Fluidische Diode

So einfach. So wirksam.

Bei einer fluidischen Diode handelt es sich um eine passive Vorrichtung, die einen geringen Strömungswiderstand in der Vorzugsrichtung als in der Gegenrichtung aufweist. Einfach gesprochen, bedeutet es, dass eine fluidische Diode in einer Richtung einen sehr geringen Widerstand aufweist und je nach Ausführung einen sehr hohen in der Gegenrichtung. Damit lässt sich zum Beispiel verhindern, dass eine Strömung zurückschlägt. Das Prinzip funktioniert allgemein unabhängig vom Medium, sei es nun eine Flüssigkeit oder ein Gas.
Die Grundidee wurde 1916 von Nikola Tesla patentiert und basiert auf Strömungshindernissen, die in der Vorzugsrichtung eine eher laminare Strömung und in der Gegenrichtung starke Verwirbelungen erzeugen. Der große Vorteil eines solchen Bauteils liegt darin, dass diese Ventile ohne bewegliche Bauteile auskommen, sehr schnell reagieren und damit quasi wartungsfrei sind. Der Nachteil bei den Bauteilen ist, das sie die Rückströmung nicht komplett zum erliegen bekommen, sondern den Gegenstrom nur sehr stark abbremsen. Weitere Ausführungen, die wir aus rechtlichen Gründen leider hier nicht zeigen dürfen, finden sich in den Veröffentlichungen die wir am Ende der Seite aufgeführt haben.

Die Abbildung zeigt das ursprüngliche “Tesla Ventil” aus dem Patent von Nikola Tesla 1916. Wird das Bauteil von der rechten Seite aus durchströmt weist die Diode einen geringen Widerstand auf. Wird die Diode hingegen aus der anderen Richtung durchströmt, wird das Fluid durch die Seitenkanäle geleitet, wodurch sich der Strömungswiderstand massiv erhöht.

Rückschlagventil in einer Gasturbine. Ein Anwendungsbeispiel.

In Verbrennungskraftmaschinen, wie zum Beispiel bei Gasturbinen, bringt ein Zurückschlagen der Flamme entgegen der Hauptströmungsrichtung nicht nur den Verbrennungsprozess zum Erliegen, sondern kann auch zu schweren Schäden an und in der Maschine führen. Um einen rückschlagfreien Betrieb zu gewährleisten hat FDX daher ein Rückschlagventil entwickelt, dass auf dem Prinzip der fluidischen Diode basiert. Die Diode wurde für hochreaktive Gemische (Luft mit Dimethylether) ausgelegt. Im Gegensatz zur Tesladiode weist die von FDX entwickelte Diode ein höheres Widerstandsverhältnis aus Vorzugs- und Gegenrichtung auf. Das bedeutet, dass der Druckverlust in der Vorzugsrichtung besonders gering ist und zusätzlich ein hoher Widerstand in die Gegenrichtung gegeben ist. Die von FDX entwickelte Diode erwies sich in Verbrennungstests als absolut zuverlässig und wird den Einsatz in der nächsten Generation von Gasturbinen ihren Einsat finden. Das nachfolgende Video veranschaulicht noch einmal die Funktionsweise. Bei Interesse oder Fragen zögern Sie nicht uns zu fragen, wir beraten Sie sehr gerne.

Anwendung. Ausführung.

Es gibt zahlreiche Ausführungen von fluidischen Dioden, die zum Teil auch einen sehr hohen relativen Druckverlust in der Sperreichtung aufweisen können. Den meisten davon ist aber auch gemein, dass sie generell einen hohen Druckverlust aufweisen oder schwer fertigbar sind. Die von FDX entwickelte Diode wurde auf einen besonders geringen Druckverlust in der Hauptströmungsrichtung ausgelegt. Der relative Druckverlust in der Sperrrichtung ist um den Faktor 20 größer, kann aber nach Bedürfnis angepasst werden. Zusätzlich kann in der Sperrrichtung eine Fokussierung der Stoßwelle vorgenommen werden, dadurch eignet sich die Diode bestens als Rückschlagventil, und das nicht nur mit Flüssigkeiten, sondern auch mit Gasen.

Darüber hinaus lassen sich die Bauteile auch als Druckstoßdämpfer einsetzen. Beim Schließen eines Ventils (z. B. eines Wasserhahns) wird eine Stoßwelle erzeugt die entgegen der Strömungsrichtung verläuft. Die Stärke der Stoßwelle ist maßgeblich davon abhängig, wie schnell das Ventil geschlossen wird und kann mitunter erhebliche Schäden in Leitungen und Pumpen anrichten. Die fluidische Diode kann hierbei helfen, indem sie in die Leitung zwischen Pumpe und Ventil integriert wird. Die Rücklaufende Stofwelle wird von der Diode stark abgeschwächt, so dass diese keinen Schaden mehr anrichten kann. Da keine bewegten Bauteile hierbei zum Einsatz kommen sind die Bauteile wartungsfrei und glänzen dabei durch sehr schnelle Reaktionszeiten, die ein mechanisches System prinzipbedingt nicht erreichen kann.

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Anwendungsgebiete

Rückschlag-
ventil

Druckstoß-
dämpfer

hochreaktive
Gasgemische

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Links. Referenzen.

  • P. J. Baker. A comparison of fluid diodes. In Proceedings of the 2nd Cranfield Fluidics Conference, 1967
  • J. M. Kirshner and S. Katz. Design Theory of Fluidic Components. Academic Press In., 1975. ISBN 978-0124102507.