DE2717821A1 - Verfahren zum herabsetzen der abtragenden korrosion in einem hydroventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herabsetzen der abtragenden Korrosion in einem Hydroventil sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Hydroventil.

Seit einiger Zeit hat man erkannt, daß in hydraulischen Systemen, die unter hohen Druck stehende Hydraulikflüssigkeit auf Phosphatbasis enthalten und beispielsweise in Flugzeugen, Landfahrzeugen und Steuereinrichtungen für Dampfturbinen eingebaut sind oder für andere Zwecke verwendet werden, an den Steuerkanälen der Ventile dieser Systeme Metall abgetragen wird, weil an diesen Stellen eine elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion auftritt. Eine derartige elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion an den metallischen Steuerkanälen in einem Hydroventil über einer anderen Drosseleinrichtung in einem hydraulischen System führt bald zum Auftreten von Leckströmen, die so stark werden können, daß der Durchfluß durch das Ventil und das Druckgefälle an dem Ventil nicht mehr einwandfrei steuerbar sind, so daß die zu steuernde Einrichtung unstabil arbeitet und das ganze hydraulische System bis zur Zerstörung überhitzt wird.

Diese Hydraulikflüssigkeiten auf Phosphatbasis werden seit

1953 in kommerziellen Flugzeugen und seit Anfang der Sechzigerjahre in Steuerungen für Dampfturbinen verwendet, weil auf diese Weise die Brandgefahr herabgesetzt werden kann. Nachdem im Jahre 1965 das in Großbritannien hergestellte Flugzeug vom Typ Trident, das mit Servosteuerungen versehen ist, in Dienst gestellt wurde, hat das Personal der britischen Fluggesellschaft British European Airways im Betrieb dieses Flugzeuges in den hydraulischen Systemen zunehmende Undichtigkeitserscheinungen festgestellt, die auf eine starke Materialabtragung an den Steuerkanten der Servo- und anderer Hydroventile zurückzuführen ist.

Im Jahre 1965 oder danach kamen sowohl mit der Strömungstechnik vertraute Chemiker und Physiker als auch Hydraulikingenieure in Großbritannien und den Vereinigten Staaten zu dem Schluß, daß diese Materialabtragung auf Kavitation zurückzuführen ist. Die Probleme, Bemühungen zu ihrer Lösung und in diesem Zusammenhang gewonnene Erkenntnisse sind beispielsweise von W. Hamilton von der A.F.R.Ac.S. und der Technical Service Dept. der Firma Hawker Sidley Aviation Ltd. in einem Artikel beschrieben worden, der im Dezember in der britischen Zeitschrift "Aircraft Engineering" erschienen ist. Man hat versucht, diese starke Materialabtragung durch einen Zusatz von Wasser zu den Flüssigkeiten auf Phosphatbasis herabzusetzen, doch wurde dadurch die Materialabtragung nur bei nicht verunreinigten Hydraulikflüssigkeiten herabgesetzt. Wenn die Hydraulikflüssigkeiten dagegen mit Halogeniden, Chlor oder Fluor chemisch verunreinigt waren, konnte die Materialabtragung durch einen Wasserzusatz nicht herabgesetzt werden.

Im Jahre 1967 trat dasselbe Problem in in den Vereinigten Staaten hergestellten Dampfturbinensteuerungen auf, in denen Hydraulikflüssigkeiten auf Phosphatbasis verwendet wurden. Dabei hat es sich gezeigt, daß durch periodisches Filtrieren dieser Hydraulikflüssigkeiten mit Hilfe von Fullererdefiltern diese Materialabtragung auf ein erträgliches, wenn auch nicht befriedigendes Maß herabgesetzt werden konnte.

Ebenfalls im Jahre 1967 wurden dieselben Abtragungserscheinungen auch in Flugzeugen festgestellt, die in den Vereinigten Staaten von Amerika hergestellt worden waren und in denen Hydraulikflüssigkeiten auf Phosphatbasis verwendet wurden. Diese Abtragungserscheinungen und die damit verbundenen Erscheinungen sind bis heute nicht beseitigt worden.

Im Jahre 1969 haben Wissenschaftler der Firma The Boeing Company in Seattle, Washington, festgestellt, daß die Abtragungserscheinungen nicht auf Kavitation, sondern auf elektrochemische Erscheinungen zurückzuführen sind, die jetzt als elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion bezeichnet werden. Diese Erkenntnisse sind von J. Olsen, T.R. Beck und D.W. Mahaffey in dem im September 1969 herausgegebenen Boeing Scientific Research Laboratory Report D-1-32-0839 unter dem Titel "Corrosion of Servo Valves by Electrokinetic Streaming Current" beschrieben.

Es hat sich gezeigt, daß eine starke, elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion auftritt, wenn die Hydroventile in der Nullstellung fast geschlossen sind und wenn die Durchflussmenge nur klein ist. Ferner ist erkannt worden, daß die elektrokinetisch bedingte, abtragende Erosion nicht in allen Schaltstellungen des Ventils auftritt und daß bei Stellungen zwischen der Nullstellung nahe benachbarten Stellungen und der ganz geöffneten Stellung im wesentlichen keine elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion auftritt.

Seit 1965 haben sich Ingenieure und Wissenschaftler in mehr als 25 Firmen in den Vereinigten Staaten von Amerika, in Europa und in Japan bemüht, die an den Steueröffnungen von Hydroventilen oder anderen Drosseleinrichtungen für Hydraulikflüssigkeiten auf Phosphatbasis auftretende, elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion zu beseitigen oder wenigstens herabzusetzen. In dieser Zeit und bis zum jetzigen Zeitpunkt wurden die Buchsen der Hydroventile mit von scharfen Kanten und scharfen Ecken begrenzten, quadratischen oder rechteckigen Kanälen ausgebildet, an die eine Steueröffnung anschließt, die durch die Bewegung eines Kolbens vergrößert oder verkleinert werden kann. In den von mindestens zwei Firmen für die Herstellung der die Steueröffnungen begrenzenden Bauteile herausgegebenen Detailzeichnungen ist angegeben, daß die Steuerkanten scharf und gratfrei sein müssen.

Von einem derartigen Servoventil wird also gefordert, daß einerseits die elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion möglichst gering ist und andererseits das Ventil gut anspricht. In den meisten Fällen darf das Ventil in seiner Nullstellung keine tote Zone haben, sondern soll es auf eine Betätigung schnell ansprechen. Beim Öffnen eines Servoventils mit quadratischen oder rechteckigen Steueröffnungen nimmt die Durchflussmenge linear zu. Wenn die gewünschte

Durchflussmenge und die gewünschte Veränderung derselben mit Bauteilen erzielt werden sollen, die leicht hergestellt, bearbeitet und nachbearbeitet werden können, hat man bisher ortsfeste Buchsen mit scharfkantig begrenzten Kanälen und Kolben mit scharfen Steuerkanten bevorzugt. Dabei werden die gewünschten Ergebnisse nur erzielt, wenn die Passtoleranz zwischen den Steuerkanten des Kolbens und der Steuerkanten der Kanäle der Buchse höchstens 0,00254 bis 0,00762 mm beträgt.

Bisher wurde bei der Ausbildung der Steueröffnungen von Hydroventilen vor allem darauf Wert gelegt, daß bei einer großen Durchflussmenge der Druckabfall an dem Ventil möglichst klein ist.

Dabei konnten aber die elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion der Bauteile der Ventile und die schwerwiegenden Folgen dieser Korrosion nicht beseitigt werden. In extremen Fällen fällt das ganze Hydrauliksystem aus, weil der Leckstrom dem maximalen Förderstrom der Pumpe entspricht, so daß für die hydraulischen Steuerfunktionen kein Anteil des Förderstroms mehr zur Verfügung stellt. Andererseits werden Hydraulikflüssigkeiten auf der Basis von Phosphorsäureestern besonders in Flugzeugen auch in Zukunft verwendet werden, weil dadurch die Gefahr des Auftretens eines Brandes und die Folgen eines aufgetretenen Brandes herabgesetzt werden können.

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung von metallischen Bauteilen für Hydroventile und von Verfahren zur Herstellung dieser Bauteile mit dem Ziel der Schaffung von Hydrauliksystemen, in denen die elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion und durch sie verursachte Störungen vermieden werden.

Dieses Ziel wird durch die Schaffung von metallischen Bauteilen erreicht, mit denen in den Hydroventilen die Strömung der Hydraulikflüssigkeit derart gesteuert werden kann, daß starke elektrokinetische Strömungsströme und durch sie verursachte und zur abtragenden Korrosion führende Wandströme vermieden werden.

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung in der Verbesserung der bekannten Ventile mit dem Ziel, durch Herabsetzung der abtragenden, elektrochemischen Korrosion die Gebrauchsdauer der Ventile zu verlängern und zu diesem Zweck derartige metallische Bauteile für Hydroventile und Verfahren zum Herstellen dieser Bauteile zu schaffen, daß in den solche Ventile enthaltenden Hydrauliksystemen das Auftreten von Störungen, die auf elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion zurückzuführen sind, vermieden wird.

Mit dem Ziel der Verbesserung der bekannten Hydroventile wurde auf Grund einer quantitativen Untersuchung eine mathematische Gleichung entwickelt, die durch den Vergleich von Ergebnissen der theoretischen Analyse mit Prüfungsergebnissen bestätigt wurde, die von Mitarbeitern der Firma The Boeing Company ermittelt und in den Report D1-32-0839 der Firma The Boeing Company angegeben sind. Die neu entwickelte Gleichung lautet:

Dabei bedeutet: iP Wandstrom (iP)j Wandstrom an einem gewählten Punkt im Abstand von der Steuerkante relative Dielektrizitätskonstante absolute Dielektrizitätskonstante in einem Vakuum

elektrokinetisches Potential

Q Durchfluß durch Steuerkanal A Mindestquerschnittsfläche an Steuerkante Rj potentielle Reynolds-Zahl (Reynolds-Zahl einer angenommenen Strömung) an einer gewählten Stelle, die im Abstand stromaufwärts von der Steuerkante angeordnet ist RO potentielle Reynolds-Zahl (Reynolds-Zahl der angenommenen Strömung) an der Steuerkante 2,85 ein Exponent, der die in der analytischen Statistik anzuwendende Potenzfunktion angibt.

Die Ermittlung einiger zum Rechnen mit dieser Gleichung in sie einzusetzenden Werte ist in der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen angegeben. Auf Grund des Studiums der Parameter dieser Gleichung wurden bevorzugte Ausbildungen der Steueröffnungen und Steuerkanten entwickelt, deren Abmessungen auf Grund von mehreren Lösungen dieser Gleichung bestimmt wurden. Da eine Anzahl dieser bevorzugten Ausbildungen und ein Bereich dieser Abmessungen ermittelt worden ist, ist jetzt die Entwicklung von Steueröffnungen möglich, in denen durch die Beeinflussung des elektrokinetischen Strömungsstroms der Wandstrom verschieden stark unterdrückt wird.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils zur Beeinflussung der Strömung einer Flüssigkeit auf der Grundlage von Phosphorsäureestern ist eine ortsfeste Buchse mit einem Eintrittskanal ausgebildet, an den eine Steueröffnung anschließt, die von einer Steuerkante begrenzt ist, die in zur Achse des Eintrittskanals parallelen Ebenen abgerundet ist, während die Steueröffnung in einer zur Achse des Eintrittskanals senkrechten Ebene von im Abstand voneinander angeordneten, parallelen, als Steuerkanten dienenden Längskanten, sowie von konkav gekrümmten Querkanten und zwischen ihnen mit abgerundeten Ecken begrenzt ist, die glatt in die Längs- und Querkanten übergehen. In dieser Ausführungsform besitzt der zylindrische Kolben eine im Querschnitt abgerundete, ringförmige Umfangskante, die ebenfalls eine die Steueröffnung begrenzende Steuerkante bildet.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt

Fig. 1 in einer schaubildlichen Teildarstellung, in welcher der Deutlichkeit halber Teile weggelassen sind, eine Baugruppe eines bekannten Hydroventils, das in einer hydraulischen Steuerung in einem Flugzeug verwendet wird und in dem eine durch die Bewegung eines Kolbens in einer Buchse veränderbaren Steueröffnung von scharfen Steuerkanten begrenzt ist,

Fig. 2 ebenfalls in einer schaubildlichen Teildarstellung, in welcher der Deutlichkeit halber Teile weggelassen sind, eine Baugruppe eines bekannten Hydroventils in Form eines Flachschiebers mit zwei relativ zueinander drehbaren Scheiben, die eine Steueröffnung begrenzen, deren Fläche durch die Drehung der Scheiben relativ zueinander veränderbar ist, und

Fig. 3 im Querschnitt schematisch ein Teil eines aus einem Kolben und einer Buchse bestehenden Servoventils in der hydraulischen Steuerung eines Flugzeuges. In dieser Figur ist der starke elektrokinetische Strömungsstrom angedeutet, der zur Erzeugung des Wandstroms und damit zur unerwünschten, elektrokinetisch bedingten, abtragenden Korrosion an den Steueröffnungen des Ventils führt, wenn dieses in seiner Nullstellung fast geschlossen ist oder wenn die Durchflussmenge nur sehr klein ist. Dabei sind durch Plus- und Minus-Zeichen die Stellen angedeutet, in dem sich in einem bestimmten Zeitpunkt die positiven und negativen Ionen des elektromagnetischen Strömungsstroms befinden.

Fig. 4 zeigt in einer der Fig. 1 ähnlichen Darstellung eine erste Ausführungsform der Erfindung, in der einige der die Steueröffnungen begrenzenden Steuerkanten der Buchse und des Kolbens ein abgerundetes Profil haben, wobei gestrichelt eine Projektion des die Buchse durchsetzenden Kanals angedeutet ist.

Fig. 4a zeigt im Schnitt einen Teil des Ventils gemäß Fig. 1 zur besseren Darstellung der Abrundung der Steuerkanten.

Fig. 5 zeigt in einer der Fig. 2 ähnlichen Darstellung eine zweite Ausführungsform der Erfindung, in der einige der die Steueröffnungen begrenzenden Steuerkanten beider Scheiben ein abgerundetes Profil haben.

Fig. 6 zeigt in einer der Fig. 4 ähnlichen Darstellung eine dritte Ausführungsform der Erfindung, in der mehr die Steueröffnungen begrenzende Steuerkanten abgerundet sind als in Fig. 4, wobei die gestrichelten Linien eine

Projektion des die Buchse durchsetzenden Kanals andeuten.

Fig. 6A zeigt in einer Teildarstellung schaubildlich einen Teil des die Buchse gemäß Fig. 6 durchsetzenden Kanals und lässt die abgerundeten Ecken des Kanals erkennen.

Fig. 7 zeigt in einer der Fig. 5 ähnlichen Darstellung eine vierte Ausführungsform der Erfindung, in der mehr der die Steueröffnungen begrenzenden Steuerkanten abgerundet sind als in Fig. 5, und zwar auch an dem die obere Scheibe des Ventils durchsetzenden Kanal.

Fig. 8 und 9 zeigen schaubildlich bzw. im Querschnitt als Teildarstellungen gemeinsam das abgerundete Profil der die Steueröffnung begrenzenden Steuerkanten der Buchse. Dabei sind in den Figuren 8 und 9 Stromlinien der Strömung der Hydraulikflüssigkeit, Äquipotentiallinien dieser Strömung, Linien gleicher Geschwindigkeit dieser Strömung und eine beiden Darstellungen gemeinsame, zentrale Bezugslinie gezeigt.

Fig. 10 zeigt in einer der Fig. 6 ähnlichen Darstellung eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, in der mehr der die Steueröffnungen begrenzenden Steuerkanten abgerundet sind als in Fig. 6 und der die Buchse durchsetzende Kanal von einer bogenförmigen Wandung begrenzt ist, wobei gestrichelt eine Projektion des die Buchse durchsetzenden Kanals angedeutet ist.

Fig. 11 zeigt in einer der Fig. 7 ähnlichen Darstellung eine sechste Ausführungsform der Erfindung, in der mehr der die Steueröffnungen begrenzenden Steuerkanten abgerundet sind als in Fig. 7 und der die Ventilscheibe durchsetzende Kanal ebenfalls von einer bogenförmigen Wandung begrenzt ist.

Fig. 12 zeigt im Schnitt, abwärts in einen Teil des die Buchse gemäß Fig. 6 durchsetzenden Kanals gesehen, die bogenförmige Seitenwandung des Kanals.

Fig. 13 im Längsschnitt einen Teil des die Buchse gemäß Fig. 12 durchsetzenden Kanals in einer zur Ebene der Fig. 12 rechtwinkligen Ebene und einen Teil des Kolbens, der in mehreren Stellungen relativ zu der Buchse gezeigt ist, und zwar in der Schließstellung und in verschiedenen Offenstellungen.

Fig. 14 zeigt in einem Kurvenbild den Verlauf der Durchflussmenge durch das Ventil gemäß Fig. 12 und 13 beim Aufsteuern der Steueröffnung durch die Öffnungsbewegung des Kolbens.

Fig. 15 und 16 erläutern in den Figuren 13 bzw. 14 ähnlichen Darstellungen eine siebente Ausführungsform, die aus einem Wegeventil mit mehreren Zylinderanschlüssen besteht. Dabei sind in Fig. 15 die von abgerundet profilierten Steuerkanten begrenzten Steueröffnungen zwischen der Buchse und dem Kolben dargestellt und ist in Fig. 16 der Verlauf der durch das Ventil tretenden Durchflussmenge bei verschiedenen Durchflussrichtungen und Veränderungen der Steueröffnungen durch eine Bewegung des Kolbens dargestellt.

Fig. 17 erläutert in einem Kurvenbild die Schwankungen der Wandstromdichte in Anwesenheit eines starken elektrokinetischen Strömungsstroms.

Fig. 18 zeigt im Schnitt einen Teil einer Buchse mit scharfen Kanten und der benachbarten Steuerfläche eines Kolbens in einem Hydroventil, wie es jetzt in Flugzeugen verwendet wird, sowie schematisch die Äquipotentiallinien oder Linien gleicher Geschwindigkeit und die Stromlinien.

Fig. 19 dient zum Vergleich mit Fig. 18 und zeigt in einer der Fig. 9 ähnlichen Darstellung die abgerundeten Steuerkanten der Buchse und des Kolbens eines Hydroventils gemäß der Erfindung und schematisch die Äquipotentiallinien oder Linien gleicher Geschwindigkeit und die Stromlinien.

Fig. 20 ist ein Vergleichs-Kurvenbild, aus dem hervorgeht, wie durch die Beseitigung der Ursache für den starken elektrokinetischen Strömungsstrom und den mit ihm auftretenden Wandstrom die Reynolds-Zahl in verschiedenen Abständen von einer verengten Steueröffnung im Sinne einer Flüssigkeitsströmung verändert werden kann. Dabei gilt die obere Kurve für eine scharfkantige begrenzte Steueröffnung und die untere Kurve für eine von im Profil abgerundeten Kanten begrenzte Öffnung.

Fig. 21 zeigt ein von dem Erfinder entwickeltes Kurvenbild, aus dem die Veränderung der Wandstromdichte in Abhängigkeit von dem Abstand von einer verengten Steueröffnung hervorgeht, die von scharfen Kanten und Ecken begrenzt ist.

Fig. 22 zeigt in einem der Fig. 21 ähnlichen Kurvenbild im Vergleich mit der Kurve gemäß Fig. 21 für ein Ventil mit scharfen Kanten und Ecken eine Kurve zur Darstellung der Daten, die in dem vorstehend erwähnten Forschungsbericht der Firma The Boeing Company angegeben sind. Im unteren Teil der Fig. 22 ist ferner eine Kurve eingezeichnet, welche die minimale Wandstromdichte darstellt, die der von abgerundeten Flächen begrenzten Steueröffnung gemäß der Erfindung auftreten. Dabei liegen den Figuren 21 und 22 hinsichtlich der Druckdifferenzen an den verengten Steueröffnungen und den sich diesen verengten Steueröffnungen nähernden Strömungsmengen der Hydraulikflüssigkeit gleiche Strömungsbedingungen zugrunde.

Fig. 23 erläutert in einem Kurvenbild den Verlauf der Leckmenge der Hydraulikflüssigkeit während eines Prüfungszeitraums, wobei eine erste Kurve die Leckmengen darstellt, die in einem bekannten Hydroventil auftreten, dessen Steueröffnung von scharfen Kanten und scharfen Ecken begrenzt ist, und eine zweite Kurve die Leckmengen, die in einem erfindungsgemäßen Hydroventil auftreten, dessen Steueröffnung von abgerundeten Ecken und Kanten begrenzt ist.

Fig. 24 bis 28 zeigen in schematischen Teildarstellungen mögliche Formen der Kanten und Ecken in Hydroventilen gemäß der Erfindung, wobei einfache Schrägflächen, mehrfache Schrägflächen, eine Kombination einer Schrägfläche und eines Radius, eine Kombination von Radien und eine Koppelkurve dargestellt sind.

Fig. 29 zeigt in einer Teildarstellung ein Freifluß-Hydroventil, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus einem Eintrittskanal in eine den Kolben umgebende, ringförmige Verteiler
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eintritt, deren austrittsseitige Kanten ähnlich profiliert sind wie die Steuerkanten des Kolbens.

Bei seinen Bemühungen zur Beseitigung der elektrokinetisch bedingten, abtragenden Korrosion in Hydroventilen für Hydraulikflüssigkeiten auf Phosphatbasis kam der Erfinder bald zu der Erkenntnis, daß zunächst die Bedingungen erforscht und quantitativ bestimmt werden müssen, unter denen diese abtragende Korrosion an den die Steueröffnungen begrenzenden Stellen der metallischen Bauteile der Ventile auftritt und daß danach herausgefunden werden muß, wie diese Bedingungen so verändert werden können, daß die abtragende Korrosion vermindert oder verhindert wird. Dabei war in erste Linie eine quantitative Analyse der Strömung der Hydraulikflüssigkeit, ihres Verhaltens bei einer Querschnittsverengung, und ihres elektrokinetischen Strömungsstroms und des gleichzeitig mit ihm auftretenden Wandstroms erforderlich. Dann hat der Erfinder eine Gleichung entwickelt und unter Verwendung der Ergebnisse seiner Analyse und der Gleichung verschiedene Ausführungsformen des Hydroventils gemäß der Erfindung konstruiert. Diese Hydroventile hatten viel längere Standzeiten als bekannte Hydroventile. Diese Standzeiten konnten weiter verlängert werden, wenn weitere scharfe Kanten und Ecken der bekannten Hydroventile durch Neuherstellung oder Nachbearbeitung von Teilen unter Ausbildung von Schrägflächen und von Radien oder anderen Krümmungen profiliert wurden.

Quantitative Analyse

In Anwesenheit einer Hydraulikflüssigkeit auf Phosphatbasis tritt eine elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion auf, wenn sich ein Hydroventil in seiner Nullstellung oder in einer Stellung befindet, in welcher die Steueröffnung sehr klein ist, so daß die Strömung stark gedrosselt wird. Die bei der Firma The Boeing Company als Wissenschaftler beschäftigten Herren Olson, Beck und Mahaffey haben im Rahmen ihrer Arbeiten eine zweidimensionale Steueröffnung entwickelt, die ein Ventil in seiner Schließstellung simuliert. Dies ist in der Fig. 5-1 auf der Seite 5-11 des Forschungsberichts 2 (D1-32-0839) der Firma The Boeing Company ("Corrosion of Servo Valves by an Electrokinetic Streaming Current") dargestellt. Es wurden Versuche durchgeführt, in denen eine Abtragung herbeigeführt wurde und die abgetragene Metallmenge und der zum Abtragen des Metalls erforderliche, elektrische Strom bestimmt wurden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Fig. 11-4 auf der Seite 11-105 desselben Forschungsberichts angegeben. Diese Daten wurden bei der Bewertung der Genauigkeit und Gültigkeit der Ergebnisse der von dem Erfinder vorgenommenen quantitativen Analyse zum Vergleich herangezogen. Da diese Daten zur Verfügung standen und eine gute Kontrolle ermöglichten, hat der Erfinder für seine quantitative Analyse Steueröffnungen mit denselben Abmessungen und dieselben hydraulischen Strömungsdrücke und Durchflussmengen verwendet wie die Wissenschaftler von Boeing.

Den elektrokinetischen Strömungsstrom und den mit ihm auftretenden elektrischen Wandstrom betreffende Theorien

Der zusammen mit dem elektrokinetischen Strömungsstrom auftretende elektrische Wandstrom ist der elektrischen Leitfähigkeit der Hydraulikflüssigkeit auf Phosphatbasis umgekehrt proportional. Zur Bestimmung dieser Beziehung wurden folgende elektrische Parameter herangezogen: elektrokinetisches Potential relative Dielektrizitätskonstante absolute Dielektrizitätskonstante im Vakuum iP Wandstrom

Zur Bestimmung des Wandstroms iP werden die vorstehend angegebenen, elektrischen Parameter mit den nachstehend erläuterten Strömungsparametern gemäß der Gleichung kombiniert.

Der Einfluß der Strömungsparameter ist am besten aus dem Gesamtdifferential des Wandstroms iP erkennbar.

Wenn nur eine einzige Flüssigkeit verwendet wird ist

Aus dieser Beziehung geht hervor, daß für die quantitative Analyse zur Ermittlung des Wandstroms und der abtragenden Korrosion die elektrischen Parameter konstant bleiben und nur die Strömungsparameter veränderlich sind.

Aus der angegebenen Beziehung geht ferner hervor, daß es zur Lösung der die Strömungsparameter enthaltenden Gleichung erforderlich ist,
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zu definieren und die dazugehörige Funktion zu bestimmen.

Aus mehreren Lehrbüchern und Artikeln, in denen der elektrokinetische Strömungsstrom besprochen wird, wurde folgende Veröffentlichung ausgewählt: "Electrostatics in the Petroleum Industry" Elsevier, New York, 1958 Herausgeber: A. Klinkenberg und van der Minne

Bei der Untersuchung der Strömung in dem Steuerkanal hat der Erfinder festgestellt, daß die sich den Steuerkanten nähernde Strömung der Hydraulikflüssigkeit stark beschleunigt wird und aus einem laminaren in einem turbulenten Strömungszustand übergeht. In der vorerwähnten Veröffentlichung von Klinkenberg und van der Minne werden die Wirkungen einer turbulenten Strömung auf S. 47 besprochen. Dabei wird festgestellt, daß, solange die elektrische Doppelschicht auf den Bereich einer laminaren Flüssigkeitsströmung begrenzt ist, der elektrische Strömungsstrom dem Druckgradienten proportional ist und eine genaue Kenntnis der Potentialverteilung in der Doppelschicht nicht erforderlich ist. Komplimiert wird das Problem bei turbulent strömenden Kohlenwasserstoffflüssigkeiten, bei denen die laminare Teilschicht der Flüssigkeitsströmung dünner sein kann als die elektrische Doppelschicht.

Auf der S. 55 der von Klinkenberg und van der Minne herausgegebenen Veröffentlichung ist ferner festgestellt, daß aus den angegebenen Berechnungen und Gleichungen hervorgeht, daß bei einer turbulent strömenden Hydraulikflüssigkeit die Grenzschicht dieser Strömung unter bestimmten Strömungsbedingungen viel dünner ist als die elektrische Doppelschicht. Außer dieser von Klinkenberg und van der Minne herausgegebenen Veröffentlichung hat der Erfinder keine wissenschaftliche Veröffentlichung gefunden, in denen turbulent strömende Hydraulikflüssigkeiten auf die auf sie zurückzuführenden elektrischen Wirkungen in Hydroventilen besprochen wird. Auf Grund der ihm zur Verfügung stehenden wissenschaftlichen Daten hat der Erfinder daher seiner quantitativen Analyse folgende Hypothesen hinsichtlich des elektrokinetischen Strömungsstroms und des zusammen mit ihm auftretenden Wandstroms zugrundegelegt:

1. Der Wert der Verteilung der beweglichen Ladungen, die von einer turbulent strömenden Hydraulikflüssigkeit unter gegebenen Bedingungen mitgeführt werden, ist eine von der Turbulenz abhängige Zufallsgröße.

2. Das elektrische Potential, das zwischen einer gebundenen Ladung und einem gegebenen Bereich des Strömungsweges der Hydraulikflüssigkeit entwickelt wird, ist der Dichte der beweglichen Ladungen in dem genannten Bereich direkt proportional und dem Abstand zwischen dem Bereich und der gebundenen Ladung umgekehrt proportional.

3. Der Betrag des elektrischen Potentials zwischen der gebundenen Ladung und entgegengesetzten Ladungen innerhalb der Wand ist umgekehrt proportional dem Betrag des elektrischen Potentials zwischen den gebundenen Ladungen und Bereichen beweglicher Ladungen innerhalb der Strömung der Hydraulikflüssigkeit.

4. Die elektrische Wandstromdichte ist eine Funktion des elektrischen Potentials zwischen den gebundenen Ladungen und den innerhalb der Wandung befindlichen, entgegengesetzten Ladungen.

Mit Hilfe der quantitativen Analyse kann man eine statistische Theorie über die Wandstromdichte erarbeiten. Die Wandstromdichte ist der Dichte der gebundenen Ladungen in einem gegebenen Bereich der Strömung der der Hydraulikflüssigkeit umgekehrt proportional und dem Abstand zwischen der Wand und dem genannten

Bereich direkt proportional. Infolgedessen verändert sich der Betrag der elektrischen Wandstromdichte gleichsinnig mit der Zufallsverteilung der beweglichen Ladungen.

Von der zuletzt angegebenen Gleichung kann die nachstehende Gleichung abgeleitet werden, die einen bestimmten statistischen Durchschnitt angibt, dessen Zeitfunktion und Ortsfunktion von den Strömungsbedingungen direkt abhängige Zufallsfunktionen sind.

Darin bedeutet

Zeitmittel der Wandstromdichte

T1 eine Zeit, die so lang ist, daß bei einer stationären Strömung für jede längere Zeit konstant bleibt iP Momentanwert der Wandstromdichte i P Abweichung der Wandstromdichte vom Zeitmittel

Daher ist iP =

+ i P

In Fig. 17 ist die Zeitfunktion der Wandstromdichte iP an einer ortsfesten Stelle einer Wand dargestellt. Aus der Fig. 17 geht ferner hervor, daß der Momentanwert der Wandstromdichte eine Zufallsgröße ist, mit der die mittlere Wandstromdichte überlagert ist. Die Variation des Momentanwerts der Wandstromdichte ist der Durchflussmenge der turbulent strömenden Hydraulikflüssigkeit direkt proportional.

Es wurde eine statistische Beziehung erarbeitet, von der ein Satz von partiellen Differentialgleichungen abgeleitet werden kann. Diese Gleichungen sind jedoch technisch nur beschränkt brauchbar. Daher wurde das Problem mit Hilfe eines Strömungsmodells direkter angegangen. Obwohl dieses Modell unter Umständen physikalisch nicht vollkommen genau ist, ermöglicht es Annäherungslösungen. Mit Hilfe des ausgewählten Strömungsmodells wurde ein Verfahren zur Berechnung des Einflusses der turbulent strömenden Hydraulikflüssigkeit auf die Abweichung des Momentanwerts der Wandstromdichte von deren Mittelwert erarbeitet, so daß mit Hilfe dieses Verfahrens der Mittelwert der Wandstromdichte ermittelt werden kann. Mit Hilfe des Strömungsmodells für die Hydraulikflüssigkeit kann auch die Form des Strömungskanals für die Hydraulikflüssigkeit und der Einfluß dieser Form auf die Wandstromdichte untersucht werden.

Unter Anwendung der Analysemethoden, die auf Grund der Potentialströmungstheorie erarbeitet worden waren, wurde ein Strömungsmodell für die Hydraulikflüssigkeit entwickelt. Dabei wurden die Darstellungen in winkeltreuen Figuren 9, 10 und 19 dazu verwendet, die Veränderungen der Strömung der Hydraulikflüssigkeit mit Veränderungen der Form der Kanäle und der ihnen zugeordneten Steueröffnungen zu korrelieren. Bei der Entwicklung dieser Figuren legte der Erfinder bei der Bestimmung der potentiellen Reynolds-Zahl (der Reynolds-Zahl einer angenommenen Strömung) die Längen der Bögen gleichen Potentials oder gleicher Geschwindigkeiten zugrunde, welche die beiden Begrenzungen der Steueröffnung verbinden. Dabei wurde für den Geschwindigkeitsfaktor ein Nennwert verwendet, der von der absoluten Durchflussmenge in einem Kanal abgeleitet ist.

Dabei bedeutet: die vorstehend angegebenen elektrischen Parameter

den Nennwert des Geschwindigkeitsfaktors

Ri die potentielle Reynolds-Zahl (Reynolds-Zahl einer angenommenen Strömung) stromaufwärts von der Steuerkante RO die potentialle Reynolds-Zahl (Reynolds-Zahl der angenommenen Strömung) an der Steuerkante ? einen Exponenten, der die in statistischen Analysen anzuwende Potenzfunktion angibt

Der Exponent ist zusammen mit dem zur Bestimmung seines Wertes angewendetes Verfahren in dem bei
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Hall verlegten Werk von Bruce D. Wedlock und James K. Roberge mit dem Titel "
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" besprochen. In dem dritten Kapitel des genannten Werks heißt es "In einem doppeltlogorithmischen Koordinatensystem wird die Funktion bei konstanten A und ? durch eine gerade Linie dargestellt. Daher wurde der bei der Analyse des Strömungsmodells verwendete Wert von ? auf Grund der experimentell erhaltenen Daten ermittelt, die in dem vorstehend genannten Forschungsbericht der Firma Boeing angegeben sind. Auf diese Weise wurde für ? der Wert 2,85 bestimmt.

Aus diesem Grunde lautet die für die quantitative Analyse verwendete mathematische Gleichung:

Unter Verwendung einer zweidimensionalen Steueröffnung mit der
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die von den Wissenschaftlern der Firma Boeing angegeben wurden, d.h. mit einem Durchmesser von 2,236 mm, einer Spaltbreite von 0,0254 mm und einer Durchflussmenge von 900 cm3/min hat der Erfinder das in Fig. 9 dargestellte, winkeltreue Diagramm erarbeitet. Unter Verwendung von diesem Diagramm entnommenen Daten wurden die Reynolds-Zahlen ermittelt. Dabei wurde die Reynolds-Zahl der sich der betrachteten Steuerkante nähernden Strömung der Hydraulikflüssigkeit auf die Reynolds-Zahl der Strömung bezogen, die an der Steuerkante vorbeigeht bzw. sich in dem Spalt befindet und deren Reynolds-Zahl RO der Wert 1 zugeordnet wurde. Das Verhältnis gibt also an, um welchen Faktor die Reynolds-Zahl Rj der sich dieser Steuerkante nähernden Strömung größer oder kleiner ist als die Reynolds-Zahl der Strömung an der Steuerkante bzw. in dem Spalt. Aus der Fig. 20 ist das Verhältnis der Reynolds-Zahlen an verschiedenen Stellen des Strömungsweges der sich der Steuerkante näherenden Hydraulikflüssigkeit zu entnehmen.

Nun kann man den Wandstrom berechnen, der zusammen mit dem starken elektrokinetischen Strömungsstrom auftritt, wobei das entwickelte mathematische Modell, das der Fig. 9 entnommene Verhältnis der Reynolds-Zahlen, die in dem vorerwähnten Forschungsbericht der Wissenschaftler der Firma Boeing angegebenen elektrischen Konstanten und der auf Grund der ebenfalls in dem genannten Forschungsbericht angegebenen Daten über Querschnittsflächen und Durchflussmengen ermittelte Nennwert des Geschwindigkeitsfaktors herangezogen wurden. Der nach der vorstehend angegebenen Gleichung ermittelte Wandstrom ist in der Fig. 21 dargestellt.

Zum Vergleich der von dem Erfinder durch die quantitative Analyse erhaltenen Daten mit den im Forschungsbericht der Firma Boeing angegebenen, experimentell erhaltenen Daten werden die in der Fig. 21 dargestellten Daten in der Fig. 22 mit den Daten aus dem Forschungsbericht der Firma Boeing verglichen. Man erkennt, daß die theoretisch erhaltenen Daten mit den experimentell erhaltenen gut übereinstimmen.

Der Erfinder ist der Meinung, daß bei der Entwicklung einer Steueröffnung zur Beeinflussung der Strömung der Hydraulikflüssigkeit in einem Ventil zwecks Herabsetzung oder Beseitigung der Metallabtragung seine theoretische Analyse ausgezeichnete Dienste leistet. Man erkennt ohne weiteres, daß die potentielle Reynolds-Zahl einer sich dieser Steuerkante nähernden, angenommenen Strömung der Hydraulikflüssigkeit und die Geschwindigkeit der Veränderung dieser Reynolds-Zahl herabgesetzt werden müssen. Aus der erläuterten quantitativen Analyse geht ferner hervor, daß jede Veränderung, durch welche die Länge des Strömungsweges im Bereich der Steuerkante vergrößert wird, eine Veränderung des elektrokinetischen Strömungsstroms im Sinne einer Herabsetzung des Wandstroms herbeiführt, welcher die Ursache für die abtragende Erosion an den Steueröffnungen ist.

Man kann diese Vergrößerung der Länge der Strömungswege erzielen, indem man die Steuerkante mit einer einzigen Schrägfläche oder mit mehreren Schrägflächen oder mit einer Kombination von Schrägflächen und Radien oder mit einer Koppelkurve ausbildet. Am besten wird die Steuerkante mit einem Radius ausgebildet, wobei mit einem Radius von mindestens 0,1778 mm der Wandstrom am stärksten herabgesetzt wird. Man kann aber eine Herabsetzung des Wandstroms auch mit Radien im Bereich von 0,0762 bis 0,1778 mm erzielen.

Die Figuren 9 und 19 sind winkeltreue Abbildungen von Steueröffnungen mit einer abgerundeten Steuerkante. In der Fig. 20 sind die erzielbaren Werte für das Verhältnis der potentiellen Reynolds-Zahlen (Reynolds-Zahlen einer angenommenen Strömung) dargestellt. Der Verlauf des an einer Steueröffnung dieser Ausbildung auftretenden Wandstroms ist in Fig. 22 dargestellt, in der zum besseren Vergleich auch die Daten aus der Fig. 21 dargestellt sind. Man erkennt, daß der Wandstrom deutlich herabgesetzt wird, was eine entscheidende Herabsetzung oder sogar Beseitigung der elektrokinetisch bedingten, abtragenden Korrosion bedeutet. Die vorstehend angegebenen Gleichungen, die vom Anmelder entwickelt wurden, gelten für Steueröffnungen, die von glattflächigen, abgerundeten Kanten begrenzt sind.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß in den durch Elektroerosion ausgebildeten, rechteckigen, scharfkantig begrenzten Steueröffnungen die Turbulenz der Strömung der Hydraulikflüssigkeit durch die Form der Steueröffnung und die auf die Elektroerosion zurückzuführende, rauhe Oberfläche verstärkt wird. Dabei wird in diesen Steueröffnungen die Turbulenz der Strömung im Bereich der scharfen Ecken zusätzlich durch die im Bereich der Ecken auftretende Wechselwirkung in der Strömung vorhandenen Kräfte verstärkt, die zu den an den Ecken einander schneidenden Begrenzungsflächen rechtwinklig sind.

In den derzeit verwendeten Ventilen findet im Bereich der scharfen Ecken eine stärkere Abtragung statt als im mittleren Bereich einer Steuerkante.

Die störende, verstärkte Turbulenz an den scharfen Ecken wird durch die Strömung der Hydraulikflüssigkeit im Bereich der Steuerkante bis zu einem Abstand von 0,127 mm von ihr verursacht. Infolge der an diesen scharfen Ecken auftretenden Wechselwirkung der Strömungskräfte ist die Turbulenz dort stärker als im mittleren Bereich der Steuerkante. Diese Strömungskräfte sind in ihrer Richtung
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und sind in endlichen Zahlen unbestimmt. Am meisten stört die zu der Wandung rechtwinklige Kraft. Man kann annehmen, daß bei der Herabsetzung dieser Kraft auf einen genügend kleinen Wert die Gesamtkraft die Turbulenz nicht beträchtlich beeinflusst. Wenn anstelle einer scharfen Ecke eine mit konstantem Radius abgerundete Ecke verwendet wird, wirken die zu den Begrenzungsflächen senkrechten Kräfte an der Mittellinie aufeinander, welche durch von allen Teilen der bogenförmigen Fläche gleich weit entfernten Punkt bzw. den Mittelpunkt des Kreisbogens geht.

Man kann den Querschnitt in jeder Vertikalebene winkeltreu abbilden. Fig. 9 ist eine winkeltreue Abbildung einer Steueröffnung, deren Ecke mit einem Radius von 0,127 mm und deren Steuerkante mit einem Radius von 0,1778 mm abgerundet ist. Mit dieser kombinierten Abrundung am Schnittpunkt wird dort die Geschwindigkeit auf ein Vierzigstel der Geschwindigkeit in der Mitte der Steuerkante herabgesetzt. Bei dieser relativ niedrigen Geschwindigkeit sind die Strömungskräfte so gering, daß sie auf die Turbulenz nur einen vernachlässigbar kleinen Einfluß ausüben, so daß dort kein oder nur ein vernachlässigbarer schwacher Wandstrom auftritt, der zur abtragenden Korrosion beitragen könnte.

In den Figuren 1 und 2 sind bekannte Hydroventile dargestellt. Das in Fig. 1 gezeigte Hydroventil 30 besitzt eine ortsfeste Buchse 36 und einen beweglichen Kolben 42, der eine Steuerfläche 40 und eine Betätigungsstange 44 besitzt. Der Eintrittskanal 34 ist an seiner Mündung 35 in die Bohrung 43 der Buchse mit scharfen Austrittskanten 32 ausgebildet. Auch die an der Steuerfläche 40 ausgebildete Steuerkante
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ist scharfkantig. In dem in Fig. 2 dargestellten Flachschieber 50 ist die obere Scheibe 56 mit einem Eintrittskanal 54 ausgebildet, der von scharfen Kanten 52 begrenzt ist, und die untere Scheibe 62 mit einem Austrittskanal 60, der von scharfen Kanten
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begrenzt ist. Die Projektion des Umrisses 58 des Kanals 60 ist bei 58 dargestellt.

Zum Unterschied von den Hydroventilen gemäß den Figuren 1 und 2 sind in den in den Figuren 4, 4A, 5, 6, 6A, 7, 10, 11, 15, 24, 25, 26, 27, 28 und 29 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung keine scharfen Ecken oder Kanten vorhanden. In den Ausführungsformen der Erfindung darstellenden Figuren sind ähnliche Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie in den Figuren 1 und 2. Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, erzielt man die stärkste Herabsetzung des Wandstroms mit einem Radius von mindestens 0,1778 mm.

Ein die Strömung beeinflussendes Hydroventil nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren

4 und 4A mit 30 bezeichnet. In diesem Ventil sind die Austrittskanten 32 des Eintrittskanals 34 mit einem Radius von 0,1778 mm abgerundet. Der Eintrittskanal 34 ist in einer Buchse oder einem Gehäuse 36 ausgebildet. Ein durch eine Steuerstange 44 bewegbarer Kolben 42 besitzt eine Steuerfläche 40 mit einer Steuerkante 38, die mit einem Radius von 0,1778 mm abgerundet ist. Man erzielt zwar die stärkste Herabsetzung des Wandstroms mit einem Radius von mindestens 0,1778 mm, doch kann man den Wandstrom schon beträchtlich herabsetzen, wenn die Steueröffnungen begrenzenden Kanten mit einem Radius im Bereich von 0,0762 bis 0,1778 mm abgerundet sind. Die Projektion der Kanten 32 des Kanals 34 ist mit 32 bezeichnet.

In Fig. 5 ist gezeigt, daß dieselben Veränderungen auch in einem als Flachschieber 50 ausgebildeten Hydroventil vorgenommen werden können. Die Austrittskanten 52 des in der oberen Scheibe 56 ausgebildeten Eintrittskanals 54 für die Hydraulikflüssigkeit und die Eintrittskanten 56 eines in der unteren Scheibe 62 ausgebildeten Austrittskanals 60 für die Hydraulikflüssigkeit sind alle abgerundet, vorzugsweise mit einem Radius von 0,1778 mm oder im Bereich von 0,0762 bis 0,1778 mm.

In den in den Figuren 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispielen eines die Strömung beeinflussenden Hydroventils wird die elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion noch stärker unterdrückt. Zusätzlich zu den auch gemäß Fig. 4 und 5 abgerundeten Teilen sind weitere Teile abgerundet, damit die Strömung noch besser beeinflussbar werden kann. Keiner der Kanäle 34, 54 und 60 besitzt scharfe Ecken, sondern alle Ecken dieser Kanäle sind mit einem Radius von vorzugsweise 0,127 mm abgerundet. Auf diese Weise werden die in den Figuren 6 und 6A gezeigten, abgerundeten Ecken 46 und die in Fig. 7 gezeigte, abgerundete Ecke 64 erhalten. Die Projektion der Kanten 32 und Ecken 46 ist bei 32 bzw. 46 dargestellt.

In den Figuren 8 und 9 ist genauer gezeigt, wie die Ausführungsformen gemäß den Figuren 6 und 7 mit Kanten ausgebildet werden können, die mit dem bevorzugten Radius von 0,1778 mm abgerundet sind, und mit Ecken, die mit dem bevorzugten Radius von 0,127 mm oder mit einem Radius im Bereich von 0,0762 bis 0,127 mm abgerundet sind.

Die Figuren 10 und 11 ähneln den Figuren 6 und 7 und zeigen weitere Ausführungsformen, in denen die Strömung derart beeinflusst wird, daß die sonst bei einer Verwendung von Hydraulikflüssigkeiten auf Phosphorsäureesterbasis auftretende, elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion vermieden wird. Die vordere Kante jedes Steuerkanals besitzt gemäß Fig. 10 einen bogenfömig konvex gekrümmten Teil 46 und gemäß Fig. 11 einen ähnlichen Teil 66. Jeder dieser konvex gekrümmten Teile geht glatt in die benachbarten, abgerundeten Ecken 46 bzw. 64 über.

Mit den Ausführungsformen gemäß den Figuren 11 und 10 werden drei Verbesserungen erzielt:

Die erste Verbesserung ist auf die geometrische Form der als Steuerkanten dienenden, bogenförmig gekrümmten Teile

46 und 66 und deren Zusammenwirken mit der nicht bogenförmigen, sondern ebenen vertikalen Fläche 43 zurückzuführen, die an dem Kolben 42 ausgebildet und der Steuerfläche
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benachbart ist, bzw. mit der nicht bogenförmigen, sondern ebenen Begrenzungsfläche der Öffnung in der bewegbaren ebenen Scheibe 56 (Fig. 11) zurückzuführen.

Die zweite Verbesserung wird an Hand der Figuren 12 und 13 erläutert, in
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Teile der Ventile 36 bzw. 56 in größerem Maßstab dargestellt sind und besteht darin, daß zur Herabsetzung der Turbulenz im Bereich der Seiten
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ist die in Fig. 16 dargestellte Linie des Durchflussmengenverlaufs in den beiden Durchflussrichtungen eine durch die Nullstellung gehende Gerade. Dies entspricht dem im Betrieb eines Servo-Hydroventils, besonders zur hydraulischen Steuerung eines Flugzeugs, am meisten erwünschten Verhalten.

Dagegen kann in den derzeit verwendeten Servo-Hydroventilen für Flugzeuge mit scharfen Kanten und scharfen Ecken dieses Verhalten nur erzielt werden, wenn der Abstand zwischen den Steuerkanten des Kolbens und der Buchse auf eine Toleranz von 0,00254 mm spangebend bearbeitet wird. Bei der spangebenden Bearbeitung von Ventilbauteilen mit der vorstehend beschriebenen, räumlichen geometrischen Ausbildung sind zehnmal größere Toleranzen, d.h. Toleranzen von 0,0254 mm, zulässig, die viel leichter erzielt werden können.

Unter gleichen Bedingungen hinsichtlich der Durchflussmenge, des Druckes und der Temperatur einer Hydroflüssigkeit auf Phosphorsäureesterbasis wurde ein Kanal mit den bekannten scharfen Kanten und scharfen Ecken im Vergleich mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Kanal geprüft, der abgerundete Kanten und Ecken hatte und bei dem ein Teil der Vorderseite konvex bogenförmig gekrümmt ist und glatt in die abgerundeten Ecken übergeht (wie in Fig. 10 und 11 gezeigt). Die Ergebnisse dieses Vergleichs sind in der Fig. 23 dargestellt, in der die gestrichelten Linien für ein Ventil mit scharfen Kanten und scharfen Ecken gelten und die ausgezogene Linie für ein Ventil mit einer abgerundeten Kante und abgerundeten Ecken gilt. An den von scharfen Kanten und scharfen Ecken begrenzten

Kanal war die elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion so stark, daß das Ventil innerhalb von weniger als 300 Betriebsstunden unzulässig stark leckte. An dem erfindungsgemäß mit abgerundeten Ecken und Kanten und den vorstehend beschriebenen, bogenförmig konvex gekrümmten Teil ausgebildeten Kanal gemäß der Erfindung fand dagegen eine elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion nur während eines kurzen Zeitraums statt und hörte dann auf, so daß danach die nur kleine Leckmenge konstant blieb. Diese konstante Leckmenge war einwandfrei innerhalb des für eine ausgezeichnete Funktion des Ventils zulässigen Bereichs und blieb auf dem einmal erreichten, kleinen Wert.

Vorstehend wurde angegeben, daß die Kanten und Ecken des Kanals mit konstantem Radius abgerundet sind. In den Figuren 24 bis 28 ist erläutert, daß die betrieblichen Vorteile, die darauf zurückzuführen sind, daß an den erfindungsgemäß ausgebildeten Steuerkanälen keine unzulässig starke, elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion auftritt, auch mit etwas unterschiedlich ausgebildeten Kanten und Ecken erzielt werden können.

In der Fig. 24 ist eine einzige Schrägfläche und in Fig. 25 sind mehrere Schrägflächen gezeigt, in Fig. 26 eine Kombination einer Schrägfläche mit einem Radius, in Fig. 27 eine Kombination von Radien und in Fig. 28 eine Koppelkurve. Bei allen diesen Ausführungsformen wird die Flüssigkeitsströmung derart verbessert, daß der elektrokinetische Strömungsstrom und der mit ihm auftretende Wandstrom so gering bleiben, daß die elektrokinetisch bedingte, abtragende Korrosion herabgesetzt, begrenzt oder beseitigt wird. Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils in hydraulischen Steuerungen von Flugzeugen arbeitet das erfindungsgemäße Ventil längere Zeit hindurch zufrieden stellend, wodurch die Sicherheit des Flugbetriebes beträchtlich wird und die Wartungskosten herabgesetzt werden.

In der Fig. 29 ist ein Teil eines Freifluß-Hydroventils 72 dargestellt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem Eintrittskanal 34 in eine die Achse des Ventils umgebende Verteilerkammer 74 eintritt, deren Austrittskanten 76 profiliert sind, ebenso wie die Kanten 78 des Kolbens 42. Bei kleiner Durchflussmenge bewirken diese Kanten 76 und 78, daß der Strömungsweg der Hydraulikflüssigkeit im Bereich der Steueröffnung in der vorstehend beschriebenen Weise verlängert und dadurch die abtragende Korrosion herabgesetzt wird.

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Claims (20)

1. Verfahren zum Beeinflussen der Strömung einer Hydraulikflüssigkeit auf Phosphorsäureesterbasis durch ein Ventil eines hydraulischen Systems bei kleiner Durchflußmenge, derart, dass das Auftreten eines starken, elektrokinetischen Strömungsstroms und des mit ihm auftretenden Wandstroms, der an den Steuerkanten des Ventils zu einem unzulässig starken Metallverlust durch abtragende elektrochemische Korrosion führen würde, vermieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg der sich den Steuerkanten einer Steueröffnung des Ventils nähernden Hydraulikflüssigkeit durch Profilieren dieser Steuerkanten unter Beseitigung der sonst vorhandenen, scharfen Kanten verlängert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg der Hydraulikflüssigkeit zusätzlich durch Profilieren der Ecken der Steueröffnung des Ventils unter Beseitigung der sonst vorhandenen, scharfen Ecken verlängert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg der Hydraulikflüssigkeit zusätzlich durch Profilierung der Seiten der Steueröffnung des Ventils unter Beseitigung der sonst vorhandenen, geraden Seiten, verlängert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkanten durch Abrunden mit einem
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von mindestens 0,0762 mm profiliert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur stärksten Herabsetzung des Wandstroms die

Steuerkanten mit einem Radius von mindestens 0,1778 mm abgerundet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken der Steueröffnung durch Abrunden mit einem Radius von mindestens 0,0762 mm profiliert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur stärksten Herabsetzung des Wandstroms die Ecken mit einem Radius von mindestens 0,127 mm abgerundet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seite der Steueröffnung derart bogenförmig ausgebildet wird, daß diese Seite an beiden Enden glatt in die abgerundeten Ecken übergeht, so daß die Steueröffnung konvex und die sie begrenzende Wand konkav ausgebildet ist.

9. Verfahren zum Beeinflussen der Strömung einer Hydraulikflüssigkeit auf Phosphorsäureesterbasis oder eines ähnlichen Fluids durch ein Ventil eines hydraulischen Systems bei kleinen Durchflussmengen, dadurch gekennzeichnet, daß a) die ursprünglich scharfen Steuerkanten eines ortsfesten Bauteils des Ventils so verformt werden, daß die Strömung am Austrittsende eines Eintrittskanals des Ventils weniger scharf umgelenkt wird, und b) die ursprünglich scharfen Steuerkanten eines beweglichen Bauteils des Ventils so verformt werden, daß die Strömung an jener Kante dieses Bauteils, die zum Einleiten der Strömung der Hydraulikflüssigkeit zuerst bewegt wird, weniger scharf umgelenkt wird, wobei durch diese Verformung der Bauteile des Ventils gewährleistet wird, daß die Hydraulikflüssigkeit durch das Ventil fließt, ohne einen starken, elektrokinetischen Strömungsstrom und einen mit diesem auftretenden, starken Wandstrom zu erzeugen, der sonst einen Wert erreichen würde, bei dem an den Steuerkanälen des Ventils eine unzulässig starke, das Metall der diese Steuerkanäle begrenzenden Bauteile des Ventils abtragende, elektrochemische Korrosion auftritt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsfeste Bauteil des Ventils an dem Eintrittskanal desselben so verformt wird, daß dieser an jeder Ecke eine gekrümmte Fläche zur Führung der Strömung der Hydraulikflüssigkeit in die Steueröffnung erhält.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsfeste Bauteil des Ventils an dem Eintrittskanal desselben so verformt wird, daß dieser eine konkave Wandung erhält, welche die Strömung der Druckflüssigkeit in die Steueröffnung führt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkanten mit durch quantitative Analyse ermittelten Abmessungen profiliert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 2 oder einen der darauf rückbezogenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkanten mit durch quantitativen Analyse ermittelten Abmessungen profiliert werden.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die quantitative Analyse die Lösung der Gleichung umfasst, in der iP Wandstrom (iP)j Wandstrom an einem gewählten Punkt im Abstand von der Steuerkante ? relative Dielektrizitätskonstante absolute Dielektrizitätskonstante in einem Vakuum elektrokinetisches Potential

Durchfluß durch Steuerkanal

A Mindestquerschnittsfläche an Steuerkante Rj potentielle Reynolds-Zahl (Reynolds-Zahl einer angenommenen Strömung) an einer gewählten Stelle, die im Abstand stromaufwärts von der Steuerkante angeordnet ist Ro potentielle Reynolds-Zahl (Reynolds-Zahl der angenommenen Strömung) an der Steuerkante 2,85 ein Exponent, der die in der analytischen Statistik anzuwendende Potenzfunktion angibt

bedeutet.

15. Hydroventil zum Beeinflussen der Strömung einer Hydraulikflüssigkeit auf Phosphorsäureesterbasis derart, daß bei einer kleinen Durchflussmenge, bei der ein elektrokinetischer Strömungsstrom auftritt, das Auftreten eines starken elektrokinetischen Strömungsstroms und des ihm entsprechenden Wandstroms, der an den Steuerkanten des Ventils zu einem unzulässig starken Metallverlust durch abtragende elektrochemische Korrosion führen würde, vermieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkanten (32, 58, 46, 48, 66, 64) des ortsfesten Bauteils (36, 56) des Ventils derart profiliert sind, daß der Strömungsweg der sich den Steuerkanten der Steueröffnung (34, 54) nähernden Hydraulikflüssigkeit verlängert wird und die sonst vorhandenen, scharfen Kanten entfallen, und daß die Steuerkanten (38, 52) des beweglichen Bauteils (42, 62) des Ventils ebenfalls so profiliert sind, daß der Strömungsweg der Hydraulikflüssigkeit verlängert wird und die sonst vorhandenen, scharfen Kanten entfallen, so daß diese relativ zueinander bewegbaren Bauteile (36, 56; 42, 62) des Ventils die Strömung bei geringer Durchflussmenge derart beeinflussen, daß das Auftreten eines starken elektrokinetischen Strömungsstroms und des mit ihm auftretenden, starken Wandstroms, der sonst einen Wert erreichen würde, bei dem an den Steuerkanälen des Ventils eine unzulässig starke, das Metall der diese Steuerkanäle begrenzenden Bauteile des Ventils abtragende, elektrochemische Korrosion auftritt, vermieden wird.

16. Ventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsfeste Bauteil (36, 56) des Ventils mit einem Durchflusskanal (34, 54) mit profilierten Ecken (46, 64) unter Fortfall der sonst an die Stellen vorhandenen, scharfen Ecken, ausgebildet ist.

17. Ventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnung (34, 54) von einer konkaven Seitenwandung (48, 66) unter Fortfall der sonst an dieser Stelle vorhandenen, geraden Seitenwandung begrenzt ist.

18. Ventil nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkanten (32, 38; 52, 58; 46, 48; 64, 66) beider genannten Bauteile (36, 56; 42, 62) des Ventils in der genannten Weise mit durch quantitative Analyse ermittelten Abmessungen profiliert sind.

19. Ventil nach Anspruch 15, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die profilierten Ecken (46, 64) des ortsfesten Bauteils (36, 62) des Ventils mit durch quantitative Analyse ermittelten Abmessungen profiliert sind.

20. Ventil nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die profilierten Ecken (z.B. 78) des beweglichen Bauteils (42) des Ventils mit durch quantitative Analyse ermittelten Abmessungen profiliert sind.