Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Optimal Pressure based Detection of Compressor Instabilities using the Hurst Exponent
KTH, Skolan för industriell teknik och management (ITM). (Competence Center for Gas Exchange (CCGEx))
KTH, Skolan för teknikvetenskap (SCI), Mekanik. KTH, Skolan för industriell teknik och management (ITM), Centra, Competence Center for Gas Exchange (CCGEx). KTH, Skolan för teknikvetenskap (SCI), Centra, Linné Flow Center, FLOW.ORCID-id: 0000-0001-7330-6965
Univ. of Cincinnati.
Aerospace Engineering, University of Cincinnati.
2017 (Engelska)Ingår i: SAE International Journal of Engines, ISSN 1946-3936, E-ISSN 1946-3944, Vol. 10, nr 4, s. 1917-1926Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

The compressor surge line of automotive turbochargers can limit the low-end torque of an engine. In order to determine how close the compressor operates to its surge limit, the Hurst exponent of the pressure signal has recently been proposed as a criterion. The Hurst exponent quantifies the fractal properties of a time series and its long-term memory. This paper evaluates the outcome of applying Hurst exponent based criterion on time-resolved pressure signals, measured simultaneously at different locations in the compression system. Experiments were performed using a truck-sized turbocharger on a cold gas stand at the University of Cincinnati. The pressure sensors were flush-mounted at different circumferential positions at the inlet of the compressor, in the diffuser and volute, as well as downstream of the compressor. Results show that the previously identified threshold value distinguishing between surge and stable operation when the analysis was carried out for a different and smaller compressor can be used also for this much larger compressor. The investigation concerning the sensor locations reveals that pressure sensors at the outlet or shortly upstream the volute tongue give the clearest distinction between fully stable operation and operation close to the surge line. Further investigations show that as currently implemented, the criterion would need a minimum sampling duration of 500 ms and sampling frequency of 512 Hz. An extended algorithm based on distinguishing between a mono- and multifractal pressure signal is shown to have potential as an early warning indicator.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
SAE International , 2017. Vol. 10, nr 4, s. 1917-1926
Nyckelord [en]
centrifugal compressor, instabilities, surge, time-resolved pressure signals, Hurst exponent
Nationell ämneskategori
Farkostteknik Strömningsmekanik och akustik
Forskningsämne
Teknisk mekanik; Farkostteknik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-203268DOI: 10.4271/2017-01-1040ISI: 000416807900049Scopus ID: 2-s2.0-85018366181OAI: oai:DiVA.org:kth-203268DiVA, id: diva2:1081829
Projekt
CCGEx, Compressor off-design
Forskningsfinansiär
Energimyndigheten
Anmärkning

QC 20170321

Tillgänglig från: 2017-03-15 Skapad: 2017-03-15 Senast uppdaterad: 2018-01-10Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. On Stability and Surge in Turbocharger Compressors
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>On Stability and Surge in Turbocharger Compressors
2017 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Turbochargers are used on many automotive internal combustion engines to increase power density. The broad operating range of the engine also requires a wide range of the turbocharger compressor. At low mass flows, however, turbo compressor operation becomes unstable and eventually enters surge. Surge is characterized by large oscillations in mass flow and pressure. Due to the associated noise, control problems, and possibility of mechanical component damage, this has to be avoided.

Different indicators exist to classify compressor operation as stable or unstable on a gas stand. They are based on pressure oscillations, speed oscillations, or inlet temperature increase. In this thesis, a new stability indicator is proposed based on the Hurst exponent of the pressure signal. The Hurst exponent is a number between zero and one that describes what kind of long-term correlations are present in a time series.

Data from three cold gas stand experiments are analyzed using this criterion. Results show that the Hurst exponent of the compressor outlet pressure signal has good characteristics. Stable operation is being indicated by values larger than 0.5. As compressor operation moves towards the surge line, the Hurst exponent decreases towards zero. An additional distinction between the long-term correlations of small and large amplitude fluctuations by means of higher order Hurst exponents can be used as an early warning indicator.

Further tests using compressor housing accelerometers show that the Hurst exponent is not a good choice for real-time surge detection on the engine. Reasons are the long required sampling time compared to competing methods, and the fact that other periodically repeating oscillations lead to Hurst exponents close to zero independent of compressor operation.

Abstract [sv]

Turboladdare används ofta på förbränningsmotorer för att öka motorns effekttäthet. Motorns breda driftområde ställer krav på ett brett driftområde för turboladdarens kompressor. Vid låga massflöden blir kompressordriften dock mindre stabil, och surge kan uppträda. Surge innebär stora oscillationer i tryck och massflöde genom kompressorn. På grund av oljud, reglerproblem och risken för mekaniska skador vill man undvika surge.

Det finns indikatorer för att bedöma kompressorns stabilitet på ett gas stand. Indikatorerna är baserade på tryckoscillationer, varvtalsoscillationer, eller temperaturökning i gasen i kompressorinloppet. I denna avhandling presenteras en ny indikator baserad på Hurst-exponenten, beräknad på trycksignalen. Hurst-exponenten är ett tal mellan noll och ett som beskriver vilka typer av långtidskorrelationer det finns i signalen.

Mätningar från tre gas-stand-experiment har analyserats på detta sätt. Analyserna visar att Hurst-exponenten baserad på kompressorutloppstrycket fungerar bra som som surgeindikator. Stabil drift av kompressorn indikeras av att Hurst-exponenten är större än 0.5. När kompressordriftpunkten närmar sig surgelinjen faller Hurst-exponenten mot noll. En distinktion mellan oscillationer med små och stora amplituder kan används för att få en tidig varning.

Analyser av vibrationsmätningar på kompressorhuset vid motorapplikation visar att Hurst-exponenten inte är lämplig som realtidsindikator på en motor. Detta kommer sig dels av att data behöver samlas in under en längre tid än med andra tänkbara indikatorer, dels av att andra periodiska oscillationer i signalen kopplade till motorns naturliga beteende leder till Hurst-exponenter nära noll även vid stabil kompressordrift.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm, Sweden: KTH Royal Institute of Technology, 2017. s. 109
Serie
TRITA-MMK, ISSN 1400-1179
Nyckelord
Turbocharger, Radial Compressor, Stability, Surge, Hurst exponent, Fractals
Nationell ämneskategori
Maskinteknik
Forskningsämne
Maskinkonstruktion
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-206737 (URN)978-91-7729-378-1 (ISBN)
Disputation
2017-06-02, D1, Lindstedtsvägen 17, Stockholm, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Projekt
CCGEx - Compressor off-Design
Anmärkning

QC 20170510

Tillgänglig från: 2017-05-10 Skapad: 2017-05-08 Senast uppdaterad: 2017-05-10Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

Fulltext saknas i DiVA

Övriga länkar

Förlagets fulltextScopus

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Kerres, BertrandMihaescu, Mihai
Av organisationen
Skolan för industriell teknik och management (ITM)MekanikCompetence Center for Gas Exchange (CCGEx)Linné Flow Center, FLOW
I samma tidskrift
SAE International Journal of Engines
FarkostteknikStrömningsmekanik och akustik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 129 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf