Bachelor's Thesis

Methodology for designing the rotating blade profile of the turbine diffuser distribution mechanism with ensuring stable loading

Final Thesis 2.08 MB

Author of thesis: Bc. Petr Čeleda

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D.

Reviewer: Ing. František Kocman

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the unstable aerodynamic loading of adjustable vanes in VNT turbochargers. Unstable vane loading causes increased wear on the VNT mechanism and reduces the overall lifespan of the turbocharger. The aim of this thesis is to propose a design methodology for an adjustable vane and its axis of rotation, which could eliminate or reduce this unstable loading. The methodology was developed based on a baseline vane provided by Garrett Advancing Motion. From this baseline, eight additional variants were created: four featuring a modified axis of rotation and four featuring modified profile geometry. All these variants, including the original vane, were then tested using a simplified CFD simulation. The outputs of the simulation were the values of aerodynamic forces and moments acting on the vane. Based on these values, all variants were compared, and the optimal variant, which improved the aerodynamic loading compared to the original vane through either its shape or the position of its axis of rotation was selected.

Keywords:

VNT, turbocharger, mechanical wear, aerodynamics, CFD, axis of rotation, pivoting vane, oscilation

Date of defence

11.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s průběhem a výsledky své závěrečné práce. Následně zodpověděl otázky oponenta. Dále odpovídal na otázky členů komise: Jakým způsobem byla modelována mezní vrstva na lopatkách? Částečně zodpovězeno Co bylo hlavní posuzovací kritérium lopatky? Zodpovězeno Je důležitější orientace osy rotace nebo tvar lopatky? Zodpovězeno Jaký je rozdíl mezi jednotlivými zkoumanými návrhy? Zodpovězeno

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering (B-STR-P)

Specialization

Machine and Equipment Construction (SSZ)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Porteš, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Zdeněk Kaplan, CSc. (místopředseda)
Ing. Jan Vančura, Ph.D. (člen)
Ing. Jozef Dlugoš, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Hejtmánek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D.

Student ve své bakalářské práci o rozsahu 66 stran řešil metodiku konstrukce profilu otočné lopatky rozváděcího mechanismu difuzoru turbíny se zaměřením na zajištění stabilního aerodynamického zatížení. Téma má přímou vazbu na průmyslovou praxi, protože změny smyslu působícího momentu na lopatku mohou vést ke kmitání, zvýšenému opotřebení VNT mechanismu a snížení životnosti turbodmychadla.

Student pracoval samostatně a prokázal schopnost řešit technický problém kombinující konstrukci turbodmychadel, základy aerodynamiky, mechanické opotřebení a numerické CFD simulace. Rešeršní část popisuje princip VNT turbodmychadla, konstrukci rozváděcího mechanismu, aerodynamické síly působící na lopatku, tepelné namáhání a možné příčiny opotřebení. Rozsah rešerše je pro bakalářskou práci dostatečný, nicméně některé části jsou zpracovány spíše popisně a místy by bylo vhodné přesnější odborné vyjadřování a hlubší kritická diskuze.

V praktické části student vycházel ze základní lopatky poskytnuté firmou Garrett Advancing Motion. Vytvořil několik variant s upravenou polohou osy rotace a s upravenou geometrií profilu, které následně porovnal pomocí zjednodušené CFD simulace v Ansys Fluent. Výstupem byly aerodynamické síly a moment působící na lopatku v závislosti na poloze otevření. Pozitivně hodnotím zejména to, že práce směřuje ke konkrétnímu konstrukčnímu doporučení. Výsledky je však nutné chápat jako orientační, protože použitý CFD model je zjednodušený a v mnoha případech nebylo řešení zcela dokonvergováno. Bohužel některé vyjádření studenta o konvergenci jsou nepřesné a někdy i chybné. Lze to do jisté míry tolerovat, neboť student zatím neměl vhodný kurz nebo předmět zabývající se CFD. Navržené hodnocení chování konkrétního profilu je zajímavé, nicméně vzhledem k typu ustálenému CFD výpočtu není dobře realizovatelné z dostupných výsledků.

V práci by bylo vhodné podrobněji diskutovat citlivost výsledků na síť, okrajové podmínky a zjednodušení geometrie. Přesto je vlastní přínos studenta zřejmý a odpovídá vyšší úrovni bakalářské práce. Cíle práce byly splněny.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality C
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory C
Logical arrangement of thesis and its layout C
Grafic layout, used style and language level C
Work with used sources including quotations B
Student's independence when working on the topic B

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. František Kocman

Bakalářskou práci pana Čeledy zahrnující 69 stran lze rozdělit do části rešeršní obsahující 13 stran a části zahrnující vlastní řešení dané problematiky obsahující 42 stran.

První dojem již kazí špatné číslování, které nejenže začíná již u druhé strany s obsahem, ale také z neznámého důvodu číslem 7, přičemž se jedná o stranu 10. Na většině stran je taktéž špatně záhlaví, a to ať už obsahem (např. „Bibliografická citace“ místo „Čestné prohlášení“ nebo „Poděkování“ na stránce s obsahem), tak zejména formátováním (částečné zakrytí loga VUT a náhodné odsazení textu). Oproti tomu u abstraktu záhlaví a zápatí rovnou chybí. Z neznámého důvodu se od strany 4 až do konce objevuje v levém dolním rohu nápis „Garrett Internal“. V práci se opakovaně vyskytují zbytečné mezery mezi podkapitolami. Práce obsahuje velké množství gramatických chyb, a to včetně zápisu názvu firmy, s kterou spolupracoval. V práci se taktéž vyskytují nepřesné výrazy a podivné překlady, například „lower surface – tlaková strana“. Některé podkapitoly jsou příliš krátké (například 2.2.1). Uváděné obrázky jsou nižší kvality, ale lze ocenit jejich až na jednu výjimku rozsáhlý popis včetně překladů anglických pojmů. Student dále při prvním výskytu zkratek neuvádí jejich vysvětlení, v případě CFD zde není vůbec. V poděkování je vhodné uvést tituly.

Rešeršní část je spíše kratší, ale věcná. Kazí ji však chyby v citacích, a to použití dvou citačních stylů (jeden pro obrázky a jeden pro text) a špatné pořadí číslování. Student v práci uvádí celkem 8 zdrojů, přičemž 5 z nich využil pouze pro obrázky. Při tvorbě textu čerpal z dvou knih a skript.

Praktická část je věnována tvorbě geometrie a CFD simulacím. Student s ohledem na časovou náročnost a své znalosti problematiky zvolil přístup využívající 2D modely a simulace byly provedeny pouze pro ustálený děj. Lze ocenit velké množství testovaných variant, a to 99. Zpracování samotných výsledků má své neduhy. Student se z neznámého důvodu rozhodl sledované parametry (síly v osách X a Y a moment okolo osy Z) jednotlivých lopatek rozdělit do tří tabulek pro každou variantu, byť jsou všechny závislé pouze na úhlu natočení. U každého z výsledků sice přikládá grafické znázornění daného profilu lopatky, avšak vzhledem k tomu, že student porovnává varianty 2-9 vůči variantě 1, tak by bylo vhodné rozdíly mezi nimi zahrnout i vizuálně. U grafů není zdůvodněno, proč byly jednotlivé body proloženy lineárně. Dále postrádám podrobnější zdůvodnění vlivu změny polohy osy rotace na sledované veličiny. Navzdory výše zmíněným nedostatkům lze konstatovat, že cíle zadané práce byly splněny.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment E
Working process, extent and suitability of applied methods D
Scholarly contribution and originality D
Ability to interpret achieved results and draw conclusions D
Applicability of results in practice or theory C
Logical arrangement of thesis and its layout D
Grafic layout, used style and language level E
Work with used sources including quotations C
Topics for thesis defence:
  1. 2. V kapitole 1.3 uvádíte, že akční člen nemůže být uchycen na turbínové skříni. Je tomu v tak i v dnešní době?
  2. 3. V kapitole 6.1. uvádíte, že je zapotřebí dobře nastavit parametry sítě. V jakém programu/prostředí jste tyto sítě tvořil a jak jste posuzoval jejich kvalitu?
  3. 4. V kapitole 6.2.2 uvádíte k okrajové podmínce symetrie: „Tato podmínka udělá to, že pro ty křivky, ke kterým je přiřazená se bude počítat s tím že se jedná pouze o hranice, které nemají žádný koeficient tření atd. díky čemuž nedojde k ovlivnění proudění okolo lopatky“. Můžete lepe vysvětlit princip této okrajové podmínky?
  4. 1. V poděkování zmiňujete, že vám paní Zemanová pomohla s CFD simulací. Co vše v rámci těchto simulací jste dělal přímo vy, respektive jaký byl rozsah této pomoci? Také na závěr úvodu uvádíte, že jste při tvorbě simulace využil AI. V jakém rozsahu a jaký model?

Grade proposed by reviewer: D

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová