IEC 62364:2013
(Main)Hydraulic machines - Guide for dealing with hydro-abrasive erosion in Kaplan, Francis and Pelton turbines
Hydraulic machines - Guide for dealing with hydro-abrasive erosion in Kaplan, Francis and Pelton turbines
IEC 62364:2013 serves to present data on particle abrasion rates on several combinations of water quality, operating conditions, component materials, and component properties collected from a variety of hydro sites; develop guidelines for the methods of minimizing particle abrasion by modifications to hydraulic design for clean water. These guidelines do not include:
- details such as hydraulic profile shapes which should be determined by the hydraulic design experts for a given site;
- develop guidelines based on "experience data" concerning the relative resistance of materials faced with particle abrasion problems;
- develop guidelines concerning the maintainability of abrasion resistant materials and hard facing coatings;
- develop guidelines on a recommended approach, which owners could and should take to ensure that specifications communicate the need for particular attention to this aspect of hydraulic design at their sites without establishing criteria which cannot be satisfied because the means are beyond the control of the manufacturers
- and develop guidelines concerning operation mode of the hydro turbines in water with particle materials to increase the operation life. It is assumed that the water is not chemically aggressive. Since chemical aggressiveness is dependent upon so many possible chemical compositions, and the materials of the machine, it is beyond the scope of this Guide to address these issues. It is assumed that cavitation is not present in the turbine. Cavitation and abrasion may reinforce each other so that the resulting erosion is larger than the sum of cavitation erosion plus abrasion erosion. The quantitative relationship of the resulting abrasion is not known and it is beyond the scope of this guide to assess it, except to recommend that special efforts be made in the turbine design phase to minimize cavitation. Large solids (e.g. stones, wood, ice, metal objects, etc.) traveling with the water may impact turbine components and produce damage. This damage may in turn increase the flow turbulence thereby accelerating wear by both cavitation and abrasion. Abrasion resistant coatings can also be damaged locally by impact of large solids. It is beyond the scope of this Guide to address these issues. Key words: hydraulic, turbines, hydro-abrasive erosion
Machines hydrauliques - Guide relatif au traitement de l'érosion hydro-abrasive des turbines Kaplan, Francis et Pelton
La CEI 62364:2013 est destinée à présenter les données disponibles concernant les taux d'abrasion par particules avec diverses combinaisons de qualité de l'eau, conditions d'exploitation, matériaux et propriétés des composantes; ces données ayant été obtenues sur différents sites hydroélectriques; développer des lignes directrices applicables aux méthodes de réduction au minimum de l'abrasion par particules par des modifications de la conception hydraulique utilisée en l'absence de particules. Ces lignes directrices n'abordent pas les détails tels que
- les profils hydrauliques que les spécialistes en conception hydraulique déterminent pour un site donné;
- développer des lignes directrices établies sur le "retour d'expérience" concernant la résistance relative de matériaux confrontés aux problèmes d'abrasion par les particules;
- développer des lignes directrices concernant la maintenabilité des matériaux résistant à l'abrasion et des revêtements de surface durs;
- développer des lignes directrices relatives à la recommandation d'une méthode, que les propriétaires pourraient appliquer, et dont il convient qu'ils l'appliquent effectivement, afin de s'assurer que leurs spécifications montrent la nécessité d'accorder une attention toute particulière à la conception des formes hydrauliques propres à leur site sans imposer des critères qui ne peuvent être satisfaits dans la mesure où les moyens à mettre en oeuvre ne sont pas maitrisables par les constructeurs;
- développer des lignes directrices concernant le mode de fonctionnement des turbines hydroélectriques en présence de particules afin d'accroître la durée de vie. Ce guide fait l'hypothèse d'une eau chimiquement non agressive; étant donné que cette agressivité dépend des diverses compositions chimiques possibles, ainsi que des matériaux constitutifs de la machine, le domaine d'application de ce Guide ne traite pas de cette question. Ce guide fait également l'hypothèse de l'absence de cavitation au niveau de la turbine. En effet la cavitation et l'abrasion peuvent se renforcer mutuellement de sorte que l'érosion résultante est plus importante que la somme des deux. Comme aucune formulation quantitative de cette abrasion résultante n'est connue, ce guide n'a pas pour objet de l'évaluer, sauf pour recommander, lors de la phase de conception de la turbine, des efforts particuliers visant à minimiser la cavitation. Des solides de grand volume (comme des pierres, du bois, de la glace, des objets métalliques, etc.) véhiculés par l'eau peuvent percuter les composantes de la turbine et les endommager. Ces dommages peuvent pour leur part accroître la turbulence de l'écoulement et accélérer l'usure par cavitation et par abrasion. Les revêtements durs résistant à l'abrasion peuvent également être endommagés localement suite à l'impact de ces solides de grand volume. Ce guide ne traite pas de ces questions. Mots-clés: hydraulique, turbines, érosion hydro-abrasive
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
IEC 62364 ®
Edition 1.0 2013-06
INTERNATIONAL
STANDARD
NORME
INTERNATIONALE
colour
inside
Hydraulic machines – Guide for dealing with hydro-abrasive erosion in Kaplan,
Francis, and Pelton turbines
Machines hydrauliques – Guide relatif au traitement de l'érosion hydro-abrasive
des turbines Kaplan, Francis et Pelton
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IEC 62364 ®
Edition 1.0 2013-06
INTERNATIONAL
STANDARD
NORME
INTERNATIONALE
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Hydraulic machines – Guide for dealing with hydro-abrasive erosion in Kaplan,
Francis, and Pelton turbines
Machines hydrauliques – Guide relatif au traitement de l'érosion hydro-abrasive
des turbines Kaplan, Francis et Pelton
INTERNATIONAL
ELECTROTECHNICAL
COMMISSION
COMMISSION
ELECTROTECHNIQUE
PRICE CODE
INTERNATIONALE
CODE PRIX XC
ICS 23.100.10; 27.140 ISBN 978-2-83220-829-8
– 2 – 62364 © IEC:2013
CONTENTS
FOREWORD . 5
INTRODUCTION . 7
1 Scope . 8
2 Terms, definitions and symbols . 8
2.1 Units . 8
2.2 Terms, definitions and symbols . 9
3 Abrasion rate . 11
3.1 Theoretical model . 11
3.2 Introduction to the PL variable . 13
3.3 Survey results . 15
3.4 Reference model . 16
4 Design . 17
4.1 General . 17
4.2 Water conveyance system . 17
4.3 Valve . 18
4.3.1 General . 18
4.3.2 Selection of abrasion resistant materials and coating . 18
4.3.3 Stainless steel overlays . 19
4.3.4 Protection (closing) of the gap between housing and trunnion . 19
4.3.5 Stops located outside the valve . 19
4.3.6 Proper capacity of inlet valve operator . 19
4.3.7 Increase bypass size to allow higher guide vane leakage . 19
4.3.8 Bypass system design . 20
4.4 Turbine . 20
4.4.1 General . 20
4.4.2 Hydraulic design . 20
4.4.3 Mechanical design . 22
4.4.4 Operation . 28
4.4.5 Spares and regular inspections . 29
4.4.6 Particle sampling and monitoring . 29
5 Abrasion resistant materials . 30
5.1 Guidelines concerning relative abrasion resistance of materials including
abrasion resistant coatings . 30
5.1.1 General . 30
5.1.2 Discussion and conclusions . 31
5.2 Guidelines concerning maintainability of abrasion resistant coating materials . 32
5.2.1 Definition of terms used in this sublcause . 32
5.2.2 Time between overhaul for protective coatings . 32
5.2.3 Maintenance of protective coatings . 33
6 Guidelines on insertions into specifications . 34
6.1 General . 34
6.2 Properties of particles going through the turbine. 35
6.3 Size distribution of particles . 35
6.4 Mineral composition of particles for each of the above mentioned periods . 36
Annex A (informative) PL calculation example . 37
Annex B (informative) Measuring and recording abrasion damages . 39
62364 © IEC:2013 – 3 –
Annex C (informative) Water sampling procedure . 52
Annex D (informative) Procedures for analysis of particle concentration, size,
hardness and shape . 53
Annex E (informative) Tests of abrasion resistant materials . 56
Annex F (informative) Typical criteria to determine overhaul time due to abrasion
erosion . 67
Annex G (informative) Example to calculate the amount of erosion in the full model . 68
Annex H (informative) Examples to calculate the TBO in the reference model . 70
Bibliography . 73
Figure 1 – Estimation of the characteristic velocities in guide vanes, W , and runner,
gv
W , as a function of turbine specific speed . 13
run
Figure 2 – Example of flow pattern in a Pelton injector at different load . 14
Figure 3 – Example of protection of transition area . 19
Figure 4 – Runner blade overhang in refurbishment project . 21
Figure 5 – Example of “mouse-ear” cavitation on runner band . 22
Figure 6 – Detailed design of guide vane trunnion seals . 23
Figure 7 – Example of fixing of facing plates from the dry side . 25
Figure 8 – Head cover balancing pipes with bends . 26
Figure 9 – Step labyrinth with optimized shape for hard coating . 28
Figure 10 – Development of spiral pressure over time . 33
Figure D.1 – Typical examples of particle geometry . 55
Figure E.1 – Schematic of test rig used for test 1 . 56
Figure E.2 – ASTM test apparatus . 58
Figure E.3 – Test coupon . 59
Figure E.4 – Slurry pot test facility . 60
Figure E.5 – High velocity test rig . 61
Figure E.6 – Samples are located on the rotating disk . 62
Figure E.7 – Comparison of two samples after testing . 62
Figure E.8 – Whole test system of rotating disk . 62
Figure E.9 – Schematic of test rig used for test 8 . 64
Figure E.10 – Testing of samples on hydro abrasive stand . 65
Figure E.11
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.