Double inlet turbine housing design and optimisation for a motorsport turbocharged application

Turbocharged applications have a key role in the field of internal combustion engines because of their high efficiency and specific power. Motorsport solutions are pushed to the limit of optimisation, seeking for better and better performances. Double scroll turbines are a solution often adopted to efficiently control the flow of exhaust gas across the turbine, avoiding negative interference among the cylinders and improving volumetric efficiency. The typical solutions available on the market have multiple scrolls sharing a single inlet flange. This project aims to the design and optimisation of a custom turbine housing having two separate inlets and volutes, specifically developed for a mono-turbocharger system. Exploiting reverse engineering techniques, the custom volute design can be optimised for a specific OEM turbine rotor. An automatic optimisation and design procedure has been developed to determine the geometrical characteristics of the housing required for the prescribed operating condition. Compressible flow models, flow angle and losses empirical correlations are exploited to estimate the flow development across the turbine. The model automatically produces a parametric frame of the component geometry that can be imported in CAD software as base structure for the turbine housing. The design process is supported by CFD analysis, including a steady state comparison with the model, a transient investigation of pulsating flow conditions from the engine and an analysis on the effect of rotor blades passage on the flow across the volute. The design process revealed to have a good accuracy in determining the optimal shape of the scrolls and has proven to be inclined and solid to design changes thanks to its parametric nature. Further developments of the project would include manufacturing, testing and experimental characterisation of the dual inlet turbine.

I turbocompressori hanno un ruolo fondamentale nel campo della sovralimentazione dei motori a combustione interna per via dell’incremento in efficienza e potenza specifica che apportano. Le soluzioni in ambito sportivo sono spinte al limite dello sviluppo, alla ricerca di prestazioni sempre migliori. Le turbine a doppia voluta sono spesso adottate per controllare con precisione il flusso dei gas combusti attraverso la girante, minimizzando le interferenze tra i vari cilindri e favorendo la fase di lavaggio. Nelle tipiche soluzioni disponibili sul mercato, i canali della voluta condividono la stessa flangia di ingresso. Questo progetto punta al disegno ed ottimizzazione di un alloggiamento turbina su misura, avente le volute con ingressi separati, pensato specificatamente per un’applicazione a singolo turbocompressore. Grazie ad un processo di deingegnerizzazione, il disegno della voluta può essere ottimizzato per un qualsiasi rotore e turbogruppo esistente. Un algoritmo di ottimizzazione automatica è stato sviluppato per essere alla base della progettazione, generando il disegno della voluta centrato sul punto di funzionamento prescelto. Modelli a flusso comprimibile, correlazioni sperimentali per incidenza, deviazione e perdite, sono stati implementati per stimare lo sviluppo del flusso attraverso la turbina. Il modello produce automaticamente uno scheletro parametrico della geometria del componente, che può essere importato in un software CAD come struttura di base del disegno. La progettazione è supportata da analisi fluidodinamiche, CFD, che includono: una comparazione, in flusso stazionario, dei risultati del modello, un’analisi in transitorio sull’effetto degli impulsi provenienti dal motore ed infine è investigata l’influenza sul flusso nella voluta del passaggio delle pale del rotore. Il processo di progettazione si è dimostrato preciso nel determinare la geometria ottimale del componente, ed ha dimostrato di essere solido anche in caso di variazione dei parametri di progetto. Gli sviluppi futuri dovrebbero includere la produzione e la caratterizzazione sperimentale della turbina a doppio ingresso.