Arbeitsspielaufgelöster Turbinenwirkungsgrad in Stoß- und Stauaufladung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die in der Modellbildung grundsätzliche Annahme der stationären Durchströmung der Turbine birgt insofern ein Problem, dass die tatsächliche Beaufschlagung mit einer pulsierenden Strömung ihr Verhalten, aber vor allem die Berechnung ihrer Kennwerte, stark beeinflusst. Diese Messungen umfassen experimentelle Versuche am Heißgasprüfstand mit einem Pulsgenerator und Messungen am Vollmotorprüfstand. Neben dem Massenstrom, dem Druck und der Temperatur des Abgases vor Turbine, wird auch das Turbinendrehmoment direkt auf der Welle kurbelwinkelaufgelöst gemessen. Die ersten Messungen am Heißgasprüfstand mit generischen Druckpulsen haben bereits ein Verhalten des Turboladers offengelegt, welches vom stationären Fall abweicht. So erscheint der zeitlich hochaufgelöste sowie der gemittelte Gesamtmassenstrom bei gleichem Druckverhältnis deutlich unter den stationären Werten zu liegen, und zwar in Abhängigkeit von der Pulsfrequenz. Dieses Phänomen wurde bei unterschiedlichsten Temperaturen, Druckniveaus und Turboladerdrehzahlen messtechnisch erfasst. Bei der kennfeldbasierten Simulation des Turboladers führt dies potenziell zu Abweichungen, wenn die rein stationären Kennfelder für die Simulation herangezogen werden. Dadurch, dass der Turbinenmassenstrom stets über die stationäre Durchsatz-Kennlinie bestimmt wird, kann es zur Überschätzung der berechneten Turbinenleistung und so zur Verschiebung des Betriebspunkts kommen. Mit einem pulsfrequenzabhängigen Massenstrom-Multiplikator, welcher auf den durchgeführten Messungen beruht, kann dieser Effekt berücksichtigt und die Ergebnisse vom Heißgasprüfstand in der Simulationsumgebung reproduziert werden. Begleitende, umfangreiche Untersuchungen mit einem 3D-CFD Modell der Turbine konnten das Phänomen des frequenzabhängig verringerten Massenstroms nicht reproduzieren. Sie lieferten jedoch wertvolle Erkenntnisse, um die kurbelwinkelaufgelösten Messungen von Massenstrom und Turbinendrehmoment besser bewerten zu können. Außerdem zeigen sie Grenzen auf, die bei den verwendeten Modellen die abzubildenden transienten Effekte limitieren. Auch in den Messungen am Vollmotorprüfstand konnte der Effekt des frequenzabhängig verringerten Massenstroms nicht nachgewiesen werden. Ursächlich hierfür können die höheren Pulsationsfrequenzen sein. Folgerichtig lieferte die dem Stand der Technik entsprechende Modellbildung des Vollmotors ohne weitere Berücksichtigung der Pulsationen Ergebnisse, die das Verhalten des Motors auf dem Prüfstand reproduzieren konnte. Die Ergebnisse des Turbinenwirkungsgrades wiesen dabei jedoch teils signifikante Abweichungen zwischen Messung und Simulation auf, was jedoch keinen negativen Einfluss auf die übrigen Kenngrößen von Turbolader und Motor hatte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Experimental Investigation of Twin Scroll Turbocharger Performance Under Pulsating Conditions. Volume 7: Industrial and Cogeneration; Manufacturing Materials and Metallurgy; Microturbines, Turbochargers, and Small Turbomachines; Oil & Gas Applications. American Society of Mechanical Engineers.
Brodbeck, Philipp & Guse, Eduard
