Centrifugal compressor performance maps treatment for internal combustion engines operating cycle simulation

Abstract

Simulation of the supercharged internal combustion engines operation cycle is impossible without correct estimation of the supercharger operating parameters. Standard approach is to use specially prepared performance maps of compressor and turbine of the turbocharger, which are based on the experimental (or manufacturer’s) raw data. Centrifugal compressor performance maps interpolation, extrapolation and treatment provides challenging requirements as it is important to get correct simulation under such special conditions as compressor choke, rotating stall and pumping surge. At the same time it’s important to obtain the fast and stable calculations of the engine’s operating cycle. Blitz-PRO – online internal combustion engines operating cycle simulation service – offers supercharger performance maps preprocessing and implementation. It provides three different modes of compressor surge consideration during calculations: 1) full-scale surge mode using Moore-Greitzer approach; 2) mild surge mode with flexible adjustment; 3) “stable” mode, when the surge is neglected and the compressor constant-speed lines are extended from the rotating stall point to the lower mass flow region with the hyperbolic equation. Using the MAN 8G70ME-E engine 12140 kW, 82 rpm operating point as an example, the calculation results are compared for three modes of compressor surge consideration. The “stable” mode provides the fastest and the most stable calculations, while the calculations under the full-scale surge mode could generate the numerical (nonphysical) instability of calculations, which are caused by the high sensitivity of the two-stroke engines to the gas exchange processes as it is shown. The mild surge mode provides fast and stable enough calculation with the surge consideration ability, which could be assumed as the best solution for the given example. The researcher should choose between provided three modes of the centrifugal compressor surge consideration according to the calculations tasks, preferring “stable” mode for initial model setup and mild surge mode for the surge probability check, while the accurate compressor surge simulation needs further development.

Моделювання робочого циклу двигуна внутрішнього згоряння з наддувом неможливо без коректної оцінки параметрів роботи агрегату наддуву. Стандартним є підхід, при якому використовуються спеціально підготовлені карти характеристик компресора і турбіни турбокомпресора, отримані на основі експериментальних даних або даних, представлених виробниками. Інтерполяція, екстраполяція та обробка карт характеристик відцентрового компресора є досить непростим завданням, так як необхідно забезпечити коректне врахування роботи компресора в таких специфічних зонах його роботи, як поблизу границі запирання, зриву потоку і в режимах помпажа. При цьому необхідно забезпечити швидке і стабільне виконання розрахунку робочого циклу. Blitz-PRO - програмний сервіс для розрахунку робочого циклу двигунів внутрішнього згоряння, доступний онлайн - пропонує можливість підготовки і використання карт характеристик агрегатів наддуву. При цьому доступні три різні режими врахування роботи відцентрового компресора в умовах помпажа: 1) повномасштабний помпаж на основі методики, запропонованої F. K. Moore і E. M. Greitzer; 2) локальний помпаж з можливістю гнучкого налаштування; 3) режим «стабілізації», при якому явище помпажа компресора виключається шляхом екстраполяції витратної характеристики компресора від точки виникнення зриву в бік зменшення витрати повітря з використанням гіперболічного рівняння. Як приклад розглядається режим роботи двигуна MAN 8G70ME-E (точка 12140 кВт при 82 хв -1 за гвинтовою характеристикою) з порівнянням результатів розрахунків для трьох методів врахування роботи компресора в умовах помпажа. Режим «стабілізації» забезпечує найбільш швидкий і стабільних розрахунок, в той час як режим врахування повномасштабного помпажа може в ряді випадків характеризуватися чисельної (нефізичною) нестійкістю розрахунків, що пояснюється високою чутливістю двотактних малообертних двигунів до параметрів процесів газообміну. Використання режиму локального помпажа поволяет домогтися високої швидкості і стабільності розрахунків при одночасному врахуванні явища помпажа, що є досить розумним компромісом. Дослідник повинен раціонально використовувати всі три режими врахування помпажа відцентрового компресора в залежності від поставленого завдання, віддаючи перевагу режиму «стабілізації» при початковому налаштуванні математичної моделі і режиму локального помпажа для перевірки вірогідності виникнення помпажа. У той же час необхідні додаткові дослідження в області коректного моделювання роботи компресора в умовах помпажа.