SO S OM MM M AR A R IO I O
L’esigenza di progettare turbomacchine sempre più leggere porta a ridurne le dimensioni e dunque, per ottenere i dovuti livelli di potenza, ad aumentarne la velocità di rotazione.
Di conseguenza le turbopompe per impieghi spaziali vengono spesso progettate come macchine supercritiche per le quali diventano estremamente rilevanti fenomeni quali la cavitazione.
Quest’ultima, oltre al degrado delle prestazioni e al danneggiamento superficiale, può portare all’innesco di instabilità fluidodinamiche che potrebbero portare all’improvviso cedimento strutturale della turbomacchina.
La comprensione teorica di tali fenomeni di instabilità è ancora lacunosa sotto molti aspetti ed i modelli di calcolo che ne risultano sono necessariamente inadeguati. Di conseguenza la sperimentazione riveste ancora oggi un ruolo fondamentale.
Nel corso degli ultimi anni, i laboratori di ricerca di ALTA S.p.A. sono stati dotati di un impianto per le prove, in similitudine fluidodinamica e di cavitazione inerziale e termica, di giranti e induttori di turbopompe con acqua come fluido di lavoro. Questo impianto è stato recentemente dotato di un sistema che, mediante l’analisi delle fluttuazioni di pressione, permette lo studio delle instabilità fluidodinamiche che si manifestano nella macchina in condizioni cavitanti e non.
Proprio in questo contesto si inserisce il presente lavoro di tesi che ha come scopo quello di potenziare le capacità di indagine sulle instabilità fluidodinamiche di cavitazione del suddetto impianto affiancando all’analisi delle fluttuazioni di pressione un sistema che consenta l’acquisizione di immagini. L’elemento principale di tale sistema è costituito da una telecamera digitale “ad alta velocità” che permette di registrare fino a 16000 fotogrammi al secondo, permettendo così l’analisi ottica dell’evoluzione delle regioni cavitanti che si sviluppano sulle pale dell’induttore.
Il lavoro descrive inizialmente l’installazione e la messa a punto del sistema ottico per la registrazione sia di filmati laterali sia di filmati frontali dell’induttore cavitante.
Vengono poi descritti in dettaglio l’algoritmo utilizzato per l’elaborazione dei filmati con cui la cavitazione è stata estratta da ogni fotogramma e le tecniche sviluppate sia per l’analisi dei filmati laterali che di quelli frontali. In particolare, utilizzando i filmati frontali elaborati, è stato effettuato il calcolo delle dimensioni (superficie frontale e lunghezza circonferenziale) delle cavità che si formano sulle pale dell’induttore.
Viene infine mostrato come tali tecniche possano essere utilizzate sia per l’analisi della variazione delle dimensioni delle cavità al variare delle condizioni di flusso, sia per l’indagine su possibili oscillazioni di tali grandezze mediante l’analisi di Fourier. Proprio quest’ultima, nel caso dell’induttore FIP162, ha portato al riconoscimento di un’oscillazione delle dimensioni delle cavità che causa un’instabilità fluidodinamica classificata come stallo rotante.
A A B B S S T T R R A A C C T T
The need for continuously less heavy turbomachines lead to the reduction of their dimensions and so to increase their rotational speed in order to achieve certain power levels. So space rocket turbopumps are often designed as supercritical machines in which phenomena such as cavitation become extremely important.
Besides performance degradation and surface damage, cavitation can lead to the onset of fluid dynamic instabilities which can cause the sudden structural failure of the machine.
The theoretical comprehension of such instability phenomena is still sketchy in many aspects and the related mathematical models are necessarily inadequate. For this reason experimentation plays still a key role.
During the last years ALTA S.p.A. research laboratories have been equipped with a test facility by which turbopump impellers and inducers can be tested in fluid dynamic, inertial and thermal similarity using water as working fluid. This facility has been recently equipped with a system which allows the detection of fluid dynamic instabilities arising during the machine operation by means of pressure fluctuation analysis.
This is just the context in which the present work can be placed, in fact its aim is to upgrade ALTA’s facility capabilities in the investigation of cavitation instabilities by the integration of a system, accompanied by the one used for the analysis of pressure fluctuation, which allows the acquisition of images of the cavitating inducer. The main component of such a system is the high-speed digital camera which gives the possibility to record up to 16000 frames per second and so to analyse optically the evolution of the cavitating regions developed on the inducer blades.
Initially this work describes the setup of the optical system by which both side and frontal movies can be recorded.
The algorithm adopted to extract cavitation from every frame of the movies and the techniques developed for the analysis of side and frontal movies have been widely described. An estimation of the dimensions (frontal area and circumferential length) of the cavity developed on the three blades of the inducer has been carried out by using the processed frontal movies.
Eventually it is shown how these techniques can be used both for the analysis of the variation of cavity dimensions by varying the flow conditions and for the investigation of possible cavity dimension fluctuations by Fourier analysis. In particular, this last analysis applied to movies of the FIP162 inducer has lead to the detection of an oscillation of cavity dimensions which caused a fluid dynamic instability classified as rotating stall.
R R IN I N GR G RA A ZI Z IA A M M EN E N TI T I
Porgo innanzi tutto un doveroso ringraziamento al Prof. Luca d’Agostino che, come non ha mai smesso di sottolineare, mi ha permesso di “divertirmi” nonostante le difficoltà tipiche di un argomento del tutto nuovo e senza il quale non avrei mai avuto l’opportunità di svolgere questo lavoro.
Un sentito ringraziamento è rivolto all’Ing. Angelo Cervone che mi ha seguito in prima persona nelle prime fasi del lavoro e che ha messo sempre a mia disposizione la sua grande esperienza.
Un ringraziamento particolare va poi a Lucio (Ing. Torre) a fianco del quale ho svolto la maggior parte del lavoro e che, oltre che un ottimo collega di “lavoro”, si è rivelato anche un buon amico.
Un ringraziamento speciale va poi alla mia famiglia: ai miei genitori per tutti i sacrifici fatti che mi hanno permesso di raggiungere questo traguardo e a Carmen e Nicoletta che mi sono sempre state vicine.
Ringrazio infine tutte le persone che mi sono state vicine in questi anni. Ringrazio in particolare i miei coinquilini (attuali e passati), i colleghi e tutti gli amici di Pisa e di Sersale.
Domenico Fotino
