Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchungen zweiflutiger Turbinen unter Berücksichtigung des Turbinenverhaltens bei geöffnetem Wastegate

Die zunehmende Marktverbreitung des Downsizing Konzeptes fördert die Verwendung von komplexen Aufladekonzepten. Eine möglichst hohe Ausnutzung der kinetischen Energie des Abgases kann durch kleine Krümmervolumina und somit hohe Druckamplituden vor der Turbine erreicht werden. Zweiflutige Turbinen bieten sich unter diesen Randbedingungen als Aufladeaggregat an. Der kennfeldbasierte Modellierungsansatz dieser Turbinen wurde im vorangegangenen Forschungsvorhaben eingeführt und liefert eine prädiktive und genaue Abbildung der Leistungsumsetzung innerhalb des Turboladers. Diese hohe Modellgüte setzt allerdings eine Vielzahl von aufwendigen Turbinenmessungen am Brennkammerprüfstand voraus. Insbesondere die Messungen der Ungleichbeaufschlagung sind nur an einem speziell dafür ausgerüsteten Doppelbrennerprüfstand durchführbar. Ein wesentliches Ziel dieses Vorhabens ist die Reduktion des benötigten Messaufwandes und die damit einhergehende Senkung der Entwicklungskosten. Aktuelle Modellierungsansätze basieren in der Regel auf stationär gemessenen Kennfeldern. Bei diesen Messungen ist der Turbinenbypass vollständig geschlossen, wohingegen dieser in weiten Teilen des Betriebs zur Lastregelung teilweise oder vollständig geöffnet ist. Als weiteres Ziel soll der Einfluss des Turbinenbypasses auf die Leistungsumsetzung der Turbine untersucht werden. Insbesondere für zweiflutige Turbinen hat die Öffnung des Bypasses einen großen Einfluss auf die Interaktion der beiden Fluten. Zum besseren Verständnis der Effekte sollen Messungen am Brennkammerprüfstand, sowie detaillierte 3D-CFD Simulationen durchgeführt werden. Hierdurch soll die Änderung des Strömungszustandes und das Durchsatzverhalten der Bypasskanäle als Funktion des Öffnungswinkels quantifiziert werden. Zur Senkung der Komplexität des verwendeten Systems, soll zunächst eine einflutige Turbine untersucht werden. Das Ziel ist eine allgemeingültige Messmethode zur Bestimmung des Bypassmassenstroms im Zuge einer Kennfeldmessung.

Ergebniszusammenfassung:

Im abgeschlossenen Vorhaben wurden erstmals Versuche zur direkten Quantifizierung der Wastegatemassenströme einflutiger und zweiflutiger Turbinen durchgeführt, um den isentropen Strömungsquerschnitt der Wastegatekanäle zu berechnen. Dabei konnte eine Druckverhältnisabhängigkeit der isentropen Strömungsquerschnitte von bis zu 25% nachgewiesen werden. Eine starke Interaktion der Wastegateabströmung zweiflutiger Turbinen durch Verblockung der Abströmung in der Ungleichbeaufschlagung wurde nachgewiesen. Darauf aufbauend wurden 1D-Modellansätze zur Berücksichtigung dieser Effekte in der Ladungswechselrechnung entwickelt und mit Messungen/3D-CFD-Simulationen validiert. Um den Messaufwand zweiflutiger Turbinen zu reduzieren, wurden im zweiten Teil des Vorhabens drei zweiflutige Versuchsträger zur Erstellung einer Datenbasis detailliert am Brennkammerprüfstand untersucht, um Interpolationsansätze für den Turbinendurchsatz, die Druckinteraktion und den Turbinenwirkungsgrad zu entwickeln. In Abhängigkeit des Strömungszustandes und der Messungen in Gleich- und Einzelbeaufschlagung kann der Turbinendurchsatz mit einer Genauigkeit von max. 3% Abweichung zu den Messdaten vorhergesagt werden. Der Einfluss des Strömungszustandes auf die Wirkungsgradcharakteristik in der Ungleichbeaufschlagung ist maßgeblich von der Gehäuse-Laufrad-Interaktion und damit vom Reaktionsgrad der Turbine abhängig. Ein Interpolationsansatz zur Berücksichtigung der Verdrehung und Verschiebung der Wirkungsgradcharakteristik in der Ungleichbeaufschlagung wird vorgestellt.