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Progetto costruttivo definitivo di un impianto di prova in similitudine di turbopompe cavitanti

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Progetto costruttivo definitivo di un impianto di prova in similitudine di turbopompe cavitanti velocità di rotazione: ad esempio, se si dimezza il valore di D, per avere la stessa potenza di pompaggio bisogna moltiplicare la velocità di rotazione : per un fattore 2 5/3 . 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. Lo studio di tali fenomeni è cominciato nei primi anni ’60, ma le principali pubblicazioni a riguardo sono apparse dal 1980 ad oggi (vedi ad es. Brennen, [1] e [2], e Childs, [3]). La loro comprensione teorica, in ogni caso, resta ancora lacunosa sotto molti aspetti, ed i modelli di calcolo che ne risultano sono necessariamente inadeguati: l’unica strada percorribile, per ottenere un livello sufficiente di resistenza ed affidabilità delle macchine progettate, è quindi rappresentata dalla sperimentazione su prototipi (spesso scalati). A titolo di esempio, si riportano di seguito alcuni casi di turbomacchine, usate in campo spaziale e non, le cui prestazioni sono state fortemente influenzate da problemi di instabilità rotodinamica e/o di cavitazione: La pompa di alta pressione per l’idrogeno liquido del motore principale dello Space Shuttle (Space Shuttle Main Engine, SSME), avente una potenza di pompaggio di circa 57 MW ed un peso strutturale di 345 kg, fu progettata per girare ad una velocità massima di 37000 rpm, compresa tra la seconda e la terza velocità critica. Essa, però, presentò vibrazioni inaspettate già a 19000 rpm; si scoprì che tali vibrazioni erano dovute ad una particolare forma di instabilità laterale del rotore, il quale compiva un moto di precessione (whirl) intorno alla sua posizione nominale, con frequenza pari a circa 0.5 volte la frequenza di rotazione dell’albero. Le pompe di circolazione dell’acqua di refrigerazione primaria della centrale nucleare di Three Miles Island, progettate per erogare potenze nell’ordine delle decine di MW, subirono un evidente degrado delle prestazioni, accompagnato da fenomeni vibratori di notevole intensità, a causa di forze rotodinamiche sviluppatesi in condizioni cavitanti. I compressori di alta pressione dell’impianto Kaybob per l’estrazione del gas naturale, progettati per lavorare vicino alla terza velocità critica, soffrirono a loro volta problemi di instabilità rotodinamica.
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Informazioni tesi

  Autore: Angelo Cervone
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 1999-00
  Università: Università degli Studi di Pisa
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Aerospaziale
  Relatore: Luca D'agostino
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 358

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Parole chiave

cavitazione
ossigeno
pompe
propulsione
razzi
turbomacchine
turbopompe
forze rotodinamiche

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