Erosion on Pelton turbines

Abstract

Global warming is changing rainfall patterns to become more intense and shorter induration, in tropical areas, which affects river flow and sediment levels that interact with hydropower turbines. This results in erosion conditions challenges more frequently, and most of the new large-scale projects worldwide are located on rivers with high sediment loads. This doctoral thesis intends to slightly increase our understanding of the erosion in Pelton turbines and their components analyzing the influences factors, the effects on performance, and the associations with efficiency losses. This thesis evaluates a maintainability analysis and the factors affecting the lifespan of Pelton turbines, giving context for their operation and management under erosion conditions. The characteristics of sediments like composition, shape, size, and distribution are well researched and continuously improving, and the influence of velocities and geometry is also well evaluated. This work intends to establish a relationship between the eroded areas of different buckets and their erosion patterns, giving an additional perspective on the different erosion shapes observed in Pelton buckets. The shape erosion representation over hydraulic components surfaces is challenging due to the many factors involved. A simplified shape was developed that is easy to replicate and control in its dimension based on the conditions of the areas and fluid in the buckets and needles. These shapes were manufactured and evaluated to understand their impact on the quality and performance of the jet and bucket respectively, giving some idea into the flow behavior with eroded patterns. To improve the understanding of the jet over the bucket surface various materials and fluids were tested. This process ends in the manufacture of a two-layer bucket with a transparent surface on top to create shadows and improve the traceability of the jet contours. This work offers some understanding of erosion behavior in Pelton turbine operation, nevertheless, it leaves remaining questions and requires further evaluations to improve the management of Pelton turbines, extend their lifespan, and increase renewable energy production.

Sammendrag Global oppvarming endrer nedbørsmønstre, slik at de blir mer intense og kortere i varighet, spesielt i tropiske områder, noe som påvirker vannf;ring i elver og sedimentnivåer som er koblet til vannkraftverk. Dette fører til hyppigere erosjonsutfordringer, og de fleste av de nye storskala prosjektene globalt er plassert ved elver med høyt sedimentinnhold. Denne doktorgradsavhandlingen har som mål å øke vår forståelse av erosjon i Pelton-turbiner og deres komponenter ved å analysere de påvirkende faktorene, effektene på ytelse og sammenhenger med tap av virkningsgrad. Avhandlingen vurderer en vedlikeholdsanalyses og faktorene som påvirker levetiden til Pelton-turbiner, og gir kontekst for deres drift og vedlikehold under erosjonsforhold. Egenskapene til sedimenter som mineral, form, størrelse og distribusjon er godt undersøkt og kontinuerlig forbedret, og påvirkningen av hastigheter og geometri er også godt evaluert. Dette arbeidet har som mål å etablere et forhold mellom de eroderte områdene på ulike delene i Pelton løpehjul og deres erosjonsmønstre, og gir et ekstra perspektiv på de forskjellige erosjonsformene som observeres på Pelton-turbiner. Representasjonen av erosjonsformer på hydrauliske komponenters overflater er utfordrende på grunn av de mange faktorene som er involvert. En forenklet form ble utviklet som er enkel å replikere og kontrollere i dimensjonene basert på forholdene i Pelton løpehjul og dyser. Disse formene ble produsert og evaluert for å forstå deres påvirkning på kvaliteten og ytelsen til jetstrålen og skovel, henholdsvis, og gir noen indikasjoner på strømningsadferd med eroderte mønstre. For å forbedre forståelsen av jetstrålen over skovlens overflate, ble ulike materialer og væsker testet. Denne prosessen ender med produksjon av en to-lags skovel med en gjennomsiktig overflate på toppen for å skape skygger og forbedre sporbarheten av jetstrålens konturer. Dette arbeidet gir en viss forståelse av erosjonsadferd i Peltonturbinen, men etterlater fortsatt åpne spørsmål og krever ytterligere evalueringer for å forbedre vedlikehold av Pelton-turbiner, forlenge deres levetid og øke produksjonen av fornybar energi.

Resumen El calentamiento global está cambiando los patrones de lluvia, haciéndolos más intensos y de menor duración, especialmente en las zonas tropicales, lo que afecta los niveles de sedimentos en los ríos que interactúan con las turbinas hidroeléctricas. Esto genera condiciones de erosión más agresivas, además la mayoría de los nuevos proyectosa gran escala en todo el mundo estarán ubicados en ríos con altas cargas de sedimentos. Esta tesis doctoral tiene como objetivo aumentar ligeramente nuestra comprensión sobre la erosión en las turbinas Pelton y sus componentes, analizando los factores de influencia, los efectos en el rendimiento y las pérdidas de eficiencia. Esta tesis evalúa un análisis de mantenibilidad y los factores que afectan la vida útil de las turbinas Pelton, proporcionando un contexto para su operación y gestión bajo condiciones de erosión. Las características de los sedimentos, como su composición, forma, tamaño y distribución, han sido bien investigadas y continúan mejorando, al igual que la influencia de las velocidades y la geometría, que también han sido bien evaluadas. Este trabajo busca establecer una relación entre las áreas erosionadas de distintos cucharas Pelton y sus patrones de erosión, ofreciendo una perspectiva adicional sobre las diferentes formas de erosión observadas en las cucharas de las turbinas Pelton. La representación de la erosión en la superficie de los componentes hidráulicos es un desafío debido a la gran cantidad de factores involucrados. Se desarrolló una forma simplificada que es fácil de replicar y controlar en sus dimensiones, basada en las condiciones de las áreas y el flujo en las cucharas y las agujas. Éste diseño de erosión fue fabricado y evaluado para comprender su impacto en la calidad y el rendimiento del chorro y de la cuchara, proporcionando una idea del comportamiento del flujo con patrones erosionados. Para mejorar la validación del chorro sobre la superficie del cuchara Pelton, se probaron diversos materiales y fluidos. Este proceso culminó en la fabricación de una cuchara de dos capas con una superficie transparente en la parte superior para crear sombras y mejorar la trazabilidad de los contornos del chorro. Este trabajo ofrece una mayor comprensión sobre el comportamiento de la erosión en la operación de las turbinas Pelton; la afectación en su desempeño y ideas generales de monitoreo. Pero también deja preguntas abiertas y se requiere más evaluaciones para mejorar la gestión de las turbinas, extender su vida útil y aumentar la producción de energía renovable.