SOMMARIO
La cavitazione e le instabilità rotodinamiche sono due fenomeni di particolare rilievo nelle turbopompe per impieghi spaziali, ed i meccanismi ad esse associati risentono ancora della mancanza di modelli sufficientemente accurati. La sperimentazione riveste quindi ancora un ruolo fondamentale. Nel corso degli ultimi anni, il laboratorio di ricerca Centrospazio di Pisa ha intrapreso la progettazione e la costruzione di un impianto di prova in similitudine fluidodinamica e di cavitazione inerziale e termica di giranti di turbopompe con acqua come fluido di lavoro. Di recente si è anche aggiunta la capacità di misurare le forze stazionarie e non stazionarie esercitate dal flusso su induttori e pompe cavitanti e non cavitanti.
Scopo del presente lavoro è quello di presentare l’attività svolta dall’autore per la messa a punto dello strumento di misura, la bilancia estensimetrica denominata dinamometro rotante.
La prima parte fornisce un breve riassunto sulle attuali conoscenze teoriche e sperimentali sui fenomeni della cavitazione e delle instabilità rotodinamiche, illustrando anche le recenti attività svolte in merito presso Centrospazio ed altri istituti di ricerca.
Successivamente si descrive brevemente l’architettura del circuito di prova CPRTF (Cavitating Pump Rotordynamic Test Facility), con particolare attenzione rivolta al dinamometro rotante. Di quest’ultimo viene poi presentata la calibrazione, ovvero la costruzione della relazione lineare tra i segnali misurati ed i carichi effettivamente applicati. Si passa così a mostrare le tecniche di estrazione delle forze dai segnali misurati, sia in un sistema riferimento solidale allo strumento, sia in un sistema di riferimento fisso rispetto al laboratorio.
Viene infine descritto un modello numerico sviluppato per la previsione delle frequenze delle oscillazioni naturali del flusso all’interno del circuito di prova, e viene mostrato il buon accordo con i relativi dati sperimentali.
ABSTRACT
Cavitation and rotordynamic instabilities are two relevant phenomena in space engine turbopumps, and the related mechanisms are still lacking sufficiently accurate models. Experimentation and tests therefore do play a fundamental role.
In the past few years, Centrospazio research laboratory in Pisa, Italy, has undertaken the design and construction of a test facility for carrying out experiments on turbopump impellers under fluid dynamic and inertial/thermal cavitation similarities, using water as the working fluid. Most recently, the facility has been upgraded to allow for measurement of steady and unsteady forces exerted by the fluid on inducers and pumps both under non cavitating and cavitating conditions.
Purpose of the present work is that of detailing the author’s activities undertaken to field the instrument for the measurement of loads, the extensimeter scale christened rotating dynamometer.
The first part provides a brief summary of the present theoretical and experimental knowledge on cavitation and rotordynamic instabilities, showing also the recent related test activities performed by Centrospazio and other research institutes.
Then the specifications and layout of the CPRTF (Cavitating Pump Rotordynamic Test Facility) and its components are described, with particular emphasis on the rotating dynamometer. The calibration, i.e. the building of the linear correspondence between the measured signals and the applied load, is thoroughly illustrated. The numerical reduction to extract the applied forces and moments is then shown, both for a reference frame fixed w.r.t. the dynamometer and one fixed w.r.t. the laboratory.
Finally, a numerical model for the prediction of axial natural flow oscillation in the test circuit is illustrated, and the good correlation with test data is then shown.
