Hydraulik – Strömung und Kavitation

Hydraulik – Strömung und Kavitation

Die Geschwindigkeit mit der eine Flüssigkeit durch ein Hydrauliksystem strömt ist wiederum abhängig von der Viskosität und der Schmierfähigkeit.

Der nächste zu betrachtende Punkt ist die Kompressibilität der verwendeten Flüssigkeiten. Während Luft unter Druck sein Volumen beträchtlich verringern kann bleiben Öl und Wasser nahezu ohne nennenswerten Volumenverlust unter Druck. Allerdings sind in der Praxis immer Lufteinschlüsse im Fluid und das muss beachtet werden.

Mit der Geschwindigkeit und der Kompressibilität von Flüssigkeiten kommen weitere Einflussgrößen hinzu.

Die Strömung von Hydrauliköl hat entscheidenden Einfluss auf z.B. den Energieverlust einer Hydraulikanlage.

Wir unterscheiden zwei Strömungsarten.

  • Laminare Strömung
  • Turbulente Strömung

Die Reynoldsche Zahl Re hilft bei der groben Berechnung von Strömungsarten.

Durch turbulente Strömung kommt es zu Druckunterschieden einer Flüssigkeit zwischen zwei Punkten im Hydrauliksystem.

Es macht dabei keinen Unterschied ob sich die Punkte zwischen dem Einlass und dem Auslass eines Ventils oder auf zwei weit entfernten Punkten im Rohrleitungssystem befinden.

Dieser Druckunterschied sorgt für einen Druckabfall durch z.B. Querschnittsverengung, Änderung der Strömungsrichtung, eigentlich durch alles was den Förderstrom beeinflussen kann.

Diese Einflüsse sorgen dafür, dass ein Hydrauliksystemen die sogenannten Druckstöße hervorbringt.

Die Stöße sind Vibrationen im Hydrauliksystem, die von der Flüssigkeit ausgelöst werden, weil die Flüssigkeit versucht zurückzuströmen bzw. die Richtung ändert.

Die zwischen zwei Punkten eingeschlossene Flüssigkeit ist Stoßwellen mit sehr hohen Geschwindigkeiten ausgesetzt.

Diese Stoßwellen erzeugen dabei einen Druckanstieg der um ein vielfaches höher als der Betriebsdruck ist.

Diese Druckspitzen führen immer wieder zu Schäden an hydraulischen Bauteilen, Rohren und Schläuche, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Druckes in Flüssigkeiten entspricht rund der dreifachen Schallgeschwindigkeit Die kinetische Energie einer Druckflüssigkeit darf bei den Berechnungen nicht vernachlässigt werden.

Kehrt die Flüssigkeit in den ruhenden Zustand zurück sind keine Druckspitzen mehr wahrzunehmen.

Ein Mittel um Druckspitzen vorzubeugen sind Druckspeicher im System zu installieren.

Druckabfall, Druckstöße, Turbulenzen und Druckspitzen sorgen für einen Energieverlust in hydraulischen Systemen.

Die Energie wird in Wärme umgewandelt, das sorgt für einen Temperaturanstieg der Hydraulikflüssigkeit und der Baugruppen.

Durch diese Faktoren kommt es an Bauteilen zur Kavitation, Material wird ausgewaschen. Durch Druck, Geschwindigkeit, Reibung und den damit verbundenen negativen Einflüssen wird an Kanälen und Rohren strahlartig Material abgetragen infolge einer konzentrierten Strömungsturbulenz gegen das entsprechende Bauteil.

Die Kavitation entsteht durch Lufteinschlüsse in der Flüssigkeit, Hydrauliköl kann bis zu 9% aufnehmen. Turbulenzen im strömender Flüssigkeit sorgen für die Bildung von Dampfblasen und es bilden sich Hohlräume. Kavitation tritt in verschiedenen Formen auf.

  • Schwingungskavitation
  • Strömungskavitation
  • Sidekavitation

In der Fluidtechnik finden wir die Strömungskavitation am häufigsten vor. Bedingt durch Umlenkung des Volumenstroms und Querschnittsänderungen kommt es zum abreißen des Förderstroms und es entstehen Verwirbelungen. In diesen Wirbeln ist die Geschwindigkeit so hoch das dort Dampfblasen entstehen können.

All das kann den optimalen Betrieb einer Hydraulikanlage negativ beeinflussen und führt irgendwann zum Ausfall von Bauteilen.

Fluidtechnik