Centrifugal compressor modelling with a particle filter application for optimal estimation in turbochargers

In the last decades turbochargers have seen a huge spreading and technological innovation in several fields and applications, most of all in Diesel combustion engine supercharging. It is important for the correct operation of turbochargers that the centrifugal compressor and turbine, the two turbomachines by which it is constituted, work at high efficiency condition, i.e. far enough from regions with high losses or even unstable. For this reasons is clear the necessity for turbochargers monitoring, in order to establish at each time the working point of both the turbomachines. Sometimes some measures necessary for a correct monitoring may be not available for several reasons, such as points difficult to reach or subject to high mechanical and thermal stresses, from which arises the need to derive an estimation procedure to counteract this lack. This thesis, developed in collaboration with ABB S.p.a (Sesto San Giovanni), consists of two main parts. The first part presents the theory and the philosophy for centrifugal compressors modelling, in which the turbomachine is thought as constituted by a series of ducts where the fundamental laws of termodynamics and fluid mechanics can be applied to infer the flow conditions. The model is applied, validated and utilized to analyse some kind of losses occurring in the compressor. Next an alternative model, useful when geometrical data are not available, is built interpolating some points extracted from an experimental map provided by ABB. In the second part, the theory of non-linear Bayesian Particle Filter is presented. Next a statistical analysis of the available experimental data is made. The particle filter is then employed together with the compressor model to optimally estimate non-measured flow rates, pressures and temperatures in the turbocharger. Lastly a simplified model for the axial turbine is introduced and a possible filtering procedure is outlined.

Negli ultimi decenni i turbocharger hanno trovato ampia diffusione e innovazione tecnologica in diversi tipi di applicazioni e settori, tra i quali ricopre un ruolo di primaria importanza quello della sovralimentazione di motori Diesel. E' importante per il corretto funzionamento di un turbocharger che il compressore centrifugo e la turbina, le due turbomacchine che lo costituiscono, lavorino in condizioni di alta efficienza, cioè lontano da punti di lavoro con perdite elevate o addirittura instabili. Per questa ragione risulta chiara l'utilità di disporre di un sistema di monitoraggio al fine di stabilire in ogni istante di tempo il punto di lavoro di entrambe le turbomacchine. In certe situazioni alcune misure utili per il monitoraggio possono essere non disponibili per varie ragioni, come punti difficilmente raggiungibili all'interno della macchina o soggetti a forti sollecitazioni meccaniche e termiche, motivo da cui nasce la necessità di impostare una procedura di stima atta a compensare questa mancanza. Il presente lavoro di tesi, sviluppato in collaborazione con ABB S.p.a (Sesto San Giovanni), si compone di due parti principali. Nella prima parte viene presentata la teoria e la filosofia per la modellistica fisica di un compressore centrifugo, nella quale la macchina è pensata come costituita da diversi stadi in cui possono essere applicate le leggi della termodinamica e della fluidomeccanica al fine di ricavare l'andamento delle variabili che descrivono il flusso del fluido al suo interno. Il modello è quindi validato ed utilizzato per l'analisi di alcuni tipi di perdite caratteristiche dei compressori. Successivamente viene ricavato un modello alternativo a partire dalla mappa caratteristica del compressore, utile ogniqualvolta i parametri geometrici del compressore fossero sconosciuti. Nella seconda parte viene invece presentata la teoria del Particle Filtering, tecnica di filtraggio appartenente alla classe dei filtri bayesiani non lineari. Tale metodo di filtraggio è quindi applicato, insieme al modello del compressore, per ricavare delle stime ottime della portata volumetrica, pressioni e temperature non misurate nel turbocharger del caso in esame. Infine viene presentato un modello semplificato per la turbina assiale ed una possibile procedura di stima con il Particle Filter.