On the Influence of Inlet Geometry on Turbocharger Compressor Noise

Abstract

[ES] En la sociedad actual hay cada vez una mayor conciencia de la importancia del calentamiento global. Esta preocupación se ve reflejada por los poderes legislativos de las naciones occidentales en normativas de emisiones cada vez más restrictivas. En este contexto, la industria automovilísitca se ha visto fuertemente incentivada a desarrollar motores térmicos más eficientes e incluso a explorar nuevas soluciones propulsivas, como el motor eléctrico.

Para mejorar la eficiencia energética de los motores de combustión interna alternativos se emplea la reducción de los motores. Esto ha obligado a los compresores a trabajar en condiciones, en las que su emisión acústica llega a ser problemática. La revisión bibliográfica llevada a cabo en esta tesis muestra que sigue sin haber consenso acerca de la causa de ciertas componentes del espectro, como los ruidos de banda ancha conocidos cono whoosh y Tip Clearance Noise (TCN). La influencia en el ruido de la geometría de los conductos de entrada al compresor está asimismo poco explorada. Esta tesis presenta una metodología computacional de análisis del campo de flujo que permite la identificación de las estructuras de flujo responsables de las componentes espectrales más relevantes, así como el análisis de la influencia en éstas de las condiciones de operación y las geometrías de entrada.

El campo de presión en el interior del compresor se analiza mediante técnicas de descomposición modal. Éstas permiten identificar patrones espaciales y asociarlos a las frecuencias del espectro medido de forma objetiva. Posteriormente se identifica las estructuras de flujo correspondientes a dichos patrones, y su evolución con las condiciones de operación y la geometría de entrada. Mediante la aplicación de la metodología descrita se describe los diferentes mecanismos de generación de los ruidos tonales en el inductor y el borde de fuga del rotor. En cuanto a los ruidos de banda ancha mencionados, los vórtices encontrados aguas arriba del inductor generan oscilaciones en la banda de frecuencias del whoosh, y favorecen el desprendimiento rotativo, que contribuye a dicho ruido en el difusor y la voluta. La carga no estacionaria sobre la superficie de los álabes es identificada como un importante contribuidor al ruido TCN.

La influencia de las condiciones de operación en la generación de ruido se manifiesta a través de la intensidad del flujo inverso en el inductor. La aparición de este flujo inverso es característica de los puntos de bajo gasto másico, aunque se sigue apreciando, con menor intensidad, en algunos puntos de alto gasto. El flujo inverso inhibe las condiciones sónicas en el borde de ataque, debilitando el ruido tonal a la frecuencia de paso de álabe. En cuanto a los ruidos de banda ancha, el flujo inverso es la causa de los vórtices en el inductor que producen el ruido whoosh y el despegue rotativo, y además promueve la carga no estacionaria de los álabes, asociada con el TCN.

El papel de la geometría del conducto de entrada en el ruido depende de su grado de interacción con los vórtices del inductor. En aquellas geometrías que limitan la extensión aguas arriba de los vórtices del inductor, como los codos con radio de curvatura reducido, tiene lugar una interacción intensa de los vórtices con las paredes del conducto y con otros vórtices. Ello está correlacionado con un aumento del ruido whoosh. Los conductos de entrada que están suficientemente separados de los vórtices, intervienen en el ruido solamente a través de sus propiedades de transmisión de las oscilaciones acústicas generadas en el rotor y el difusor.

Al final de la tesis se reflexiona sobre las contribuciones de los resultados expuestos al estado del arte de la investigación en el ruido de compresores. Además, se propone nuevas líneas de investigación para extender la metodología presentada, y completar el conjunto de condiciones de funcionamiento y geometrías de entrada analizadas en este trabajo.

[CA] En la societat actual hi ha cada vegada una major consciència de la importància del calfament global. Aquesta preocupació es veu reflectida pels poders legislatius de les nacions occidentals en normatives d'emissions cada vegada més restrictives. En aquest context, la indústria de l'automòbil s'ha vist fortament incentivada a desenvolupar motors tèrmics més eficients i fins i tot a explorar noves solucions propulsives, com el motor elèctric.

La tendència adoptada per a millorar l'eficiència energètica dels motors de combustió interna alternatius és la reducció de la grandària dels motors. Això ha obligat els compressors a treballar en condicions més extremes, en les quals la seua emissió acústica arriba a ser problemàtica.

La revisió bibliogràfica duta a terme en aquesta tesi mostra que segueix sense haver-hi consens sobre la causa d'unes certes components de l'espectre, com els sorolls de banda ampla coneguts con whoosh i Tip Clearance Noise (TCN). La influència en el soroll de la geometria dels conductes d'entrada al compressor està així mateix poc explorada. Aquesta tesi presenta una metodologia computacional d'anàlisi del camp de flux que permet la identificació de les estructures de flux responsables de les components espectrals més rellevants, així com l'anàlisi de la influència en aquestes de les condicions d'operació i les geometries d'entrada.

El camp de pressió a l'interior del compressor s'analitza mitjançant tècniques de descomposició modal. Aquestes permeten identificar patrons espacials i associar-los a les freqüències de l'espectre mesurat de manera objectiva. Posteriorment s'identifica les estructures de flux corresponents a aquests patrons, i la seua evolució amb les condicions d'operació i la geometria d'entrada. Mitjançant l'aplicació de la metodologia descrita es descriu els diferents mecanismes de generació dels sorolls tonals en l'inductor i la vora de fugida del rotor. Quant als sorolls de banda ampla esmentats, els vòrtexs trobats aigües amunt de l'inductor generen oscil·lacions en la banda de freqüències del whoosh, i afavoreixen el despreniment rotatiu, que contribueix a aquest soroll en el difusor i la voluta. La càrrega no estacionària sobre la superfície dels àleps és identificada com un important contribuïdor al soroll TCN.

La influència de les condicions d'operació en la generació de soroll es manifesta a través de la intensitat del flux invers en l'inductor. L'aparició d'aquest flux invers és característica dels punts de baixa despesa màssica, encara que es continua apreciant, amb menor intensitat, en alguns punts d'alta despesa. El flux invers inhibeix les condicions sòniques en la vora d'atac, afeblint el soroll tonal a la freqüència de pas d'àlep. Quant als sorolls de banda ampla, el flux invers és la causa dels vòrtexs en l'inductor que produeixen el soroll whoosh i el despreniment rotatiu, i a més promou la càrrega no estacionària dels àleps, associada amb el TCN.

El paper de la geometria del conducte d'entrada en el soroll depén del seu grau d'interacció amb els vòrtexs de l'inductor. En aquelles geometries que limiten l'extensió aigües amunt dels vòrtexs de l'inductor, com els colzes amb radi de curvatura reduït, té lloc una interacció intensa dels vòrtexs amb les parets del conducte i amb altres vòrtexs. Això està correlacionat amb un augment del soroll whoosh. Els conductes d'entrada que estan prou separats dels vòrtexs, intervenen en el soroll solament a través de les seues propietats de transmissió de les oscil·lacions acústiques generades en el rotor i el difusor.

Al final de la tesi es reflexiona sobre les contribucions dels resultats exposats a l'estat de l'art de la investigació en el soroll de compressors. A més, es proposa noves línies d'investigació per a estendre la metodologia presentada, i completar el conjunt de condicions de funcionament i geometries d'entrada analitzades en aquest treball.

[EN] In today's society, there is a growing awareness of the importance of global warming. This concern is reflected by the legislative powers of Western nations in increasingly restrictive emissions regulations. In this context, the automotive industry has been strongly encouraged to develop more efficient thermal engines and even to explore new propulsion solutions, such as the electric motor.

The trend adopted to improve the energy efficiency of reciprocating internal combustion engines is the reduction of engine size. This has forced compressors to work in more extreme conditions, where their acoustic emission becomes troublesome. The literature review carried out in this thesis shows that in the last two decades, there has been a great boom of research in the acoustics of radial turbocharger compressors. Despite the progress made, there is still no consensus about the cause of specific spectrum components, such as the broadband noises known as whoosh and Tip Clearance Noise (TCN). The influence of compressor inlet duct geometry on noise is also scarcely explored. This thesis presents a computational methodology of flow field analysis that allows the identification of the flow structures responsible for the most relevant spectral components and the analysis of the influence of operating conditions and inlet geometries on them.

The pressure field inside the compressor is analyzed through modal decomposition techniques. These allow identifying spatial patterns and associating them to the frequencies of the measured spectrum in an objective manner. Subsequently, the flow structures corresponding to these patterns are identified, and their evolution with the operating conditions and the inlet geometry is analyzed. Through the application of the described methodology, the different mechanisms of generation of the tonal noises in the inducer and the impeller trailing edge are identified. While the former is related to the sonic conditions at the leading edge, the latter is excited by the asymmetric pressure field in the diffuser. As for the aforementioned broadband noises, the vortices encountered upstream of the inducer generate oscillations in the whoosh frequency band and favor rotating stall, contributing to such noise in the diffuser and volute. Unsteady blade surface loading is identified as an important contributor to TCN noise.

The influence of operating conditions on noise generation manifests through the intensity of the backflow in the inducer. The occurrence of backflow is characteristic of low mass flow points, although it is also found, with less intensity, at some higher mass flow points. The backflow inhibits the sonic conditions at the leading edge, weakening the tonal noise at the blade passing frequency. As for broadband noise, reverse flow is the cause of vortices in the inducer that produce whoosh noise and rotating stall. It also promotes the unsteady blade loading associated with TCN.

The role of the inlet duct geometry in the noise depends on its degree of interaction with the inducer vortices. In geometries that limit the upstream extent of these vortices, such as low curvature radii elbows, intense interaction of the vortices with the duct walls and other vortices occurs. This is correlated with an increase in whoosh noise. Inlet ducts that are sufficiently separated from the vortices only affect noise through their transmission properties regarding acoustic oscillations generated in the impeller and diffuser.

At the end of the thesis, reflections are offered on the contributions of the results to the current knowledge on compressor noise. In addition, new lines of research are proposed to extend the methodology presented and to complete the set of operating conditions and inlet geometries analyzed in this work.