Finding the optimal compressor impeller material to improve the efficiency of the turbocharging system

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

Vehicles powered by diesel engines are equipped with superchargers in order to improve the efficiency of vehicles. The efficiency of the turbochargers themselves partly depends on the optimum performance of their impellers, which in turn is achieved by choosing the right impeller materials. An important property of the material of the turbine wheel is heat resistance to the incoming exhaust gases, and for the compressor wheel it is the resistance to the pressure of the air simultaneously supplied to it and forced by it.

In this paper, the issue of increasing the efficiency of the turbocharging system is considered in the context of comparing three materials (nickel and titanium alloys, structural steel), which are proposed for the manufacture of a compressor impeller by designing its model using computer software products. The measurements of real turbocharging elements and their characteristics are transferred to CREO, where the required dimensions are calculated and other necessary calculations are carried out, which are then imported into ANSYS for the purpose of subsequent research, including thermal and structural analyzes. Comparison of the analysis results allows us to conclude that the nickel alloy is superior to other materials under consideration in terms of its minimum susceptibility to deformation and obtaining the lowest total heat flux in the compressor impeller, and to recommend this material for use in turbocharging or for its subsequent comparison with previously not considered materials, which, as suggested in the study, to some extent can contribute to an increase in the efficiency of the vehicle.

About the authors

S. S. Rakhmatullin

Kazan State Power Engineering University

Author for correspondence.
Email: samatrakhmatullin@gmail.com
Russian Federation, Kazan

References

  1. Watson N., Janota M. Turbocharging the Internal Combustion Engine. New York: Wiley, 1982. 624 p.
  2. Prasad A., Rao B., Babji A., Babu D. Static and Dynamic Analysis of a Centrifugal Pump Impeller // International Journal of Scientific & Engineering Research. 2013. Vol. 4. No. 10. P. 966–971.
  3. Martynyuk L., Afanasiev D., Bykov L., Ezhov A., Mezintsev M. The study of the applicability of polymer composite materials for the manufacture of the impeller of a centrifugal compressor // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1060. No. 1. 012026 p. doi: 10.1088/1757-899X/1060/1/012026
  4. Lindberg Jr B., Papuka K., Kharazi A., Mueller N. Novel Compressor Using Woven/Wound Composite Impeller // Proceedings of the ASME 2006 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Chicago: Process Industries, 2006. P. 95–100. doi: 10.1115/IMECE2006-13342
  5. Netrusov A.N., Fomin V.M. Composite materials for impellers of turbochargers of automotive engines. Traktory i sel'khozmashiny. 2017. No 8, pp. 28–36 (in Russ.).
  6. Netrusov A.N., Fomin V.M. Investigation of the strength properties of impellers made of composite material of diesel pressurization units. Traktory i sel'khozmashiny. 2017. No 2, pp. 21–28 (in Russ.).
  7. Netrusov A.N., Fomin V.M. Optimization of the reinforcing layer of a compressor wheel made of a composite material of a diesel turbocharger. Traktory i sel'khozmashiny. 2018. No 2, pp. 47–53 (in Russ.).
  8. Saravanan R., Malladi A., Aneesh V. Exploration of appropriateness of material for impeller of turbocharger–A numerical validation // AIP Conference Proceedings. 2020. Vol. 2283. No. 1. 020074 p. doi: 10.1063/5.0025027
  9. Fomin V., Apelinskiy D., Netrusov A. Study of the optimal reinforcing structure of the compressor wheel from composition material of the transport turbocharged engine // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 534. No. 1. 012031 p. doi: 10.1088/1757-899X/534/1/012031
  10. Emara A., Soliman M., Monieb H., Abdelrazek S. Material Selection for a Turbo-charger Centrifugal Compressor Wheel. Egypt: SAE Technical Paper. 2020. 9 p. doi: 10.4271/2020-01-5066
  11. Pochini A. Design and virtual validation of a turbocharger for an internal combustion engine in a range extender application. Doctoral dissertation, Politecnico di Torino. Turin, 2021. 136 p.
  12. Joy N. Design and Analysis of an Integrated Exhaust Manifold with Turbocharger for Considerable Reduction of Over Heating of Bearing System // International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development. 2018. Vol. 8. No. 2. P. 601–608.
  13. Abhang S., Jadhav Y., Jadhav S. Correlation of test data with analysis of turbo-charger hot bolted joint // International Research Journal of Engineering and Technology. 2018. Vol. 5. No. 9. P. 1374–1380.
  14. Venkatesh T., Kumar A., Shareef S., Kumar P. Structural Analysis of Centrifugal Compressor Impeller using ANSYS // CVR Journal of Science and Technology. 2020. Vol. 19. No. 1. P. 133–137. doi: 10.32377/cvrjst1922
  15. Subash K., Muthukumar K. Design and Analysis of Centrifugal Impeller // Journal of Industrial Mechanics. 2019. Vol. 4. No. 2. P. 5–14. doi: 10.5281/zenodo.3266975
  16. Liu S., Liu C., Hu Y., Gao S., Wang Y., Zhang H. Fatigue life assessment of centrifugal compressor impeller based on FEA // Engineering Failure Analysis. 2016. Vol. 60. No. 1. P. 383–390. doi: 10.1016/j.engfailanal.2015.11.035
  17. Alsaeed A. Dynamic stability evaluation of an automotive turbocharger rotor-bearing system. Doctoral dissertation, Virginia Tech. Blacksburg, 2005. 88 p.
  18. Terani B., Badarinarayan K., Prakasha A. Stability Analysis of Turbocharger Impeller: A Review // International Research Journal of Engineering and Technology. 2015. Vol. 2. No. 2. P. 576–578.
  19. Mane P. Design & Analysis of Centrifugal Pump Impeller by FEA // International Research Journal of Engineering and Technology. 2016. Vol. 3. No. 1. P. 420–428.
  20. Mane P., Firake P., Firake V. Finite Element Analysis of M.S. Impeller of centrifugal Pump // International Journal of Innovations in Engineering and Science. 2017. Vol. 2. No. 9. P. 1–4.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Compressor wheel

Download (55KB)
3. Fig 2. Compressor wheel model

Download (43KB)
4. Fig. 3. Compressor wheel mesh model

Download (147KB)
5. Fig. 4. Wheel fixing setpoint

Download (53KB)
6. Fig. 5. Rotation speed setting (2000 rad / s)

Download (59KB)
7. Fig. 6. Maximum pressure setting (1500 MPa)

Download (63KB)
8. Fig. 7. Full displacement of the nickel alloy wheel

Download (44KB)
9. Fig. 8. Equivalent voltage of the nickel alloy wheel

Download (61KB)
10. Fig. 9. Equivalent deformation of a nickel alloy wheel

Download (60KB)
11. Fig. 10. Total heat flux in the nickel alloy wheel

Download (49KB)
12. Fig. 11. Directed heat flux in the nickel alloy wheel

Download (54KB)
13. Fig. 12. Full displacement: а – structural steel wheel; b – nickel alloy wheel

Download (106KB)
14. Fig. 13. Equivalent voltage: а – structural steel wheel; b – nickel alloy wheel

Download (132KB)
15. Fig. 14. Equivalent deformation: а – structural steel wheel; b – nickel alloy wheel

Download (132KB)
16. Fig. 15. Total heat flux: а – structural steel wheel; b – nickel alloy wheel

Download (84KB)
17. Fig. 16. Directional heat flow: а – structural steel wheel; b – nickel alloy wheel

Download (91KB)

Copyright (c) 2021 Rakhmatullin S.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».