Strömungsinduzierte Schwingungen durchströmter Hubventile

In industriellen Anlagen werden Hubventile eingesetzt, um Stoffströme zu regulieren. Im durchströmten Hubventil können Schwingungen im Betrieb entstehen, die zum Stillstand der Anlage führen.
Das Hubventil setzt sich aus einem Gehäuse, der Ventilgarnitur, bestehend aus Ventilstange mit angeschraubten Drosselkörper und Ventilsitz sowie dem Gehäusedeckel, in dem die Lagerung der Ventilstange untergebracht ist, zusammen.
Das Hubventil regelt den Stoffstrom, indem es seinen Strömungswiderstand anpasst. Der Strömungswiderstand wird durch Heraus- oder Hineinfahren des Drosselkörpers in den Ventilsitz eingestellt. Dabei wird die Strömung in den Spalt zwischen Drosselkörper und Ventilsitz beschleunigt und beim Verlassen des Spaltes verzögert.
In der Dissertation wird die Hypothese aufgestellt, dass die Spaltströmung zwischen Drosselkörper und Ventilsitz der Grund für selbsterregte Schwingungen des Hubventils ist.
Zur Überprüfung dieser Hypothese werden umfangreiche experimentelle Parameterstudien durchgeführt, bei denen die radiale Bewegung des Drosselkörpers in der Ebene und damit die transversale Schwingung der Ventilstange erfasst werden. Die Experimente zeigen Schwingungen der Ventilstange nahe ihrer Biegeeigenfrequenzen. Dabei bestätigen die Experimente teilweise die Berechnungsergebnisse, deren Grundlage ein Eigenwertproblem darstellt. Das aufgestellte Berechnungsmodell zeigt einen deutlichen Einfluss der Neigung zwischen Drosselkörper und Ventilsitz auf die Schwingungen des Ventils. Eine messtechnische Erfassung der Neigung des Drosselkörpers war jedoch nicht möglich.
Die Rechenzeit des aufgestellten Modells ist im Vergleich zu dreidimensionalen Fluid-Struktur-Simulation drastisch reduziert und kann daher zur Auslegung von Hubventilen wirtschaftlich eingesetzt werden.