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...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Hervás Gómez, Natalia
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
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dc.contributor.none.fl_str_mv Tiseira Izaguirre, Andrés Omar
Departamento de Máquinas y Motores Térmicos
Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeroespacial y Diseño Industrial
Instituto Universitario de Investigación CMT - Clean Mobility & Thermofluids
Universitat Politècnica de València
Repositorio Institucional de la Universitat Politècnica de València Riunet
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description [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.
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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.[CA] Els compressors centrífugs i turbines radials aplicades al camp de la sobrealimentació tenen un alt rendiment, però quan tots dos sistemes treballen fora del punt de disseny el valor es deprecia causat per diverses raons entre les quals es poden trobar perdudes mecàniques, perdudes per ventilació, perdudes per disseny i pèrdues per comportament dinàmic del flux que travessa les superfícies aerodinàmiques dels components. En aquesta tesi saborda un estudi per arribar a un disseny d'experiment que permeti relacionar els paràmetres de funcionament d'una turbina radial de geometria variable lluny del punt òptim de disseny amb el comportament del flux intern a la zona de la voluta i l'estator. Aquest treball es focalitza a descriure i argumentar els processos que ocorren en una turbina radial amb estator de geometria variable estudiant el comportament del flux a través de la geometria interna. L'avaluació es realitza en punts de funcionament fora de disseny fins a assolir la frontera de condició de xoc als canals de l'estator formats per les obertures per a diferents posicions d'aquests. Primerament, s'ha caracteritzat el mapa de funcionament de la turbina per a diverses posicions d'obertura dels canals de l'estator en un banc experimental. Després, s'ha digitalitzat la geometria interna de la turbina en tres dimensions per tenir-ne un model detallat. El model ha estat implementat en un programa dús comercial de càlcul computacional fluidodinàmic. Els resultats obtinguts de la modelització de diferents punts de funcionament del mapa de la turbina al programa CFD han servit per fer una anàlisi detallada del patró de flux dins de la turbina, identificant i quantificant els fenòmens més importants sota diferents condicions d'operació. S'han dut a terme simulacions estacionàries usant RANS i no estacionàries (unsteady RANS) per obtenir les característiques del flux a la zona de la voluta, l'estator i el rotor. La validació del model s'ha aconseguit interposant el resultat dels punts obtinguts en CFD al mapa experimental. Per analitzar la interacció les diferents geometries internes i el fluid que les travessa es van dur a terme simulacions numèriques amb les obertures de l'estator en una posició tancada, 10% VGT, i en dues posicions més obertes, 30% i 80%. La desviació de les línies de corrent del recorregut per l'estator està condicionada per l'obertura i per acció del rotor a partir del 50% de la corda de les obertures. Aquesta situació és perjudicial per a l'eficiència de la turbina. A prop de les obertures de l'estator, les pèrdues de pressió són altes, cap al centre de l'espai sense obertures disminueixen i prop del rotor comencen a incrementar. Caracteritzar experimentalment el flux intern incrementa la seva dificultat quan es necessiten detalls sobre el comportament de les línies de corrent entre els canals de l'estator, per tant, un punt important en el desenvolupament d'aquest treball ha estat la proposta, el disseny i la posada a punt de un experiment basat en incrementar el mida de la turbina. L'estudi de factor d'escala va a determinar una mida adequada de 3:1. Per validar la mida es van realitzar proves amb el model CFD validat. La nova turbina a escala es va produir a partir de la base de dades digitalitzada emprant un material no porós, amb tolerància a la pressió (5bar) i temperatura (473K) de fàcil accés intrusiu per a instruments de mesura de pressió i temperatura per ser col·locats als accessos de l'entrada i sortida dels canals de l'estator, així com al propi interior del canal. L'experiment de la turbina a escala ha donat com a resultat valors de velocitats a diferents zones del canal que van ser comparades amb els resultats obtinguts a la turbina a escala en model digital CFD. La creació d'aquest experiment suposa el concepte de desenvolupament d'estudis basats en la disminució de pèrdues a la turbina per millora del comportament del flux intern interactuant amb les obertures mòbils de l'estator.[EN] Centrifugal compressors and radial turbines applied to the field of supercharging have a high performance, but when both systems work outside the design point the value depreciates caused by several reasons among which can be found mechanical losses, ventilation losses, design losses and losses due to dynamic behavior of the flow that crosses the aerodynamic surfaces of its components. In this thesis a study is addressed to reach a design of experiment that allows relating the operating parameters of a variable geometry radial turbine far from the optimum design point with the behavior of the internal flow in the volute and stator area. The present work is focused on describing and arguing the processes that occur in a radial turbine with a variable span positioning stator by studying the behavior of the flow through the internal geometry. The evaluation is performed at off-design operating points until reaching the shock condition boundary in the stator channels formed by its blades for different positions of these. First, the turbine operating map has been characterized for different opening positions of the stator channels on an experimental bench. Then, the internal geometry of the turbine was digitized in three dimensions in order to have a detailed model of the turbine. The model has been implemented in a commercially available fluid dynamic computational program. The results obtained from the modeling of different operating points of the turbine map in the CFD program have been used to perform a detailed analysis of the flow pattern inside the turbine, identifying and quantifying the most important phenomena under different operating conditions. Stationary simulations have been carried out using Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) and non-stationary (unsteady RANS) to obtain the flow characteristics in the volute, stator and rotor zones. The validation of the model has been achieved by interposing the result of the points obtained in CFD on the experimental map. To analyze the interaction between the different internal geometries and the fluid flowing through them, numerical simulations were carried out with the stator vanes in a closed position, 10% VGT, and in two more open positions, 30% and 80% VGT. The deviation of the current lines from their path through the stator is conditioned by the opening and by rotor action from 50% of the span chord. This situation is detrimental to turbine efficiency. Near the stator vanes, the pressure losses are high, towards the center of the spanless space the losses decrease and near the rotor they start to increase. Experimentally characterizing the internal flow increases its difficulty when details on the behavior of the streamlines between the stator channels are needed, therefore, an important point in the development of this work has been the proposal, design and set-up of an experiment based on increasing the turbine size. The scale factor study determined an adequate size of 3:1. To validate the size, tests were performed with the validated CFD model. The new scaled turbine was produced from the digitized database using a non-porous, pressure (5 bar) and temperature (473 K) tolerant material with easy intrusive access for pressure and temperature measuring instruments to be placed at the inlet and outlet accesses of the stator channels, as well as the stator and the stator. The scale turbine experiment has resulted in values of velocities in different areas of the channel that were compared with the results obtained in the scale turbine in a digital CFD model. The creation of this experiment implies the concept of developing studies based on the reduction of losses in the turbine by improving the behavior of the internal flow interacting with the moving stator vanes.Me gustaría dar las gracias a la beca del "Programa de Apoyo para la Investigación y Desarrollo (PAID-01-18)" para estudios de doctorado (FPI-2018-S2-1368).Universitat Politècnica de ValènciaTiseira Izaguirre, Andrés OmarDepartamento de Máquinas y Motores TérmicosEscuela Técnica Superior de Ingeniería Aeroespacial y Diseño IndustrialInstituto Universitario de Investigación CMT - Clean Mobility & ThermofluidsUniversitat Politècnica de ValènciaRepositorio Institucional de la Universitat Politècnica de València Riunet20252025-09-0520252025-07-14doctoral thesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06AMhttp://purl.org/coar/version/c_ab4af688f83e57aainfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfhttps://riunet.upv.es/handle/10251/225556reponame:RiuNet. Repositorio Institucional de la Universitat Politécnica de Valénciainstname:Universitat Politècnica de València (UPV)InglésengUniversitat Politècnica de València https://doi.org/10.13039/501100004233 Programa PAID de Apoyo a la I+D+i FPI-2018-S2-1368open accesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Reserva de todos los derechoshttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:riunet.upv.es:10251/2255562026-06-13T07:49:27Z
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