• cavitazione
• dinamometro
• forze rotodinamiche
• instabilità fluidodinamiche
• metodo di moore
• turbomacchine

Le turbomacchine rivestono un ruolo fondamentale nella propulsione aerospaziale. Infatti quasi tutti i lanciatori esistenti presentano almeno uno stadio con motore a propellente liquido. In questi casi, generalmente, sia l’ossidante che il combustibile sono allo stato criogenico e vengono pompati dal serbatoio fino alla camera di combustione mediate delle turbopompe. Lo scopo delle turbomacchine non è solo quello di muovere il fluido di lavoro dai serbatoi alla camera di combustione, ma anche quello di incrementare la pressione del fluido stesso, per incrementare la spinta del razzo. L’impiego delle turbomacchine ha, di fatto, consentito di diminuire la pressione dei liquidi criogenici contenuti nei serbatoi, con una conseguente riduzione dei pesi dei serbatoi stessi.
L’esigenza del campo aerospaziale di diminuire sempre di più i pesi dei vari componenti ha coinvolto anche le turbomacchine, che vengono progettate sempre più piccole, portando ad un incremento delle velocità di rotazione delle stesse, per mantenere inalterate o addirittura incrementare le prestazioni della turbomacchina.
La diminuzione delle pressioni nei serbatoi, la continua riduzione dei pesi e l’incremento delle velocità di rotazione delle turbopompe hanno obbligato i progettisti a considerare più attentamente i progetti. Infatti oggigiorno le turbomacchine di impiego spaziale si trovano quasi sempre costrette a lavorare in presenza di cavitazione. Generalmente, a causa degli effetti deleteri della cavitazione sulle turbomacchine, si cerca di limitare questo fenomeno introducendo un elemento (induttore) a monte della pompa centrifuga vera e propria. Questo elemento fornisce una prima compressione del fluido di lavoro, evitando o diminuendo lo sviluppo della cavitazione sulla pompa centrifuga. Lo sviluppo della cavitazione sull’induttore e sulla pompa centrifuga, l’interazione del flusso proveniente dall’induttore con le pale della girante, possono portare allo sviluppo di fenomeni assai gravi, come fenomeni di instabilità rotodinamica e/o fenomeni di instabilità fluidodinamica. Questi fenomeni non sono oggigiorno prevedibili su scala puramente teorica, data l’enorme complessità fisica del problema. Quindi si rende assolutamente necessaria una caratterizzazione sperimentale di questi fenomeni per ciascun tipo di turbomacchina.
Questo lavoro di tesi si è concentrato sullo studio di due induttori: l’induttore a tre pale della famiglia DAPAMITO ed un induttore della Barber-Nichols. Gli induttori della famiglia DAPAMITO non sono ancora impiegati in campo aerospaziale, vista la loro natura sperimentale, volta a dimostrare un modello teorico di sviluppo della geometria di questi dispositivi ideato e sviluppato dal Prof. d’Agostino e dal suo gruppo di ricerca.
Dopo una breve introduzione alle problematiche del campo aerospaziale che coinvolgono l’impiego delle turbopompe e della cavitazione che si sviluppa nel flusso da esse elaborato (capitolo 1), si passa nel capitolo 2 ad una descrizione più accurata delle turbopompe, dove vengono evidenziate le caratteristiche geometriche principali e le prestazioni di questi dispositivi. Si descrivono, inoltre, con maggior dettaglio le problematiche inerenti allo sviluppo della cavitazione nelle turbomacchine. Nel capitolo 3, invece, vengono descritti i possibili effetti del moto di whirl dell’asse dell’albero motore sulle forze agenti sulle pompe e sugli induttori: dopo una breve descrizione delle teorie classiche presenti in letteratura si evidenziano i pochi risultati sperimentali, oggi noti, sulle forze rotodinamiche.
Nel capitolo 4 si presenta, abbastanza brevemente, il circuito di prova, presso ALTA s.p.a., dove sono state realizzate le prove sperimentali, mettendo in luce la versatilità dell’impianto di prova, che può riconfigurarsi velocemente per permettere di effettuare diversi tipologie di prove su pompe ed induttori, in vera grandezza o in scala.
Nei successivi di capitoli (capitolo 5 e 6) si presentano dapprima degli strumenti di analisi dei segnali, impiegati nel successivo studio delle instabilità, e, successivamente, il famoso metodo di Moore di scalatura delle prestazioni delle pompe al variare della velocità di rotazione, della temperatura operativa del liquido di lavoro e per pompe in scala.
Nel capitolo 7 si riportano i risultati delle prove non cavitanti effettuate sull’induttore DAPAMITO3, mettendo in luce le prestazioni per due differenti livelli di clearance ed evidenziando la bontà del modello teorico sviluppato per la previsione delle prestazioni in regime non cavitante per questo induttore. Sono state, altresì, effettuate delle prove non cavitanti a differenti temperature mostrando gli effetti di questa sulle prestazioni.
Successivamente, nel capitolo 8, si riportano le curve di prestazione cavitante dell’induttore DAPAMITO3, effettuate sia in condizioni discrete che continue, per i due differenti livelli di clearance provati, e per differenti temperature. Vengono mostrati i risultati e confrontati tra di loro per mettere in luce le differenze nelle diverse prove.
Lo studio delle instabilità fluidodinamiche di cavitazione è riportato nel capitolo 9 dove, dopo una breve introduzione al problema, viene descritta la metodologia di analisi utilizzata e vengono riportati i risultati ottenuti. Lo studio dei fenomeni dinamici che si manifestano nel flusso è stato effettuato tramite l’analisi di Fourier del segnale raccolto da trasduttori piezoelettrici e i risultati sono riportati sottoforma di “diagrammi a cascata” (waterfall plots); le frequenze di interesse sono state indagate cross-correlando i dati raccolti da trasduttori diversi, in modo da distinguere le oscillazioni assiali da quelle circonferenziali. Infine viene presentato un modello numerico atto alla determinazione delle frequenze naturali dell’impianto. Le analisi sono state condotte per i due differenti livelli di clearance e per differenti temperature, evidenziando, alla fine, gli effetti della variazione di questo parametro sulle instabilità comuni.
I capitolo 10, 11 e 12 descrivono le prove ed i risultati ottenuti per l’induttore della Barber-Nichols. In particolare, il capitolo 10 si interessa della descrizione dei risultati delle prove non cavitanti, mentre i capitoli 11 e 12 riportano, rispettivamente, i risultati delle prove cavitanti e delle analisi delle instabilità riscontrate. Le prove sono state effettuate per due differenti temperature.
Nel capitolo 13 viene presentato il dinamometro. Questo dispositivo, progettato in passato per la misurazione delle forze agenti sugli induttori in regime cavitante e non, è stato oggetto di una calibrazione. In questo capitolo si descrivono le prove effettuate su questo strumento per ottenere la, così detta, matrice di calibrazione che collega i valori delle forze agenti sul dinamometro con i potenziali di sbilanciamento dei ponti estensimetrici di cui è dotato questo dispositivo.
Infine nel capitolo 14 si presentano alcuni possibili sviluppi dell’attività, alcuni immediati, come le prove rotodinamiche sulla famigli di induttori DAPAMITO, altri che, invece, prevedono un potenziamento del circuito e degli strumenti di studio.
Tutto il lavoro presentato è stato realizzato presso il laboratorio di cavitazione di ALTA s.p.a. con la supervisione del Prof. Luca d’Agostino e degli ingegneri Lucio Torre e Angelo Pasini.