Sommario
Le turbomacchine rivestono un ruolo fondamentale nella propulsione aerospaziale. Infatti, quasi tutti i lanciatori esistenti presentano almeno uno stadio con motore a propellente liquido.
In questi casi, generalmente, sia l’ossidante che il combustibile sono allo stato criogenico e vengono pompati dal serbatoio fino alla camera di combustione mediate delle turbopompe. Lo scopo delle turbomacchine non è solo quello di muovere il fluido di lavoro dai serbatoi alla camera di combustione, ma anche quello di incrementare la pressione del fluido stesso, per incrementare la spinta del razzo. L’impiego delle turbomacchine ha, di fatto, consentito di diminuire la pressione dei liquidi criogenici contenuti nei serbatoi, con una conseguente riduzione dei pesi dei serbatoi stessi.
L’esigenza del campo aerospaziale di diminuire sempre di più i pesi dei vari componenti ha coinvolto anche le turbomacchine, che vengono progettate sempre più piccole, portando ad un incremento delle velocità di rotazione delle stesse, per mantenere inalterate o addirittura incrementare le prestazioni della turbomacchina.
La diminuzione delle pressioni nei serbatoi, la continua riduzione dei pesi e l’incremento delle velocità di rotazione delle turbopompe hanno obbligato i progettisti a considerare più attentamente i progetti. Infatti oggigiorno le turbomacchine di impiego spaziale si trovano quasi sempre costrette a lavorare in presenza di cavitazione. Generalmente, a causa degli effetti deleteri della cavitazione sulle turbomacchine, si cerca di limitare questo fenomeno introducendo un elemento (induttore) a monte della pompa centrifuga vera e propria. Questo elemento fornisce una prima compressione del fluido di lavoro, evitando o diminuendo lo sviluppo della cavitazione sulla pompa centrifuga. Lo sviluppo della cavitazione sull’induttore e sulla pompa centrifuga, l’interazione del flusso proveniente dall’induttore con le pale della girante, possono portare allo sviluppo di fenomeni assai gravi, come fenomeni di instabilità rotodinamica e/o fenomeni di instabilità fluidodinamica. Questi fenomeni non sono oggigiorno prevedibili su scala puramente teorica, data l’enorme complessità fisica del problema. Quindi si rende assolutamente necessaria una caratterizzazione sperimentale di questi fenomeni per ciascun tipo di turbomacchina.
Questo lavoro di tesi si è concentrato sullo studio di due induttori: l’induttore a tre pale della famiglia DAPAMITO ed un induttore della Barber-Nichols. Gli induttori della famiglia DAPAMITO non sono ancora impiegati in campo aerospaziale, vista la loro natura sperimentale, volta a dimostrare un modello teorico di sviluppo della geometria di questi dispositivi ideato e sviluppato dal Prof. d’Agostino e dal suo gruppo di ricerca.
Dopo una breve introduzione alle problematiche del campo aerospaziale che coinvolgono l’impiego delle turbopompe e della cavitazione che si sviluppa nel flusso da esse elaborato (capitolo 1), si passa nel capitolo 2 ad una descrizione più accurata delle turbopompe, dove vengono evidenziate le caratteristiche geometriche principali e le prestazioni di questi dispositivi. Si descrivono, inoltre, con maggior dettaglio le problematiche inerenti allo sviluppo della cavitazione nelle turbomacchine. Nel capitolo 3, invece, vengono descritti i possibili effetti del moto di whirl dell’asse dell’albero motore sulle forze agenti sulle pompe e sugli induttori:
dopo una breve descrizione delle teorie classiche presenti in letteratura si evidenziano i pochi risultati sperimentali, oggi noti, sulle forze rotodinamiche.
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Nel capitolo 4 si presenta, abbastanza brevemente, il circuito di prova, presso ALTA S.p.A., dove sono state realizzate le prove sperimentali, mettendo in luce la versatilità dell’impianto di prova, che può riconfigurarsi velocemente per permettere di effettuare diversi tipologie di prove su pompe ed induttori, in vera grandezza o in scala.
Nei successivi di capitoli (capitoli 5 e 6) si presentano dapprima degli strumenti di analisi dei segnali, impiegati nel successivo studio delle instabilità, e, successivamente, il famoso metodo di Moore di scalatura delle prestazioni delle pompe al variare della velocità di rotazione, della temperatura operativa del liquido di lavoro e per pompe in scala.
Nel capitolo 7 si riportano i risultati delle prove non cavitanti effettuate sull’induttore DAPAMITO3, mettendo in luce le prestazioni per due differenti livelli di clearance ed evidenziando la bontà del modello teorico sviluppato per la previsione delle prestazioni in regime non cavitante per questo induttore. Sono state, altresì, effettuate delle prove non cavitanti a differenti temperature mostrando gli effetti di questa sulle prestazioni.
Successivamente, nel capitolo 8, si riportano le curve di prestazione cavitante dell’induttore DAPAMITO3, effettuate sia in condizioni discrete che continue, per i due differenti livelli di clearance provati, e per differenti temperature. Vengono mostrati i risultati e confrontati tra di loro per mettere in luce le differenze nelle diverse prove.
Lo studio delle instabilità fluidodinamiche di cavitazione è riportato nel capitolo 9 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” (waterfall plots); 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. Infine viene presentato un modello numerico atto alla determinazione delle frequenze naturali dell’impianto. Le analisi sono state condotte per i due differenti livelli di clearance e per differenti temperature, evidenziando, alla fine, gli effetti della variazione di questo parametro sulle instabilità comuni.
I capitolo 10, 11 e 12 descrivono le prove ed i risultati ottenuti per l’induttore della Barber- Nichols. In particolare, il capitolo 10 si interessa della descrizione dei risultati delle prove non cavitanti, mentre i capitoli 11 e 12 riportano, rispettivamente, i risultati delle prove cavitanti e delle analisi delle instabilità riscontrate. Le prove sono state effettuate per due differenti temperature.
Nel capitolo 13 viene presentato il dinamometro. Questo dispositivo, progettato in passato per la misurazione delle forze agenti sugli induttori in regime cavitante e non, è stato oggetto di una calibrazione. In questo capitolo si descrivono le prove effettuate su questo strumento per ottenere la, così detta, matrice di calibrazione che collega i valori delle forze agenti sul dinamometro con i potenziali di sbilanciamento dei ponti estensimetrici di cui è dotato questo dispositivo.
Infine nel capitolo 14 si presentano alcuni possibili sviluppi dell’attività, alcuni immediati, come le prove rotodinamiche sulla famigli di induttori DAPAMITO, altri che, invece, prevedono un potenziamento del circuito e degli strumenti di studio.
Tutto il lavoro presentato è stato realizzato presso il laboratorio di cavitazione di ALTA S.p.A.
con la supervisione del Prof. Luca d’Agostino e degli ingegneri Lucio Torre e Angelo Pasini.
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Abstract
Turbomachines play an important role in aerospace propulsion. Indeed almost all rockets used launch from the Earth have at least one or more stages with pump-fed liquid propellant engines. Generally, in these cases both the oxidant and the fuel are cryogenic liquids, pumped from the tank to the combustion chamber by the turbopumps, which develop work on the fluid in order to increase its pressure. The use of turbopumps allows for a dramatic reduction of the propellant storage pressure, and consequently of the tank weight.
Also aerospace turbopumps have been designed with the aim of decreasing their weight as much as possible by reducing their size, while simultaneously increasing their rotational speed in order to attain the required the power output.
These aspects have forced manufacturers to pay lot more attention to the design of rocket propellant engine turbopumps. In fact, nowadays these machines work, almost invariably, in the presence of some degree of cavitation during at least part of their operational life.
Designers prefer to avoid – or at least limit – the deleterious effects of cavitation on the pump by the introducing an initial lightly-loaded axial stage (called inducer) capable of suppressing cavitation in the highly-loaded radial impeller(s) by conveniently prepressurising the propellant.
The occurrence of cavitation in the inducer and in the centrifugal impeller(s), the interactions between rotors and stators and the fluid mechanical coupling between rotors can generate a number of potentially dangerous phenomena, such as rotordynamic and/or fluid dynamic instabilities. At present, the reliable prediction of these phenomena by theoretical means is not possible because of their extreme complexity and articulation, and therefore their characterization must currently be carried out experimentally.
The purpose of the present work is concerned with the analysis of two inducers: the first one is a three-bladed inducer, called DAPAMITO, designed at Alta, while the second one is a three-bladed inducer produced by Barber-Nichols Inc. The inducers DAPAMITO are not presently used in aerospace applications; they are experimental high-head, high suction performance inducers, with a realistic geometry obtained from a novel design and performance prediction procedure recently developed by Professor Luca d’Agostino and his research team.
The present work is so subdivided: in Chapter 1 the operation of aerospace turbopumps and the problems induced by the occurrence of flow cavitation are briefly analyzed. Then in Chapter 2, turbopumps, their geometry and their cavitating and noncavitating performance are described in more detail. In Chapter 3 the possible effects of the whirl motion of the rotor axis on the forces acting on the pump are presented by describing the classical theories and experimental results reported in the literature.
Chapter 4 describes the turbopump test facility available at ALTA S.p.A., where the experiments have been realized. The versatility and flexibility of the facility for conducting experiments on pumps and inducers of different sizes and different operational conditions are pointed out.
In Chapter 5 the statistical procedure used in the experimental analysis of cavitation- induced flow instabilities is presented. In Chapter 6 the method developed by Ruggeri and Moore for predicting the pump cavitation performance for various liquids, liquid temperatures and rotational speeds is presented.
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Chapter 7 reports the experimental results of the non cavitating performance of the three- bladed DAPAMITO inducer for two different values of the tip clearance. The experimental validity of the theory developed by Professor d’Agostino and his research group is discussed.
Data on the noncavitating performance of the inducer at different values of the flow temperature are also presented, underlining the effects of temperature variations on the performance.
Chapter 8 is dedicated to the cavitating performance of the DAPAMITO inducer. The experimental data have been obtained for two different values of tip clearance and various flow temperatures, in order to highlight the influence of thermal cavitation effects on the suction performance of the inducer. Experiments with both stepwise and continuously decreasing inlet flow pressure are illustrated.
In Chapter 9 the flow instabilities of the DAPAMITO inducer are described. In the first part of the chapter the problem of fluid dynamic instabilities in turbopumps is briefly introduced, illustrating their classification and main features as reported in the literature. The method employed for the analysis of inducer flow instabilities, here as well as in the following chapter with reference to the Barber-Nichols Inc. inducer, is based on the correlation of the signals coming from piezoelectric transducers. The results are presented by means of “waterfall plots”
of the relevant spectral properties as functions of the cavitation number. In this analysis the phase of the cross-correlation makes it possible to define the axial or rotating nature of the phenomena. A model for evaluating the natural frequencies of the pumping system is also presented. The analyses have been conducted for two values of the inducer tip clearance and for different liquid temperatures, in order to highlight the influence of these parameters.
Chapters 10, 11 and 12 illustrate the Barber-Nichols Inc. inducer and the pertinent experimental results. In Chapter 10 the non cavitating performance of this inducer is presented, whereas Chapter 11 and 12, respectively, illustrate the cavitating performance and fluid instabilities analysis. The relevant experiments have been conducted for two different values of the flow temperature.
Chapter 13 illustrates the rotating dynamometer designed for measuring the forces acting on turbopump rotors under cavitating and non cavitating conditions. The experimental and mathematical procedure employed to determine the calibration matrix relating the forces on the dynamometer to the voltage outputs of its strain gauges are presented.
Finally, Chapter 14 illustrates and discusses some possible developments of the facility and new methods for the analysis flow instabilities, such as the use of wavelets. Also the forthcoming activity that will involve the dynamometer is briefly presented.
The work presented herein has been carried at ALTA S.p.A. under the supervision of Professor Luca d’Agostino and the engineers Lucio Torre and Angelo Pasini.
