• cavitazione
• induttori
• instabilità fluidodinamiche
• prerotazione
• turbopompe

Nel campo della propulsione chimica ad uso spaziale, le turbomacchine rivestono un ruolo di fondamentale importanza. Tutti i lanciatori esistenti, infatti, presentano almeno uno stadio con motore a propellente liquido ed alle turbopompe è affidato il compito di innalzare la pressione del fluido prima dell’ingresso in camera di combustione, in modo da aumentare l’efficienza della reazione, e, contemporaneamente, diminuire il valore della pressione all’interno del serbatoio con una conseguente diminuzione del peso di quest’ultimo.
Gli obiettivi fondamentali della ricerca nel campo della propulsione sono, da un lato, diminuire il peso dei componenti e, dall’altro, avere la possibilità di lavorare con densità di potenze sempre più elevate. Questo consente di aumentare il rapporto di carico utile del lanciatore, tuttavia necessita di uno studio approfondito di fenomeni quali la cavitazione e le instabilità fluidodinamiche e rotodinamiche. Generalmente, a causa dei molteplici effetti deleteri che ha la cavitazione, si cerca di limitare l’insorgere di questo fenomeno introducendo a monte della pompa principale un ulteriore elemento denominato induttore.
Un induttore è una pompa assiale con un numero limitato di pale (solitamente 3 o 4) che ha il compito di fornire una prima compressione al fluido di lavoro, evitando, o quantomeno ritardando, lo sviluppo della cavitazione sul componente principale. Nello svolgere questo lavoro, l’induttore è spesso costretto a lavorare in condizioni nelle quali è inevitabile lo sviluppo della cavitazione, che può portare al manifestarsi di instabilità fluidodinamiche e rotodinamiche che, oltre a peggiorare l’efficienza dell’intero lanciatore, rischiano di compromettere l’integrità strutturale del sistema.
Lo studio teorico di questi fenomeni risulta quanto mai difficoltoso e spesso inaffidabile, data l’enorme complessità fisica del sistema. È perciò assolutamente necessaria una caratterizzazione sperimentale della turbomacchina, che può essere molto onerosa a causa della difficoltà di lavorare con componenti criogenici o comunque instabili e pericolosi. La possibilità di comprendere come alcuni fattori fondamentali, quali la portata, il numero di giri del motore e la temperatura, influenzino sia le prestazioni sia l’insorgere delle instabilità, può portare ad un notevole risparmio economico e di tempo, rendendo possibile studiare il comportamento della turbomacchina in condizioni di similitudine geometrica e fluidodinamica.
Il seguente lavoro si concentra sulla caratterizzazione di due induttori sperimentali, il DAPAMITO3 ed il DAPAMITO4, rispettivamente a tre e quattro pale, disegnati grazie ad un modello di ordine ridotto realizzato dal Prof. Luca d’Agostino e dal suo team di lavoro. È stato inoltre caratterizzato un ulteriore induttore commerciale a tre pale. L’intero lavoro è stato svolto presso il laboratorio di cavitazione di ALTA S.p.A., con la supervisione del Prof. Luca d’Agostino e degli ingegneri Lucio Torre ed Angelo Pasini.
Dopo una breve introduzione riguardante gli aspetti generali della propulsione chimica e della cavitazione (Capitolo 1), verranno analizzate più in dettaglio le turbopompe, introducendo i parametri che caratterizzano lo studio delle prestazioni degli induttori (Capitolo 2).
Il Capitolo 3 offre una descrizione del laboratorio di cavitazione e del circuito di prova, con particolare attenzione alle modifiche apportate all’impianto per una migliore interfaccia con gli induttori caratterizzati ed un’analisi più approfondita di fenomeni il cui studio non era previsto nella configurazione originale. Nel Capitolo 4 si descriveranno gli induttori oggetto dello studio.
Il Capitolo 5 è dedicato alle curve di prestazione non cavitante ed alle loro caratteristiche principali, evidenziando quali sono i fattori che ne influenzano la forma e l’andamento.
Il Capitolo 6 riguarda invece le curve di prestazione cavitante; verrà descritta accuratamente la loro forma e si delineeranno le modalità di sviluppo della cavitazione al diminuire della pressione in ingresso agli induttori. Successivamente si analizzerà l’influenza del coefficiente di flusso e della temperatura, confrontando i risultati sperimentali con i metodi attualmente più diffusi di scalatura termica delle prestazioni.
Lo studio delle instabilità fluidodinamiche è riportato al Capitolo 7, che si apre con una breve introduzione dei principali strumenti, perlopiù di origine statistica, utilizzati per l’analisi dei segnali rilevati dai trasduttori. I vari tipi di instabilità verranno trattati singolarmente, esaminando le circostanze che portano ad un loro sviluppo ed i fattori che ne influenzano la forma e l’ampiezza, con riferimenti agli articoli presenti in letteratura che riportano l’insorgere di fenomeni simili.
Infine il Capitolo 8 riporta le conclusioni del lavoro e termina con un breve accenno agli argomenti oggetto di futuro lavoro presso il laboratorio di cavitazione di ALTA S.p.A.