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SO OM MM MA AR R IO I O
Nell’intricato ma affascinante mondo della progettazione di sistemi propulsivi spaziali, lo studio delle turbopompe a liquido criogenico rappresenta uno dei campi di maggiore interesse. A prescindere da quale sia il sistema adottato per generare la potenza necessaria a farle funzionare, le pompe di alimentazione dei propellenti rappresentano il cuore pulsante dell’intero sistema propulsivo. Si può dunque comprendere quale sia l’attenzione posta nella progettazione di ogni loro piccolo particolare e quanto sia importante caratterizzarne il comportamento per via sperimentale onde evitare drammatiche sorprese.
L’esigenza di progettare turbomacchine sempre più leggere porta a ridurne le dimensioni e dunque ad aumentarne la velocità di rotazione per ottenere la potenza richiesta: di conseguenza le turbopompe ad alta densità di potenza vengono spesso progettate come macchine supercritiche per le quali diventano estremamente rilevanti fenomeni quali l’instabilità rotodinamica e la cavitazione. Non potendo evitare lo sviluppo, se pur limitato, di zone cavitanti, si cerca quantomeno di allontanarle dalla pompa centrifuga vera e propria introducendo a monte di questa uno stadio assiale (denominato induttore).
L’induttore funziona come una pompa assiale e permette una prima compressione del fluido di lavoro evitando o quantomeno ritardando in questo modo la cavitazione della pompa. Nell’espletare la propria funzione, questo importante elemento è soggetto allo sviluppo di cavitazione che, oltre all’erosione delle pale, può portare al degrado delle prestazioni ed all’insorgere di pericolose instabilità fluidodinamiche e rotodinamiche, spesso prevedibili con sufficiente certezza solo per via sperimentale.
In questo contesto si inserisce il presente lavoro di tesi mirato alla caratterizzazione sperimentale di un prototipo (denominato “FAST2”) dell’induttore della pompa dell’ossigeno liquido del motore VINCI dell’ultimo stadio di Ariane 5, la cui progettazione e realizzazione è affidata ad AVIO S.p.A.. La campagna sperimentale è stata condotta presso il laboratorio di cavitazione di Centrospazio a Pisa.
Nella prima parte, dopo una breve descrizione delle grandezze di comune utilizzo nella caratterizzazione delle pompe (capitolo 2), viene illustrato al capitolo 3 il circuito di prova di Centrospazio: un impianto versatile e poco costoso che utilizza acqua come fluido di lavoro, realizzato per lo studio delle prestazioni delle turbopompe in regime cavitante e non, in condizioni di similitudine fluidodinamica e termica.
Il capitolo 4 riporta brevemente le definizioni dei principali strumenti, perlopiù di estrazione statistica, utilizzati per l’analisi del segnale rilevato dai trasduttori.
La seconda parte documenta le fasi della sperimentazione e presenta i risultati ottenuti.
Nel capitolo 5 si illustrano le prove atte alla determinazione delle prestazioni in regime non cavitante e si confrontano i risultati sperimentali con le curve ottenute da semplici modelli analitici. Vengono inoltre confrontate le prestazioni dei due esemplari di FAST2 provati, uno dei quali presenta un piccolo difetto di fabbricazione su una pala.
Il capitolo 6 riporta le curve di prestazione in regime cavitante ottenute con due diverse metodologie di prova (prove “continue” e prove “discrete”): le prove effettuate hanno permesso di mettere in evidenza un particolare comportamento del FAST2, ovvero lo spostamento della zona cavitante dal bordo di attacco della pala al bordo di uscita, all’aumentare della portata. Un’ampia sessione fotografica ha permesso di individuare
tale fenomeno nonché di riportare, al variare del coefficiente di flusso e del numero di cavitazione, la visualizzazione diretta della tipologia e dell’estensione della zona cavitante.
Lo studio delle instabilità fluidodinamiche di cavitazione è riportato nel capitolo 7 dove, dopo una breve introduzione al problema, viene descritta la metodologia di analisi utilizzata e vengono riportati i risultati ottenuti. Lo studio dei fenomeni dinamici che si manifestano nel flusso è stato effettuato tramite l’analisi di Fourier del segnale raccolto da trasduttori piezoelettrici e i risultati sono riportati sottoforma di “diagrammi a cascata”; le frequenze di interesse sono state indagate cross-correlando i dati raccolti da trasduttori diversi, in modo da distinguere le oscillazioni assiali da quelle circonferenziali. Sono così stati rintracciati fenomeni di autoscillazione, surge, surge di cavitazione di ordine superiore e alcuni possibili fenomeni di natura rotante. Il capitolo descrive inoltre l’estensione della metodologia di analisi utilizzata ai fenomeni rotanti asimmetrici, che ne ha reso possibile la comprensione di alcuni limiti, l’implementazione della tecnica di filtraggio degli spettri dalle frequenze (note) legate al passaggio delle pale e lo studio sulla quantificazione dell’entità delle oscillazioni di pressione. Infine viene presentato un modello numerico atto alla determinazione delle frequenze naturali dell’impianto.
L’ultimo capitolo (capitolo 8) illustra come l’impianto di prova sia stato riconfigurato per permettere l’indagine dei fenomeni rotodinamici, oggetto di studi futuri, e riporta le linee guida per un possibile proseguimento dell’attività sperimentale, accennando alcune possibilità di potenziamento dell’impianto.
L’intero lavoro di sperimentazione e progettazione è stato compiuto presso il laboratorio di cavitazione di Centrospazio, sotto la supervisione del professor Luca d’Agostino e dell’ingegner Angelo Cervone.
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A BS B ST TR RA AC C T T
In the design of chemical propulsion systems for space rocket applications, the characterization and sizing of liquid propellant turbopumps represent some of the most interesting issues. Apart from the power generation system used, propellant feeding pumps represent the beating heart of the whole propulsive system. It is clear how important is the attention in designing every little detail and the experimental research in order to characterize the pump.
Day after day, the continuously increasing demand of power densities has led to the design of faster and lighter turbopumps. For this reason, high power density turbopumps are often designed as supercritical machines: rotordynamic instabilities and cavitation become significantly important in this context. In order to avoid cavitation in the centrifugal stage of the pump, an axial inducer is usually used. The operating conditions of inducers are normally cavitating and this can cause blade erosion, the decrease of the head performance and the onset of dangerous fluid dynamic and rotordynamic instabilities, often predictable only by means of experimental analyses.
The purpose of the present work is the experimental characterization of a prototype (called “FAST2”) of the oxidizer inducer of the VINCI engine, which will be the new upper stage engine for the Ariane 5. The FAST2 was designed and manufactured by AVIO S.p.A.. The experimental activity has been carried out at the “Cavitation Laboratory” of Centrospazio, located in Ospedaletto, near Pisa.
In the first section, after a brief description of the common quantities used in the characterization of pumps (Chapter 2), an exhaustive description of the test facility of Centrospazio is provided (Chapte 3). It is a versatile and cheap bench using water as working fluid and designed for studying the cavitating and non-cavitating performance of pumps and inducers in fluid dynamic and thermal scaling. Chapter 4 reports the definitions of the main statistical instruments used for the analysis of the signals generated by piezoelectric transducers.
The second section documents the steps of the experimentation and shows the results obtained. Chapter 5 illustrates the tests made for characterizing the non-cavitating performance. The experimental results are compared with those obtained from simple analytic models. Chapter 6 reports the cavitating performance obtained by means of two different experimental procedures (“continuous” tests and “steady-state” tests). The tests highlighted a particular behaviour of the FAST2: the cavitating region moves from the leading edge to the trailing edge of the blades at flow coefficient slightly higher than the nominal one. A comprehensive photographic session has allowed the direct observation of this behaviour and the visualization of the nature and the extension of cavitating regions at different flow conditions.
Chapter 7 reports the characterization of the dynamic instabilities. After a brief introduction to the problem, the methodology used in data the analysis and the experimental results are described in detail. The unsteady phenomena in the flow have been studied using the Fourier analysis of the signals acquired by the piezoelectric transducers, and the results have been shown as “waterfall plots”. The most interesting frequencies have been investigated using the cross-correlation analysis of the data taken
by different transducers. This procedure provides the possibility of discerning axial oscillations from rotating phenomena: on the FAST2 inducer auto-oscillations, surge, higher order cavitation surge and some possibly rotating phenomena were identified.
Chapter 7 also illustrates the extension of this methodology to asymmetrical rotating phenomena, the implementation of digital filtering techniques, the quantification of the oscillation amplitude and an analytical estimate of the natural frequencies of the facility.
The last chapter (Chapter 8) shows some of the possible future developments of the activity, such as the reconfiguration of the facility for the characterization of the rotordynamic instabilities.
The experimental activity was done at Centrospazio under the supervision of Prof. Luca d’Agostino and Ing. Angelo Cervone.
