблемы трения и уплотнения предыдущих конструкций. [15] Они построили десять прототипов двигателей от 5,3-литрового V-8 до портативного 28-кубового четырехтактного. VAZTEC также построила успешный дизельный двигатель, который содержал высокие давления сжатия двигателя с воспламенением от сжатия (степень сжатия 20:1, давление сгорания 100 бар). Они работают с различными производителями оригинального оборудования для коммерциализации своей разработки. [16] Различные патенты охватывают совместимые уплотнения, включая патент США 9,903,239. Модель вычислительной гидродинамики (CFD) поворотного клапана VAZTEC можно просмотреть по этой ссылке.
Поворотный клапан в форме плоского диска, также известный как дисковый клапан, используется в двухтактных двигателях мотоциклов, где такое расположение помогает предотвратить обратный поток обратно во впускной канал во время такта сжатия. Австрийский производитель двигателей Rotax использовал поворотные впускные клапаны в своей ныне снятой с производства конструкции двухтактного двигателя Rotax 532 мощностью 64 л. с. (48 кВт) и продолжает использовать поворотные впускные клапаны в преемнике 532, текущем производстве Rotax 582 мощностью 64 л. с. (48 кВт) . [17]
Британская компания RCV Engines Ltd использует технологию вращающейся гильзы цилиндра как специализированную форму поворотного клапана в некоторых из своих четырехтактных моделей двигателей и линейке двигателей малого объема. [18] [19] RCV также использует горизонтальные и вертикальные поворотные клапаны в четырехтактных двигателях в своей текущей линейке двигателей. [20]
RCV разработали двигатель с вращающейся гильзой цилиндра объемом 125 куб. см, включающий вращающийся клапан в гильзе цилиндра, для применения в скутерах. PGO Scooters из Тайваня работали с RCV над разработкой двигателя для своих применений. [21]
Suzuki RG500 "Gamma" был оснащен двухтактным роторно-клапанным двигателем с двумя коленвалами и квадратным 4-цилиндровым двигателем объемом 498 кубических сантиметров. Выходная мощность составляла 93,7 тормозных лошадиных сил (69,9 кВт) при 9500 об/мин.
Поворотные клапаны используются для загрузки образцов в колонки, используемые для жидкостной или газовой хроматографии. Клапаны, используемые в этих методах, обычно представляют собой 6-портовые, 2-позиционные поворотные клапаны.