Aerodynamic Design and Aeromechanical Analysis of Mixed and Radial Flow Turbines : A study on meanline method, stator tilting endwall design and forced response analysis

• In this energy transition era, turbocharging is still an important technology for the automotive industry to reduce fuel consumption and lower emissions in its vehicles. This importance can be seen from both conventional fossil-fuel powertrains, and emerging applications, such as increased utilization of biofuels along with hydrogen fuel cells. For automotive turbochargers, the turbine has mainly two alternative types, i.e., mixed flow turbines (MFTs) and radial flow turbines (RFTs). These devices are mature and commercially available yet still have significant potential for improvement towards ensuring higher performance, more robust operation, and lower cost. With this in mind the overall aim of this study is to improve the aerodynamic design and the aeromechanical analysis methods for MFTs and RFTs. Specifically, the investigation covers three research topics: meanline method, stator tilting endwall design, and forced response analysis. A meanline method tool is newly developed to predict the performance curves. For RFTs, the results present a generally good agreement between the predicted performance and experimental data. However, for MFTs, two limitations of loss models used in the meanline method have been identified: spanwise variation of incidence at the rotor inlet is neglected; and performance variations at different speeds cannot be captured by the investigated passage loss models. To overcome the first limitation, a multi-section incidence loss model is proposed. For the second limitation, more research work is suggested to investigate the effect of mixed-flow features at the MFT rotor inlet.      As a contribution to investigate the mixed-flow feature at the MFT rotor inlet, different stator tilting endwall designs are numerically evaluated with computational fluid dynamics (CFD) tools. An MFT with well-documented experimental data is selected as the baseline and used to validate the CFD method. Performance improvement has been seen from those designs with a sharp turning on the shroud-side endwall just before the rotor leading edge. The optimal design in this study has a -45° tilting angle of the shroud-side stator endwall. It achieves approximate 1%-point higher efficiency than the baseline design over the 100% and 50% speed lines. Detailed aerodynamic analyses of the internal flow field contribute to the understanding of the performance change. After the aerodynamic design, aeromechanical analyses are necessary steps to achieve the mechanical robustness. In this part of the study the accuracy and the computational cost of different CFD methods are compared in the forced response analysis of an open-geometry RFT using three CFD methods – full annular, phase-lag, and non-linear harmonic (NLH)– for forcing predictions paired with time-domain and harmonic balance (HB) methods for the aero-damping predictions. It is found that for the stator-induced forcing, all three CFD methods predict the same pattern of forcing distribution. Taking the full annular method as the reference, the maximum blade displacement predicted by the other two methods has less than 15% deviation. However, for the volute-induced forcing, the NLH method is excluded due to increased computational cost. The phase-lag method predicts a distinct forcing distribution to the reference full annular method, leading to approximate 50% difference of the maximum blade displacement. When predicting the aero-damping, the reference time-domain and the HB methods predict similar log decrement values with less than 4.6% deviation. In terms of computational effort, the harmonic methods, namely NLH and HB, reduce the effort by a factor of 42 and 6 respectively for the forcing and aero-damping predictions compared with the reference method. 

• 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.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Energiteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Energy Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

Turbomachinery

CFD

aerodynamics

aeromechanics

mixed flow turbine

Energy Technology

Energiteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)