Experimental Study of Cavitation and Flow Instabilities in Space Rockets Turbopumps and Hydrofoil

L’attivita’ svolta si basa sullo studio sperimentale e teorico della fluidodinamica e della cavitazione in modelli di turbopompe di alimentazione di motori a razzo a propellente liquido e su profili idrodinamici. In queste applicazioni le instabilità rotodinamiche in presenza di cavitazione rappresentano la limitazione più stringente alle prestazioni delle turbopompe, dove possono essere responsabili di cedimenti catastrofici dell’intero sistema propulsivo. Il lavoro svolto è consistito nella realizzazione di una vasta e diversificata campagna di prove prevalentemente dedicate alla identificazione e caratterizzazione sperimentale delle instabilità fluidodinamiche indotte dalla presenza della cavitazione in induttori e profili idrodinamici cavitanti, con particolare riguardo all’analisi dell’influenza degli effetti termodinamici che costituiscono uno dei più importanti fattori di scalatura dei fenomeni di cavitazione nei sistemi di alimentazione dei propellenti liquidi criogenici dei moderni motori a razzo. Tre induttori assiali sono stati testati e sono state caratterizzate le prestazioni e le instabilità fluidodinamiche: un induttore commerciale in alluminio specificatamente disegnato e realizzato per essere provato nella CPRTF, quello prodotto da Avio S.p.A. ed installato sulla turbopompa dell’ossigeno liquido del motore Vulcain MK1 del lanciatore Ariane e quello, denominato “FAST2”, disegnato (sempre da Avio S.p.A.) per la pompa dell’ossigeno liquido del motore VINCI. Inoltre e’stata effettuata una campagna sperimentale su un profilo idrodinamico NACA 0015 con lo scopo di identificare e caratterizzare le instabilita’indotte dalla cavitazione e gli effetti termodinamici. Gli esperimenti sono stati effettuati con l’ausilio di un impianto di prova disponibile presso il laboratorio Centrospazio, denominato CPRTF (Cavitating Pump Rotordynamic Test Facility), specificatamente pensato per svolgere prove in condizioni di similitudine fluidodinamica, geometrica e termica, usando esclusivamente acqua come fluido di lavoro, su una vasta gamma di turbopompe aventi diverse caratteristiche dimensionali e geometriche. Nelle sue possibili configurazioni l’impianto permette di effettuare esperimenti per la caratterizzazione delle prestazioni della pompa di prova, delle instabilità fluidodinamiche generate dalla cavitazione o da altre cause e delle forze agenti sulla pompa in condizioni di moto eccentrico forzato.