Estudio de los efectos de erosión en palas hidráulicas de turbinas, por medio de simulación computacional de un banco de pruebas utilizando OpenFOAM®

Abstract

Las turbinas Pelton son uno de los componentes fundamentales en la generación de energías renovables no convencionales (ERNC), que se ve afectado por distintos factores que disminuyen su rendimiento. Entre estos factores se encuentra el desgaste de sus palas hidráulicas debido a lo que se conoce como slurry erosión, en otras palabras, el impacto de partículas sólidas diluidas en un flujo de agua que choca contra estas. En este documento se hace una revisión en la literatura sobre los parámetros que influyen en este tipo de erosión de los que se destaca la velocidad y ángulo de impacto. El objetivo principal de este documento validar como herramienta el software OpenFOAM Rpara simular computacionalmente un Jet Impigement Test (JIT), y así poder estudiar cómo afectan ciertos parámetros en la erosión. Por otra parte, el JIT se puede considerar la prueba experimental más popular dentro de la bibliografía de este tipo de erosión, ya que ofrece un alto rango de velocidad y ángulo de impacto en un área reducida y su relativa facilidad para medir y visualizar resultados. Entonces, junto a esto, proponer un diseño conceptual de un banco de pruebas potencialmente pueda validar los datos de las simulaciones hechas y futuras. La metodología de las simulaciones es utilizar base el articulo CFD study of Jet Impingement Test erosión using Ansys Fluent and OpenFOAM. Alejandro López , William Nichollsa , Matthew T. Sticklanda , William M. Dempstera [1] donde se simula la salida de un flujo de una tobera hacia una placa plana de un JIT y se calculan las velocidades y ángulos de impacto promedio. Por otra parte, se aplica metodología de diseño en base a que funciones debe realizar un banco de pruebas por lo que en base a las simulaciones hechas y en la revisión bibliográfica se fue resolviendo como realizar estas funciones hasta llegar a un diseño base, junto a dos variaciones respecto a la forma en que se mezclan las partículas en el flujo transportador,en otras palabras, pre o post-mezclado (antes o después de que el fluido es presurizado). Por medio de la versión 8 de OpenFOAM se replicaron exitosamente los resultados del autor Alejandro López, aplicando el algoritmo de modelo de partícula discreta o DPM (Discrete Particle Model, que aplica el enfoque matemático Euler-Lagrange, en otras palabras, simular el agua como un flujo continuo con el método de volúmenes finitos, resolviendo ecuaciones de Navier-Stokes, mientras que por otro lado las partículas se rastrea su trayecto de forma lagrangiana. Se realizaron otras simulaciones más, para visualizar el perfil de erosión en una placa plana aplicando el modelo de erosión de Finnie. Pelton turbines are one of the fundamental components in the generation of non-conventional renewable energy (ERNC), which is affected by different factors that reduce its performance. Among these factors is the wear of its hydraulic blades due to what is known as slurry erosion, in other words, the impact of solid particles diluted in a water flow that crashes against them. On this document reviews the literatura on the parameters that influence this type of erosion, of which speed and angle of impact stand out. The main objective of this document is to validate the OpenFOAM Rsoftware as a tool to computationally simulate a Jet Impigment Test (JIT), and thus be able to study how it affects certain parameters in erosion. On the other hand, JIT can be considered the most popular experimental test within the bibliography of this type of erosion, since it offers a wide range of speed and angle of impact in a small area and its relative ease to measure and visualize results. So, along with this, propose a conceptual design of a potential test bench that can validate the data from the simulations made and future ones. The methodology of the simulations is based on the article Erosion CFD study by jet impact test using Ansys Fluent and OpenFOAM. Alejandro Lopez , William Nichollsa , Matthew T. Sticklanda , William M. Dempstera [1] where the output of a flow from a nozzle towards a flat plate of a JIT is simulated and the average speeds and angles of impact are calculated. On the other hand, a design methodology is applied based on what functions a test bench must carry out, so that based on the simulations carried out and the bibliographic review, it is resolved how to carry out these functions until reaching a base design, together with two variations of the way the particles are mixed in the transport flow, that is, pre or post mixing (before or after the fluid is pressurized). Through version 8 of OpenFOAM, the results of the author Alejandro Lopez were successfully replicated, applying the discrete particle model algorithm or DPM (Discrete Particle Model, which applies the mathematical approach Euler-Lagrange, in other words to simulate water as a continuous flow with the finite volume method, by solving Navier-Stokes equations, while on the other hand the particles are tracked in a Lagrangian way. Other simulations were performed to visualize the erosion profile on a flat plate applying the model of Finnie´s erosion.