Design of the inlet flow of a hydraulic reservoir to prevent structural damage

Abstract

Hydraulic power supplies are often chosen as an energy source in industry applications. Because of their reliability and high power density these units are very popular in high demanding tasks. One of these applications are injection moulding machines. High oil quality is the requirement to ensure a highly functional power unit. Therefore, the hydraulic reservoir must take care of maintaining the oil quality on a high level. One way to achieve this is to harmonise the flow filed. This research work focuses on the impact of the flow state of different inlet configurations of a prismatic shaped hydraulic reservoir. The layout of the tank consists of a few inlets and two outlets. To obtain an in-depth view of the flow state inside the tank CFD simulations were carried out. The standard inlet pipe configuration is compared to a newly diffuser design to reveal changes of swirling within the hydraulic reservoir. The convergence behaviour was determined by an analysis of different meshes with varying resolution. The investigation of the diffuser was done separately to obtain a better view of flow characteristics of the diffuser itself. For modelling turbulence flow the SST k-ω model was applied. All CFD simulations are carried out with ANSYS Fluent V2020R2. The post-CFD data is displayed within ANSYS CFX post CFD toolbox. The outcome of this research work presents that changes of the inlet configuration may lead to less mechanical stress on the reservoir’s structure. In particular an adaptation of the thickness of the plates to lower values appears reasonable. Additionally the newly diffuser design effects the swirling behaviour in a positive manner.

Hydraulische Antriebsaggregate sind in vielen Bereichen der Industrie heutzutage nicht mehr wegzudenken. Gerade aufgrund ihrer Zuverlässligkeit und hohen Leistungsdichte qualifizieren sie sich für den Einsatz von anspruchsvollen Tätigkeiten, wie es beispielsweise der Fall von Spritzgießmaschinen ist. Um ein effizient arbeitendes Aggregat zu gewährleisten, muss eine hohe Güteklasse der Hydraulikfüssigkeit sichergestellt werden. Eine Möglichkeit um Einfluss auf die Qualität des Hydrauliköls zu nehmen ist, das Strömungsfeld zu beruhigen und Verunreinigungen zu vermeiden. Die Auswirkungen von unterschiedlich gestalteten Zuläufen auf das Strömungsfeld eines Hydrauliktanks werden in dieser Forschungsarbeit genauer untersucht. Bei dem Hydraulikbehälter handelt es sich um einen quaderförmigen Tank mit vier Zuleitungen und zwei Abläufen. Es wurden CFD-Simulationen des Hydrauliktanks gemacht, um ein besseres Verständnis über das Strömungsfeld zu bekommen. In dieser Arbeit werden die Vor- und Nachteile von typischen in der Industrie eingesetzten Zuläufen mit einem neuartigen Diffuser-Layout verglichen. Der Fokus liegt auf der Entwicklung des Strömungsfeldes und den entstehenden Verwirbelungen. Um ein besseres Bild der Auswirkungen des Diffusers auf das Strömungsfeld zu haben, ist das Diffuser-Design isoliert betrachtet worden. Das Konvergenzverhalten ist mit unterschiedlich feinen Vernetzungen überprüft worden. Um das Turbulenzverhalten im Tank beschreiben zu können wird vom SST k-ω Modell Gebrauch gemacht. Sowohl die CFD-Simulationen als auch die Auswertung und Darstellung der CFD Daten sind mittels ANSYS Fluent V2020R2 und ANSYS CFX durchgeführt worden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen auf, dass eine Adaptierung der Zuläufe die mechanische Belastung auf die Struktur des Hydrauliktanks reduzieren kann. Zusätzlich werden durch die lamellare Anordnung der Bleche des Diffusers die Verwirbelungen verringert.