Measurement, Simulation, and 1D-Modeling of Turbocharger Radial Turbines at Design and Extreme Off-Design Conditions

Abstract

[ES] Para lograr una correspondencia óptima entre el turbocompresor y el motor de combustión interna en un amplio rango del mapa de operación del motor, su compleja interacción se analiza comúnmente por medio de modelos transitorios unidimensionales. El flujo pulsante de los gases de escape del motor causa altas variaciones de caudal, presión total y temperatura total en la entrada de la turbina. Esto lleva a la turbina del turbocompresor hacia condiciones extremadamente fuera de diseño. Por lo tanto, se requieren amplios mapas de operación de turbina como entrada para estos modelos unidimensionales. La medida de los mapas de turbinas suele estar restringida por el choque y el bombeo del compresor. En esta tesis, el compresor del turbocompresor se convirtió en una turbina centrífuga para ayudar a la rotación del eje cuando la turbina produce o incluso consume baja potencia. Para aumentar la potencia de salida de la rueda del compresor, se colocó una IGV aguas arriba de la entrada del compresor. Para reducir el esfuerzo de adiabatización de la significativa transferencia de calor interna en estas condiciones de operación, se desarrolló una correlación simple que solo depende de las medidas de temperatura de fluidos. Con los datos obtenidos fuera del diseño, se validó una configuración de CFD para el logro de resultados convergentes en condiciones extremadamente fuera del diseño. Para reducir la problemática de los elevados ángulos de flujo en la salida de la turbina, cuando se opera con bajos caudales másicos, el conducto de salida se extendió y se tuvo que colocar un conducto cónico justo antes de la salida del dominio. Por medio de los resultados de CFD bien validados, se analizaron los efectos tridimensionales del flujo. Operando en condiciones fuera del diseño, el remolino de salida, y por lo tanto, el gradiente de presión estática es tan alto que el flujo colapsa y se produce un flujo reverso. Esta reversión del flujo regresa al interior del rotor y se mezcla nuevamente con el flujo principal. Por un lado, este efecto produce pérdidas de presión y un par localmente negativo en el rodete. Por otro lado, el flujo revertido aumenta localmente el flujo de masa y restringe la sección de flujo cerca de la carcasa. Por lo tanto, la carga del alabe y la producción de torsión local aumentan cerca del espacio por encima del alabe. Aunque se notó un cambio claro en la gráfica de la carga de la etapa en función del coeficiente de flujo tan pronto como ocurre el flujo reverso, no se puede notar un impacto claro en la eficiencia. El análisis adicional del flujo de fuga de la punta en un amplio rango mostró la importancia del flujo impulsado por fricción y el flujo de fuga inducido por incidencia en una condición fuera del diseño. En general, se observó que las pérdidas por fugas en la punta se volvieron más importantes a medida que la turbina opera lejos del punto de diseño. Finalmente, los efectos observados fueron modelados unidimensionalmente. Se desarrolló un modelo de pérdida de fugas en la punta que es capaz de reproducir las tendencias encontradas y muestra una buena capacidad de extrapolación. Los resultados fueron validados con los datos tridimensionales de CFD. A continuación, fue posible desarrollar un método novedoso para la caracterización del flujo de fuga de la punta, que puede modelar el momento y las velocidades del flujo de fuga de la punta para diferentes alturas de separación de la punta en condiciones de diseño y fuera del diseño. Siguiendo con lo anterior, se desarrolló un modelo de extrapolación unidimensional completo para mapas de eficiencia de turbinas adiabáticas. Aprovechando el modelo de fuga de puntas recientemente desarrollado y otros hallazgos de la campaña CFD, se logró una buena calidad de extrapolación en términos de velocidad, relación cinemática de BSR y apertura de VGT. La alta calidad de los resultados se estableció mediante la comparac

[CA] Per aconseguir una correspondència òptima entre el turbocompressor i el motor de combustió interna en una amplia zona del mapa d'operació del motor, la seva complexa interacció s'analitza comunament per mitjà de models transitoris unidimensionals. El flux polsant dels gasos d'escapament del motor causa altes variacions de cabal, pressió total i temperatura total a l'entrada de la turbina. Això porta a la turbina del turbocompressor cap a condicions extremadament fora de disseny. Per tant, es requereixen amplis mapes d'operació de turbina com a entrada per a aquests models unidimensionals. La mesura dels mapes de turbines sol estar restringida pel choke i el surge del compressor. En aquesta tesi, el compressor del turbocompressor va esdevenir una turbina centrífuga per ajudar a la rotació de l'eix quan la turbina produeix o fins i tot consumeix baixa potència. Per augmentar la potència de sortida de la roda del compressor, es va col·locar una IGV aigües amunt de l'entrada del compressor. Per reduir l'esforç de adiabatización de la significativa transferència de calor interna en aquestes condicions d'operació, es va desenvolupar una correlació simple que només depèn de les mesures de temperatura del fluids. Amb les dades obtingudes fora del disseny, es va validar una configuració de CFD per a l'assoliment de resultats convergents en condicions extremadament fora del disseny. Per reduir la problemàtica dels elevats angles de flux a la sortida de la turbina, quan s'opera amb baixos cabals màssics, el conducte de sortida es va estendre i es va haver de posar un conducte cònic just abans de la sortida del domini. Per mitjà dels resultats de CFD ben validats, es van analitzar els efectes tridimensionals del flux. Operant en condicions fora del disseny, el remolí de sortida, i per tant, el gradient de pressió estàtica és tan alt que el flux col·lapsa i es produeix un flux revers. Aquesta reversió del flux torna a l'interior del rotor i es barreja novament amb el flux principal. D'una banda, aquest efecte produeix pèrdues de pressió i un parell localment negatiu en el rodet. D'altra banda, el flux revertit augmenta localment el flux de massa i restringeix la secció de flux prop del carcassa. Per tant, la càrrega del alabi i la producció de torsió local augmenten prop de l'espai per sobre damunt del alabi. Encara que es va notar un canvi clar en la gràfica de la càrrega de l'etapa en funció del coeficient de flux quan succeeix el flux revers, no es pot notar un impacte clar en l'eficiència. L'anàlisi addicional del flux de fugida de la punta en un ampli rang va mostrar la importància del flux impulsat per fricció i el flux de fugida induït per incidència en una condició fora del disseny. En general, es va observar que les pèrdues per fuites a la punta es van tornar més importants quan la turbina opera lluny del punt de disseny. Finalment, els efectes observats van ser modelats unidimensionalment. Es va desenvolupar un model de pèrdua de fuites a la punta que és capaç de reproduir les tendències trobades i mostra una bona capacitat d'extrapolació. Els resultats van ser validats amb les dades tridimensionals de CFD. A continuació, va ser possible desenvolupar un mètode innovador per a la caracterització del flux de fugida de la punta, que pot modelar el moment i les velocitats del flux de fugida de la punta per diferents alçades de separació de la punta en condicions de disseny i fora de l' disseny. Finalment, es va desenvolupar un model d'extrapolació unidimensional complet per a mapes d'eficiència de turbines adiabàtiques. Fent ús del model de fugida de puntes recentment desenvolupat i altres troballes de la campanya CFD, es va aconseguir una bona qualitat de extrapolació en termes de velocitat, relació cinemàtica de BSR i obertura de VGT. L'alta qualitat dels resultats es va establir mitjançant la comparació amb la gran quantitat de dades mesurades en primer lloc.

[EN] To achieve an optimal matching between the turbocharger and internal combustion engine over a wide range of the engine operation map, their complex interaction is commonly analyzed by means of transient one-dimensional modeling. The pulsating flow of the engine exhaust gases causes high variations of turbine inlet mass flow, total pressure, and total temperature. This pushes the turbocharger turbine operation towards extreme off-design conditions. Hence, wide turbine operation maps are required as input for the one-dimensional models. The measurement of turbine maps is typically restricted by compressor choke and surge. At the same time, only minor geometrical changes are required to maintain the important thermal characteristics of the turbocharger. In this thesis the turbocharger compressor was converted into a centrifugal turbine to assist the axis rotation when the turbine produces or even consumes low power. For enhancing the power output from the compressor wheel, an IGV was placed upstream of the compressor inlet. To reduce the effort for adiabatizing, a simple correlation only dependent on fluid temperature measurements was developed. Further test monitoring strategies were documented that can assist the measurement of off-design conditions. With the obtained off-design data a CFD setup for the achievement of convergent results in extreme off-design conditions was validated. To reduce the problem of high swirl angles in the turbine outlet when operating with low mass flows, the outlet duct was extended and a tapered duct had to be attached just before the domain outlet. By means of the well validated CFD results, three-dimensional flow effects were analyzed. Operating in high off-design conditions the outlet swirl and thus, the static pressure gradient was so high that the flow collapses and a reverse flow develops. This reverse flow reenters the rotor and mixes again with the main flow. On one hand this effect produces pressure losses and locally negative torque at the hub. However, on the other hand the reentering flow increases the mass flow locally and restricts the flow section close to the hub. Hence, blade loading and local torque production are increased close to the shroud. Although a clear change in the stage loading vs. flow coefficient plot was noticed as soon as the reverse flow occurs, no clear impact on the efficiency can be seen. Further analysis of tip leakage flow over a wide range showed the importance of friction driven flow and incidence induced leakage flow in off-design condition. In general, greater tip leakage losses were observed as further the turbine operates away from the design point. Furthermore, it was stated that a commonly used correlation for the characterization of tip leakage flow is not capable of reproducing either qualitative trends nor quantities when the tip gap height or the operating point is varied. Finally, the observed effects were modeled in one-dimensional form. A tip leakage loss model that is capable of reproducing the found trends and shows good extrapolation capability was developed. Results were validated using three-dimensional CFD data. As a result, it was possible to develop a novel method for tip leakage flow characterization, which can model tip leakage flow momentum and velocities for varying tip gap heights in design and off-design conditions. Following, a complete one-dimensional extrapolation model for adiabatic turbine efficiency maps was developed. Taking advantage of the newly developed tip leakage model and other findings from the CFD campaign, good extrapolation quality in terms of speed, blade-to-jet speed ratio and VGT opening was achieved. High accuracy of the results was stated by the comparison with the initially measured wide range data.