Las válvulas de láminas son un tipo de válvula de retención que restringen el flujo de fluidos a una sola dirección, abriéndose y cerrándose bajo presión cambiante en cada cara. Las versiones modernas suelen estar hechas de metal flexible o materiales compuestos ( fibra de vidrio o fibra de carbono ).
Las válvulas de láminas, normalmente una trampilla de cuero que cubre un orificio, se encuentran entre las primeras formas de control automático de flujo para líquidos y gases . Se han utilizado durante miles de años en bombas de agua y durante cientos de años en fuelles para forjas de alta temperatura e instrumentos musicales como órganos de iglesia y acordeones . En la naturaleza, las válvulas cardíacas funcionan de manera algo similar.
Las válvulas de láminas se utilizan en algunos diseños de compresores alternativos y en el elemento de bombeo de algunos instrumentos musicales, grandes y pequeños.
Las válvulas de láminas se utilizan comúnmente en versiones de alto rendimiento del motor de dos tiempos , donde controlan la mezcla de aire y combustible admitida en el cilindro. A medida que el pistón sube en el cilindro, se crea un vacío en el cárter debajo del pistón. El diferencial de presión resultante abre la válvula y la mezcla de aire y combustible fluye hacia el cárter. A medida que el pistón desciende, aumenta la presión del cárter provocando que la válvula se cierre para retener la mezcla y presurizarla para su eventual transferencia a la cámara de combustión . [1] La empresa sueca de motocicletas Husqvarna produjo un motor monocilíndrico de dos tiempos y 500 cc de cilindrada con admisión controlada por válvula de láminas, uno de los más grandes en utilizar esta disposición. Las válvulas de láminas en los motores de dos tiempos se han colocado en los puertos de admisión y también en el control de la admisión al espacio del cigüeñal.
Los materiales compuestos se prefieren en los motores de carreras, especialmente en las carreras de karts , porque la rigidez de los pétalos se puede ajustar fácilmente y son relativamente seguros en caso de falla. El impacto a alta velocidad pasa factura a todas las válvulas de láminas, y las válvulas metálicas sufren fatiga . La inercia física de las válvulas de láminas significa que no tienen una acción tan precisa como las válvulas rotativas ; un motor de válvula rotativa puede funcionar mejor que un motor de válvula de láminas en un rango de revoluciones pequeño, pero el motor de válvula de láminas a menudo funciona mejor en un rango de revoluciones más amplio. . Los diseños más sofisticados abordan esto en parte creando cañas de varias etapas con cañas más pequeñas y con mayor capacidad de respuesta dentro de otras más grandes que brindan más volumen más adelante en el ciclo. Sin embargo, la tecnología actual favorece las válvulas de láminas casi con exclusión de las válvulas rotativas debido a su simplicidad, bajos costos de implementación y menor masa rotacional.
Yanmar Diesel , fabricante de motores japonés, fue pionero en introducir válvulas de láminas para el control de flujo en los puertos de admisión de sus pequeños motores Wankel , mostrando una mejora en el par y el rendimiento a bajas revoluciones y bajo carga parcial del motor. Toyota descubrió los beneficios de inyectar aire fresco en el puerto de escape Wankel RCE y también utilizó una válvula de láminas en prototipos donde probaron el concepto SCRE ( motor rotativo de carga estratificada ). Sin embargo, este tipo de disposición de puerto de entrada nunca llegó a la línea de producción de RCE del tamaño de un automóvil. Según David W. Garside, quien desarrolló la línea Norton de motocicletas con motor Wankel, los datos de otros productores de RCE señalaron que las válvulas de láminas mejoran el rendimiento a bajas revoluciones y bajo carga parcial, pero reducen la potencia de salida del motor a alta velocidad, un característica considerada inconveniente para los motores de motocicletas.
Las válvulas de láminas se utilizan en el barato pero ineficiente motor a reacción de impulsos , como el que utiliza el motor Argus As 014 en la V-1 (bomba voladora) alemana . Las válvulas en la parte delantera del motor cilíndrico se abren por la baja presión en la cámara de combustión causada por la resonancia de la columna de aire en el motor, el combustible se inyecta en la cámara de combustión y se enciende con los gases de combustión calientes del ciclo anterior. Una vez que la carga se ha expandido y ha abandonado en su mayor parte el motor, la presión en el interior vuelve a caer a valores inferiores a los atmosféricos y la válvula de láminas permite que entre aire fresco y se repita el ciclo. Un poco de presión de aire debido al movimiento hacia adelante ayuda a limpiar y llenar la cámara de combustión con la nueva carga de aire fresco, mejorando así la potencia del motor a velocidades más altas.
Las válvulas de láminas se diseñan considerando el gradiente de presión y el flujo másico . [2] El gradiente de presión se utiliza para evaluar la elevación de la válvula durante la condición abierta; La sustentación y la geometría general del componente (considerando también el coeficiente de pérdida de presión) se utilizan para calcular el flujo másico. Para aplicaciones de alta velocidad (compresores y motores), se debe considerar la respuesta dinámica. Un método sencillo consiste en la evaluación del primer valor propio que se compara con la frecuencia de excitación. El diseño de válvulas de láminas se puede perfeccionar mediante simulaciones. La dinámica de los pétalos [3] se puede estudiar ignorando el acoplamiento entre el fluido y la estructura: en este caso, la evolución de la parte estructural se simula utilizando modelos de parámetros agrupados o modelos FEM, los coeficientes de descarga en varias elevaciones de válvulas se evalúan con experimentos o simulaciones CFD. . El estudio del sistema completo necesita un modelo integrado de interacción fluido-estructura .