Theoretical and Experimental Analysis of Pumps as Turbines

This PhD thesis is focused on theoretical and experimental analysis of Pumps as Turbines (PaTs). The PhD research project has been carried out in partnership with Nuovo Pignone Bari, a leader company in pump manufacturing, which founded this PhD scholarship. A PaT is a conventional pump used in reverse mode in order to recover energy, wasted otherwise, from flows subjected to considerable pressure drops. Due to the complexity of developing customized turbines, using pumps in reverse mode may represent a practical solution, in consideration of the wide range of specific speed numbers and available standard sizes of pumps. However, this technology is considered a cost-effective alternative to traditional turbines as long as their turbine mode performance can be predicted. Unfortunately, pump manufacturers do not usually offer performance curves of their pumps in reverse mode, since this requires testing of the machines also in turbine mode operation, hence increasing significantly their cost. Because of this lack of experimental data, a big number of studies can be found about the prediction of PaT performance but mainly focused on the turbine BEP (Best Efficiency Point). These prediction models are extremely simple but seldom consider off-design points. Furthermore, these models show a low applicability, showing prediction errors within ±20%, being usually based on experimental correlations from a limited number of samples. On the other side, pump manufacturers need of a tool that could support them to predict the turbine mode performance of their pumps by knowing pump characteristics, in order to be competitive on the market. In this landscape, the present work aims at developing two different prediction models: (i) an experimental model for the prediction of the BEP of PaTs, as a selection tool for users, which has showed a better accuracy (BEP prediction errors within ±10%) than the models found in literature in the turbine BEP prediction; (ii) and a new 1-D model for the prediction of the entire characteristic, as a design tool for manufactures, based on detailed geometrical information, hydraulic losses and the slip phenomenon at the outlet section of the runner. The model has been validated on three machines by Nuovo Pignone, showing a better accuracy in the prediction of their characteristics within ±4% than other models in literature and the pre-existing model developed by Nuovo Pignone. Moreover, a closed-loop test rig for experimental studies on hydraulic pumps and turbines has been set up. A KSB single-stage centrifugal pump has been tested in both direct and reverse modes. Experimental characteristic curves have been used to develop the experimental model for turbine BEP prediction, and to carry out a preliminary assessment of the installation of the same PaT in a real water distribution network in order to supply an electrical charging station. Finally, a theoretical approach has been proposed in order to predict the PaT performance with a two-phase flow, whose expansion characteristics are known.

La seguente tesi di dottorato è incentrata sull’analisi teorica e sperimentale delle pompe utilizzate come turbine (comunemente chiamate in inglese Pumps as Turbines – PaTs). Il tema di ricerca è stato condotto in collaborazione con Nuovo Pignone Bari, che ha finanziato il progetto di ricerca stesso. Una PaT non è altro che una pompa convenzionale utilizzata come turbina al fine di recuperare energia (altrimenti persa) da flussi soggetti a considerevoli salti di pressione. Le PaT rappresentano una pratica alternativa alle turbine idrauliche progettate ad hoc sia per la complessità di quest’ultime, sia per l’ampia disponibilità di taglie standard e numeri di giri specifici delle pompe in commercio. Ovviamente, questa tecnologia risulta un’alternativa valida dal punto di vista tecnico – economico nel momento in cui si riesca a prevedere le performance in modalità inversa. Sfortunatamente i produttori di pompe non forniscono le caratteristiche delle loro macchine in modalità inversa, altrimenti il loro costo aumenterebbe significativamente. A causa di una evidente mancanza di dati sperimentali, numerosi studi sono stati condotti per realizzare modelli predittivi delle performance delle PaT. La maggior parte di questi modelli si focalizzano sulla previsione del BEP (Best Efficiency Point) e sono sviluppati per gli utenti che possono utilizzare semplici informazioni dai cataloghi commerciali (portata, prevalenza e rendimento di pompa al BEP). Per questo motivo, questi modelli sono abbastanza semplici e raramente considerano le condizioni di off-design. In aggiunta, essi mostrano una limitata applicabilità, mostrando errori di predizione del ± 20% ed essendo basati su correlazioni sperimentali su limitati campioni di macchine. Inoltre, i produttori per aumentare la loro competitività, necessitano di un tool che possa supportarli nella predizione del funzionamento turbina, partendo dalle caratteristiche delle loro pompe. Difatti i produttori posseggono dettagliate informazioni geometriche delle loro macchine, che possono risultare utili nello sviluppo di modelli più accurati. In questo scenario, il presente lavoro si pone l’obiettivo di sviluppare due modelli di predizione: (i) un modello sperimentale per la predizione del BEP della PaT, pensato come un tool di selezione per gli utenti; e (ii) un modello 1-D per la predizione dell’intera caratteristica della macchina. Il primo modello è stato proposto per gli utenti che vorrebbero selezione la miglior PaT per la loro specifica applicazione. Il modello è basato su un numero di campioni più alto rispetto ai casi presenti in letteratura al fine di ottenere una generale applicabilità nella predizione del BEP da turbina, riducendo l’errore di predizione del BEP al ± 10% rispetto ai modelli presenti in letteratura (± 20%). Il secondo modello è stato realizzato in collaborazione con Nuovo Pignone al fine di predire l’intera caratteristica della PaT. Esso è basato su dettagliate informazioni geometriche, perdite idrauliche e sul fenomeno dello scorrimento in uscita girante. Infine, il modello è stato validato su tre macchine di Nuovo Pignone, mostrando una maggiore accuratezza nella predizione dell’intera curva (± 4%) rispetto ad altri modelli in letteratura e al modello precedentemente sviluppato dall’azienda stessa. Durante il progetto di ricerca, è stato realizzato il set-up del banco prova sperimentale per pompe e turbine idrauliche presso il Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management (DMMM) del Politecnico di Bari. Una pompa centrifuga è stata testata nel duplice funzionamento, al fine di utilizzare le caratteristiche sperimentali per sviluppare il modello sperimentale per la predizione del BEP e condurre un’analisi preliminare per l’installazione della stessa PaT in una rete idrica reale, presso Casamassima (Bari). Nella parte finale della tesi sono state analizzate le PaT multistadio operanti con fluidi bifase. In questo contesto, si è voluto sviluppare un metodo di validità generale che possa fornire le performance di una PaT operante con flusso bifase, partendo dalle caratteristiche con fluido monofase.