Till innehåll på sidan

Aerodynamic Design and Aeromechanical Analysis of Mixed and Radial Flow Turbines

A study on meanline method, stator tilting endwall design and forced response analysis

Tid: Må 2021-09-27 kl 09.00

Plats: Publikt via Zoom, (English)

Ämnesområde: Energiteknik

Respondent: Yang Gao , Energiteknik, Turbomachinery & Propulsion

Opponent: Prof. Damian Vogt, Inst of Thermal Turbomachinery and Machinery Laboratory, University of Stuttgart, Germany

Handledare: Prof. Andrew R. Martin, Kraft- och värmeteknologi; Doc. Jens Fridh, Kraft- och värmeteknologi

Abstract

Under den pågående energiomställningen i samhället är turboladdning fortfarande en viktig teknik för fordonsindustrin för att minska bränsleförbrukningen och sänka utsläppen för sina fordon. Turboladdarens betydelsefullhet kan ses inom både konventionella drivsystem för fossila bränslen och framväxande applikationer, såsom ökat utnyttjande av biodrivmedel till-sammans med vätgasbränsleceller. För turboladdare till bilar har turbinen huvudsakligen två alternativa typer, dvs. mixade inflödesturbiner (MFT) och radiella inflödesturbiner (RFT). Dessa enheter är mogna och kommersiellt tillgängliga men ändå finns det en betydande förbättringspotential mot högre prestanda, mer robust drift och lägre kostnad. Med detta i åtanke är det övergripande syftet med denna studie att förbättra den aero-dynamiska designen och de aeromekaniska analysmetoderna för MFT och RFT. Specifika områden som behandlas är: aero-dynamisk mittsnittsanalys, vinklade statorändväggar och påt-vingad respons (forced respons).

Ett verktyg för mittsnittsanalys har nyligen utvecklats för att förutsäga prestandakurvor. För RFT:er visar resultaten en generellt god överensstämmelse mellan den förutsagda prest-andan och presenterade experimentella data. För MFT:er har dock två begränsningar av förlustmodeller som används i mittsnittsanlys identifierats: radiell variation av inloppsvinkeln tas inte hänsyn till och prestationsvariationer vid olika hastigheter kan inte fångas av de undersökta rotorpassage-förlustmodellerna. För att övervinna den första begränsningen föreslås en flersektionsmodell för incidensförlust vid inloppet. För den andra begränsningen föreslås mer forskningsarbete för att undersöka effekten av mixat flöde vid MFT-rotorinloppet.

Som ett bidrag för att utreda egenskaper för mixat flöde vid MFT-rotorinloppet utvärderas olika vinklade statorändväggs-designer numeriskt med CFD-verktyg (computational fluid dynamics). En MFT med väldokumenterade experimentella data väljs ut som basfall och används för att validera CFD-metoden. Förbättring av prestanda har observerats från dessa konstruk-tioner med en kraftig vändning av statorsidovägg strax före rotorns framkant som ger upphov till en lokal seperation. Detaljerade aerodynamiska analyser av det interna flödesfältet bidrar till förståelsen av ändringen i verkningsgrad.

Efter den aerodynamiska designen är aeromekaniska analyser nödvändiga steg för att uppnå en hållfasthetsmässigt robust design. I denna del av studien jämförs noggrannheten och beräkningskostnaden för olika CFD-metoder i analysen av påtvingad respons (forced respons) av en RFT med öppen geometri med hjälp av tre CFD-metoder: fullt annulär modell, fasfördröjning och icke-linjär harmonisk (NLH) - för tvingande förutsägelser ihop med metoder för tidsdomän och harmonisk balans (HB) för flygdämpande förutsägelser. Det har visat sig att för de statorinducerade påtvingade responsen förutsäger alla tre CFD-metoderna samma mönster för dynamiska kraftvariationer. Med den fullständiga annulära metoden som referens har den maximala bladförskjutningen som förutspås av de andra två metoderna mindre än 15% avvikelse. Emellertid för den volutinducerade kraftvariationerna exkluderas NLH-metoden på grund av ökad beräkningskostnad. Fasfördröjningsmetoden förutspår en distinkt dynamisk kraft för referensens fullt annulära metod, vilket leder till ungefär 50% skillnad för maximal bladförskjutning. När man förutspår aerodämpningen förutsäger referenstiddomänen och HB-metoderna liknande loggminskning-svärden med mindre än 4,6% avvikelse. När det gäller beräk-ningskapacitet minskar de harmoniska metoderna, nämligen NLH och HB, kapciteten med en faktor på 42 respektive 6 respektive för påtvingade och luftdämpande förutsägelser jämfört med referensmetoden.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-300429