Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka

Transkript

- AutoSympo a Kolokvium Božek 11. a 12. 11. 2015, Roztoky -
Popis obsahu balíčku WP06 Turbodmychadla a výkonové turbiny – aerodynam.
optimalizace, dynamika rotorů a přiřazení pro účinné přeplňované motory
Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku
České vysoké učení technické v Praze, zodpov. osoba Doc. Ing. Oldřich Vítek, Ph.D.
Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku
Vysoké učení technické v Brně – Prof. Ing. V. Píštěk, DrSc., Honeywell, spol. s r.o. – Ing. P. Škara
Hlavní cíl balíčku
Hlavním cílem je vyvinout nástroje, které umožní dosáhnout zlepšení účinnosti lopatkových strojů
o 5% (relativně). To úzce souvisí s vylepšením následujících parametrů – návrh tvaru lopatek
kompresoru/turbiny, řízení turbodmychadla (s využitím spolehlivé předpovědi
pracovních map lopatkových strojů), snížení mechanických ztrát.
Dílčí cíle balíčku pro nejbližší období
Ověření možnosti realizace vybraného řešení pro skutečné zástavbové podmínky (Honeywell).
Ověření vlastností a funkce 1-D modelu turbodmychadla (ČVUT).
Detailní 3-D CFD nástroj pro predikci proudění v radiální turbině/kompresoru (ČVUT).
TE 0102 0020
Str. 1
Za WP 06 Oldřich Vítek, ČVUT v Praze
Popis plnění balíčku WP06 Turbodmychadla a výkonové turbiny – aerodynam.
Náplň pracovního balíčku
2012 - 2015: Vývoj 1-D nestacionárních CFD modelů turbiny a kompresoru, jež se využijí v
rámci 0-D/1-D simulací celého motoru včetně příslušenství (ČVUT).
2012 - 2016: Experimenty (realizované také ve spolupráci s Honeywell s.r.o) na spalovacích
motorech zaměřené na zpřesnění kalibrace 1-D modelů turbiny/kompresoru (ČVUT).
2012 - 2017: Detailní 3-D CFD nástroj pro kalibraci 1-D modelu turbiny/kompresoru. (ČVUT).
2013 - 2017: Databáze 1-D modelů turbodmychadel. (ČVUT).
2014 – 2017: Virtuální testování turbodmychadel s cílem optimalizovat strategie řízení
(společná aktivita ČVUT s Honeywell s.r.o).
TE 0102 0020
Str. 2
Náplň pracovního balíčku
2012 - 2013: Porovnávání různých konceptů, které přicházejí v úvahu pro využití energie
spalin obsažené ve výfukových plynech vozidlového motoru (Honeywell s.r.o). => hotovo
2014 – 2015: Zpracovávání vybraného konceptu do podoby možného konstrukčního řešení s
ohledem na omezení daná zástavbovými prostory na vozidle (Honeywell s.r.o).
2016 – 2017: Optimalizování turbínové části systému a interakce s ostatními komponenty tak,
aby bylo dosaženo maximální účinnosti při minimálním ovlivnění vlastností turbodmychadla
(Honeywell s.r.o).
2016 – 2017: Optimalizování řídícího systému rozdělení výkonu v případě aplikace výkonové
turbiny, definování vhodných regulačních strategií (Honeywell s.r.o).
2012 – 2014: Dynamika rotorů turbodmychadel a tvorba virtuálního prototypu. (VUT v Brně).
=> hotovo
TE 0102 0020
Str. 3
Probíhající plánované aktivity v rámci WP05:
- ČVUT:
• 1-D turbina (twinscroll) – simulace + experimenty
• zjednodušený CFD model radiální turbiny (2-D/3-D Eulerovy rovnice) –
simulace
• 3-D CFD modely reálných geometrií turbiny/kompresoru - simulace
- Honeywell:
• Výkonová turbina (turbocompound)
- VUT:
• plánované aktivity ukončeny v 2014
TE 0102 0020
Str. 4
- 1-D turbina (twinscroll) – simulace + experimenty (C???):
• simulace:
• model exp. stanoviště pro srovnaní simulace vs. experiment
• model motoru JohnDeer
• experimenty:
• navrženo a realizováno měřící stanoviště pro testovaní CZ
turbin, a to včetně dvouvstupových verzí
• nyní testovací provoz
• experimenty na motoru JohnDeer (6-válec) – provedena úvodní
měření => měření budou z kapacitních důvodů pokračovat
později
TE 0102 0020
Str. 5
ČZ a.s.
Turbo
TE 0102 0020
Str. 6
0-D Twin A/B
1-D Single Scroll /
1-D Single (flow split included)
Experiment
Section A/B
1-D Twin Scroll
mass flow rate
Section A = 50%
Section B = 50 %
0-D
Turbine OUT
Experiment
Turbine OUT
1-D Twin A/B
1-D Twin Scroll
mass flow rate
Section A = 10%
Section B = 90 %
1-D
Turbine OUT
TE 0102 0020
Str. 7
TE 0102 0020
Str. 8
- Zjednodušený CFD nástroj pro popis dějů v lopatkových strojích:
• etapa: axiální turbína - více stupňů, dále radiální konfigurace
• 2.5D metoda: Eulerovy rovnice + empirické modely
Výpočet v meridiální ploše
TE 0102 0020
Axiální parní turbína, 4 stupně
Isočáry tlaku v meridiálním řezu
Str. 9
• Stator reálné turbíny (C12VGT) turbodmychadla, 2D řez
Průběh tlaku, úplný a zjednodušený
výpočet
Izočáry tlaku, úplný výpočet
TE 0102 0020
Str. 10
- 3- CFD model turbiny
(C12VGT):
• úvodní výpočty pro
ověření funkčnosti
(rotující lopatky)
• testování nastavení
úlohy pro rychlé
dosažení ustáleného
stavu
• typická velikost oka sítě:
1mm
• model turbulence: AVL
k-ζ-f
TE 0102 0020
Str. 11
TE 0102 0020
Str. 12
TE 0102 0020
Str. 13
Systém využití energie výfukových plynů s výkonovou turbínou
• pracovní bod turbiny odpovídá simulacím (GT-Power) z loňského
roku
• následující cíle byly definovány:
Pracovní podmínky
Inlet tot. Pressure
Inlet tot. Temperature
Outlet static pressure
Corected Mass Flow
Physical Mass Flow
TE 0102 0020
151 988
853
101 325
275.2
240
Konstrukční parametry
Pa
°K
Pa
g/s
g/s
Str. 14
Stator outer diameter
Stator inner diameter
Rotor outer diameter
Rotation speed
Expected Ts Efficiency
66.0
104.0
104.8
63 117
80
mm
mm
mm
RPM
%
MKP analýza:
• ANSYS Workbench byl aplikován při návrhu rotoru
• během návrhu tloušťky lopatek byla provedena modální analýza, aby
nedošlo k rezonanci
CFD analýza
•
•
•
•
ANSYS CFX byl použit pro první návrh turbiny
segment jedné lopatky byl použit při modelování interakce rotor-stator
bylo uvažováno stlačitelné adiabatické proudění, zahrnut vliv mezer/vůlí
CFD nástroj byl použit pro vytvoření standardní mapy turbiny pro GT-Power
TE 0102 0020
Str. 15
• 1. návrh turbiny: příliš velký průtok (o 14%) a nízká účinnost (vzhledem k
požadavkům)
• 2. návrh turbiny: započaty konstrukční práce s cílem zvýšit účinnost a snížit
průtok
• výroba prototypů pomocí „kovové“ 3-D tiskárny (DMLS)
• model turbiny v GT-Power bude aktualizován podle vlastností nového návrhu
TE 0102 0020
Str. 16
Plnění cílů, milníků a výstupů, splněné výsledky balíčku WP06 Turbodmychadla
a výkonové turbiny – aerodynam. optimalizace, dynamika rotorů a přiřazení pro
účinné přeplňované motory
Plnění dílčích cílů, milníků a výstupů
WP06M04 (2015): Detailní 1-D model kompresoru (ČVUT). => odloženo
2017
WP06C06 (2015): Ověření možnosti realizace vybraného řešení pro
skutečné zástavbové podmínky (Honeywell). => bude splněno do konce
roku 2015
Přehled splatných výsledků a jejich plnění
WP06V008 (2015): Detailní 1-D model kompresoru (ČVUT). => odloženo
2017
WP06V009 (2015): Popis procesu optimalizace turbíny (Honeywell). =>
splněno
TE 0102 0020
Str. 17
Plnění cílů, milníků a výstupů, splněné výsledky balíčku WP06 Turbodmychadla
a výkonové turbiny – aerodynam. optimalizace, dynamika rotorů a přiřazení pro
účinné přeplňované motory
Výsledky
•
Honeywell WP06V009: interní zpráva ER-15-0947
Výsledky „mimo“ plán
•
•
Furst, J., Fort, J., Halama, J., Holman, J., Karel, J., Prokop, V., Trdlicka, D.,
Numerical simulation of circumferentially averaged flow in a turbine,
Applied Mathematics and Computation 267 (2015) 498–505
Macek, J., Zak, Z., and Vitek, O., Physical Model of a Twin-scroll Turbine
with Unsteady Flow, SAE Technical Paper 2015-01-1718, 2015,
doi:10.4271/2015-01-1718.
TE 0102 0020
Str. 18
Návrh dalšího postupu v balíčku WP06 Turbodmychadla a výkonové turbiny –
aerodynam. optimalizace, dynamika rotorů a přiřazení pro účinné přeplňované
motory
Návrh dalšího postupu včetně návrhů na spolupráci a realizaci
výstupů
ČVUT: dle plánu + spolupráce s WP20 při „ladění“ řízení motoru/simulace
Honeywell: dle plánu (výkonová turbina)
VUT: oficiální ukončení aktivit v rámci WP06 na konci 2014?
TE 0102 0020
Str. 19
WP05 Virtuální termodynamický motor – SW pro simulaci/optimalizaci spalování
Děkuji za pozornost
TE 0102 0020
Str. 20
Výtah z prací 2012-2015 na WP06 Turbodmychadla a výkonové turbiny – aero.
ČVUT: CFD modely turbiny
TE 0102 0020
Honeywell: výkonová turbina
Str. 21
VUT: virtuální prototyp
turbodmychadla
Results of WP06 Turbochargers and power turbines – aero. optimization, rotor
dynamics and matching for highly efficient engines – Achieved 2012-2015
ČVUT: CFD turbine models
TE 0102 0020
Honeywell: power turbine
Str. 22
VUT: virtual turbocharger
Výtah za r. 2015 z provedených prací na WP06 Turbodmychadla a výkonové
turbiny – aero. opt., dyn. rotorů a přiřazení pro účinné přeplňované motory
Honeywell: výkonová turbina
ČVUT: CFD modely turbiny
TE 0102 0020
Str. 23
Abstract 2015 of WP06 Turbochargers and power turbines – aero. optimization,
rotor dynamics and matching for highly efficient engines
Honeywell: power turbine
ČVUT: CFD turbine models
TE 0102 0020
Str. 24

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka

Transkript

Podobné dokumenty

WP06: Turbodmychadla a výkonové turbiny – aerodynam

Mobil: +420 725 531 701

AUTOSYMPO 2014

tvorba mapy

Operační systémy

Cyklo - Abus

1.0 OS Unix Historie. Architektura. Zpracování

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka

zde - Fosfor.cz

SVA oborových seskupení - Česká technologická platforma