Flow Capacity and Efficiency Modelling of Twin-Entry Radial Turbines under Unequal Admission Conditions through CFD Analysis and Experiments

Abstract

[ES] Este trabajo está centrado en analizar el flujo y la eficiencia de turbinas de doble entrada, así como desarrollar modelos de capacidad de flujo y eficiencia que sean capaces de predecir su comportamiento en condiciones de admisión desiguales. Dichas condiciones son las más comunes en funcionamiento real, por lo que deben ser evaluadas adecuadamente. Se ha realizado un análisis profundo de los patrones de flujo y las principales fuentes de pérdidas mediante simulaciones CFD y campañas experimentales, identificando y cuantificando los fenómenos más importantes en distintas condiciones de admisión. El análisis CFD y la campaña experimental con la técnica LDA han mostrado que el flujo de cada rama no se mezcla completamente con el otro dentro del rotor. Esto significa que las turbinas de doble entrada podrían estudiarse como dos turbinas de entrada simple trabajando en paralelo en modelos unidimensionales. Además, las áreas de entrada y salida del rotor correspondientes a cada rama dependen linealmente de la relación de gastos másicos (MFR). Los principales fenómenos de pérdidas han sido identificados. Fenómenos ya conocidos como las pérdidas por fricción en las volutas, interespacio y rotor, las pérdidas por incidencia o las pérdidas en punta de álabe se han cuantificado. Sin embargo, se han encontrado fuentes de pérdidas adicionales que ayudan a explicar el comportamiento en condiciones de admisión desiguales. Se ha encontrado una expansión brusca aguas abajo de la unión de las volutas que produce pérdidas en la rama con más presión. Aunque el flujo de cada rama no se mezcla completamente dentro del rotor, hay un intercambio de momento entre ramas producido en la región de contacto entre ramas. La rama con mayor momento transmite parte de este a la rama con menor momento. Este fenómeno produce pérdidas en la rama con mayor momento en el interespacio y el rotor, pero también produce ganancias en la rama con menor momento. Este intercambio de momento es un fenómeno esencial para entender correctamente el funcionamiento de las turbinas de doble entrada en condiciones de admisión desiguales. Finalmente, como la mezcla completa de los flujos de cada rama se produce en la región de salida, es aquí donde se computan las pérdidas por mezcla. Toda esta información se ha usado para desarrollar modelos de área efectiva y eficiencia. El modelo de área efectiva se utiliza para extrapolar en el mapa de capacidad flujo. Este modelo se ha validado con medidas experimentales. Su capacidad de extrapolación hacia otros MFR se ha demostrado fidedigna, obteniendo un error menor del 3% en cada rama cuando solo se proporcionan al modelo los mapas de condiciones de admisión completa y parcial. El modelo de eficiencia se utiliza para extrapolar en el mapa de eficiencia. Este modelo también se ha validado con medidas experimentales. Su capacidad de extrapolación hacia otros valores de MFR también se ha demostrado fidedigna, obteniendo un error combinado de las dos ramas menor del 7%. Además, las predicciones que ofrece se han comparado con modelos empíricos y comerciales, obteniendo predicciones más precisas en condiciones de admisión desiguales. Como estas condiciones son las más comunes en funcionamiento real, el comportamiento estará mejor predicho la mayor parte del tiempo de operación. Esta mejora en las predicciones de las prestaciones puede ayudar a trabajar en condiciones de operación óptimas, lo que puede significar una eficiencia del motor de combustión interna mayor y su correspondiente reducción en consumo de combustible y emisión de gases contaminantes. Adicionalmente, otra turbina de doble entrada con una geometría distinta se ha analizado, encontrado un comportamiento muy similar. Los modelos desarrollados se han aplicado a esta geometría con buenos resultados, corroborando que dichos modelos proporcionan una descripción física razonable del comportamiento de las turbinas de doble entrada bajo condiciones de admisión desiguales.

[CA] El present treball està centrat en analitzar el flux i l'eficiència de turbines de doble entrada, així com desenvolupar models de capacitat de flux i eficiència que siguen capaços de predir el seu comportament en condicions d'admissió desiguals. Aquestes condicions són les més comunes en funcionament real, per la qual cosa s'han d'avaluar adequadament. S'ha realitzat una anàlisi profunda dels patrons de flux i de les principals fonts de pèrdues mitjançant simulacions CFD i campanyes experimentals, identificant i quantificant els fenòmens més importants en distintes condicions d'admissió. L'ànalisi CFD i la campanya experimental amb la tècnica LDA han mostrat que el flux de cada rama no es mescla completament amb l'altre dins del rotor. Açò significa que les turbines de doble entrada podrien estudiar-se com dues turbines d'entrada simple treballant en paral·lel en models unidimensionals. A més, les àrees d'entrada i eixida del rotor corresponents a cada rama depenen linealment de la relació de gastos màssics (MFR). Els principals fenòmens de pèrdues han estat identificats. Fenòmens ja coneguts com les pèrdues per fricció en les volutes, interespai i rotor, les pèrdues per incidència o les pèrdues en punta de pala s'han quantificat. Tanmateix, s'han trobat fonts de pèrdues addicionals que ajuden a explicar el comportament en condicions d'admissió desiguals. S'ha trobat una expansió brusca aigües avall de la unió de les volutes que produeixen pèrdues en la rama amb més pressió. Encara que el flux de cada rama no es mescla completament dins del rotor, hi ha un intercanvi de moment entre rames produit en la regió de contacte entre rames. La rama amb més moment transmet part d'aquest a la rama amb menor moment. Aquest fenomen produeix pèrdues en la rama amb major moment en l'interespai i el rotor, però també produeix guanys en la rama amb menor moment. Aquest intercanvi de moment entre rames es un fenomen essencial per a entendre correctament el funcionament de les turbines radials de doble entrada en condicions d'admissió desiguals. Finalment, com la mescla completa dels fluxos de cada rama es produeix en la regió d'eixida, és en aquesta regió on es computen les pèrdues per mescla. Tota aquesta informació s'ha utilitzat per desenvolupar models d'àrea efectiva i eficiencia. El model d'àrea efectiva s'utilitza per a extrapolar en el mapa de capacitat de flux. Aquest model s'ha validat amb mesures experimentals. La seua capacitat d'extrapolació cap a altres condicions d'admissió s'ha demostrat fidedigna, obtenint un error menor del 3% en cada rama quan sols es proporciona al model els mapes de condicions d'admissió completa i parcial. El model d'eficiència s'utilitza per a extrapolar en el mapa d'eficiència. Aquest model també s'ha validat amb mesures experimentals. La seua capacitat d'extrapolació cap a altres valors d'MFR també s'ha demostrat fidedigna, obtenint un error combinat de les dues rames menor del 7%. A més, les prediccions que ofereixen els nous models basats en pèrdues han estat comparades amb models empírics i comercials, aconseguint prediccions més precises en condicions d'admissió desiguals. Com les condicions d'admissió desiguals són les més comunes en funcionament real, el comportament de les turbines de doble entrada estaran millor predites la major part del temps d'operació. Aquesta millora en les prediccions de les prestacions pot ajudar a treballar en condicions d'operació òptimes la major part del temps, el qual pot significar una major eficiència del motor de combustió interna i la seua corresponent reducció en consum de combustible i emissió de gasos contaminants. Addicionalment, una altra turbina de doble entrada amb una geometria considerablement diferent s'ha analitzat, trobant un comportament molt similar. Els models proporcionen una descripció física raonable del comportament de les turbines de doble entrada baix condicions d'admissió desiguals.

[EN] The current work focuses on the flow capacity and efficiency analysis and modelling of twin-entry radial turbines under unequal admission conditions. These conditions are the most common in real operation, so they must be properly assessed. A thorough analysis of the flow patterns within twin-entry turbines and the main sources of losses have been carried out by means of computational fluid dynamics (CFD) simulations and experimental campaigns, identifying and quantifying the most important phenomena under different admission conditions. The CFD analysis and the laser Doppler anemometry experimental campaign have shown that the flow from each branch does not fully mix within the rotor. It means that twin-entry turbines could be studied as two single-entry turbines working in parallel in one-dimensional models. Moreover, the rotor inlet and outlet areas corresponding to each branch depend linearly on the mass flow ratio (MFR). The main phenomena producing losses in twin-entry turbines have been identified. Well-known sources of losses have been quantified, such as passage losses in volutes, interspace and rotor, incidence losses or tip leakage losses. However, additional sources of losses have been found that explain the behaviour of twin-entry turbines under unequal admission conditions. There is a sudden expansion downstream of the junction of the volutes that produces losses in the branch with higher pressure. Although the flow from each branch does not fully mix within the rotor, there is a momentum exchange between branches produced in the contact region between branches. The branch with higher momentum transmits some of it to the branch with lower momentum. This phenomenon produces losses in the branch with higher momentum within the interspace and the rotor, but it also produces gains in the branch with lower momentum. This momentum exchange between branches is an essential phenomenon to properly understand the behaviour of twin-entry turbines under unequal admission conditions. Finally, since the full mixing of both flows is produced in the outlet region, the mixing losses are only computed in the outlet region. The flow behaviour information extracted from the CFD simulations and experimental campaigns has been used to develop effective area and efficiency models. The effective area model is used to extrapolate the flow capacity map. The model has been validated with experimental data. Its capability of extrapolating towards other MFR values has been proven, obtaining an error lower than 3% in each branch when only partial and full admission maps are provided to feed the model. The efficiency model is used to extrapolate the efficiency map. This model has also been validated with experimental data. Its capability of extrapolating towards other MFR values is also reliable, obtaining a combined error between both branches lower than 7%. Moreover, the predictions of this loss-based efficiency model have been compared to empirical and commercial models, obtaining more accurate predictions under unequal admission conditions. Since unequal admission conditions are the most common in real operation, the performance of twin-entry turbines could be better predicted most of the time. This improvement in the performance prediction could help to work in optimum operational points most of the time, which could lead to higher internal combustion engine efficiency and a reduction in fuel consumption and pollutant emissions. Additionally, a twin-entry turbine with a considerably different geometry has been analysed, finding the same flow behaviour. The models developed have been applied to this geometry, giving good results. These results corroborate that these models provide a reasonable physical description of the behaviour of the twin-entry turbines under unequal admission conditions.