CFD-Simulation für hydraulische Steuerblöcke

Eine Produktauslegung hinsichtlich Langlebigkeit der Komponenten und insbesondere Energieeffizienz ist seit einiger Zeit für Herstellerfirmen unerlässlich. Den nötigen Handlungszwang dazu liefern globales Klima und Konkurrenzfähigkeit. Ist diese Denkweise tatsächlich erst die letzten Jahre aufgekommen oder war es nicht schon immer im Interesse von Anlagenbetreibern, die benötigte Energie zu minimieren und damit bares Geld zu sparen?

Für eine effiziente Auslegung von Steuerblöcken ist Simulationssoftware von großem Vorteil. Dadurch können unter anderem kritische Betriebsbedingungen wie Kaltstart, hohe Öltemperatur oder Auftreten von Kavitation im frühen Entwicklungsstadium kostengünstig beurteilt werden. Auch lassen sich die Erfüllung von Produktanforderungen im Vorfeld klären. Diesen Schritt hin zu Simulationstechniken ist nun auch der niederbayerische Steuerblock-Spezialist Schnupp Hydraulik gegangen. Mithilfe von CFD-Simulation (englisch computational fluid dynamics) erhofft sich das Unternehmen ein detailliertes Bild von der Strömungssituation durch einen hydraulischen Steuerblock zu machen. Jede Abzweigung und Querschnittsänderung verursacht im Steuerblock Druckverluste, welche im Dauereinsatz, zum Beispiel in einem Prüfstand, zu erhöhten Kosten führen. Ziel bei Schnupp ist es, Auswirkungen von Geometrieänderungen auf die Strömung abzuschätzen und somit Druckverluste über den Steuerblock zu vermindern.

Um geeignete Software auszuwählen, griff das Unternehmen auf Beratung durch die Firma Cadfem zurück, welche den Hersteller in der Vergangenheit bereits in anderen Simulationsbereichen unterstützt hatte. Die Wahl fiel auf Ansys Discovery. Die Software überzeugte den Hersteller vor allem mit Einfachheit, Robustheit und vor allem die Schnelligkeit des Systems.

Ansys Discovery bietet ein Konstruktionstool und strukturmechanische und strömungsmechanische Simulation unter einer gemeinsamen Benutzeroberfläche. Die grafische Auswertung der Simulationsergebnisse ist direkt eingebunden, wodurch es gut zum Experimentieren geeignet ist. Gerade im Bereich der Steuerblockkonstruktion lassen sich fluiddynamische Trends durch Geometrieänderungen schnell qualitativ abschätzen. Vor allem der eingebundene Explore-Modus erlaubt bei stationärer Berechnung Auswertungen innerhalb von Sekunden bis Minuten. Für detailliertere CFD-Berechnungen stehen der Analyze-Modus sowie für einen tieferen Einstieg Schnittstellen zu etablierter Ansys-Simula­tionssoftware zu Verfügung.

Die Vorgehensweise bei der Strömungs-Berechnung im Explore-Modus läuft grundsätzlich wie die Simulation mit anderen etablierten CFD-Tools ab. Beim Steuerblock muss zuerst das Fluidvolumen extrahiert werden. An diesem Volumen können später Geometrie-Anpassungen vorgenommen werden. Anschließend erfolgt die Definition von Randbedingungen (zum Beispiel Volumenstrom, Einlass- und Auslassöffnungen) und Eingabe von einigen Berechnungsparametern, beispielsweise Viskosität und Dichte. Direkt nach abgeschlossener Berechnung können die Ergebnisse, zum Beispiel der Druckverlust zwischen Ein- und Auslassseite, grafisch dargestellt oder definierte Messpunkte ausgewertet werden.

In einem Steuerblock können an verschiedenen Stellen Verbesserungen hinsichtlich des Druckverlusts vorgenommen werden. So gilt es, Bohrungsdurchmesser möglichst groß zu wählen, Übergänge, wo möglich, fließend zu gestalten oder Rezirkulationsgebiete zu vermeiden. Ein Steuerblock ist immer ein Kompromiss zwischen Anforderungen und Funktion, verfügbarem Bauraum und strömungstechnisch optimaler Gestaltung, das heißt möglichst geringem Druckverlust und kavitationsfreier Fluidf­ührung.

Bei einer hohen Fertigungstiefe – wie bei Schnupp – sind solche strömungsmechanischen Optimierungen dann schnell umgesetzt. Den größten Vorteil bei der Discovery-Software sehen die Verantwortlichen darin, dass die Konstrukteure und Konstrukteurinnen eigenständig Trends in kurzer Zeit erkennen. Der Einsatz der Simulationssoftware gliedert sich dabei in zwei Teilbereiche: Verbesserung bestehender Produkte und Verkürzung der Entwicklungszeit bei Neuentwicklungen.

In Zukunft will die Firma weiterhin auf CFD-Simulation setzen, vor allem, weil dadurch neue Ideen schnell bewertet und umgesetzt werden können. Als positiver Nebeneffekt steigt das firmeninterne Blockfachwissen für die Mobil- und Stationärhydraulik.

Um auf die eingangs gestellte Frage zurückzukommen: Energie einzusparen stand immer schon im Fokus von Maschinenherstellern und -betreibern. Jedoch rückte diese Denkweise in letzter Zeit stärker in den Vordergrund, nicht nur wegen dem Klimaschutz und der Konkurrenzfähigkeit, sondern auch durch (software-)technischen Fortschritt. Durch verbesserte Berechnungsmethoden, gekoppelt an leistungsstärkere Computer, wurde es überhaupt erst möglich, die Energieeffizienz von Produkten derart zu steigern, wie es heute möglich ist. Im Bereich der Steuerblockkonstruktion sind durchaus signifikante Verbesserungen hinsichtlich der Energieeinsparung zu erwarten. Mithilfe von aktueller Simulationssoftware machen sich Hersteller ein gutes Bild von der gegebenen Strömungssituation.