Optimization of the Stator Vane Aerodynamic Loading for a Turbocharger with a Variable Nozzle Turbine

Tato práce se zabývá problematikou aerodynamického zatížení statorových lopatek turbodmychadla s variabilní geometrií turbíny a jeho následnou optimalizací. Metody výpočtového modelování tekutin jsou aplikovány s využitím komerčního softwaru ANSYS CFX. Výpočtový model celého turbínového stupně je použit pro analýzu aerodynamického zatížení statorových lopatek v několika polohách a pro různé operační podmínky. Provedená byla detailní analýza vlivu rozložení tlaku v turbínové skříni, úhlu natočení lopatky, jakož i vlivu distančních pinů na aerodynamické zatížení. Následně bylo vyvinuto experimentální zařízení pro přímé měření aerodynamického momentu statorových lopatek s využitím testovacího zařízení s názvem Gas Stand. Toto zařízení spaluje zemní plyn a dokáže vytvořit velmi stabilní podmínky proudění při vysokých teplotách, což umožňuje vyloučit vliv pulzací plynu, vibrací motoru, jakož i vlivu řídící strategie motoru na měřenou veličinu. Výsledky experimentu jsou následně porovnány s vypočtenou hodnotou pomocí CFD modelu a je dosažená velmi dobrá shoda. Validovaný CFD model je následně zredukován s využitím podmínek cyklické symetrie na model jen jednoho segmentu statoru a rotoru. Umožňuje to výrazně zvýšit produktivitu simulací a prozkoumat několik návrhových parametrů statoru v celém rozsahu pohybu statorových lopatek. Provedená analýza citlivosti těchto parametrů položila výborný základ pro jejich následnou optimalizaci a ukázala významný potenciál několika z nich. Na základě analýzy požadavků na aerodynamické zatížení statorových lopatek byla následně vytvořena definice ideálního zatížení, která byla ustavena jako cíl pro jeho optimalizaci. Použitých bylo několik optimalizačních strategií s využitím metody analýzy působících silových vektorů a jejich výsledky byly následně zhodnoceny a porovnány z více aspektů. Výsledné optimalizované řešení bylo následně přepočteno pomocí modelu celého turbínového stupně, čímž se prokázali jeho výborné vlastnosti z hlediska aerodynamického zatížení a zvýšení účinnosti ve spodní části charakteristiky