INCREASING SURGE MARGIN OF TURBOCHARGER CENTRIFUGAL COMPRESSOR AUTOMOTIVE APPLICATION
ELARGISSEMENT DE LA PLAGE DE FONCTIONNEMENT D’UN TURBOCOMPRESSEUR DE SURALIMENTATION AUTOMOBILE
Résumé
Nowadays, much greater emphasis is being placed on improving fuel consumption of automotive engines, due to increasingly stringent exhaust emission regulations. High pressure turbo charging is indispensable to improving fuel consumption by enabling downsizing. To this end, improved flow range and pressure ratio of turbocharger compressor is required. Turbocharger compressor board stable flow range is increasingly difficult to achieve as increased pressure ratio is demanded, this due to compressor choke and surge limitations, at high and low flow rates, respectively.
In order to suppress tendency to surge and extend flow range at low flow rates, different variable and fixed geometry techniques are often considered, these are: imparting swirl at inducer inlet, casing treatment in the impeller shroud, diffuser variable geometry, volute area changes, and synergy effects between two of these techniques.
This thesis provides the work carried out at the Internal Combustion Engine Team of the Ecole Centrale of Nantes. The effect on the performance, and the low flow rate surge line of a turbocharger compressor of existing stabilisation techniques was studied. These are techniques to delay inducer, impeller, diffuser and volute stall. A new swirl generator to delay inducer stall was proposed, based on theoretical, local and global experimental studies. The work has resulted in significant improvements to flow range of turbocharger centrifugal compressor, while conserving efficiency in near surge zone, and proposed future steps to further improvement in compressor performance accompanied with a broad stable range.
La réduction des émissions polluantes et de la consommation de carburant sont des objectifs primordiaux des constructeurs des moteurs de propulsion automobile. Dans ce but, le down-sizing moteur (diminution de la cylindrée à puissance et régime constants) est une solution prometteuse. Le travail réalisé au cours de la préparation de ma thèse de Doctorat vise à résoudre une des problématiques majeures du down-sizing moteur : l’élargissement de la plage de fonctionnement stable des compresseurs de suralimentation.
Dans le cadre de cette thèse, le travail effectué dans l'équipe de moteur à combustion interne de l'Ecole Centrale de Nantes, était centré sur l’incidence de différentes techniques de stabilisations existantes sur la performance et la plage de fonctionnement des compresseurs centrifuges de suralimentation. Ce sont des techniques pour retarder l’instabilité dans l’entrée de la roue, la partie radiale de la roue, le diffuseur et la volute. Pendant ma thèse de doctorat, j’ai effectué une étude expérimentale globale et locale sur ces différentes techniques. Dans ce but, j’ai participé à l’installation d’un banc d’essais turbocompresseur. J’ai également mis en œuvre des études locales (mesure LDA) pour analyser les différents résultats.
Un nouveau générateur de tourbillonnement a été proposé, basé sur des études théoriques et des études expérimentales locales et globales. Les travaux ont abouti à des améliorations significatives de la plage de fonctionnement du compresseur, tout en conservant le rendement dans la zone près du pompage. Ils ont permis de proposer des mesures à prendre pour améliorer encore les performances d’un compresseur tout en conservant une large plage de fonctionnement stable.
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