Υδρο-αποξειδωτική διάβρωση των εγχυτήρων στροβίλου Pelton
Οι υδροστρόβιλοι συχνά υφίστανται ζημιά που προκαλείται από την παρουσία αιωρούμενων ιζημάτων στη ροή του νερού. Τα στερεά χτυπούν τα εξαρτήματα του στροβίλου προκαλώντας απομάκρυνση υλικού από τις επιφάνειές τους, ένα φαινόμενο που είναι γενικά γνωστό ως «υδροξεβαστική διάβρωση» (ή «φθορά»). Το ζήτημα είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε περιοχές του κόσμου όπου τα ποτάμια είναι εποχιακά ή μόνιμα πλούσια σε ιζήματα, όπως τα Ιμαλάια, οι Άνδεις και οι Ευρωπαϊκές Άλπεις. Ο υψηλότερος κίνδυνος διάβρωσης σχετίζεται με λεπτά σωματίδια, συνήθως με τη μορφή λάσπης, τα οποία, σε αντίθεση με τα χονδροειδή στερεά, δεν μπορούν να αφαιρεθούν με οικονομικά βιώσιμο τρόπο.
Δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι τα πτερύγια δρομέων των υδροστροβίλων είναι πολύ ευάλωτα στη διάβρωση, αλλά και άλλα μέρη της συσκευής μπορεί επίσης να υποστούν σοβαρή ζημιά. Στην περίπτωση των στροβίλων Pelton, το μπεκ είναι σίγουρα άξιο προσοχής. Ένας εγχυτήρας εξυπηρετεί έναν διπλό σκοπό, δηλαδή τη δημιουργία του πίδακα υψηλής ταχύτητας που χτυπά τις λεπίδες και τη ρύθμιση του ρυθμού ροής μέσω ενός συστήματος ακροφυσίου βελόνας, ενεργώντας έτσι ως βαλβίδα ελέγχου. Τα σωματίδια που μεταφέρονται μαζί με τη ροή του νερού επιταχύνονται σε υψηλή ταχύτητα, με αποτέλεσμα μια σημαντική διαβρωτική ισχύ που τελικά απελευθερώνεται όταν προσκρούουν στις επιφάνειες του εγχυτήρα.
Η ερευνητική εργασία διεξήχθη στο πλαίσιο της ερευνητικής ομάδας FluidLab στο Politecnico di Milano σχετικά με την προσομοίωση Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD) της υδροξεστικής φθοράς ενός εγχυτήρα στροβίλου Pelton, με στόχους τόσο την απόκτηση περαιτέρω γνώσης της φυσικής διαδικασίας όσο και την κατασκευή ενός αξιόπιστο περιγραφικό μοντέλο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από μηχανικούς για τη βελτίωση του σχεδιασμού και της διαχείρισης.
Η μακροχρόνια τεχνογνωσία της ομάδας FluidLab στον ρευστοδυναμικό χαρακτηρισμό συσκευών ελέγχου ροής, καθώς και στην αριθμητική και φυσική μοντελοποίηση ροών φορτωμένων με σωματίδια, ήταν το κλειδί για την ολοκλήρωση της εργασίας σε όλη της την πολυπλοκότητα. Γενικότερα, η ομάδα FluidLab ασχολείται με διάφορα θέματα στον τομέα της μηχανικής των ρευστών, τα οποία μπορούν να χωριστούν σε τρεις κύριους τομείς, συγκεκριμένα, βιομηχανική ρευστομηχανική, πράσινη ενέργεια και αλληλεπίδραση ρευστών-δομών. Σε σχέση με ροές φορτωμένων με σωματίδια, η ομάδα διαθέτει τις ακόλουθες εργαστηριακές και υπολογιστικές εγκαταστάσεις:το E-DIT (Direct Impact Test), στο οποίο η ζημιά που προκαλείται από ένα πίδακα πολτού υψηλής ταχύτητας που προσκρούει σε ένα δείγμα παρέχει χαρακτηρισμό της φθοράς συμπεριφορά των υλικών υπό δεδομένες συνθήκες δοκιμής· το E-LOOP, για δοκιμές διάβρωσης πολτού εξαρτημάτων σωληνώσεων και υδραυλικού εξοπλισμού. το E-CODE, ένα σύνολο βιβλιοθηκών MATLAB που, ξεκινώντας από την έξοδο μιας προσομοίωσης CFD, επιτρέπουν την εκτίμηση της διάβρωσης που προκαλείται από στερεά σωματίδια στη ροή.
Η εκτίμηση της διάβρωσης του εγχυτήρα ήταν ένα ιδιαίτερα δύσκολο πρόβλημα λόγω της πολυεπιστημονικής φύσης του, που αφορούσε πτυχές που σχετίζονται τόσο με τη μηχανική των ρευστών όσο και των στερεών. Από τη μια πλευρά, ο ακριβής προσδιορισμός των τροχιών που ακολουθούνται από τα στερεά σωματίδια μέσα στον εγχυτήρα ήταν ζωτικής σημασίας για την επίτευξη αξιόπιστων εκτιμήσεων διάβρωσης, απαιτώντας έτσι τη χρήση προηγμένων μοντέλων δυναμικής ρευστών για την περιγραφή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των διακινούμενων σωματιδίων και της τυρβώδους ροής υγρού. λαμβάνοντας υπόψη την παρουσία του αέρα που περιβάλλει τον πίδακα. Από την άλλη πλευρά, όταν οι τροχιές έχουν υπολογιστεί, η απώλεια υλικού που παράγεται από τα λειαντικά σωματίδια που συγκρούονται με τις επιφάνειες του εγχυτήρα έπρεπε να ποσοτικοποιηθεί με ακρίβεια. Αυτό απαιτούσε τη χρήση συγκεκριμένων μοντέλων που ονομάζονται «μοντέλα διάβρωσης». Τα μοντέλα διάβρωσης βασίζονται στις έννοιες της μηχανικής βλάβης και θραύσης, ως εκ τούτου σχετίζονται με τον κόσμο της μηχανικής των στερεών. Ωστόσο, η τρέχουσα πρακτική συχνά στρέφεται σε εμπειρικούς τύπους που λαμβάνονται από βαθμονομήσεις δοκιμών όπως αυτές που πραγματοποιούνται στο E-DIT. Σαφώς, αυτό περιορίζει έντονα την ικανότητα πρόβλεψης των μοντέλων CFD.
Κατά την εκτέλεση των αριθμητικών προσομοιώσεων, δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή στην επαλήθευση της συνέπειας της λύσης, καθώς και στην εκτίμηση του βαθμού σε ποιο βαθμό οι εκτιμήσεις επηρεάστηκαν από τα στοιχεία του μοντέλου CFD αβέβαιης φύσης ή δύσκολο να ποσοτικοποιηθούν. Πράγματι, αυτό είναι ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα της ερευνητικής εργασίας που πραγματοποιήθηκε από την ομάδα FluidLab, οι ερευνητές της οποίας είναι πεπεισμένοι ότι οι αναλύσεις που περιγράφονται παραπάνω είναι απαραίτητες για τη σωστή χρήση της προσέγγισης CFD για μηχανικούς σκοπούς. Σε αυτή την προοπτική, η φθορά του εγχυτήρα προβλέφθηκε από δύο διαφορετικά εμπειρικά μοντέλα διάβρωσης, τα οποία απέδωσαν σημαντικά διαφορετικές προβλέψεις, αν και και τα δύο ήταν δυνητικά εφαρμόσιμα στις συνθήκες ροής που μας ενδιαφέρουν.
Δεδομένης αυτής της εγγενούς αβεβαιότητας και της μη διάθεσης των πειραματικών δεδομένων, οι ερευνητές κατέβαλαν μεγάλη προσπάθεια για την εξαγωγή αξιόπιστων συμπερασμάτων και, τελικά, κατάφεραν να εντοπίσουν τα εξαρτήματα του εγχυτήρα που ήταν πιο ευάλωτα στη διαβρωτική φθορά, δηλαδή το κάθισμα του ακροφυσίου και το βελόνα. Επιπλέον, διερεύνησαν πώς το πραγματικό άνοιγμα του μπεκ επηρέασε την ευαισθησία του στη φθορά, παρατηρώντας ότι η ζημιά στη βελόνα, σε αντίθεση με αυτή στην έδρα του ακροφυσίου, ήταν πιθανό να αυξηθεί πολύ σημαντικά καθώς έκλεινε η βαλβίδα.
Η κριτική ανάλυση των ληφθέντων αποτελεσμάτων, ερμηνευμένη υπό το φως της σχετικής βιβλιογραφίας, επέτρεψε τον εντοπισμό πιθανών κατευθύνσεων για την ανάπτυξη αυτής της έρευνας. Πρώτον, ο περιορισμός της εγγενούς ανακρίβειας στη χρήση εμπειρικών μοντέλων διάβρωσης θα πρέπει να περιοριστεί και, για το σκοπό αυτό, χρειάζονται πιο αξιόπιστα (αλλά, ταυτόχρονα, εύκολα στη χρήση) εργαλεία για την πρόβλεψη της διαδικασίας φθοράς σε μικρή κλίμακα. Δεύτερον, για να επιτευχθεί μια πιο ακριβής εκτίμηση της ζημιάς, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η συνέργεια της διάβρωσης της σπηλαίωσης και της πρόσκρουσης, απαιτώντας έτσι ένα μοντέλο ικανό να αποτυπώσει αυτό το αποτέλεσμα. Εκτός από τη διαθεσιμότητα μιας τεχνικής ικανής να υπολογίσει τη δυναμική εξέλιξη της διαβρωτικής γεωμετρίας, αυτό θα ανοίξει τον δρόμο για τη διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο η εμφάνιση διάβρωσης επιδεινώνει την απόδοση ρύθμισης του εγχυτήρα.
