20443

۲۰۴۴۳

تحليل توربين توربوشارژر از نقطه نظر برهمكنش سيال و جامد

دكتري

نيرو محركه

۱۳۹۸

۱۳۹۸/۲/۴

دكتر محمد حسن شجاعي فرد

دكتر ابوالفضل خلخالي

خودرو

توربوشارژر سبب افزايش توان خروجي موتور مي شود ولي در معرض بارهاي سيكليك حرارتي و فشاري قرار دارد كه منجر به خستگي و شكست مي شود. در نتيجه در طراحي آن مسائل متالورژيكي، ايروديناميكي، حرارتي، ارتعاشاتي و ديناميكي بايد درنظرگرفته¬شوند. در توربوماشين¬هاي جديد، طراحي سبك تر پره ها به منظور افزايش راندمان، سبب افزايش احتمال شكست در اثر خستگي¬هاي ناشي از ارتعاشات و فلاتر مي¬باشد، مخصوصا زماني كه بحث خستگي با مسائل بارهاي حرارتي تركيب شود، ميزان اهميت طراحي چندين برابر مي¬شود. بنابراين شناخت كامل نيروهاي ايروديناميكي و پاسخ سازه براي طراحان از اهميت ويژه¬اي برخوردار است. در پايان¬نامه جاضر به دليل محدوديت داده¬هاي آزمايشگاهي بارهاي حرارتي ديده نشده است و همچنين مطالعه¬اي بر روي اثرات كمپرسور بر روي عملكرد واحد توربوشارژ انجام نگرفته است ولي به عنوان گامي مهم، تحليل برهمكنش جريان و پره در روتور توربين توربوشارژر با ورودي دوگانه، در حالت پايا و ناپايا انجام گرفته است. صحه¬گذاري نتايج با داده¬هاي آزمايشگاهي حاصل از آزمايشگاه توربوشارژر دانشگاه امپريال كالج براي چندين نقطه كاري انجام شده است و شرايط مرزي مستقيما از شرايط و نتايج گزارش شده از مطالعات كوپلند و نيوتن برگرفته شده است. در اين دانشگاه تحقيقات مفصلي بر روي توليد آنتروپي، تغييرات راندمان در اثر تغذيه نامساوي و همچنين مدلسازي جريان ناپاياي پالسي و غير همفاز اين توربوشارژ انجام گرفته است و تحليل پايداري كه در اين پايان نامه انجام شده است گام بعدي اين مطالعات محسوب مي شود. در تعريف پروفيل فشار ورودي توربين، پالسيشن ناشي از ترتيب تخليه سيلندرها به حلزوني ورودي دوگانه توربوشارژ در نظر گرفته شده است. سيال گاز كامل از نوع هوا و به صورت تراكم¬پذير و لزج در نظر گرفته شده است. مقدار دمپينگ ايروديناميكي سيال در مقابله با ارتعاشات ناشي از فلاتر پره توربين از طريق محاسبه ضريب فشار ناپايا اندازه گيري شد. نتايج بررسي پايداري تحت تاثير هارمونيك اول درتحريك پالسي نشان داد كه با وجود سطح كوچك پره به دليل سرعت بسيار بالاي گاز قابليت وقوع فلاتر در اين توربين وجود دارد. ارتعاشات ناشي از تحريك پالسي در مود خمشي دمپ نمي شود و توسط سيال تقويت مي شود. اثرات نوع جريان ترنسونيك بر روي پايداري ديده شد و نتايج نشان داد محل وقوع شوك نحوه تاثير شوك بر پايداري را تعيين مي¬كند و جدايش جريان و ورتكس¬ها با تاثير بر جريان جرمي مكان و شدت شوك را مشخص مي¬كند. مقايسه بين ورتكس¬هاي اصلي در حالت تغذيه كامل و جزئي نشان داد ورتكس كنار سطح فشاري با افزايش فشار قدرت و توسعه بيشتري به سمت داخل گذرگاه پيدا مي¬كند كه منجر به ناپايداري بيشتر مي¬شود. در توربين مورد مطالعه با دمپينگ ايروديناميكي منفي با افزايش فشار محل شوك به محل كار مثبت نزديك مي¬شود و باعث افزايش ناپايداري مي شود. همچنين با هدف مطالعه تاثير توزيع ضخامت پره بر رفتار متقابل شوك و پايداري و همچنين عملكرد توربين، برهمكنش سازه و سيال بر روي پنج هندسه پره براي پذيرش كامل و جزئي توربوشارژر انجام گرفته¬است و در نهايت پروفيل با توزيع ضخامت مناسب براي افزايش پايداري پره تعيين شد.

1398/02/11

Turbocharger Turbine Analysis with Fluid Solid Interaction Viewpoint

4/25/2019 12:00:00 AM

This thesis reports a comprehensive fluid-solid study of turbocharger turbines with different blade profiles in equal and partial admission conditions. A 3D CFD model in ANSYS CFX for fluid side, and a FEA model in ANSYS Static Structural module for the blade structural responses were used. Validation was performed by reference to experimental data carried out in Imperial College London on a dual turbocharger turbine. Thickening the blade affect the aero-structural performance of each section of the blade differently. Also in partial and equal admission the sensitivity of the aerodynamic behavior of the blade to the thickness distribution is not similar. Leading edge and trailing edge thickness, maximum thickness and its location, trailing edge shape, hub and tip blade thickness were the variables which their effects were investigated. Also the flow behavior within a dual entry turbine under steady state conditions in both full and partial admission is studied. From the results a highly disturbed flow was seen in the interspace region between the stator and rotor so the region of the loss generation could be identified. Dual volute entry adds additional complexity to flow structures in radial turbines of turbochargers which affects the efficiency. Pressure gradient in passages is the main source of vortices formation and development. Increasing the inequality of the pressure between the entries leads to the performance reduction of the turbine. Also with isolating the sectors, the efficiency decreased more. The effect of the unequal surface pressure of both passage sides of the rotor blades on the vortical flow development and location was studied in this thesis. With this purpose, three passages on both equal and partial admission cases with similar inequality trend on their pressure and suction sides were investigated for recognizing three known vortex type variation. At last, unsteady FSI simulation was performed to predict the possibility of flutter occurring. The results shows that flutter may happen in the first bending mode.