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Nel campo dei sistemi propulsivi spaziali, lo studio delle turbopompe a liquido rappresenta uno dei campi di maggior interesse. Utilizzate nella totalità dei lanciatori spaziali, le turbopompe permettono di ridurre la pressione di immagazzinamento dei propellenti nei serbatoi e garantiscono un’elevata pressione in camera di combustione. La presenza di questi organi permette, quindi, una riduzione sostanziale dei pesi e un aumento della spinta generata.
In quest’ottica, ogni piccolo guadagno in termini di efficienza per questo tipo di turbomacchine ha un notevole impatto economico.
Una buona comprensione del comportamento del flusso all’interno delle turbopompe è estremamente complessa. Per questo la progettazione di tali componenti è effettuata attraverso particolari schemi di tipo iterativo la cui risoluzione richiede una cura particolare e tempi di calcolo considerevoli.
La presente tesi consiste nello sviluppo modello teorico 3D in grado di predire rapidamente geometria e prestazioni di turbopompe in modo tale da fornire utili indicazioni per la progettazione preliminare della macchina.
Dopo una piccola introduzione sulle turbomacchine, nel capitolo 2 si descrivono le principali caratteristiche geometriche e operative delle turbopompe, ponendo particolare attenzione ai singoli elementi che ne compongono la struttura principale: la girante, il diffusore e la voluta.
Nel capitolo 3 si espone dettagliatamente il modello in condizioni ideali: privo dei fenomeni di perdita caratteristici di questo tipo di macchina. Sotto le ipotesi di flusso incomprimibile, non viscoso, sono illustrate e descritte le equazioni che permettono di disegnare gli elementi principali della turbopompa e di caratterizzarne il flusso all’interno.
Il capitolo 4 si concentra sull’analisi dei fenomeni di perdita trascurati nel capitolo precedente per ciascuno dei componenti della macchina. Si pone particolare attenzione su una possibile formulazione e risoluzione delle equazioni che governano gli strati limite all’interno della girante e sulle perdite connesse con il loro sviluppo. Le altre perdite analizzate riguardano essenzialmente la variazione della direzione del flusso, il mescolamento turbolento e la presenza di fenomeni di diffusione.
Nel capitolo 5 si sviluppa un criterio per la progettazione di una pompa ottimale per un dato impiego. Si individuano in tale metodo: i parametri geometrici e operativi richiesti in fase preliminare di progettazione, i parametri geometrici per l’ottimizzazione e le funzioni obiettivo. Nella parte finale si presentano alcuni esempi di geometrie ottimizzate.
Infine, nell’ultimo capitolo (capitolo 6) si presentano alcuni possibili sviluppi dell’attività.
L’intero lavoro è stato compiuto presso ALTA S.p.A. con la collaborazione e supervisione del Prof. Luca d’Agostino e del Dott. Ing. Angelo Pasini.







In space rocket propulsion , liquid feed turbopumps represent one of the most interesting fields of study and development. Current rocket propellant feed turbopumps are used in order to reduce the propellant tank pressure and weight and to improve combustion chamber pressure. Therefore any small gain in their efficiency and performance translates into major economic impacts.
A full comprehension of the flow-field inside a turbopump is extremely complex. Typical iterative schemes for the design of blading and flow path in centrifugal machines have to be applied carefully and require considerable computational power.
The present thesis is concerned with the development of 3D theoretical model capable of rapidly predicting the geometry and performance of radial impellers in order to provide indications for the preliminary design of the machine.
After a brief introduction about the turbomachines, in chapter 2 the main geometrical and operational features of turbopumps are showed with particular attention to the elements that set up the structure: the impeller, the diffuser and the volute.
In chapter 3, the model is exposed under ideal conditions: without any of the typical loss phenomena of this kind of turbomachines. Under the assumptions of incompressible, non-viscous flow all the relevant equations are carried out in order to design the main elements of the turbopump and in order to describe the flow-field inside.
Chapter 4 is focused on the analysis of loss mechanisms for each element of the turbopump. In particular, a formulation and a resolution of the boundary-layer-growth problem is showed. Other contributions to the losses arise from flow incidence at the blade leading edge, from turbulent mixing and diffusion.
In chapter 5 the optimal turbopump design issue is illustrated. An optimization code from the model discussed in the above chapters is carried out. Geometrical and operational requirements for preliminary design are identified and an objective-function is defined.
Finally, the last chapter (chapter 6) illustrates and discusses some possible developments of the present work.
The thesis work has been carried out at Alta S.p.A. research laboratory, under the supervision of Prof. Luca d’Agostino and Doc. Eng. Angelo Pasini.