Wear assessment of heavy-duty centrifugal fans: experimental and numerical analysis of particle erosion

Turbomachinery operate often in conditions where solid particles are suspended into the processed gas flow. In most cases, the presence of micro-metric particles is not desired and it is related to the conditions where the machine operates. This is the case of aero-engines, which, swallowing a huge amount of air, may ingest, as a consequence, significant quantities of solid particles. In other cases, turbomachinery are specifically employed in operations for the transport of solid particles. Such is the case of heavy-duty centrifugal fans employed in production plants, for cement or steel production, or as a part of exhaust systems in mines or energy production plants. Regardless of whether the presence of solid contaminants in the flow stream is desired or not, one of its consequences is the over-time wear of rotating and stationary parts of the machine. This issue contributes to reducing the reliability and the safety of the whole plant and leads to a decrease in the efficiency of the machine. The severity of the erosion, if maintenance operations are postponed or even ignored, can bring the machine to a premature failure, with potentially serious consequences for human safety. However, the proper scheduling of the maintenance operations can not be possible without a deep understanding of the mechanisms involved in the particle erosion phenomenon which affects rotating machines. In the present work, the attention is focused on the investigation of the wear phenomenon in heavy-duty centrifugal fans. A combined experimental and numerical analysis has been carried out to assess the erosion severity on the machine. First, a preliminary numerical analysis has been carried out to investigate the characteristics of the phenomenon. Literature models and coefficients have been employed to assess the erosion behavior of the machine. The need for more reliable coefficients, capable of predicting the erosion behavior, led to testing the particle and substrate materials, actually employed in the machine, on an on-purpose designed test bench. The results have been used in numerical simulations to properly assess the wear severity and erosion-related damages. A mechanistic semi-empirical relation is proposed to assess the time to overhaul based on the results of the present investigation. The present work has been enriched with a further experimental investigation of the erosive damage accumulation of aeronautical components carried out at the Institut fur Luftfahrtantriebe (Institute for Aircraft Propulsion Systems) of the University of Stuttgart.

Le turbomacchine elaborano spesso flussi contaminati da particelle solide. Nella maggior parte dei casi, la presenza di particelle micrometriche disperse nel fluido non è desiderata ed è correlata alle condizioni in cui la macchina opera. Questo è il caso di motori aeronautici, che, aspirando grandi quantità di aria ingeriscono significative quantità di particelle solide. In altri casi, le macchine a fluido sono progettate proprio con lo scopo di processare aria contaminata da particelle. Questo è infatti il caso di ventilatori centrifughi di grande taglia impiegati in impianti di produzione, come acciaierie e cementifici, o in sistemi di ricircolo dell'aria, come quelli presenti in miniere o impianti energetici. Indipendentemente dal fatto che la presenza di contaminanti solidi sia voluta oppure no, uno dei problemi che può scaturire in queste condizioni è l'erosione dei componenti fissi o rotanti della macchina. Questo problema concorre a ridurre l'affidabilità e la sicurezza dell'intero impianto, generando anche una riduzione di efficienza della macchina. In base alla severità del processo erosivo, la possibilità che si verifichino rotture premature e improvvise che mettano a rischio la sicurezza dell'uomo può diventare molto alta, soprattutto nei casi in cui le operazioni di manutenzione vengono ritardate o ignorate. Tuttavia, una corretta ed efficiente organizzazione delle operazioni di manutenzione non può essere fatta senza che non si abbia prima una chiara comprensione del fenomeno in gioco. In questo lavoro, l'attenzione è rivolta all'analisi dell'erosione di ventilatori di grossa taglia che processano aria contaminata da particelle solide. La severità del processo erosivo è stata studiata attraverso l'unione di tecniche di analisi numerica e sperimentale. Per prima cosa è stata effettuata un'analisi numerica in modo da comprendere le caratteristiche del fenomeno. In questa fase, sono stati utilizzati modelli e coefficienti di letteratura per studiare il processo erosivo all'interno della macchina. Successivamente, attraverso analisi sperimentali su materiali e contaminanti impiegati in condizioni operative nella macchina oggetto di studio, è stato possibile ottenere coefficienti numerici tarati appositamente sulle condizioni di interesse. In questa parte è stato utilizzato un banco prova appositamente realizzato. I risultati ottenuti dall'analisi sperimentale sono stati utilizzati per completare le analisi numeriche e stimare il danneggiamento dovuto all'erosione. Basandosi sui risultati ottenuti dall'implementazione dei coefficienti sperimentali nel modello numerico, è stato proposto un modello meccanicistico di natura semi empirica per fornire una stima dei tempi di manutenzione, in base a parametri geometrici della macchina, condizioni di impatto dei contaminanti, e resistenza all'erosione dei materiali. Il lavoro presentato in questa tesi è stato arricchito da un'ulteriore analisi sperimentale volta ad investigare l'accumulo del danneggiamento ad erosione su componenti aeronautici realizzata presso l'Institut fur Luftfahrtantriebe (Dipartimento di Sistemi per la Propulsione Aeronautica) dell'Università di Stoccarda.