Virtausprofiilien vaikutus staattisten hydrauliikkajärjestelmien toimintaan

Abstract

Virtausprofiileilla on suuri merkitys staattisten hydrauliikkajärjestelmien suunnittelussa. Profiilin muutos laminaarisesta turbulentiksi luo kitkaa virtauksen ja putken seinämän välillä, mikä lisää painehäviöitä, huonontaa hyötysuhdetta sekä aiheuttaa järjestelmän kulumista. Virtausprofiilien optimoimisen esteenä on järjestelmiä suunniteltaessa muun muassa tilankäyttöön, kustannuksiin sekä järjestelmän käyttöasteeseen liittyviä tekijöitä. Tässä kandidaatintyössä perehdytään staattisten hydrauliikkajärjestelmien suunnitteluun nimenomaan virtausprofiilien näkökulmasta.

Hydrauliikkajärjestelmien suunnittelu tehdään yleensä joko painehäviöön tai virtausnopeuksiin perustuvien mitoitusten perusteella. Näistä molemmat liittyvät kuitenkin suoraan järjestelmän painehäviöön ja siten myös siinä esiintyviin virtausprofiileihin. Lisäksi suunnittelun tärkeänä parametrina voidaan pitää järjestelmän käyttöastetta, jonka perusteella sen ominaisuudet määräytyvät.

Työn alussa käsitellään virtauksen perusteita, esitellään laminaarinen ja turbulentti virtaus sekä putkihydrauliikkaan liittyviä kaavoja. Tämän jälkeen käydään läpi hydrauliikan ja hydrauliikkajärjestelmien perusteita sekä hydrauliikkajärjestelmien mitoitusta. Työn lopuksi esitellään esimerkkitapaus hydrauliikkajärjestelmästä: miten se toteutetaan nyt ja miten sitä voisi kehittää?

Työn tuloksista havaitaan, että järjestelmän virtausprofiilin muutos turbulentista laminaariseksi vähentää putkiston painehäviöitä huomattavasti, mutta järjestelmän kokonaispainehäviöön se vaikuttaa vain vähän. Voidaan siis sanoa, että virtausprofiileilla on usein pienempi vaikutus järjestelmän toimintaan kuin oikeanlaisten komponenttien valinnalla. Kuitenkin putkistojen pituuden kasvaessa myös painehäviöt kasvavat, jolloin myös virtausprofiilien merkitykset lisääntyvät. Laminaariseen virtaukseen siirtyessä järjestelmän ominaisuudet voivat kuitenkin kärsiä, koska laminaarinen virtaus vaatii joko pienempää tilavuusvirtaa tai suurempia putkiston halkaisijoita, mitkä aiheuttavat muun muassa järjestelmän vasteajan laskua, ja siinä olevan jouston kasvua.