水力タービンは、水の流れに浮遊する堆積物が存在することによって引き起こされる損傷を受けることがよくあります。固体がタービン部品に衝突すると、その表面から材料が除去されます。この現象は、一般に「ハイドロアブレイシブ エロージョン」(または「摩耗」) として知られています。この問題は、ヒマラヤ山脈、アンデス山脈、ヨーロッパ アルプスなど、河川が季節的または恒久的に堆積物に富む世界の地域で特に重要です。侵食のリスクが高いのは、一般的にシルトの形をした細かい粒子に関連しており、粗い固体とは異なり、経済的に実行可能な方法で除去することはできません.
水力タービンのランナー ブレードが浸食に対して非常に脆弱であることは驚くべきことではありませんが、装置の他の部分も深刻な損傷を受ける可能性があります。ペルトンタービンの場合、インジェクターは間違いなく注目に値します。インジェクターは、2 つの目的を果たします。つまり、ブレードに衝突する高速ジェットを生成し、ニードル ノズル システムを通る流量を調整することで、制御バルブとして機能します。水流とともに運ばれる粒子は高速に加速され、最終的にインジェクターの表面に衝突したときにかなりの侵食力が放出されます。
研究作業は、ミラノ工科大学の FluidLab 研究グループ内で、ペルトン タービン インジェクタのハイドロアブレーシブ摩耗の計算流体力学 (CFD) シミュレーションに関して実施されました。エンジニアが設計と管理の改善に使用できる、信頼性の高い記述モデル。
フロー制御デバイスの流体力学特性評価、および粒子を含んだ流れの数値的および物理的モデリングにおける FluidLab グループの長年の専門知識は、すべての複雑なタスクを達成するための鍵でした。より一般的には、FluidLab グループは、流体力学の分野におけるいくつかのトピックを扱います。流体力学は、産業用流体力学、グリーン エネルギー、および流体構造相互作用の 3 つの主な分野に分けることができます。粒子を含んだ流れに関連して、グループは次の実験室および計算施設を処分します:E-DIT (直接衝撃試験)。試験片に衝突する高速のスラリー ジェットによって生成される損傷は、摩耗の特性評価を提供します。与えられた試験条件下での材料の挙動;パイプライン継手および油圧機器のスラリー侵食試験用のE-LOOP。 MATLAB ライブラリのセットである E-CODE は、CFD シミュレーションの出力から開始して、流れの中の固体粒子によって生成される浸食を推定することを可能にします。
インジェクターの侵食を推定することは、流体力学と固体力学の両方に関連する側面を含む学際的な性質のため、特に困難な問題でした。一方では、インジェクター内の固体粒子がたどる軌跡を正確に決定することは、信頼性の高い浸食推定を達成するために重要であり、したがって、移動粒子と乱流液体流との間の相互作用を記述するための高度な流体力学モデルを利用する必要があります。ジェットを取り巻く空気の存在を説明します。一方、軌跡が計算された後は、研磨粒子がインジェクタの表面に衝突することによって生じる材料の損失を正確に定量化する必要がありました。これには、「侵食モデル」と呼ばれる特定のモデルを採用する必要がありました。侵食モデルは、損傷力学と破壊力学の概念に基づいているため、固体力学の世界に関連しています。ただし、現在の慣行は、E-DIT で実行されたようなテストのキャリブレーションから得られた経験的な式に変わることがよくあります。明らかに、これは CFD モデルの予測能力を大きく制限します。
数値シミュレーションを実行する際には、ソリューションの一貫性を検証すること、および不確実な性質または定量化が困難な CFD モデルのコンポーネントによって推定値がどの程度影響を受けるかを評価することに特に注意が払われました。実際、これは FluidLab グループによって実施された研究作業の際立った特徴であり、その研究者は、エンジニアリング目的で CFD アプローチを正しく使用するには、上記の分析が不可欠であると確信しています。この観点から、インジェクターの摩耗は 2 つの異なる経験的侵食モデルによって予測されましたが、どちらも対象の流れ条件に適用できる可能性がありますが、大幅に異なる予測が得られました。
この固有の不確実性を考慮し、実験データを破棄せずに、研究者は信頼できる結論を導き出すことに多大な努力を払い、最終的に、浸食摩耗に対して最も脆弱なインジェクター コンポーネント、つまりノズル シートと針。さらに、インジェクターの実際の開放が摩耗に対する脆弱性にどのように影響するかを調査し、ノズル シートとは異なり、バルブが閉じるにつれてニードルの損傷が大幅に増加する可能性が高いことを観察しました。
関連文献に照らして解釈された得られた結果の批判的分析により、この研究を発展させる可能性のある方向性を特定することができました。まず、経験的侵食モデルの使用に固有の不正確さを制限する必要があります。この目的のために、小規模で摩耗プロセスを予測するためのより信頼性の高い (しかし同時に扱いやすい) ツールが必要です。第二に、損傷のより正確な見積もりを得るために、キャビテーションと衝撃侵食の相乗効果を考慮に入れる必要があり、それによってこの効果を捉えることができるモデルが必要になります。浸食形状の動的進化を説明できる技術の利用可能性に加えて、これは、浸食の発生がインジェクターの調整性能をどのように低下させるかの調査への道を開くでしょう.
