Preliminary developement of a modelling framework for the prediction of hydro-abrasive wear in Pelton turbines

This thesis focuses on the hydro-abrasive wear of Pelton turbines working with sediment-laden water, which represents a significant issue in hydro-power plants. As a result of erosion, machinery could break down, and repair would be extremely expensive. Being able to estimate the useful lifetime of hydro-turbines operating in a sediment-laden environment could improve machine design and maintenance strategies. Since conducting experiments on real-scale devices is unfeasible, and open field data are scarce and often incomplete, the computer simulation, possibly complemented by a validation with respect to experiments on scaled prototypes, appears a valuable approach for the characterization of wear in hydro-turbines. However, the development of a suitable CFD framework which could become a tool at disposal of engineers is a very challenging task. The present thesis aims at providing a first contribution towards this goal. The key features which make the modelling of hydro-abrasive wear of Pelton turbines particularly complex are identified and discussed. Then, the development of the CFD framework has started following a step-by-step approach in which the elements of complexity are introduced one at a time. In this context, two test cases have been addressed, related with the modelling of a sediment-laden water jet over a cross section of a Pelton blade, and the evaluation of the hydro-abrasive wear of the actual blade geometry. The results have been discussed in the light of the relevant physical processes and, as far as possible, compared with other numerical solutions reported in the literature.

Questa tesi si concentra sull'usura idro-abrasiva delle turbine Pelton che lavorano con acqua carica di sedimenti, che rappresenta un problema significativo nelle centrali idroelettriche. A causa dell'erosione, i macchinari potrebbero rompersi e la loro riparazione sarebbe estremamente costosa. Riuscire a stimare la vita utile delle turbine idroelettriche, in quanto operano in un ambiente carico di sedimenti, potrebbe migliorare la progettazione delle macchine e le strategie di manutenzione. Poiché la conduzione di esperimenti su dispositivi in scala reale non è fattibile e i dati in campo aperto sono scarsi e spesso incompleti, la simulazione al computer, eventualmente integrata da una convalida rispetto a esperimenti su prototipi in scala, appare un approccio valido per la caratterizzazione dell'usura nelle idroturbine. Tuttavia, lo sviluppo di un'adeguata struttura CFD che possa diventare uno strumento a disposizione degli ingegneri è un compito molto impegnativo. La presente tesi intende fornire un primo contributo in tal senso. Vengono identificate e discusse le caratteristiche principali che rendono particolarmente complessa la modellazione dell'usura idro-abrasiva delle turbine Pelton. Quindi, lo sviluppo del framework CFD è iniziato seguendo un approccio graduale in cui gli elementi di complessità vengono introdotti uno alla volta. In questo contesto, sono stati affrontati due casi test, relativi alla modellazione di un getto d'acqua carico di sedimenti su una sezione trasversale di una pala Pelton e alla valutazione dell'usura idro-abrasiva dell'attuale geometria della pala. I risultati sono stati discussi alla luce dei processi fisici rilevanti e, per quanto possibile, confrontati con altre soluzioni numeriche riportate in letteratura.