Conclusioni e sviluppi futuri 11

Conclusioni e sviluppi futuri

11.1 Conclusioni

In questa tesi sono state descritte le modifiche apportate all'impianto CPRTF (Cavitating Pump Rotordynamic Test Facility) di ALTA, necessarie per il suo utilizzo in campagne sperimentali per la caratterizzazione POGO di induttori e turbopompe centrifughe. In particolare si è posto l'accento sulle due diverse configurazioni in grado di fornire le condizioni linearmente indipendenti, fondamentali per la determinazione della matrice di trasferimento dinamico di una generica turbomacchina. In questo modo infatti, è possibile ottenere due diverse oscillazioni di risposta ad un'eventuale fluttuazione perturbante imposta dall'esterno, senza variare le condizioni operative della pompa. Nel capitolo 1 è stato descritto ogni elemento dell'impianto, soffermandosi maggiormente sui componenti di nuova progettazione, riportandone le caratteristiche tecniche e la rappresentazione analitica. Particolare attenzione è stata posta sulla scelta del serbatoio con fondo piatto e della pedana vibrante, come metodo di introduzione delle perturbazioni nel circuito.

L'attività di ricerca svolta dall'autore si è concentrata successivamente sulla caratterizzazione sperimentale delle prestazioni di una turbopompa centrifuga prodotta dall'azienda FIP, e di due induttori assiali appartenenti alla famiglia DAPAMITOR, realizzati e progettati grazie al modello teorico sviluppato dal Prof. d'Agostino e dal suo gruppo di lavoro. In tutti i casi sono state studiate le prestazioni in regime cavitante e non cavitante, eseguendo prove anche a temperature elevate con lo scopo di visualizzarne gli effetti.

La pompa centrifuga FIP, in condizioni non cavitanti, ha mostrato un miglioramento delle prestazioni al crescere della temperatura, legato probabilmente alla diminuzione di viscosità cinematica che ha ridotto l'attrito tra il fluido e le pale della girante. Il miglioramento è risultato sempre meno accentuato man mano che la temperatura è stata incrementata. Le prove cavitanti effettuate secondo la modalità discreta, hanno mostrato un buon grado di sovrapposizione con i dati provenienti dalle prove continue, mettendo

dove si è potuto osservare un'anticipazione del degrado all'aumentare del coefficiente di flusso. Per temperature superiori a quella ambiente si sono ottenute prestazioni più elevate e valori del numero di Eulero di breakdown più piccoli. Lo studio delle instabilità ha evidenziato come la pompa centrifuga FIP sia soggetta principalmente a fenomeni instabili di natura assiale, interpretabili come “surge” di ordine superiore. Per l'induttore DAPAMITOR3 si è registrato un peggioramento delle prestazioni non cavitanti al crescere della temperatura. Questo, come nel caso delle giranti DAPAMITO esaminate in altre tesi, è stato attribuito ad un aumento virtuale del gioco radiale tra la sommità delle palette e l'alloggio esterno, causato ancora una volta dalla sensibile diminuzione della viscosità del fluido. Si è osservato poi, che la cavitazione si è sviluppata sull'intera lunghezza del condotto compreso tra le pale, generando un degrado delle prestazioni a temperatura ambiente inferiore al 15%. Per temperature superiori e per bassi valori di σ si è manifestato un comportamento a “gradino”, tipico degli induttori assiali e dovuto alle perdite causate dalla presenza di instabilità idrodinamiche; al crescere di T e al diminuire della portata questo fenomeno è risultato più accentuato. Il valore di σ di breakdown per temperature elevate, ha subito un abbassamento a causa di una riduzione della tensione di vapore dell'acqua. Le instabilità registrate durante le prove continue, sono sia di natura assiale che rotante ad 1 lobo; tra queste si possono individuare un surge di ordine superiore ed una cavitazione parziale oscillante.

In condizioni non cavitanti, l'induttore DAPAMITOR4 ha mostrato lo stesso comportamento del DAPAMITOR3. Si è sostituito quindi il condotto di alloggiamento in Plexiglass con uno in alluminio, allo scopo di verificare gli effetti termici sul coefficiente di dilatazione del pezzo e, di conseguenza, sulle prestazioni. I risultati hanno mostrato che nel secondo caso, il degrado delle prevalenza al crescere di T è stato praticamente impercettibile, dimostrando che per temperature più elevate il Plexiglass ha subito una dilatazione superiore rispetto a quella dell'alluminio, aumentando il gioco radiale e riducendo le prestazioni. Nelle prove cavitanti continue (in buon accordo con i dati registrati nelle prove discrete), per valori del numero di Eulero decrescenti, si è potuto osservare una propagazione delle sacche di vapore lungo il canale compreso tra le pale. Per σ elevate e per coefficienti di flusso bassi invece, si è riscontrato un certo

grado di simmetria nelle zone cavitanti attorno all'induttore. Le prestazioni in corrispondenza del breakdown hanno subito una variazione massima del 15 % che è avvenuta per valori di σ via via più piccoli all'aumentare del coefficiente di flusso. Per temperature superiori a quella ambiente, il comportamento a gradino registrato è stato molto meno marcato rispetto al caso del DAPAMITOR3: si è verificato infatti, solamente per la temperatura più alta e si è accentuato al diminuire della portata. Il degrado delle prestazioni nel caso del DAPAMITOR4 non è stato così importante come per l'altro induttore. Per ciò che riguarda lo studio d'instabilità, sono stati riscontrati sia “surge” di ordine superiore che fenomeni di cavitazione parziale oscillante.

11.2 Sviluppi futuri

Vengono presentati adesso alcuni possibili sviluppi delle attività sperimentali riportate in questo elaborato.

11.2.1 Impiego di tecniche di velocimetria laser

Come è stato suggerito in alcune tesi antecedenti a questa [3], grazie all'utilizzo della velocimetria laser sarebbe possibile caratterizzare completamente il flusso nelle zone intorno alle giranti utilizzate, individuandone il campo vettoriale associato. Le diverse tecniche di velocimetria sono:

• Laser Doppler Velocimetry (LDV); • Laser 2 Focus Velocimetry (L2F); • Particle Image Velocimetry (PIV).

L'ultima in particolare, è in grado di caratterizzare i flussi turbolenti e quindi sembra essere la più adatta allo studio dei fenomeni cavitanti nell'impianto CPRTF di ALTA. Di seguito viene presentato uno schema di tale tecnica:

Figura 11.1: Schema di funzionamento di un sistema di velocimetria laser di tipo PIV. Il funzionamento è legato alla presenza di particelle traccianti nel liquido, che nel caso dell'acqua utilizzata per le prove si possono trovare già miscelate al suo interno. Un fascio laser illumina in maniera pulsata una sezione del flusso, ed una telecamera ad elevata velocità di campionamento acquisisce le immagini delle particelle che l'attraversano. Attraverso un software le immagini vengono confrontate e, per mezzo di una cross-correlazione tra i dati, si riesce a risalire alla posizione e alla velocità delle particelle. Si può quindi ricostruire il campo di velocità della sezione di flusso esaminata.

Una limitazione potrebbe essere costituita dal fatto che questa tecnica riesce ad elaborare solamente campi di velocità bidimensionali. Per ottenere un'immagine 3-D del flusso quindi, sarebbe necessario l'impiego di due sistemi incrociati ovvero utilizzando due laser.

11.2.2 Analisi delle instabilità con 4 o più lobi e di quelle interne ai canali dell’induttore

Nel capitolo 4 è stato presentato il problema dell'individuazione dei fenomeni cavitanti che possiedono più di 4 lobi e della determinazione del loro verso di rotazione. La possibile soluzione individuata è quella di installare i trasduttori sul Plexiglass a distanze angolari inferiori a 45°.

Un' ulteriore ricerca potrebbe essere condotta nel campo delle instabilità che interessano la regione di flusso interna ai canali, delimitati dalle pale dell’induttore. In questo caso sarebbe necessario l'utilizzo di un condotto appositamente disegnato per ciascuna girante, in modo da garantire il corretto posizionamento dei PCB.

Figura 11.2: Inviluppo del plexiglas e dell'induttore con i relativi fori per l'alloggio dei PCB disposti lungo la linea media del canale delle pale.

Nella figura precedente è rappresentato uno schema di quanto scritto sopra: si possono osservare i fori per l'istallazione dei PCB sulla linea media dei canali, per il campionamento dei segnali da analizzare.

11.2.3 Controllo della concentrazione dei nuclei di cavitazione

La concentrazione di nuclei cavitanti può influire in maniera incisiva sull'innesco della cavitazione; solitamente, ad una concentrazione maggiore corrisponde un anticipo nella manifestazione di tale fenomeno. Poter controllare la quantità dei nuclei, anche

attraverso un sistema di deareazione, permetterebbe di ottenere informazioni sul numero di Eulero d'innesco. Di seguito viene presentato uno schema di questo impianto, già proposto da Cervone nella sua tesi [1].

Figura 11.3: Schema del sistema di deareazione. (Cervone [1])

Prelevando acqua dal circuito, questa viene nebulizzata all'interno del serbatoio dove, grazie all'elevato rapporto superficie/volume l'aria riesce a diffondere attraverso le gocce, per poter poi essere aspirata da una pompa a vuoto. Successivamente l'acqua deareata viene reinserita nei condotti per mezzo di una seconda pompa.

11.2.4 Analisi dei transitori di variazione di velocità

In molte applicazioni le turbomacchine sono costrette a modificare la propria velocità di rotazione in fase operativa, incorrendo in probabili fenomeni instabili. Uno studio interessante quindi, potrebbe riguardare la caratterizzazione delle prestazioni e delle instabilità delle pompe a velocità variabile. Questa peculiarità, purtroppo impedisce l'utilizzo dell'analisi di Fourier a causa della non stazionarietà dei fenomeni in esame; la soluzione potrebbe essere ricercata attraverso le tecniche wavelet.

Bibliografia

• [1]-A. Cervone, Progetto costruttivo definitivo di un impianto di prova in similitudine di turbopompe cavitanti,Tesi di Laurea in Ingegneria Aerospaziale, Università di Pisa, 2000.

• [2]-L.Torre, Studio sperimentale delle prestazioni e delle instabilità’ fluidodinamiche di cavitazione su un prototipo dell’induttore della turbopompa LOx del motore Vinci, Tesi di Laurea in Ingegneria Aerospaziale, Università degli Studi di Pisa, 2003-2004.

• [3]-G. Pace, Caratterizzazione sperimentale di induttori cavitanti e del sistema di misura delle forze rotodinamiche, Tesi di Laurea in Ingegneria Aerospaziale, Università degli Studi di Pisa, 2008-2009.