Sommario
Sommario
La conoscenza dei fenomeni di instabilità che spesso si presentano nelle turbopompe è essenziale non solo per l'ottimizzazione delle prestazioni di queste macchine ma anche e soprattutto per limitare il loro danneggiamento ed evitare che si presentino quelle condizioni che risulterebbero critiche per il loro funzionamento.
Si è dimostrato che la rappresentazione analitica delle turbopompe tramite una matrice di trasferimento dinamico consente la previsione della propagazione delle perturbazioni che possono generare fenomeni di instabilità.
In questa tesi si è valutata la possibilità di rilevare sperimentalmente la matrice di trasferimento dinamico di un induttore. Si è ipotizzato di poter risalire ai vari elementi della matrice misurando le oscillazioni di pressione e portata a monte ed a valle della pompa; ovviamente per risolvere un problema con quattro incognite è necessario avere un sistema di quattro equazioni, mentre le equazioni ottenibili dalla matrice di trasferimento dinamico sono due sole. Per poter reimpiegare lo stesso sistema di equazioni è necessario che differiscano tra loro i termini noti, cioè le oscillazioni di pressione e portata, che si possono rendere sufficientemente diverse intervenendo in maniera appropriata sulla dinamica del flusso. Ottenute diverse oscillazioni senza modificare quelle condizioni di flusso che comporterebbero una variazione della matrice di trasferimento della pompa, si potrebbe risalire ai quattro valori cercati.
Per verificare le ipotesi fatte e valutare l'efficacia e la realizzabilità della relativa prova sperimentale è stato necessario costruire un modello analitico che simuli la dinamica del fluido di lavoro e ne calcoli le oscillazioni di pressione e portata. Per la generazione di tale modello si è fatto riferimento al circuito idraulico di Alta S.p.A, presso la quale si terrà in seguito la sperimentazione qui simulata. Per valutare il comportamento di una generica pompa si è preso ad esempio l'induttore MK1 del motore Vulcain, sul quale erano già state effettuate delle precedenti sperimentazioni nello stesso laboratorio. Si sono eseguite simulazioni della sperimentazione che potrebbe essere eseguita per la caratterizzazione dinamica della pompa e si sono fatte osservazioni utili al disegno della stessa.
I risultati delle simulazioni hanno confermato l'efficacia del modello per la caratterizzazione dinamica della pompa ed hanno fornito importanti indicazioni relative al disegno dell’esperimento, con particolare riferimento al sistema da impiegare per generare una fluttuazione esterna nel flusso e a quello per l’ottenimento delle due condizioni linearmente indipendenti necessarie per la caratterizzazione sperimentale della matrice di trasferimento dinamico.
Abstract
Abstract
The characterization of the instability phenomena usually observed in the nominal operational conditions of space rocket turbopumps is essential to the performance optimization as to avoid them from working in potentially damaging conditions.
It has been proven that the analytical representation of a pump by means of its dynamic transfer matrix allows for the estimation of the propagation of perturbations that could lead to the onset of flow instabilities.
The objective of the present thesis has been the evaluation of the characteristics of an experimental setup for measuring the dynamic transfer matrix of a pump. It has been conjectured that the dynamic matrix elements can be found by measuring pressure and flow rate oscillations upstream and downstream the pump. Since this procedure leads to a set of two equations with four unknowns, the same equations have to be written twice under two linearly independent boundary conditions or, in other terms, the oscillating pressures and flow rates have to be measured in different operating conditions without altering the pump transfer matrix.
In order to verify the above hypotheses and to understand how much the related experimentation could be effective, a reduced-order analytical model has been generated to simulate the dynamics of the flow and to estimate the pressure and flow rate oscillations. The model has been applied to the existing hydraulic facility at Alta S.p.A., in which the experimental activity is planned to be performed. The inducer MK1 of the Vulcain engine has been considered as test item.
The calculations have confirmed the effectiveness of the analytical model and have provided useful indications for the design of the future experimentation, with particular reference to the apparatus to be used for the generation of the imposed external fluctuations and the most efficient way for obtaining the two linearly independent conditions needed for the experimental characterization of the dynamic transfer matrix.
