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Nelle turbopompe per motori a razzo a propellente liquido, la cavitazione rappresenta la maggior fonte di degradazione di prestazioni e di funzionamento, ed è spesso causa di innesco di instabilità fluidodinamiche e rotodinamiche autosostenute che possono minare l’integrità della turbomacchina stessa. Auto-oscillazioni, cavitazione rotante, surge, modi di fluttuazione di cavitazione ed instabilità di rotazione indotte da cavitazione agenti su giranti ed induttori di turbopompe, hanno creato molti problemi ai progettisti di tutto il mondo nello sviluppo di sistemi ad alte prestazioni per il rifornimento di propellente nei razzi a liquido.
La cavitazione è un fenomeno che si presenta quando localmente la pressione di un liquido scende isotermicamente sotto il valore della tensione di vapore e vaporizzando, crea delle bolle. In una turbomacchina (come le turbopompe o le eliche per la propulsione navale) soggetta a cavitazione, il collasso delle bolle sulle pale crea, sul lungo periodo, usura e degrado dei materiali e, se la zona di cavitazione tende ad estendersi, si manifesta un repentino degrado delle prestazioni della macchina stessa: è questo il caso delle turbopompe per applicazioni spaziali, che operano ad alte densità di potenza, per fornire le prestazioni necessarie ad un lanciatore, come l’Ariane 5 dell’ESA o lo Space Shuttle della NASA (Capitoli 1 e 2).
La campagna sperimentale condotta nel laboratorio di cavitazione di Sitael s.p.a., denominata “Scaling of Thermal Cavitation Effects on Cavitation-Induced Instabilities” è stata realizzata con il circuito di prova definito CPRTF (Cavitating Pump Rotordynamic Test Facility). L’impianto è stato progettato per effettuare sperimentazioni ad ampio spettro in condizioni di similitudine geometrica, fluidodinamica e di cavitazione termica, per supportare la progettazione e lo sviluppo di tecnologia di turbopompe per propulsione a razzo. Il circuito di prova utilizza acqua come fluido di lavoro, più economica e sicura dei propellenti reali ed operando in condizioni di similitudine fluidodinamica e di cavitazione termica, offre la possibilità di riportare i risultati ai propellenti e turbopompe reali, vale a dire operanti in effettive condizioni di utilizzo in applicazioni spaziali, mediante opportuna scalatura. La similitudine fluidodinamica richiede che il prototipo in scala 1:1 ed il modello di prova abbiano la stessa forma, coefficiente di flusso e numero di cavitazione (scalatura euleriana della cavitazione) e numeri di Reynolds uguali o sufficientemente elevati (scalatura viscosa e turbolenta) (Capitoli 2 e 4).
I risultati proposti nella presente Tesi sono stati estrapolati da una massiccia campagna sperimentale condotta su due induttori rastremati, denominati DAPAMITO3 e DAPAMITO4 (rispettivamente a tre e quattro pale) progettati dal Professor Luca d’Agostino e dai suoi collaboratori, mediante un modello di ordine ridotto. Gli induttori sono, in generale, delle pompe assiali che poste a monte delle giranti, le proteggono dalla cavitazione, sia perché forniscono un salto di pressione al flusso, in modo da non farlo cavitare nella girante stessa, sia come elemento sacrificale, subendo un’eventuale cavitazione, formatasi a causa della bassa pressione a cui vengono tenuti i serbatoi di propellente (pressioni più basse comportano strutture più leggere: in ambito aerospaziale è il primo parametro da controllare). Tale modello si basa sul determinare il campo di flusso 3D nei canali di pala, valutato come la sovrapposizione di un flusso assialsimmetrico completamente guidato con velocità assiale radialmente uniforme e di una correzione della velocità di scorrimento 2D della sezione trasversale: con un codice Matlab® è stato estrapolato il profilo dell’induttore a mozzo rastremato DAPAMITO (Capitolo 3). Gli induttori, realizzati nei due esemplari a tre e quattro pale, sono stati testati nell’impianto di prova CPRTF, con l’obiettivo di confrontare i risultati sperimentali con quelli ottenuti dal modello per via analitica. Calcolando la velocità specifica (parametro che ne definisce la classe di appartenenza, Capitoli 2 e 5) degli induttori, si è constatato che DAPAMITO è una pompa a flusso misto, ossia con pompaggio assiale ed in parte radiale. E’ importante precisare un punto fondamentale, che sta alla base di tutto il lavoro svolto: la cavitazione è un fenomeno dannoso per le turbopompe per applicazioni spaziali, ma dovendo tali dispositivi operare ad alte densità di potenza (velocità di rotazione sempre più elevata a fronte di peso ed ingombro sempre più piccoli), purtroppo non è sempre possibile evitarla. Quindi, l’obiettivo è di capire quando tale fenomeno si innesca ed in che condizioni si presenta, in modo da poterla almeno controllare e far operare le macchine in regime parzialmente cavitante.
Il primo passo è stato caratterizzare le prestazioni degli induttori DAPAMITO3 e DAPAMITO4 in regime cavitante e non cavitante a quattro diverse temperature del flusso (ambiente, 50 °C, 65 °C e 75 °C) e per cinque differenti coefficienti di flusso: 105%, 100%, 95%, 90% e 75% del coefficiente di flusso di progetto per DAPAMITO3, e 84%, 80%, 76%, 71% e 63% del coefficiente di flusso di progetto per DAPAMITO4. Per DAPAMITO3 sono stati effettuati gli stessi test per due diversi valori di gioco radiale fra l’estremità di pala e il suo alloggiamento di Plexiglas (clearance di 2 mm e di 0.8 mm). L’induttore DAPAMITO4 è stato testato sempre con lo stesso gioco radiale, 0.8 mm. Per le prestazioni cavitanti di aspirazione sono state adottate due metodologie di test, definite come: test in condizioni “stazionarie” (con pressione di ingresso costante) e test in condizioni “non stazionarie” o continue (diminuendo continuamente la pressione di ingresso dal valore ambiente al minimo raggiungibile).
A seguire, sono state valutate le prestazioni di pompaggio dell’induttore DAPAMITO4 tenendo conto che, a bassi coefficienti di flusso, il retroflusso (backflow) forma una regione anulare a monte della sezione di ingresso che, con la sua velocità di rotazione (swirl), stratifica la pressione radialmente, alterando la misura del trasduttore di pressione all’ingresso. E’ stata trovata una soluzione, rieffettuando i test spostando il trasduttore di pressione sei diametri di condotto più a monte della sezione di ingresso a fronte di un solo diametro nella posizione iniziale (Capitolo 5).
Sono stati valutati gli effetti di cavitazione termica sugli induttori DAPAMITO3 e DAPAMITO4, vale a dire l’influenza della temperatura e, più in generale, gli effetti delle proprietà del fluido sulla dinamica del flusso cavitante dentro gli induttori. E’ stato studiato l’effetto del diverso coefficiente di espansione termica dell’induttore e del casing in Plexiglas, che ha portato ad ottenere diversi valori della prevalenza per lo stesso coefficiente di flusso, per diverse temperature dell’acqua. E’ stata dedicata un’ampia parte allo studio degli effetti termici, degli effetti della prerotazione del flusso e dell’espansione termica differenziale (Parte finale Capitolo 5 e Capitolo 6).
Il Capitolo 8 è dedicato alla caratterizzazione delle instabilità di flusso indotte da cavitazione sull’induttore DAPAMITO3 con clearance di 0.8 mm, in termini di: intensità,
frequenza, numero di lobi e velocità rotazionale (nel caso di cavitazione rotante). Sono stati utilizzati gli stessi coefficienti di flusso investigati durante i test “non stazionari”, utilizzando otto trasduttori di pressione, montati ad incasso e posizionati su tre differenti posizioni assiali. Quindi, l’intensità, la frequenza e la distribuzione spaziale di una specifica forma di instabilità del flusso sono state ottenute dalle trasformate di Fourier dei segnali di pressione rilevati dai trasduttori, ottenendo i tipici “diagrammi a cascata” dello spettro di pressione (waterfall plots). Le instabilità più significative manifestatesi sono il surge (di natura assiale, si è presentata in tutti i test), la cavitazione rotante sincrona (SRC), due tipi di oscillazioni assiali (AO), le oscillazioni di backflow (BO), due tipi di instabilità di vortice di backflow (VBI), classificate ed analizzate nel Capitolo 8.
Sono state raccolte molte immagini e realizzati molti video, che hanno supportato visivamente i risultati ottenuti sull’evoluzione della cavitazione nelle pale dell’induttore.
Il Capitolo 9 riassume i risultati principali ottenuti in questa ampia campagna sperimentale e presenta la successiva fase di test, volta a determinare le forze rotodinamiche agenti sull’induttore DAPAMITO4. E’ stata presentata la modifica effettuata al circuito per realizzare questo genere di prove ed una premessa alle instabilità rotodinamiche.