Analytical prediction of turbocharger compressor performance: A comparison of loss models with numerical data

• Main Author: Sanz Solaesa, Sergio
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Maskinkonstruktion (Inst.) 2016
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-201613

One-dimensional models predict the performance of centrifugal compressor in short time, being a helpful design tool in the early design stages. They assume uniform flow through the compressor. Conservation of mass, momentum and energy and some empirical loss correlations are applied to estimate the real outputs. In this thesis, this one-dimensional approach is applied to model a turbocharger compressor. Two different models are implemented. They consist of an impeller, a vaneless diffuser and a volute. The modelstage outputs, pressure ratio and efficiency, are compared with experimental data. Then, both models are further investigated by comparing their losses prediction with validated Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) data. The implemented models are taken from literature. They use the same vaneless diffuser and volute approach, but different impeller loss sets. The next impeller losses are studied: incidence, skin friction, choking, jet-wake mixing, blade loading, hub to shroud, tip clearance, shock and distortion losses. The vaneless diffuser outlet is calculated using a one-dimensional numerical solution to the underlying differential equations. For the volute, a set of empirical losses is used. The losses from the CFD are also measured by entropy rise calculations. Due to the complexity of this model, not all the losses can be independently extracted. Incidence, choking, skin friction, blade loading and jet-wake mixing losses are measured along the impeller. Besides, vaneless diffuser and volute losses are also obtained. Results show relative total pressure ratio errors less than 5% in 49 points in a total of 77 predicted operation conditions. 69 points are estimated with a relative error less than 10%. CFD still gives better predictions, especially at low tip speeds. However, at high tip speeds one-dimensional gives similar accuracy. The one-dimensional and CFD losses comparison shows largest differences in the vaneless diffuser and volute models. Some strengths and weaknesses of the impeller losses are revealed, being possible future improvements. === Endimensionella modeller för prestandaprediktering av radialkompressor har i regel en kort ledtid. Detta gör dessa verktyg mycket användbara under designfasen. I modellerna antas att flödet genom kompressorn är uniformt. Vidare används bevarande av massa, rörelsemängd och energi samt empiriska förlusttermer för uppskattning av kompressorns prestanda. I denna avhandling tillämpas en endimensionell metodik för turboladdarkompressorn. Två olika modeller är implementerade. Dessa består av: en rotor, en diffusor utan ledskenor, och en volut. Modellernas uppskattning av kompressorns tryckförhållande samt verkningsgrad jämförs med experimentella mätningar. Därefter jämförs modellernas förlustuppskattningar med validerat Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) data. Modellerna har implementerats med hjälp av dokumentation från valda källor i litteraturen. Båda modellerna använder samma diffusor- och volutmodell, men har olika förlusttermer för rotorn. Följande rotorförluster undersöks: incidens, väggfriktion, strypning, jet-wake blandning, rotorbladens laddning, nav till hölje laddning, spelrum bladspets till hölje, och ojämnheter i inloppsflödet. Diffusorutloppet beräknas med hjälp av en numerisk lösning av de fundamentala differentialekvationerna. En samling empiriska förlusttermer används för voluten. Förlusterna från numeriska strömningsmekanikberäkningar (CFD) beräknas i form av entropiökningar. På grund av CFD modellens komplexitet kan inte alla förlusttermer extraheras oberoende av varandra. Incidens, strypning, väggfriktion, rotorbladens laddning och jet-wakeblandning mäts längs rotorn. Även diffusorförluster och volutförluster erhålls från CFD:n. Resultatet visar att relativa felet i tryckförhållandet är mindre än fem procent i 49 av 77 undersökta driftpunkter i kompressorn. I 69 punkter uppskattas det relativa fel till mindre än tio procent. CFD:nger bättre resultat, särskilt vid låga varvtal på rotorn. Vid höga varvtal är noggrannheten mellan CFD och endimensionella modeller likvärdigt. Uppskattningarna från CFD och endimensionella modellerskiljer sig mest i diffusorn och voluten. Avslutningsvis diskuteras styrkor, svagheter och möjliga framtida förbättringar i rotorförlustmodelleringen.