The present work focuses on the design, performance and operability improvement of centrifugal compressors for single stage turbochargers with loadings and pressure ratios beyond today´s traditional levels. The following areas have been addressed: • 1D matching and sizing a compressor and a turbine for a turbocharger application • Compressor design with high flow coefficient and high pressure ratio • Main and splitter blade leading edge sweep • Transonic inducer design, and double splitter design • Tandem inducer design • Operating range and thermal modelling of the impeller The usage of leading edge sweep for high flow coefficient compressors showed, that the impeller stall was driven by an interaction between the leading edge tip vortex and the splitter leading edge. Applying forward sweep to the main blade of the compressor, or applying aft sweep to the splitter leading edge helped to delay this interaction and increased the operating range of the compressor. The usage of forward sweep on the main blade led to a performance increase of the compressor due to a reduction of shock losses. A transonic inducer design was carried out to improve the compressor performance and operability. This work revealed that lessons learnt from axial compressors design are applicable to centrifugal compressors and that by applying negative camber and little or no turning along a portion of the inducer it is possible to reduce the relative Mach number at the tip of the main blade and reduce the shock losses through the passage. Considering advanced double splitter designs showed that an increase of flow capacity and compressor efficiency can be achieved by reducing the number of main blades, and by adding a short and a long splitter staggered in a way that the splitters are aligned with the shock at the tip of the impeller (Longer splitter along the suction side of main blade, and short splitter along the pressure side). The analyses conducted on tandem inducer designs have shown the significance of clocking axial position and overlap, and demonstrated that the best configuration is the one where the inducer blade is aligned with the main blade since it will generate the least amount of losses. The investigations also showed that the leakage flow towards the shroud between the main blade and the inducer blade can improve the performance of the compressor by reducing the losses on the diffuser. Finally, the present work also described the impact of swirl on ported shroud configurations and developed a model for estimation of temperature distributions and cooling of the impeller.      «

The present work focuses on the design, performance and operability improvement of centrifugal compressors for single stage turbochargers with loadings and pressure ratios beyond today´s traditional levels. The following areas have been addressed: • 1D matching and sizing a compressor and a turbine for a turbocharger application • Compressor design with high flow coefficient and high pressure ratio • Main and splitter blade leading edge sweep • Transonic inducer design, and double splitter...     »

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der aerodynamischen Auslegung zur Leistungs- und Betriebsbereichsverbesserung von fortschrittlichen, einstufigen Turboladern mit hoher aerodynamischer Belastung und Druckverhältnissen jenseits des Erfahrungsbereichs. Die folgenden Aspekte wurden dabei speziell betrachtet: • Eindimensionale Abstimmung und Auslegung von Verdichter und Turbine in einer Turbolader-Anwendung • Verdichter-Auslegung für hohe Druckverhältnisse und hohe Durchflusskoeffizienten • Anwendung von „Sweep“ an den Impeller- und Splitterschaufeln • Transsonische Schaufelauslegung sowie Doppelsplitter-Konfigurationen • Tandem-Schaufelkonzepte für Radialverdichter • Technologien zur Erweiterung des Betriebsbereichs und thermische Modellierung des Impellers Die Untersuchungen von „Sweep“ an der Vorderkante von Impellern mit hohem Durchfluss und hohen Druckverhältnissen haben gezeigt, dass der Betriebsbereich der Impeller in erster Linie durch das Zusammenspiel des Schaufelspitzenwirbels an der Vorderkante der Hauptschaufel mit der Vorderkante des Splitters beeinflusst werden kann. Die Anwendung von nach vorne gerichtetem „Sweep“ an der Hauptschaufel, bzw. von nach hinten gerichtetem „Sweep“ an dem Splitter, helfen die gegenseitige Beeinflussung zu reduzieren, wodurch sich der Betriebsbereich des Verdichters erweitert. Dabei führte insbesondere die Anwendung von nach vorne gerichtetem „Sweep“ an den Hauptschaufeln zu einer Leistungsverbesserung des Verdichters infolge reduzierter Stoßverluste. Eine transsonische Schaufelradauslegung wurde mit dem Ziel durchgeführt, die Verdichter-Leistung und den Betriebsbereich zu erhöhen. Dabei zeigte sich, dass Erfahrungen aus der Auslegung von Axialverdichtern auf Radialverdichter übertragen werden können, wie z.B., dass eine Anwendung von negativer Krümmung und geringer bzw. keiner Drehung entlang eines Teils des Laufrads zu geringeren, relativen Mach-Zahlen an der Spitze der Hauptschaufel mit geringeren Stoßverlusten durch den Schaufelkanal führen können. Die Nutzung des fortschrittlichen Doppelsplitterkonzeptes zeigte, dass eine Erhöhung der Durchflusskapazität und des Verdichter-Wirkungsgrads durch eine Reduzierung der Schaufelanzahl erreicht werden können. Die beste Konfiguration des Konzeptes bestand dabei aus der Kombination eines langen Splitters auf der Saugseite und eines kurzen Splittes auf der Druckseite der Hauptschaufel, bei der die Splitter an den Stößen der Schaufelspitzen des Laufrads ausgerichtet werden. Diese Konfiguration erzielte im Zusammenspiel mit dem Diffusor auch den ausgedehntesten Betriebsbereich. Die durchgeführten Analysen an Tandem-Laufrädern haben die Bedeutung der Ausrichtung der Umfangsposition und der Überschneidung gezeigt, wobei sich die Konfiguration, bei der die Vorschaufel an der Hauptschaufel ausgerichtet war, als die beste herausgestellt hat, weil sie die geringsten Verluste erzeugt. Die Untersuchungen haben weiter gezeigt, dass die Leckage-Ströme zwischen der Vorschaufel und der Hauptschaufel im Gehäusebereich zu einer Leistungsverbesserung infolge reduzierter Verluste im Diffusor führen können. Abschließend beschreibt die vorliegende Arbeit auch den Einfluss von Drall auf sogenannte „ported shroud“-Konfigurationen und stellt ein Modell zur Berechnung der Materialtemperaturen und Kühlung des Verdichter-Laufrads vor.      «

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der aerodynamischen Auslegung zur Leistungs- und Betriebsbereichsverbesserung von fortschrittlichen, einstufigen Turboladern mit hoher aerodynamischer Belastung und Druckverhältnissen jenseits des Erfahrungsbereichs. Die folgenden Aspekte wurden dabei speziell betrachtet: • Eindimensionale Abstimmung und Auslegung von Verdichter und Turbine in einer Turbolader-Anwendung • Verdichter-Auslegung für hohe Druckverhältnisse und hohe Durchflusskoeffizienten...     »