Design of a new methodology for the study of internal flow behaviour in radial turbines
[ES] Los compresores centrífugos y turbinas radiales aplicadas al campo de la sobrealimentación tienen un alto rendimiento, pero cuando ambos sistemas trabajan fuera del punto de diseño este disminuye debido a varias razones entre las que están las perdidas mecánicas, por ventilación, por diseño y p...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2025 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Politècnica de València (UPV) |
| Repositorio: | RiuNet. Repositorio Institucional de la Universitat Politécnica de Valéncia |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:riunet.upv.es:10251/225556 |
| Acceso en línea: | https://riunet.upv.es/handle/10251/225556 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Turbocharger Radial turbine CFD analysis Nozzle vane Variable geometry turbine Aerodynamics Volute Losses 09.- Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación 13.- Tomar medidas urgentes para combatir el cambio climático y sus efectos |
| Sumario: | [ES] Los compresores centrífugos y turbinas radiales aplicadas al campo de la sobrealimentación tienen un alto rendimiento, pero cuando ambos sistemas trabajan fuera del punto de diseño este disminuye debido a varias razones entre las que están las perdidas mecánicas, por ventilación, por diseño y por comportamiento dinámico del flujo que atraviesa las superficies aerodinámicas de sus componentes. En esta tesis se aborda un estudio para llegar a un diseño de experimento que permita relacionar los parámetros de funcionamiento de una turbina radial de geometría variable lejos del punto óptimo de diseño con el comportamiento del flujo interno en la zona de la voluta y el estator. El presente trabajo se focaliza en describir y argumentar los procesos que ocurren en una turbina radial con estator de geometría variable estudiando el comportamiento del flujo a través de la geometría interna. La evaluación se realiza en puntos de funcionamiento fuera de diseño hasta alcanzar la frontera de condición de choque en los canales del estator para distintas aperturas. Primeramente, se ha caracterizado el mapa de funcionamiento de la turbina para distintas aperturas del estator en un banco experimental. Luego, se ha digitalizado la geometría interna de la turbina en 3D para tener un modelo detallado de la misma. El modelo ha sido implementado en un programa de uso comercial de cálculo CFD. Los resultados obtenidos de la modelización de distintos puntos de funcionamiento del mapa de la turbina en el programa CFD han servido para realizar un análisis detallado del patrón de flujo dentro de la turbina, identificando y cuantificando los fenómenos más importantes bajo diferentes condiciones de operación. Se han llevado a cabo simulaciones estacionarias usando RANS y no estacionarias (unsteady RANS) para obtener las características del flujo en la zona de la voluta, el estator y el rotor. La validación del modelo se ha logrado interponiendo el resultado de los puntos obtenidos en CFD en el mapa experimental. Para analizar la interacción las distintas geometrías internas y el fluido que las atraviesa se llevaron a cabo simulaciones numéricas con los vanos del estator en una posición cerrada, 10% VGT, y en dos posiciones más abiertas, 30% y 80%. La desviación de las líneas de corriente de su recorrido por el estator está condicionada por la apertura y por acción del rotor a partir del 50% de la cuerda de los vanos. Esta situación es perjudicial para la eficiencia de la turbina. Cerca de los vanos del estator, las pérdidas de presión son altas, hacia el centro del espacio sin vanos las pérdidas disminuyen y cerca del rotor empiezan a incrementar. Caracterizar experimentalmente el flujo interno incrementa su dificultad cuando se necesitan detalles sobre el comportamiento de las líneas de corriente entre los canales del estator, por lo tanto, un punto importante en el desarrollo de este trabajo ha sido la propuesta, diseño y puesta a punto de un experimento basado en incrementar el tamaño de la turbina. El estudio de factor de escala determinó un tamaño adecuado de 3:1. Para validar el tamaño se realizaron pruebas con el modelo CFD validado. La nueva turbina a escala se produjo a partir de la base de datos digitalizada empleando un material no poroso, con tolerancia a la presión (5bar) y temperatura (473K) de fácil acceso intrusivo para instrumentos de medida de presión y temperatura para ser colocados en los accesos de la entrada y salida de los canales del estator, así como en el propio interior del canal. El experimento de la turbina a escala ha dado como resultado valores de velocidades en distintas zonas del canal que fueron comparadas con los resultados obtenidos en la turbina a escala en modelo digital CFD. La creación de dicho experimento supone el concepto de desarrollo de estudios basados en la disminución de perdidas en la turbina por mejora del comportamiento del flujo interno interactuando con los vanos móviles del estator. |
|---|