Model Analysis and Nonlinear Control of Air Compressors

Pendant des décennies, les turbines à gaz ont été des dispositifs importants et fiables dans les domaines de la production d'énergie, de l'industrie pétrochimique, et de l'aéronautique. Ces machines utilisent les compresseurs centrifuges et axiaux qui se dégradent en présence d'instabilités aérodynamiques telles que le pompage et le décrochage tournant. Ces dernières limitent la performance et peuvent causer des sollicitations mécaniques importantes, une réduction de la durée de vie, du bruit et des vibrations. De plus, dans les compresseurs axiaux à vitesse variable (CAVV), les variations de vitesse affectent la stabilité des systèmes et peuvent entraîner le pompage et le décrochage tournant. Cela limite le taux de variation de vitesse et pénalise la performance. Le travail présenté dans cette thèse dresse premièrement l'analyse de bifurcation du modèle des CAVVs afin d'étudier l'impact de la dynamique de la vitesse sur la stabilité de points de fonctionnement efficaces. Ici, le taux de variation de vitesse (accélération) est défini comme un nouveau paramètre du modèle et une analyse détaillée de bifurcation numérique est fournie. Les résultats des simulations dans le domaine temporel valident non seulement l'analyse de bifurcation, mais élargissent aussi nos connaissances sur la réponse transitoire du modèle, qui est d'une importance majeure. L'analyse réalisée révèle que les variations de vitesse peuvent mener à un décrochage tournant entièrement développé ainsi qu'au décrochage temporaire mentionné précédemment. Les résultats montrent que les instabilités développées dépendent fortement du taux d'accélération. L'impact des autres paramètres du modèle, les vitesses initiale et finale, et la contribution des modes du décrochage sont également étudiés. Au niveau du contrôle, malgré toutes les réalisations présentées, la conception d'une commande robuste même pour des systèmes de compression axiaux à vitesse constante demeure encore un problème difficile. Ici, deux méthodes de commande non linéaires: le contrôle par modes glissants et le contrôle par passivité sont proposées pour résoudre ce problème de stabilité. Ces deux approches traitent de tous les aspects difficiles du sujet qui apparaissent dans la littérature : l'impact des perturbations externes, le manque de connaissance précise des paramètres du modèle, et l'absence d'un retour d'état complet.

Abstract

For decades, gas turbines have been important, widespread, and reliable devices in the field of power generation, petrochemical industry, and aeronautics. They employ centrifugal and axial compressors which suffer from aerodynamic instabilities, namely, surge and rotating stall. These performance limiting instabilities can cause component stress, lifespan reduction, noise, and vibration. Furthermore, in variable speed axial compressors (VSACs), speed variations affect the system stability and can lead to surge and rotating stall. This limits the rate of speed variations and results in important performance penalties. The present work firstly addresses the bifurcation analysis of VSACs' model to investigate the impact of speed dynamics on the stability of efficient operating points. Here, the rate of speed variations (acceleration rate) is defined as a new parameter of the model and a detailed numerical bifurcation analysis is provided. The results of time-domain simulations not only validate the results of bifurcation analysis, but also broaden our knowledge about the transient response of the model, which is a matter of importance as well. The analysis reveals that speed variations can lead to a fully developed rotating stall as well as the previously reported temporary stall developments. The results show that the developed instabilities depend to a great extent on the acceleration rate. The impact of other key issues such as throttle gain, viscosity factor, initial speed, final speed, and the contribution of stall modes are also explored. From the control point of view, despite reported achievements, robust control design for compression systems remains a challenging problem. In this work, at first, two nonlinear approaches are proposed to tackle the stability problem of constant-speed axial compressors (CSACs). The first approach is a robust passivity-based control and the second one is a second order sliding mode control. The approaches tackle the challenging problems being addressed in the literature such as: the impact of external perturbations, the lack of detailed parameters knowledge, and the absence of full-state feedback. They drive the control from pressure and mass flow measurements and use throttle and close-coupled valve actuations. Finally, this study reports that these methods can be used in the case of VSACs by applying the required modifications to simultaneously control speed and instabilities. This simultaneous control design has been an open problem and the proposed method can improve the performance of VSACs.