Email this article Finding the optimal compressor impeller material to improve the efficiency of the turbocharging system
- Authors: Rakhmatullin S.S.1
-
Affiliations:
- Kazan State Power Engineering University
- Issue: Vol 15, No 3 (2021)
- Pages: 87-94
- Section: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/2074-0530/article/view/105552
- DOI: https://doi.org/10.31992/2074-0530-2021-49-3-87-94
- ID: 105552
Cite item
Full Text
Abstract
Vehicles powered by diesel engines are equipped with superchargers in order to improve the efficiency of vehicles. The efficiency of the turbochargers themselves partly depends on the optimum performance of their impellers, which in turn is achieved by choosing the right impeller materials. An important property of the material of the turbine wheel is heat resistance to the incoming exhaust gases, and for the compressor wheel it is the resistance to the pressure of the air simultaneously supplied to it and forced by it.
In this paper, the issue of increasing the efficiency of the turbocharging system is considered in the context of comparing three materials (nickel and titanium alloys, structural steel), which are proposed for the manufacture of a compressor impeller by designing its model using computer software products. The measurements of real turbocharging elements and their characteristics are transferred to CREO, where the required dimensions are calculated and other necessary calculations are carried out, which are then imported into ANSYS for the purpose of subsequent research, including thermal and structural analyzes. Comparison of the analysis results allows us to conclude that the nickel alloy is superior to other materials under consideration in terms of its minimum susceptibility to deformation and obtaining the lowest total heat flux in the compressor impeller, and to recommend this material for use in turbocharging or for its subsequent comparison with previously not considered materials, which, as suggested in the study, to some extent can contribute to an increase in the efficiency of the vehicle.
Full Text
Введение
С целью увеличения мощности дизельные двигатели зачастую применяются вместе с установленным турбонаддувом, например, с центробежным компрессором. Отдельно турбина и отдельно компрессор подразумевают наличие собственных рабочих колес, первое из которых преобразует энергию отработавших газов во вращение вала, на котором также закреплено второе колесо, нагнетающее благодаря этому вращению воздух в цилиндры двигателя. Изготовление турбинного колеса требует применения жаропрочных и стойких к давлению направляющегося газового потока материалов, а компрессорного — материалов, стойких к давлению поступающего на крыльчатку воздуха [1].
Выбор оптимального материала компрессорного колеса послужил целью экспериментов в рамках соответствующих исследований, где были выявлены свойства различных сплавов, одни из которых в конечном итоге позволили повысить эффективность работы турбонаддува [2], а рассмотрение других, например, инновационных материалов, таких как композитные материалы, ведется очень активно по сей день [3–9]. Часть же исследователей сосредоточена на рассмотрении традиционно применяющихся сплавов [10].
В работе проектируются модели компрессорных колес из сплава титана (СТ), сплава никеля (СН) и конструкционной стали (КС), характеристики которых (соответственно табл. 1, табл. 2 и табл. 3) анализируются в специальной программе аппромаксимационным методом, с целью их сравнения и выбора материала, характеризующегося наиболее оптимальными конструкционными и тепловыми показателями. Далее такой материал может быть рекомендован к применению в изготовлении рабочего колеса компрессора или к последующему сопоставлению и сравнению с ранее не рассмотренными в этом контексте материалами, что в совокупном итоге может способствовать повышению эффективности работы системы турбонаддува и в некоторой степени самого транспортного средства в целом [1].
Материалы и методы
В исследовании для получения модели колеса проводятся и переносятся в программу CREO замеры необходимого компонента реального турбонаддува (рис. 1), а также его характеристики, что в совокупности позволяет высчитать подходящие размеры моделей крыльчатки [11–15].
Рис. 1. Компрессорное колесо
Fig. 1. Compressor wheel
Таблица 1
Характеристики КС
Table 1. Structural steel characteristics
Характеристика | Значение |
Плотность | 7855 кг/м3 |
Модуль упругости | 2∙1011 Па |
Коэффициент Пуассона | 0,31 |
Таблица 2
Характеристики СТ
Table 2. Titanium alloy characteristics
Характеристика | Значение |
Плотность | 4429 кг/м3 |
Модуль упругости | 1,13∙1011 Па |
Коэффициент Пуассона | 0,33 |
Таблица 3
Характеристики СН
Table 3. Nickel alloy characteristics
Характеристика | Значение |
Плотность | 8192 кг/м3 |
Модуль упругости | 2,03∙1011 Па |
Коэффициент Пуассона | 0,286 |
В работе используется обособленный анализ методом конечных элементов (МКЭ) для конструкционного и теплового анализов модели в ANSYS (рис. 2) [2, 3, 16–18]. Более точные результаты можно получить путем сеточного разделения колеса на элементы c гранями (рис. 3) [19, 20].
С целью фиксации колеса задаются необходимые ограничения (рис. 4). Также для него устанавливаются скорость вращения (рис. 5) и давление (рис. 6).
Рис. 2. Модель компрессорного колеса
Fig 2. Compressor wheel model
Рис. 3. Сетчатая модель компрессорного колеса
Fig. 3. Compressor wheel mesh model
Рис. 4. Уставка фиксации колеса
Fig. 4. Wheel fixing setpoint
Рис. 5. Уставка скорости вращения (2000 рад/с)
Fig. 5. Rotation speed setting (2000 rad / s)
Рис. 6. Уставка максимального давления (1500 МПа)
Fig. 6. Maximum pressure setting (1500 MPa)
Результаты и обсуждение
Результаты исследования базируются на обособленном анализе материалов МКЭ.
Анализ компрессорного колеса из СН
Важным являлось рассмотрение конструкционной и тепловой составляющих анализа. В рамках статического конструкционного анализа проведено исследование полного смещения (рис. 7), эквивалентного напряжения (рис. 8) и эквивалентной деформации (рис. 9) колеса из СН.
В рамках анализа теплового поля проведено исследование установившегося теплового потока (рис. 10) и направленного теплового потока (рис. 11) в рассматриваемом колесе из СН.
Рис. 7. Полное смещение колеса из СН
Fig. 7. Full displacement of the nickel alloy wheel
Рис. 8. Эквивалентное напряжение колеса из СН
Fig. 8. Equivalent voltage of the nickel alloy wheel
Рис. 9. Эквивалентная деформация колеса из СН
Fig. 9. Equivalent deformation of a nickel alloy wheel
Рис. 10. Суммарный тепловой поток в колесе из СН
Fig. 10. Total heat flux in the nickel alloy wheel
Рис. 11. Направленный тепловой поток в колесе из СН
Fig. 11. Directed heat flux in the nickel alloy wheel
Анализ компрессорных колес из КС и СТ
Здесь учтены все уставки и процедура, которые применялись к анализу колеса из СН. В рамках статического конструкционного анализа также проведено исследование полного смещения колес из КС и СТ (рис. 12,а и 12,б соответственно), эквивалентного напряжения (рис. 13,а и 13,б соответственно) и эквивалентной деформации (рис. 14,а и 14,б соответственно). В рамках анализа теплового поля также проведено исследование установившегося теплового потока (рис. 15,а и 15,б соответственно) и направленного теплового потока (рис. 16,а и 16,б соответственно) в рассматриваемых колесах из КС и СТ.
Рис. 12. Полное смещение: а – колеса из КС; б – колеса из СТ
Fig. 12. Full displacement: а – structural steel wheel; b – nickel alloy wheel
Рис. 13. Эквивалентное напряжение: а – колеса из КС; б – колеса из СТ
Fig. 13. Equivalent voltage: а – structural steel wheel; b – nickel alloy wheel
Рис. 14. Эквивалентная деформация: а – колеса из КС; б – колеса из СТ
Fig. 14. Equivalent deformation: а – structural steel wheel; b – nickel alloy wheel
Рис. 15. Суммарный тепловой поток: а – в колесе из КС; б – в колесе из СТ
Fig. 15. Total heat flux: а – structural steel wheel; b – nickel alloy wheel
Рис. 16. Направленный тепловой поток: а – в колесе из КС; б – в колесе из СТ
Fig. 16. Directional heat flow: а – structural steel wheel; b – nickel alloy wheel
С целью сравнения свойств всех материалов результаты исследований в рамках рассматриваемых анализов приведены в табл. 4 и табл. 5, откуда можно наблюдать, что компрессорное колесо из никеля менее подвержено деформированию. Оно характеризуется наименьшим суммарным тепловым потоком и наибольшим направленным потоком тепла, по сравнению с рабочими колесами компрессора из ТС и КС.
Таблица 4
Результаты конструкционного анализа
Table 4. Structural analysis results
Параметр | КС | СТ | СН |
Полное смещение, мм | 23,034 | 40,626 | 22,414 |
Эквивалентное напряжение, мм | 0,296 | 0,524 | 0,288 |
Эквивалентная деформация, МПа | 58232 | 58618 | 58088 |
Таблица 5
Результаты анализа теплового поля
Table 5. Thermal field analysis results
Материал | Суммарный тепловой поток, Вт/мм2 | Направленный тепловой поток, Вт/мм2 |
КС | 5,88∙10-11 | 3,88∙10-11 |
СТ | 3,25∙10-11 | 2,14∙10-11 |
СН | 1,48∙10-11 | 9,82∙10-11 |
Заключение
Несмотря на ненадлежащие показатели направленного теплового потока в рабочем колесе компрессора из никелевого сплава, оно, в сравнении с крыльчатками из титана и конструкционной стали, менее всех подвержено деформированию и характеризуется минимальными показателями суммарного потока тепла, что позволяет рекомендовать этот тип материала к использованию в изготовлении компрессорного колеса с целью попытки повышения эффективности работы системы турбонаддува с центробежным компрессором.
About the authors
S. S. Rakhmatullin
Kazan State Power Engineering University
Author for correspondence.
Email: samatrakhmatullin@gmail.com
Russian Federation, Kazan
References
- Watson N., Janota M. Turbocharging the Internal Combustion Engine. New York: Wiley, 1982. 624 p.
- Prasad A., Rao B., Babji A., Babu D. Static and Dynamic Analysis of a Centrifugal Pump Impeller // International Journal of Scientific & Engineering Research. 2013. Vol. 4. No. 10. P. 966–971.
- Martynyuk L., Afanasiev D., Bykov L., Ezhov A., Mezintsev M. The study of the applicability of polymer composite materials for the manufacture of the impeller of a centrifugal compressor // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1060. No. 1. 012026 p. doi: 10.1088/1757-899X/1060/1/012026
- Lindberg Jr B., Papuka K., Kharazi A., Mueller N. Novel Compressor Using Woven/Wound Composite Impeller // Proceedings of the ASME 2006 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Chicago: Process Industries, 2006. P. 95–100. doi: 10.1115/IMECE2006-13342
- Netrusov A.N., Fomin V.M. Composite materials for impellers of turbochargers of automotive engines. Traktory i sel'khozmashiny. 2017. No 8, pp. 28–36 (in Russ.).
- Netrusov A.N., Fomin V.M. Investigation of the strength properties of impellers made of composite material of diesel pressurization units. Traktory i sel'khozmashiny. 2017. No 2, pp. 21–28 (in Russ.).
- Netrusov A.N., Fomin V.M. Optimization of the reinforcing layer of a compressor wheel made of a composite material of a diesel turbocharger. Traktory i sel'khozmashiny. 2018. No 2, pp. 47–53 (in Russ.).
- Saravanan R., Malladi A., Aneesh V. Exploration of appropriateness of material for impeller of turbocharger–A numerical validation // AIP Conference Proceedings. 2020. Vol. 2283. No. 1. 020074 p. doi: 10.1063/5.0025027
- Fomin V., Apelinskiy D., Netrusov A. Study of the optimal reinforcing structure of the compressor wheel from composition material of the transport turbocharged engine // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 534. No. 1. 012031 p. doi: 10.1088/1757-899X/534/1/012031
- Emara A., Soliman M., Monieb H., Abdelrazek S. Material Selection for a Turbo-charger Centrifugal Compressor Wheel. Egypt: SAE Technical Paper. 2020. 9 p. doi: 10.4271/2020-01-5066
- Pochini A. Design and virtual validation of a turbocharger for an internal combustion engine in a range extender application. Doctoral dissertation, Politecnico di Torino. Turin, 2021. 136 p.
- Joy N. Design and Analysis of an Integrated Exhaust Manifold with Turbocharger for Considerable Reduction of Over Heating of Bearing System // International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development. 2018. Vol. 8. No. 2. P. 601–608.
- Abhang S., Jadhav Y., Jadhav S. Correlation of test data with analysis of turbo-charger hot bolted joint // International Research Journal of Engineering and Technology. 2018. Vol. 5. No. 9. P. 1374–1380.
- Venkatesh T., Kumar A., Shareef S., Kumar P. Structural Analysis of Centrifugal Compressor Impeller using ANSYS // CVR Journal of Science and Technology. 2020. Vol. 19. No. 1. P. 133–137. doi: 10.32377/cvrjst1922
- Subash K., Muthukumar K. Design and Analysis of Centrifugal Impeller // Journal of Industrial Mechanics. 2019. Vol. 4. No. 2. P. 5–14. doi: 10.5281/zenodo.3266975
- Liu S., Liu C., Hu Y., Gao S., Wang Y., Zhang H. Fatigue life assessment of centrifugal compressor impeller based on FEA // Engineering Failure Analysis. 2016. Vol. 60. No. 1. P. 383–390. doi: 10.1016/j.engfailanal.2015.11.035
- Alsaeed A. Dynamic stability evaluation of an automotive turbocharger rotor-bearing system. Doctoral dissertation, Virginia Tech. Blacksburg, 2005. 88 p.
- Terani B., Badarinarayan K., Prakasha A. Stability Analysis of Turbocharger Impeller: A Review // International Research Journal of Engineering and Technology. 2015. Vol. 2. No. 2. P. 576–578.
- Mane P. Design & Analysis of Centrifugal Pump Impeller by FEA // International Research Journal of Engineering and Technology. 2016. Vol. 3. No. 1. P. 420–428.
- Mane P., Firake P., Firake V. Finite Element Analysis of M.S. Impeller of centrifugal Pump // International Journal of Innovations in Engineering and Science. 2017. Vol. 2. No. 9. P. 1–4.
Supplementary files
