A 1-D Unsteady Model of a Twin Scroll Radial Centripetal Turbine for Turbocharging Optimization

Abstract

The thesis describes the development of methodology, which utilizes the map-less approach in simulation of a radial centripetal turbine with twin scroll. The steady flow turbine maps are not utilized during the entire process. The twin scroll turbine, which operates under unsteady conditions on engine, achieves different level of the impeller admission. For validation and calibration of the turbine performance under arbitrary level of the impeller admission, a specific turbocharger test bed with separated sections upstream of a turbine was developed. The test bed enables to achieve arbitrary level of the impeller admission via throttling in sections or closure of one section. A selected twin entry turbine was measured under steady flow conditions on the mentioned test bed with open loop. The required number of turbine working points in case of map-less approach is relatively low in comparison with the classical steady flow maps, which are generated for each level of the impeller admission. The turbine was measured at full, partial and extreme partial admission with closed section. The steady flow experimental data were evaluated by the developed software. An unsteady full 1-D model of a turbine with twin scroll was developed in GT-SUITE simulation environment. The model of the whole turbine with scrolls, mixing of flows at nozzle ring upstream of the impeller, turbine wheel, leakages and outlet pipe has to be calibrated under steady flow in compliance with the data measured on the turbocharger test bed. The fully calibrated twin scroll turbine model is then prepared for the unsteady simulation with the internal combustion engine model. A turbocharged six cylinder diesel engine equipped with the twin scroll turbine was properly measured at steady states and transients. The goal of the measurement was to obtain data for verification of the turbine model behaviour under highly pulsating flow conditions. The model of the experimental internal combustion engine was developed and properly calibrated by experimental data. The engine steady states and also transient operation conditions were simulated by means of the engine model with full 1-D turbine. The simulation results were compared with experiments. The comprehensive methodology utilizing the map-less approach was validated and verified by the engine simulation with full 1-D turbine model under real conditions, measured on the turbocharged internal combustion engine. The results were also compared with the classical map based approach.

Disertační práce popisuje vývoj metodiky, která nevyužívá stacionární mapy turbíny pro simulace radiální dostředivé turbíny se dvouvstupovou skříní. Stacionární mapy turbíny nejsou v celém procesu použity. Dvouvstupová turbína, která pracuje za nestacionárních podmínek na motoru, dosahuje různé úrovně ostřiku oběžného kola turbíny. Pro validaci a kalibraci turbíny při libovolné úrovni ostřiku oběžného kola, byl vyvinut specifický testovací stav turbodmychadel s oddělenými sekcemi před turbínou. Testovací stav umožňuje dosáhnout libovolné úrovně ostřiku oběžného kola pomocí škrcení v sekcích nebo zavřením jedné sekce. Vybraná dvouvstupová turbína byla měřena za stacionárních podmínek na zmíněném testovacím stavu s otevřenou smyčkou. Požadovaný počet pracovních bodů turbíny je v případě přístupu nevyžadujícího mapy relativně nízký v porovnání s klasickými stacionárními mapami, které jsou generovány pro každou úroveň ostřiku oběžného kola. Turbína byla měřena při plném, parciálním a extrémním parciálním ostřiku se zavřenou sekcí. Stacionární experimentální data byla vyhodnocena vyvinutým programem. Nestacionární plně 1-D model turbíny se dvěma sekcemi byl vyvinut v simulačním prostředí GT-SUITE. Model celé turbíny se spirálami, míšením proudů v rozváděcím ústrojí před oběžným kolem, rotorem turbíny, netěsnostmi a výstupní trubkou musí být kalibrován za stacionárních podmínek v souladu s daty naměřenými na testovacím stavu turbodmychadel. Plně kalibrovaný model turbíny se dvouvstupovou skříní je poté připraven pro nestacionární simulace s modelem spalovacího motoru. Přeplňovaný šestiválcový vznětový motor vybavený dvouvstupovou turbínou byl podrobně testován v ustálených stavech a přechodových režimech. Cílem měření bylo získání dat pro ověření chování modelu turbíny za silně pulzačních podmínek. Model experimentálního spalovacího motoru byl vyvinut a patřičně kalibrován dle experimentálních dat. Stacionární stavy a také přechodové režimy motoru byly simulovány pomocí modelu motoru s plně 1-D modelem turbíny. Výsledky simulací byly porovnány s experimenty. Ucelená metodika využívající přístupu bez stacionárních map turbíny byla validována a ověřena simulacemi spalovacího motoru s plně 1-D modelem turbíny za skutečných podmínek, změřených na přeplňovaném spalovacím motoru. Výsledky byly také porovnány s klasickým přístupem založeným na mapách.