Gli induttori sono tipicamente montati a monte delle pompe centrifughe per rispondere al trend attuale nella progettazione delle turbomacchine di impiego spaziale che si prefigge come obiettivi da un lato l’ottenimento di densità di potenza sempre maggiori e dall’altro una riduzione delle pressioni di stoccaggio dell’ossidante e del combustibile per ridurre il peso dei serbatoi nei quali sono contenuti. L’assenza di un induttore a monte della pompa comporterebbe lo svilupparsi su di essa di fenomeni cavitanti i quali condurrebbero ad un marcato degrado delle prestazioni rispetto al caso non cavitante, un forte danneggiamento superficiale ed infine l’insorgere di intense forze destabilizzanti. Il ruolo dell’induttore è così quello di impartire al fluido di lavoro un incremento di pressione fino al 20% di quello richiesto alla pompa principale permettendo così di spostare gran parte dei fenomeni cavitanti dalla pompa su di esso. Proprio per il fatto che l’induttore si troverà a lavorare in presenza di cavitazione è necessario caratterizzare le sue prestazioni in regime cavitante .
Le prestazioni delle turbopompe in regime cavitante sono presentate attraverso dei grafici che descrivono l’andamento della prevalenza (ψ) della pompa al variare del numero di Eulero (σ) per un valore fissato del coefficiente di flusso (Φ). La seguente figura mostra a confronto due grafici caratterizzanti le prestazioni di un induttore in regime cavitante e non cavitante.
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Figura 6-1 Prestazioni di un induttore in regime non cavitante e cavitante (Brennen [1])
I precedenti grafici possono essere letti a partire dai valori più alti della pressione in ingresso (e quindi del numero di eulero σ) in corrispondenza dei quali non c’è manifestazione del fenomeno cavitante e pertanto il valore della prevalenza letta in ordinata corrisponde a quella del regime non cavitante. Diminuendo il valore del σ si giunge alla soglia di innesco, individuata nel grafico precedente dall’ascissa (numero di cavitazione di innesco) ed accompagnata da un funzionamento dell’induttore rumoroso con un classico tono grave;questo costituisce il principale sistema di rilevamento della cavitazione al primo stadio poiché consentendo la ripetibilità della misura del rumore è sempre preferibile ad un sistema di tipo visivo non sempre possibile. E’ rilevante osservare come in questo stadio la prevalenza abbia un valore prossimo a quello non cavitante e che il numero di cavitazione di innesco tenda ad assumere il suo valore minimo in corrispondenza del coefficiente di flusso di disegno. Diminuendo ulteriormente il valore di σ si incontra una nuova soglia critica denotata da (numero di cavitazione critico) in cui la prevalenza è diminuita di una quantità tra il 3% ed il 5% rispetto al suo valore non cavitante. A questo stadio si osserva che la cavitazione inviluppa quasi completamente l’induttore mentre è assente nei canali tra le pale di questo; per questo motivo la massa di fluido elaborata è ancora simile al caso non cavitante. A seguito poi di una ulteriore diminuzione di σ si arriva all’ultima soglia critica (numero di cavitazione di break down) evidenziata dall’intensificazione della cavitazione a cui segue un drastico degrado delle prestazioni con una diminuzione caratteristica del 30% della prevalenza (ψ) rispetto al suo valore in condizioni non cavitanti.
E’ importante ricordare a questo punto i principali risultati degli studi condotti sull’effetto che il gioco radiale (solitamente normalizzato con l’altezza media di paletta) ha sul numero di cavitazione di innesco ; sperimentalmente infatti, come mostra le due seguenti figure, si osservano degli incrementi del numero di cavitazione di innesco qualora si aumenti il gioco radiale tra l’estremità della paletta e la parte statorica oppure si lavori a differenti coefficienti di flusso o,il che è equivalente a differenti angoli di incidenza. Il motivo di ciò è che la cavitazione si innesca primariamente nei vortici generatisi nel campo di flusso che si stabilisce nel canale libero tra parte rotorica e quella statorica in conseguenza della differenza di pressione tra l’intradosso e l’estradosso della paletta. Inoltre poiché tale differenza di pressione aumenta con l’angolo di incidenza, le velocità del flusso nel canale di estremità aumentano e corrispondentemente deve aumentare anche il come mostra la Figura 6-3.
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Figura 6-2 Effetto del gioco radiale sul numero di cavitazione di innesco in un induttore assiale(Brennen[1])
Figura 6-3 Effetto del gioco radiale sul numero di cavitazione di innesco in un induttore assiale a vari coefficienti di flusso Φ (Brennen [1])
E’ importante anche evidenziare l’influenza del coefficiente di flusso (Φ) sulle prestazioni. La Figura di inizio pagina evidenzia come al diminuire di questo parametro la prevalenza tende ad aumentare. Questo fenomeno è ben evidente nella seguente figura dove è mostrato anche come il degrado delle prestazioni, conseguente allo sviluppo della cavitazione sia più graduale per alti valori di Φ,mentre si mostra più marcato al diminuire del valore di quest’ultimo.
Figura 6-4 Prestazioni di un induttore a vari coefficienti di flusso ed accentuato calo delle prestazioni per i valori di Φ più bassi
Altro parametro che influenza in maniera determinante lo sviluppo della cavitazione è la concentrazione dei nuclei di cavitazione presenti nel liquido . Nel caso di esperimenti con acqua non essendo nota con esattezza la distribuzione di nuclei di cavitazione nel liquido è monitorato invece il contenuto di gas disciolto in esso. Richiamando le tre fasi sopra menzionate che si incontrano nello sviluppo della cavitazione e che vengono
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individuate dai tre numeri di Eulero caratteristici ovvero quello di innesco, quello critico e quello di break down il contenuto di gas disciolto influenza solo i primi due di tali parametri mentre il terzo non dipende da esso come mostra la seguente figura.
Figura 6-5 Effetto del contenuto di aria disciolta nell’acqua sui numeri di cavitazione critici per una pompa centrifuga (Brennen [1)]
Nella pratica sperimentale non disponendo di strumenti adatti alla misurazione del contenuto di gas disciolto nel liquido non è praticabile la determinazione dei numeri di cavitazione di innesco e di quello critico. Questo invece non vale per il numero di cavitazione di breakdown il quale,in ragione del fatto che la cavitazione quando innescata sia poco dipendente dalla popolazione dei nuclei, è di fatto indipendente da quest’ultima variabile ed è pertanto un parametro sempre efficace per la descrizione dei fenomeni cavitanti.