Sistema ETD

banca dati delle tesi e dissertazioni accademiche elettroniche

 

Tesi etd-11062016-213757


Tipo di tesi
Tesi di laurea magistrale
Autore
APOLLONIO, ALESSANDRO
URN
etd-11062016-213757
Titolo
Progettazione di una Valvola Anticavitazione per Prove in Similitudine di Turbopompe per Applicazioni Spaziali
Struttura
INGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE
Corso di studi
INGEGNERIA AEROSPAZIALE
Commissione
relatore Prof. d'Agostino, Luca
relatore Dott. Valentini, Dario
relatore Dott. Pace, Giovanni
relatore Dott. Pasini, Angelo
Parole chiave
  • Elastomero
  • Turbopompe
  • Cavitazione
  • Valvola
Data inizio appello
29/11/2016;
Disponibilità
parziale
Riassunto analitico
ABSTRACT

Turbopumps for space application are used in rocket liquid propellant systems. Rocket turbomachines are designed to reach high power density. Turbopumps are characterized in specific facilities to check whether their operating conditions are affected by flow and rotordinamic instabilities. Instabilities can be initiated and supported by cavitation: the growth and collapse of vapour bubbles in a moving liquid.
Similarity laws allow to exploit water instead of cryogenic propellant in order to characterize turbopumps. The Sitael’s cavitating pump rotodynmic test facility, CPRTF, is a hydraulic circuit developed in order to characterize turbopumps in different flow regimes also when cavitation occurs. The energy transferred by the turbomachine to the liquid is usually dissipated by a valve in order to reach a stationary working point of the turbopump. The valve regulates the pressure loss, thus the flow rate of liquid throughout the whole circuit. Fixed the angular velocity of the turbopump, its working point is function of the flow rate. One of the targets of turbopumps's characterization is to get different working point. The valve operating conditions affect the number of working points that can be reached.
Due to the degradation of performance of the circuit's valve, named Silent Throttle Valve, different options have been evaluated: design, redesign or replacement the valve.
This work has been developed during an extraordinary maintenance of the facility due to a failure of the drive shaft of a turbopump.
The operating mode of the hydraulic circuit has been analysed in order to define the operating requirements that have to be respected by a valve. An anticavitation valve is necessary because favourable conditions to the cavitation can be reached in the circuit.
A reverse engineering of the Silent Throttle Valve has been carried out. Some documents regarding this valve were available: the patent of its inventor, Mr C. A. Gongwer, and documents attributed to another Silent Throttle Valve, likely the one of the California Institute of Technology. The reverse engineering started from the analysis of the documents related to the valve. The Silent Throttle Valve has been disassembled in order to examine its components and their condition. A 3D rendering of the valve has been made. The differences between current valve and the patented one have been examined.
The heart of the valve are two elastomers with channels in order to allow the flow passage.
By two hydraulic actuators it is possible to compress the elastomers for the regulation of both the dissipated energy and the flow rate. Dissipated energy and flow rate are functions of the channels' geometry and deformation. Known the component size, the possible operating conditions have been indicated in terms of loads.
Present anticavitation technologies for valves have been examined in order to understand the current status of these technologies. Commercial anticavitation valves do not meet the requirements. Some components of the old valve have been evaluated reusable. In order to reduce cost and time the Silent Throttle Valve has been redesigned.
An analytic model of the elastomer deformation has been developed to choose hardness of the rubber. This model allows to estimate how the geometry of channels and the type of elastomers could condition the valve operation.
Improvements have been made in order to avoid corrosion and to avoid problems observed during assembly and disassembly of the old valve.
The redesigned Silent Throttle Valve has been developed and tested. The new valve permits the characterization of turbopumps, however operating problems have been observed. Under certain operating conditions the valve behaviour is different from the expected one. These problems could be avoided choosing higher hardness of the elastomers.
The analytic model of the elastomer deformation has to be improved by the data collected during tests. Different elastomers have to be tested in order to improve the analytic model and to choose the best hardness. The new Silent Throttle Valve could be easily modified in order to reach new requirements.

SOMMARIO

Le turbopompe per applicazioni spaziali vengono utilizzate nei sistemi di propulsione di lanciatori a propellenti liquidi, in particolare criogenici. Le turbomacchine dei lanciatori, con lo scopo di diminuire i costi legati alla massa e al volume dei componenti, vengono progettate per lavorare con elevate densità di potenza. Le turbopompe si caratterizzano in appositi impianti al fine di verificare che le condizioni operative non incorrano in problemi di funzionamento dovuti a instabilità fluidodinamiche e rotodinamiche, che possono essere generate o sostenute dal fenomeno della cavitazione, ossia la crescita e il collasso di bolle di vapore in un liquido in movimento.
Per ridurre i costi legati all’utilizzo di propellenti criogenici, si determinano le prestazioni di turbopompe con prove in similitudine fluidodinamica e geometrica. Queste prove, se effettuate in modo da rispettare delle leggi di similitudine, permettono di caratterizzare la turbopompa di interesse, anche se le prove sono effettuate con un liquido differente, come l’acqua, e con una macchina di dimensioni diverse. L’impianto cavitating pump rotodynmic test facility, CPRTF, presso Sitael S.p.A. (ex Alta S.p.A), è un circuito idraulico, realizzato per caratterizzare turbopompe in diversi regimi di flusso, in particolare in regimi cavitanti. Al fine di caratterizzare la turbopompa in diverse condizioni operative è necessario garantire il funzionamento stazionario dell’impianto. A questo scopo l’energia che la turbopompa trasferisce al liquido deve essere dissipata dalle superfici dei condotti e in particolare da una valvola.
La valvola, oltre a dissipare energia del fluido, è utilizzata per regolare la portata in ingresso alla turbopompa, in modo da influenzarne le condizioni operative. Fissata la velocità angolare della turbopompa, una variazione di portata in ingresso permette di cambiare il modo in cui la turbopompa lavora, ossia il punto operativo della macchina. Ottenere un’ampia gamma di punti operativi è uno degli obiettivi della caratterizzazione. Il funzionamento della valvola influenza il funzionamento della turbopompa. I limiti nel regolare portata e dissipare energia della valvola si traducono in limiti nella caratterizzazione delle turbopompe.
A causa del non corretto funzionamento della valvola presente nell’impianto CPRTF, è stato necessario prendere in considerazione più alternative: un eventuale progetto, una riprogettazione o una sostituzione della valvola. Il lavoro è stato effettuato in un contesto di manutenzione straordinaria dell’impianto dovuto a un guasto del gruppo motore e al danneggiamento di una turbopompa.
Il funzionamento dell’impianto è stato analizzato al fine di chiarire la necessità di una valvola e le sue specifiche di funzionamento. All’interno della valvola, un’eventuale cavitazione del fluido deve essere ridotta al minimo in modo da garantire il corretto funzionamento dell’impianto e della valvola stessa. Nell’impianto si ricreano delle condizioni favorevoli alla cavitazione, per questo motivo è necessaria una valvola anticavitazione.
Si è effettuato un reverse engineering della Silent Throttle Valve. Di questa valvola si disponeva solo del brevetto del suo inventore, il sig. C. A. Gongwer, in cui si riportavano i principi di funzionamento della macchina, e di alcuni documenti non pubblici riguardanti il funzionamento di una valvola simile, impiegata in un altro laboratorio di ricerca presso il California Institute of Technology. Il processo di ingegneria inversa è stato effettuato al fine di conoscere il funzionamento di questo componente fondamentale per l’impianto. Il reverse engineering è iniziato dall’analisi del documento di brevetto per comprendere il principio di funzionamento della macchina. La Silent Throttle Valve è stata smontata al fine di osservare i componenti che la costituiscono e di analizzarne le condizioni. Sono state prese le misure dei singoli componenti per realizzare un rendering 3D. Sono state analizzate le differenze fra valvola del brevetto e valvola attuale. La valvola funziona grazie alla presenza di due elastomeri forati in modo da permettere il passaggio del fluido. Per introdurre perdite di pressione statica e controllare la portata del flusso si comprimono gli elastomeri per mezzo di due attuatori oleodinamici. L’energia del fluido dissipata dalla valvola risulta funzione della portata e della variazione di geometria degli elastomeri. Dalle dimensioni dei vecchi componenti è stato possibile risalire alle condizioni operative, in particolare in termini di possibili sforzi trasmessi dagli attuatori oleodinamici ai due elastomeri.
Dato che la tecnologia della valvola risale al 1970, è stata effettuata un’analisi di mercato al fine di comprendere se esistono tecnologie alternative e valide per una eventuale sostituzione della Silent Throttle Valve. Accertata l’assenza in commercio di valvole anticavitazione tali da soddisfare i requisiti di funzionamento e la possibilità di riutilizzare alcuni componenti della vecchia valvola, a fronte di costi minori rispetto a un’eventuale progettazione di una valvola interamente nuova, è stata effettuata una riprogettazione della Silent Throttle Valve. È stato sviluppato un modello analitico per comprendere come la scelta del tipo di durezza della gomma e la geometria dei fori potesse influenzare il funzionamento della valvola. Questo modello ha permesso di orientare la scelta del materiale degli elastomeri. Alcuni componenti della vecchia valvola sono stati ripristinati e modificati, ciò ha permesso di abbassare i costi di riprogettazione. L’azione di riprogettazione è stata tale da introdurre dei miglioramenti in particolare per evitare problemi di corrosione, di assemblaggio e di smontaggio riscontrati nella vecchia valvola. Al fine di analizzare il funzionamento della nuova valvola, una volta assemblata, sono state effettuate delle apposite prove di collaudo.
La nuova Silent Throttle Valve è stata collaudata e permette di caratterizzare turbopompe, tuttavia sono stati riscontrati dei problemi all’aumentare della portata in condizioni di chiusura parziale dei fori degli elastomeri, dovuti a un probabile effetto di deformazione della gomma a causa della pressione del liquido. Questi problemi potrebbero essere risolti con l’utilizzo di un elastomero più duro. Il modello analitico della scelta della gomma deve essere migliorato con l’utilizzo dei dati raccolti. Successivamente devono essere effettuati nuovi collaudi con elastomeri di durezza differente al fine di poter migliorare il modello analitico e scegliere l’elastomero con la durezza più appropriata. La conoscenza del funzionamento della valvola permette di poterla modificare o adattare per eventuali progetti futuri dell’impianto, per i quali potrebbero essere richiesti requisiti operativi differenti. Modificando la geometria dei fori e la durezza dell’elastomero è possibile modificare il comportamento della valvola.
File