Untersuchung und Charakterisierung einer zweiflutigen asymmetrischen Radialturbine

Das Ziel dieser Arbeit ist zunächst, das Verständnis für die Strömungsphänomene einer zweiflutigen asymmetrischen Radialturbine zu vertiefen. Basierend auf diesem Verständnis wird eine Methode entwickelt, die das Zusammenspiel der Turbine mit der Verbrennungskraftmaschine verlässlich und mit geringem Zeitaufwand vorhersagen kann. Die derzeit ungenügende, auf Kennfeldern beruhende Beschreibung der Turbine bei der Ladungswechselsimulation eines Abgasturboladeraufgeladenen Motors soll verbessert werden. Die notwendigen aerodynamischen und thermodynamischen Messungen zur Beschreibung des Betriebsverhaltens der zweiflutigen Turbine werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführt.
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Einer Sichtung der auf diesem Gebiet bereits veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeiten folgt eine Diskussion der Grundlagen der Turboaufladung. Es wird auf die Notwendigkeit der Kennfeldaufbereitung und die zu erwartenden Turbinenrandbedingungen im motorischen Betrieb eingegangen. Zur experimentellen Untersuchung wird eine Versuchsanlage ausgelegt, konstruiert und aufgebaut, die es erlaubt, die Randbedingungen für beide Fluten individuell einzustellen. Die Untersuchungen werden unter stationären Bedingungen durchgeführt, wobei besonderer Wert auf die Strömungsähnlichkeit bei unterschiedlichen Eintrittsbedingungen der beiden Fluten gelegt wird. Zum besseren Verständnis der Strömungsphänomene im Bereich der Zusammenführung der beiden Fluten der Turbine werden ergänzend laseroptische Strömungsanalysen durchgeführt. Die experimentell gewonnenen Daten werden schließlich zur Validierung eines dreidimensionalen Simulationsmodells verwendet.
Die Strömung in der zweiflutigen Turbine wird weiterhin numerisch berechnet. Hier-durch lassen sich sehr detaillierte Erkenntnisse, vor allem in erweiterten motornahen Betriebsbereichen, die u.U. zu Rückströmungen in den einzelnen Fluten führen, gewinnen.
Aus den Ergebnissen von Versuch und dreidimensionaler numerischer Strömungssimulation wird ein Modell der zweiflutigen Turbine für die Ladungswechselsimulation entwickelt und mit Ergebnissen aus Motorversuchen validiert. Zum Verständnis der Interaktion von Motor und Turbine wird das Interaktionskennfeld eingeführt und ein Ansatz zur betriebspunktorientierten Auslegung und Optimierung einer zweiflutigen Turbine vorgestellt. Außerdem wird ein Ansatz, der lediglich die Randkennfelder der zweiflutigen Turbine nutzt, vorgestellt.
Abschließend werden besondere Konstellationen der Turbine, wie vertauschte Flutenanordnung und Einzelbeaufschlagung der Fluten sowohl experimentell als auch numerisch analysiert. Es folgen eine abschließende Zusammenfassung und eine Diskussion dieser weiterführenden Untersuchungen.

The aim of this study is to gain further understanding of the flow phenomena of twin scroll turbines at the example of the asymmetric twin scroll radial turbine. A method of representation of the interaction of the twin scroll turbine and the internal combustion engine is the result aimed for. The accuracy of the twin scroll turbine model in the gas exchange simulation is to be improved in terms of modeling quality. The necessary measurement methodology of twin scroll turbines is to be developed in order to support the established modeling process.
The consideration of the already published scientific papers in this context follows the basics of turbocharging. ... mehrThe need for turbine map extrapolation methods and the anticipated turbine boundary conditions under engine operating conditions are discussed. Experimental results of the twin scroll asymmetric turbine are presented under stationary conditions. An approach to ensure the flow similarity at different inlet conditions of both turbine inlets is presented. For further understanding of the flow process, airfoil measurements of the twin scroll asymmetric turbine are presented in the merge of the flow of the two volutes near the turbine wheel inlet. The model is validated on results of stationary experiments and three-dimensional simulation results. By means of numerical analysis, the turbine is studied in detail in terms of flow behavior and extended operating ranges are considered, such as backflow. The study of the turbine under engine related operating conditions to understand the interaction of the two machines follows. Based on the experimental results and the three-dimensional numerical analysis, a modeling method of twin scroll turbines in the engine process simulation is presented. This is validated against engine experimental results. The interaction map is introduced, showing the interaction of the engine and the turbine. An approach for the identification of the operating range for further design optimization is presented. An approach of a modeling method is presented which is merely based on the boundary maps of the twin scroll turbine operating conditions. Finally, further investigation of the twin scroll turbine will be presented based on numerical and experimental results. A summary and a discussion about further investigations conclude this work.