Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Bewegungsgekoppelte Analyse der Innenströmung hydraulischer Ventile zur Steigerung der strömungsbedingten Einsatzgrenzen

Hydraulische Antriebe sind aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte, guten Steuer- und Regelbarkeit, flexiblen Energieübertragung und hohen Robustheit für den Maschinen- und Anlagenbau von wesentlicher Bedeutung. Neben der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Verdrängereinheiten und der Druckfestigkeit aller beteiligten Komponenten ist die Leistungsdichte derzeit vor allem ventilseitig begrenzt. Um die Wettbewerbsvorteile erhalten und weiter ausbauen zu können, muss die Leistungsdichte weiter erhöht werden.

In den damit verbundenen, kavitations- und schwingungskritischen Betriebsbereichen kann das statische und dynamische Verhalten eines Ventils mit Systemsimulationen nicht mehr ausreichend genau vorhergesagt werden. Die Auslegung der Komponenten verlangt hier die Realisierung eines ganzheitlichen virtuellen Modells, das durch dynamische Kopplung der Strömungsmechanik, der Mechanik und der Aktorik innerhalb der numerischen Strömungssimulation (CFD) die Berechnung des statischen und dynamischen Ventilverhaltens in erweiterten Betriebsgrenzen ermöglicht.

Das geplante Vorhaben hat daher zum Ziel, mit einer fundierten experimentellen Absicherung ein virtuelles Ventilmodell innerhalb der CFD zu erstellen. Aus dessen Analyse werden den Komponentenentwicklern konstruktive Lösungsansätze zur Verbesserung der strömungskritischen Bereiche der Beispielventile nutzbar gemacht. Die erarbeiteten Forschungsergebnisse werden in Form eines Methodik-Leitfadens für CFD-Anwender aufbereitet. Ein Konstruktionskatalog mit Empfehlungen zur optimierten Gestaltung von leistungsgesteigerten Ventilen ermöglicht auch KMU ohne eigene CFD-Anwendung direkt die Entwicklung neuer Produkte.

Die deutsche Fluidtechnikbranche nimmt weltweit die Marktführerschaft ein. Das Vorhaben leistet einen wertvollen Beitrag, den Technologievorsprung der deutschen Fluidtechnikbranche gegenüber internationaler Konkurrenz beizubehalten und auszubauen. Die Innovationskraft der KMU wird damit nachhaltig gestärkt.

Ergebniszusammenfassung:

AP1: Ziel des Arbeitspaketes ist die Beschaffung einer umfangreichen Messdatenbasis für den Serienstand des betrachteten Beispielventils zur Validierung des entwickelten, numerischen Modells.

AP2: Ziel des Arbeitspaketes ist die Erstellung eines numerischen Ventilmodells zur bewegungsgekoppelten Analyse der dynamischen Schieberbewegung unter der Berücksichtigung entsprechender Randbedingungen. Das Modell des ausgewählten direktgesteuerten Druckbegrenzungsventils im Vorentwicklungsstadium (Funktionsmuster) wird mithilfe der in AP1 generierten Messdatenbasis validiert und dient als Grundlage für die anschließenden Parameterstudien und virtuellen Funktionsmuster zur Betriebsbereichserweiterung.

AP3: Die berechnete Verteilung verschiedener Strömungsgrößen lieferte aussagekräftige Informationen darüber, unter welchen Bedingungen und an welchen Orten innerhalb der Ventilgeometrie die Vorgänge ausgelöst werden, die letztendlich zur Beeinträchtigung der gesamten Ventilfunktionalität führen. Mögliche Potenziale zur Betriebsbereichserweiterung durch gezielte Gestaltanpassungen werden damit sichtbar und dienen als Grundlage für AP4.

AP4: Mit Hilfe der in AP3 ermittelten Einflüsse verschiedener Parameter und konstruktiver Details auf das Ventilverhalten werden gezielt Anpassungen der Ventilgestalt abgeleitet, in das numerische Ventilmodell implementiert und simulativ auf ihre Wirksamkeit hinsichtlich der Steigerung von Druckniveau und Leistungsdichte hin überprüft.

AP5: Dokumentation und Erstellung eines Methodenleitfadens.