تغییر اندازه توربین شعاعی توربوشارژر برای استفاده در موتوری با احتراق رقیق

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• مهیار مفاخری ¹
• اسرا امانی ²
• علی مددی ¹

¹ دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

² دانشجوی کارشناسی، دانشکده هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

10.22067/jacsm.2021.71634.1045

چکیده

هدف اصلی این مقاله، شبیه‌سازی عددی توربین شعاعی توربوشارژر یک موتور احتراق داخلی و بازطراحی مجدد آن است. یکی از روشهای کاهش میزان آلاینده‌ها، کاهش دمای محفظه احتراق با استفاده از احتراق رقیق است. بدین منظور لازم است که موتور با جریان هوا بیشتری کار کند، برای دست‌یابی به جریان هوای بیشتر، لازم است که تغییراتی در هندسه توربوشارژر اعمال شود. در گام نخست، سعی در انجام شبیه‌سازی عددی مناسب برای این مسئله، شده؛ سپس روش عددی مناسب یافت‌شده و اعتبارسنجی آن مطابق با داده‌های تجربی انجام می‌گیرد. در ادامه، تغییر اندازه توربوشارژر انجام‌گرفته و برای افزایش جریان، چهار سناریو متفاوت پیشنهاد می‌شود و با استفاده از شبیه سازی عددی، عملکرد آنها مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. در سناریو اول، تنها شعاع منحنی هاب کاهش می‌یابد، که منجر به افزایش نیم ‌درصدی جریان عبوری می‌شود. در سناریو دوم، شعاع شراد افزایش و شعاع هاب کاهش می‌یابد، که نتیجه آن تغییر هفت‌درصدی جریان بوده است. در سناریو سوم، شعاع ورودی و شعاع شراد افزایش‌یافته و شعاع هاب کاهش می‌یابد، این تغییر هندسه منجر به افزایش یازده‌درصدی جریان عبوری می‌شود. درنهایت در سناریو چهارم، هندسه توربین بدون هیچ محدودیتی تغییریافته و جریان عبوری بیست درصد افزایش پیدا می‌کند.

کلیدواژه‌ها

• توربین شعاعی
• توربوشارژر
• شبیه‌سازی عددی
• CFD
• تغییر اندازه

موضوعات

• ماشین های دوار

---

عنوان مقاله [English]

Scaling of a Radial Turbine for Turbocharger of a Lean Combustion Engine

نویسندگان [English]

• Mahyar Mafakhery ¹
• Asra Amani ²
• Ali Madadi ¹

¹ Department of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology

² Department of Aerospace Engineering, Amirkabir University of technology

چکیده [English]

This research is focused on scaling of a radial turbine for turbocharger of a lean combustion engine. One of the methods to decrease pollution is to reduce the exhaust temperature using lean combustion. So, more air should be entered the engine, and by increasing the air, the turbocharger should be changed for increased mass flow rate. In the first step, the turbine performance is simulated using a CFD solver, and the results are compared to the experimental data. Next, the turbine is scaled by four scenarios, and the turbines' performance is simulated using the CFD solver. In the first scenario, only the hub radius is decreased, and the mass flow is increased by 0.5%. In the second scenario, the hub radius decreases, and the shroud radius increases, and a 7% improvement is obtained. In the third scenario, the inlet and shroud radius increase while the hub radius decreases, and the mass flow is improved by 11%. In the fourth scenario, the geometry is changed freely, and a 20% increment is obtained.

کلیدواژه‌ها [English]

• Radial turbine
• Turbocharger
• CFD
• Scaling

مراجع

1. Alaviyoun, S.S. and M. Ziabasharhagh. "Experimental thermal investigation of turbocharger in internal combustion engine and considering effect of electrical water pump on heat soak test", Modares Mechanical Engineering, 17, pp. 266-274, (2018).
2. Whitfield, A. "The preliminary design of radial inflow turbines", in ASME International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition, American Society of Mechanical Engineers, (1989).
3. Aungier, R.H "Turbine Aerodynamics: axial-flow and radial-flow turbine design and analysis", ASME, (2006).
4. Chen, H. and N. Baines "Analytical optimization design radial and mixed flow turbines". Journal of Power and Energy, Vol. 206, 177-187,  (1992).
5. Daabo, A.M., et al "Development of three-dimensional optimization of a small-scale radial turbine for solar powered Brayton cycle application", Applied Thermal Engineering, Vol. 111, pp. 718-733, (2017).
6. Surekha, N., et al." Optimization of principal dimensions of radial flow gas turbine rotor using genetic algorithm", International Journal of Scientific & Engineering Research, Vol. 3 (2017).
7. Mueller, L., Z. Alsalihi, and T. Verstraete. "Multidisciplinary optimization of a turbocharger radial turbine", Journal of Turbomachinery, 135, pp. 210-220, (2013).
8. Baar, Bojan Savic- Rainer Zimmermann- B. Jander- Rolan" Radial Turbines". European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics. Berlin: s.n., (2017).
9. Zargar, A. and A. tousi "1D radial turbine design for gasturbine".
10. Whitfield, A, N.C. Baines "Design of radial turbomachines". (1990).
11. Eichhorn, R et al. "Redesign of a radial turbine variable stator geometry with optimized free space parameter for improved efficiency", SAE, (2017).