Assessment of modelling frameworks for the simulation of hydro-abrasive wear in Pelton buckets

Hydropower assumes an important role in global electricity production, serving as the leading renewable energy source due to its consistent availability, unlike wind and solar energy. However, a major challenge to broader hydropower adoption is the erosive wear on hydraulic turbines operating in sediment-laden water, which results in efficiency loss, costly repairs, and increased cavitation risk. This thesis specifically addresses hydro-abrasive wear in Pelton turbine buckets, a significant issue given that many hydroelectric plants are located in sediment-rich regions. Accurate estimation of turbine lifespan in such environments is crucial for optimizing design and maintenance strategies. However, real-world experiments on wear are impractical due to scale, duration, and cost reasons, while scaled-down tests struggle to replicate actual conditions. Among the available methods, Computational Fluid Dynamics (CFD) emerges as a highly effective tool for tackling the engineering challenges of hydro-abrasive wear in Pelton turbines. This necessitates a careful analysis of CFD frameworks to balance accuracy with feasibility, establishing best practices for modeling. To achieve this, the study compares the CFD solution for three progressively complex, hence closer to reality, set ups: a single stationary bucket, a single rotating bucket, and three rotating buckets exposed to a sediment-laden water jet. A partial validation using a literature benchmark supported the initial set up, while a qualitative assessment in light of the physical process supported the others. The findings indicate that if the goal is to achieve some information about the wear map and the identification of the erosion hotspots, simulating a single rotating bucket is equivalent to simulating three rotating buckets. A stationary simulation with fix jet appears less useful, as it does not seem capable to reproduce the erosion behavior, including the wear pattern, of the real process.

L'energia idroelettrica svolge un ruolo importante nella produzione globale di elettricità, fungendo da principale fonte di energia rinnovabile grazie alla sua costante disponibilità, a differenza dell'energia eolica e solare. Tuttavia, una sfida importante per un'adozione più ampia dell'energia idroelettrica è l'usura erosiva delle turbine idrauliche che operano in acque ricche di sedimenti, che si traduce in perdita di efficienza, riparazioni costose e aumento del rischio di cavitazione. Questa tesi affronta specificamente l'usura idroabrasiva nelle pale delle turbine Pelton, un problema significativo dato che molte centrali idroelettriche si trovano in regioni ricche di sedimenti. Una stima accurata della durata della turbina in tali ambienti è fondamentale per ottimizzare le strategie di progettazione e manutenzione. Tuttavia, gli esperimenti nel mondo reale sull'usura sono poco pratici per motivi di scala, durata e costi, mentre i test in scala ridotta faticano a replicare le condizioni effettive. Tra i metodi disponibili, la fluidodinamica computazionale (CFD) emerge come uno strumento altamente efficace per affrontare le sfide ingegneristiche dell'usura idroabrasiva nelle turbine Pelton. Ciò richiede un'analisi attenta dei framework CFD per bilanciare accuratezza e fattibilità, stabilendo le prassi migliori per la modellazione. A tal fine, lo studio confronta la soluzione CFD per tre configurazioni progressivamente complesse, quindi più vicine alla realtà: una singola pala stazionaria, una singola pala rotante e tre pale rotanti esposte a un getto d'acqua carico di sedimenti. Una convalida parziale utilizzando un benchmark della letteratura ha supportato il caso di studio iniziale, mentre una valutazione qualitativa alla luce del processo fisico ha supportato gli altri casi. I risultati indicano che se l'obiettivo è ottenere alcune informazioni sulla mappa di usura e l'identificazione degli hotspot di erosione, simulare una singola pala rotante equivale a simulare tre pale rotanti. Una simulazione stazionaria con getto fisso sembra meno utile, poiché non sembra in grado di riprodurre il comportamento di erosione, incluso il modello di usura, del processo reale.