Experimental investigation and extended simulation of turbocharger non-adiabatic performance [Elektronische Ressource] / von Sameh Shaaban

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2004
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Extrait

Experimental investigation and extended simulation
of turbocharger non-adiabatic performance







VomFachbereichMaschinenbau
derUniversitätHannover
zurErlangungdesakademischenGrades
DoktorIngenieur
genehmigteDissertation




von



MScEng.SamehShaaban
geborenam01.02.1970inKairo,Ägypten









2004







StichwortefürdieDokumentation:

Turbolader,diabatischesVerhalten,Simulation,Radial verdichter,radialeTurbine



Keywords:

Turbocharger,nonadiabaticperformance,simulation,c entrifugalcompressor,radial
turbine,microcompressor.



















1.Referent: Prof.Dr.Ing.J.Seume
2.Referent: Prof.Dr.Ing.H.Pucher
TagderPromotion: 14.12.2004




i

Abstract

Turbochargingisnowadaysconsideredthemostcommonlyused methodofengine
supercharging.Oneoftheimportantfactorsaffectingth eturbochargerperformance
istheheattransferinsidetheturbochargerandfrom theturbochargertotheambient.
Heattransfertakesplaceduetothehightemperature gradientbetweentheturbine
andtheothercomponentsoftheturbochargeraswellas betweentheturbineandthe
ambient. This heat transfer causes underestimation of the measured compressor
efficiencyandoverestimationoftheturbineefficiency.Thisresultsinaninaccurate
estimationofthecompressorpowerandtheturbinepower.Therefore,themeasured
turbocharger performance maps are not accurate enough to simulate the
turbocharger performance in engine simulation programs. Furthermore, the
measuredturbochargerperformancemapsprovidethetur bochargerperformancefor
veryfewoperatingpointsincomparisonwiththeengi neoperatingpoints.

The present research work aims at investigating the turbo charger nonadiabatic
performance. It also aims at extending the simulation of the turbocharger
performancedowntoverylowturbochargerrotationalspeedsaswellascompressor
operation in the fourth quadrant of the performance map. The turbocharger
performance simulation is based on physically meaningful models for the
aerodynamicperformanceofradialturbomachines.Thea erodynamicperformanceof
microradialcompressorsisalsoexperimentallyinvestiga ted.

Three different turbochargers are investigated in the present research work. The
experimentalinvestigationisconductedusingtwodiffe rentcombustionchambertest
rigs. Models and correlations for the estimation of the amount of heat transfer
betweenthecomponentsoftheturbochargeraswellasb etweentheturbineandthe
ambient are developed. Empirical loss correlations are o btained for micro radial
compressors. Correlations for estimating the slip factor of radial compressors are
also presented. A program for predicting the actual performance of micro radial
compressors in low rotational speed operating range is in troduced. A turbocharger
performance simulation program is also presented. This p rogram is designed to
operate as a stand alone program or as two subroutines in the engine simulation
programs.ii

Kurzfassung

Turboaufladung ist heutzutage die am häufigsten verwendete Methode für die
AufladungvonVerbrennungsmotoren.WärmeübertragunginnerhalbdesTurboladers
und vom Turbolader an die Umgebung ist einer der wichtigen Faktoren, die das
Turboladerverhalten beeinflussen. Sie findet wegen des hohen
Temperaturgradienten zwischen der Turbine und den anderen
TurboladerbestandteilensowiezwischenderTurbineundderUmgebungstatt.Diese
Wärmeübertragung führt zur Unterschätzung des Verdichte rwirkungsgrades und
Überschätzung des Turbinenwirkungsgrades. Die berechnete Verdichter bzw.
Turbinenleistung mit Hilfe der gemessenen Kennfelder wird deswegen zu groß
geschätzt.Dasbedeutet,dassdiegemessenenKennfeldern ichtgenaugenugfürdie
Simulation des Turboladerverhaltens in Motorsimulation sprogrammen sind.
AußerdemstellendiegemessenenKennfelderdasTurbolad verhaltennurfürwenige
Betriebspunktedar.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist, das diabate Verhalt en des Turboladers zu
untersuchenunddieSimulationdesTurboladersbiszuse hrniedrigenDrehzahlenzu
erweitern. Die Simulation des Verdichters deckt auch den Verdichterbetrieb im
viertenQuadrantendesKennfeldesab.DieErweiterung derKennfelderbasiertauf
physikalisch sinnvollen Modellen für das aerodynamische Ver halten der
Radialturbomaschinen. Das aerodynamische Verhalten der M ikroradialverdichter
wirdauchuntersucht.

Drei Turbolader werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit untersucht. Die
experimentelle Untersuchung wird mit zwei unterschiedlichen
Brennkammerprüfständen durchgeführt. Modelle bzw. empirische Korrelationen für
die Bestimmung der Wärmeübertragung innerhalb des Tu rboladers und vom
Turbolader andie Umgebung werden entwickelt. DesWeit eren werdenempirische
Korrelationen für die Bestimmung der aerodynamischen Verluste und des
Minderleistungsfaktors erstellt. Ein Programm für die V orhersage des
Radialverdichterverhaltens im niedrigen Drehzahlberei ch wird erstellt. Ein anderes
Programm für die Erweiterung der gemessenen Kennfelder bis zu sehr niedrigen
Drehzahlen wird erarbeitet. Dieses Programm dient sow ohl als StandAlone
ProgrammalsauchalsSubroutineninProgrammenzurSi mulationdesMotors.

iii

Acknowledgment

Thepresentresearchworkisdevelopedduringmyworkasr esearchassistancein
the institute of turbomachinery (IfS), Hanover University. The research work was
supervisedbyProf.Dr.Ing.J.Seume.

I would like to express my thanks and gratitude to Prof. Dr.Ing. J.Seume for the
continuous support, the helpful advice, and the valuabl e guidance throughout the
presentresearchwork.

IthankProf.Dr.Ing.M.Rautenbergforthediscussions duringtheresearchwork.I
also thank Prof. Dr.Ing. H. Pucher and Prof. Dr.Ing. J. Linnhoff for the support
duringthedevelopmentofthe“TC_2003”program.MythanksarealsotoDr.Ing.R.
Baar,VWcompany,forthesupport.

IwouldliketoexpressmythanksandgratitudetoProf. Dr.Ing.H.HeikalandProf.
Dr.Eng.A.Abdelhafizforthecontinuoussupportduri ngmystudyinEgypt.Iwould
alsoliketothankProf.Dr.Ing.A.Mobarakforthein formationanddiscussionsduring
hisvisittoGermany.

I thank all my colleagues in the institute of turbomach inery for the valuable
discussions. My thanks are also to the technical staff of the institute of
turbomachineryforthetechnicalsupportduringmyresearchwork.

Finally,Iwouldliketoexpressmyspecialthankstomyf amilyforthepatienceand
encouragement.



Hanover,December2004


SamehShaaban







iv


Tableofcontents v

Table of contents

Abstract.......................................................................................................................i
Kurzfassung...............................................................................................................ii
Acknowledgment......................................................................................................iii
Table of contents.......................................................................................................v
List of figures..........................................................................................................viii
List of tables ............................................................................................................xx
List of symbols .......................................................................................................xxi
1.INTRODUCTION.....................................................................................................1
1.1 Introduction .......................................................................................................1
1.2 Turbocharging...................................................................................................3
1.3 Mechanicaldesignoftheturbocharger .............................................................4
1.3.1 Theradialcompressoroftheturbocharger.................................................4
1.3.2 Theradialturbineoftheturbocharger.........................................................5
1.3.3 Turbochargerbearingsystem.....................................................................6
1.4 Methodsofcontrollingtheturbocharger............................................................6
1.4.1 Bypasscontrol................................. ..........................................................7
1.4.2 Variablegeometrycontrol...........................................................................7
1.5 Turbochargerperformancemaps......................................................................8
1.5.1 Compressorperformancemap ...................................................................8
1.5.2 Turbineperformancemap ..........................................................................9
1.6 Adiabaticversusnonadiabaticturbochargerperforma nce.............................11
1.7 Methodsofturbochargerperformancesimulation.........................................