Aerodynamic Design in Axial Turbine for Heavy Duty Applications

Abstract

Turbomachinery design is based on multiple physical thermodynamical relations and
fluid mechanics. Software implementing these relations in computing fluid flows
have been broadly accessible since the 1990’s and has also become more applied to
turbomachinery design. However, the software is unfortunately a large expense on
research and development departments. Cambridge Professor Emeritus John D. Denton
released his self developed turbomachinery design software and computational fluid
dynamics (CFD) solver, MULTALL, in 2017 making it freely accessible to the public and
this software has been examined if it is a suitable tool for replacing an existing design tool.
The software is has in this thesis been applied to a single stage axial turbo compound
turbine used in heavy duty trucks. The goal was to both examine the design procedure in
the software and evaluate the performance by comparing it to an existing base design. A
parameter study for a possible electrical turbo compound unit was made and two designs
for an electrical turbo compound application was made. The implementation of and
electric turbo compound unit increases the overall efficiency as the turbo compound
turbine can freely choose the revolution speed. The calculations obtained in the software
has been validated through CFD software STAR-CCM+ and the performance obtained
in MULTALL has been very accurate compared to results from STAR-CCM+. The
performance comparison to the base turbine design has been in the order of 1% point as
difference.

Popular Abstract (Swedish)

Denna rapport utforskar ett nytt open-source-baserat verktyg inom turbindesign tillsammans med ett komplett flödesberäkningsprogram. Detta arbete utfördes hos Volvo Trucks med applicering mot deras turbocompound-turbin. för att undersöka möjligheterna att implementera en elektrifierad turbocompound-turbin. Resultatet är en god arbetsmetodik inom turbindesign tillsammans med två möjliga framtida elektrifierade turbiner som kan bibehålla en verkningsgrad mellan 70-80% oavsett driftfall.
Den turbocompound-turbinen som används idag i Volvos lastbilar är direkt kopplad till motorns vevaxel och bidrar med extra vridmoment till hjulen. En lastbil måste kunna köras både hög och låg växel vilket innebär högt och lågt effektuttag och turbinen måste därför också kunna jobba inom höga och låga lastfall. Det kan liknas vid en cyklist som måste kunna cykla snabbt och långsamt på en och samma växel vilket inte är optimalt. Det har därför varit intressant att undersöka möjligheten att frikoppla turbinen från vevaxeln och istället ansluta turbinen till en generator. Generatorn kan då ställa in varvtalet hos turbinen för att hitta bästa driftförhållandet och därmed maximera verkningsgraden.
De designverktyg inom turbindesign som används idag är komplexa och är en väldigt stor kostnad för forskningsavdelningar. Professorn John Denton släppte 2017 sitt egenutvecklade designverktyg för turbomaskiner tillsammans med ett flödesberäkningsprogram fritt för allmänheten. Ett komplett design- och beräkningsprogram som är gratis är ju bara för bra för att vara sant och detta programpaket har därför undersökts för att se om det är relevant för Volvo Lastbilar. Programpaketet har applicerats för både allmän design mot en turbocompound-turbin men också mot en elektrifierad turbocompound-turbin.
Detta programpaket medför att man kan bygga en färdig turbin på cirka 15 minuter. Årtionden av studier inom turbinteknik har gett oss ett verktyg som låter oss gå från ax till limpa på en fikapaus. Programpaketets enkla struktur möjliggör parameterstudier av designvariabler och en optimal design ligger nu bara några knapptryckningar bort!
Detta arbete ligger som grund för den fortsatta utvecklingen av turbocompound-turbinen med en ny designmetodik och ett nytt turbinkoncept. I takt med den snabba utvecklingen av elbilar i form av batterier och elektriska transmissioner kan bidrar detta arbetet till kunskap för att bygga framtida lastbilar med hybrid-koncept. Fordonsindustrin står idag för nästan 30% av alla växthusgasutsläpp och nu står utvecklingsavdelningar inför en kamp mot klockan. Fordonsindustrin i EU har till 2030 på sig att minska sina utsläpp med 30%. Studier inom elektrifiering av turbocompound-turbinen har visat minskning i bränsleförbrukning med 7% vilket är enorma framsteg. Man vinner på att återvinna energi!

• author: Lennman, Eric
• supervisor: Magnus Genrup
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Turbine design, MULTALL, Design methodology, Electric turbo compound turbine
• report number: LUTMDN/TMHP-20/5456-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 9024346
• date added to LUP: 2020-08-10 09:35:56
• date last changed: 2020-08-10 09:35:56