Integrated processes for turbocharger design and retrofitting
Authors: Ντόνας Κωνσταντίνος 
Published: July 2023

Στo πλαίσιo της παρούσας διδακτορικής διατριβής έγινε ανάπτυξη διαδικασιών προσομοίωσης, στοχεύοντας στον σχεδιασμό και μετεξοπλισμό στροβιλοϋπερπληρωτών. Οι διαδικασίες αναπτύχθηκαν συνθέτοντας τρεις καταστάσεις λειτουργίας, παρέχοντας δηλαδή μια πλήρως αυτόματη λύση μετεξοπλισμού και σχεδιασμού στροβιλοϋπερπληρωτών ή τη δυνατότητα προσομοίωσης στροβιλοϋπερπληρούμενης μηχανής ντίζελ.Η πρώτη λειτουργία στοχεύει στην προσομοίωση στροβιλοϋπερπληρούμενης μηχανής ντίζελ, χρησιμοποιώντας μονοδιάστατα μοντέλα μέσης γραμμής για κάθε στροβιλο-συνιστώσα, ένα μοντέλο ενιαίας ζώνης για τον κινητήρα ντίζελ και μια ανάλυση ταιριάσματος στροβιλοϋπερπληρωτή - ντίζελ μηχανής. Το μοντέλο της ντίζελ μηχανής έχει την δυνατότητα προσαρμογής των παραμέτρων του με βάση τα διαθέσιμα δεδομένα δοκιμών παραλαβής που παρέχει η κατασκευάστρια εταιρία, ενσωματώνοντας παράλληλα για πρώτη φορά, μια πλήρως αυτοματοποιημένη διαδικασία υπολογισμού χάρτη επιδόσεων σε κάθε μοντέλο στροβιλο-συνιστώσας. Επιπλέον, αναπτύχθηκε μοντέλο μέσης γραμμής στροβίλου (αξονικό και ακτινικό) με τη δυνατότητα υπολογισμού της απόδοσης του στροβίλου πέραν του ορίου στραγγαλισμού.Η δεύτερη λειτουργία αναφέρεται στον προκαταρκτικό σχεδιασμό στροβιλοϋπερπληρωτών, χρησιμοποιώντας μια διαδικασία βελτιστοποίησης με γνώμονα το ταίριασμα με το υπόλοιπο σύστημα μηχανής ντίζελ. Η διαδικασία βελτιστοποίησης επικεντρώνεται στη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου της ντίζελ μηχανης σε όλο το εύρος λειτουργίας της, διασφαλίζοντας παράλληλα το ταίριασμα μεταξύ των στροβιλο-συνιστωσών με το υπόλοιπο σύστημα της ντίζελ μηχανής. Η δομική ακεραιότητα και των δύο στροβιλο-συνιστωσών ελέγχεται με χρήση απλοποιημένης στατικής και δυναμικής ανάλυσης. Αδιάστατοι παράμετροι χρησιμοποιούνται ως μεταβλητές βελτιστοποίησης, τόσο για τον συμπιεστή όσο και για τον στρόβιλο, παρέχοντας πιο γενικευμένη και αυτοματοποιημένη διαδικασία σχεδιασμού, καθώς δεν απαιτείται ο επαναπροσδιορισμός τόσο του εύρους των μεταβλητών βελτιστοποίησης όσο και της αρχικής γεωμετρίας για διαφορετική κλίμακα στροβιλοϋπερπληρωτή. Παράλληλα, μέσω της ανάλυσης όλων των πιθανών διατάξεων στροβιλοϋπερπληρωτών, επιλέγεται η καλύτερη διάταξη με γνώμονα τη βελτίωση της λειτουργία του συστήματος ντίζελ μηχανής.Επιπλέον, παρέχεται επιλογή μερικού σχεδιασμού στροβιλο-συνιστώσας. Παρόμοια με τη διαδικασία σχεδιασμού στροβιλοϋπερπληρωτή, πραγματοποιείται μονοδιάστατος σχεδιασμός πολλαπλών σημείων στροβιλο-συνιστώσας σε επίπεδο συστήματος ντιζελ μηχανής. Επίσης, διασφαλίζεται η δομική ακεραιότητα της λύσης με τη χρήση απλοποιημένης δομικής ανάλυσης. Για τον σχεδιασμό του συμπιεστή, παρέχεται επίσης μια διαδικασία σχεδιασμού πολλαπλών σημείων λειτουργίας, βασισμένη σε διαδικασία βελτιστοποίησης υπολογιστικής ρευστοδυναμικής(CFD), η οποία παράγει μια βελτιωμένη τρισδιάστατη γεωμετρία με βάση τις ανάγκες της μηχανής ντίζελ. Σχετικά με τη δομική ακεραιότητα της τριδιάστατης γεωμετρίας, η διασφάλιση επιτυγχάνεται μέσω εργαλείου τριδιάστατης στατικής ανάλυσης με πεπερασμένα στοιχεία.Η τελευταία λειτουργία σχετίζεται με τον μετεξοπλισμό στροβιλοϋπερπληρωτών. Πραγματοποιείται εξέταση όλων των διαθέσιμων στροβιλο-συνιστωσών, αποσκοπώντας στην επιλογή του καλύτερου συνδυασμού. Η επιλογή γίνεται με γνώμονα την κατανάλωση καυσίμου της μηχανής ντίζελ, το ταίριασμα με το υπόλοιπο σύστημα και τη δομική ακεραιότητα.Εν συνεχεία, πραγματοποιείται χρήση των διαδικασιών σε 2 είδη εφαρμογών με σκοπό την ανάδειξη των δυνατοτήτων τους. Στην πρώτη εφαρμογή, πραγματοποιείται μετεξοπλισμός στροβιλοϋπερπληρωτή, αναλύοντας τέσσερις επιλογές μετεξοπλισμού (αντικατάσταση συμπιεστή, αντικατάσταση στροβιλοϋπερπληρωτή, επανασχεδιασμός συμπιεστή και επανασχεδιασμός ολόκληρου του στροβιλοϋπερπληρωτή). Στην πρώτη και δεύτερη επιλογή, η διαδικασία του μετεξοπλισμού πραγματοποιείται με χρήση διαθέσιμων στροβιλο-συνιστωσών. Στην τρίτη επιλογή, πραγματοποιείται μονοδιάστατος επανασχεδιασμός συμπιεστή, με στόχο την πλήρη επανασύσταση της αρχικής λειτουργείας του συστήματος μηχανής ντίζελ, παρέχοντας παράλληλα στο εργαλείο τριδιάστατου σχεδιασμού μια αξιόπιστη αρχική γεωμετρία. Εν συνεχεία, πραγματοποιείται η διαδικασία τριδιάστατου σχεδιασμού συμπιεστή, ακολουθώντας μια διαδικασία βελτιστοποίησης CFD-FEA, με στόχο την εύρεση μιας βελτιωμένης λύσης μετεξοπλισμού.Στην τέταρτη επιλογή, πραγματοποιείται επανασχεδιασμός ολόκληρου του στροβιλοϋπερπληρωτή, αναλύοντας παράλληλα και τις τέσσερις πιθανές διατάξεις με στόχο την πλήρη επανασύσταση της αρχικής λειτουργίας του συστήματος μηχανής ντίζελ. Τα αποτελέσματα του σχεδιασμού των τεσσάρων διατάξεων ταξινομούνται με βάση την ετήσια μείωση του κόστους καυσίμου. Τέλος, πραγματοποιείται τεχνοοικονομική αποτίμηση των τεσσάρων επιλογών μετεξοπλισμού, αποσκοπώντας στην αξιολόγηση τους από οικονομική σκοπιά.Η προσομοίωση βλαβών είναι ιδιαιτέρως σημαντική κατά τη διαδικασία του σχεδιασμού ή μετεξοπλισμου στροβιλοϋπερπληρωτών. Συνεπώς, στη δεύτερη εφαρμογή, πραγματοποιείται προσομοίωση συγκεκριμένων σφαλμάτων, χρησιμοποιώντας φυσικές συνεπείς παραμέτρους όπως η τραχύτητα και το πάχος πτερυγίου με βάση δεδομένα από την ανοιχτή βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν σημαντική μείωση στην απόδοση της μηχανής, ειδικά σε περίπτωση επικαθίσεων και στις δύο στροβιλο-συνιστώσες, σε αντίθεση με τη ρύπανση του εναλλάκτη θερμότητας όπου η μείωση της ισχύος επηρεάζεται λιγότερο.