ITTO980559A1 - Induttore per pompa a grande capacita' di aspirazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: "Induttore per pompa a grande capacità di aspirazione ''

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Campo dell'invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un induttore per pompa a grande capacità di aspirazione che include un carter che avvolge un rotore di induttore comprendente una pluralità di pale che procurano con il carter un gioco.

Arte anteriore

Si conoscono già diversi tipi di pompe a grande capacità di aspirazione, o turbopompe, destinate in particolare alla pressurizzazione di liquidi criogenici, tipo ergoli di alimentazione di motori a razzo.

Tali pompe sono equipaggiate di un primo elemento di rotore di entrata chiamato induttore. Quando l'induttore di una turbopompa funziona a coefficienti di flusso abbastanza elevati, si incontra il fenomeno di cavitazione supersincrona.

Se φ designa il coefficiente di flusso della macchina, e se φo designa il coefficiente di flusso corrispondente al punto di adattamento dell’induttore (cioè il caso in cui lo scorrimento entra nell’induttore secondo un angolo medio uguale a quello della palettatura rispetto al carter della macchina), diversi induttori di origine europea, americana e giapponese funzionano a flussi φ/φo prossimi a 0,6. In questa zona di lavoro, si incontra il fenomeno di cavitazione supersincrona. Questo fenomeno è presente in particolare sull'induttore per turbopompa a idrogeno liquido associato al motore a razzo VULCAIN 1 oltre che sull'induttore per turbopompa a ossigeno liquido associato a questo medesimo motore a razzo VULCAIN 1.

Cosi, quando si abbassa la pressione all'entrata di un induttore, si osserva una fase di cavitazione rotante che provoca vibrazioni importanti e tensioni radiali sull'albero. Questo tipo di cavitazione è dovuta a vaporizzazioni differenti del liquidi nei differenti passaggi a palette dell'induttore. L'ampiezza di queste vibrazioni è predominante ad una frequenza supersincrona Fs che è dell'ordine di 1,2 volte la frequenza di rotazione Fg della macchina, la quale frequenza supersincrona Fs si avvicina progressivamente alla frequenza sincrona F0 man mano che si continua ad abbassare la pressione di alimentazione dell'induttore.

Si è rappresentata schematicamente sulla figura 6 una curva 1 ψ = f(τ) dove ψ rappresenta la sovrappressione adimensionale dell'induttore e τ rappresenta la pressione la pressione adimensionale all'entrata dell'induttore.

Si vede che questa curva 1 comprende una parte pressappoco orizzontale 10 e, quando la pressione τ diminuisce, una zona di gobba 12 e cavità 11, la quale zona corrisponde alla fase di cavitazione rotante. Tra la gobba 12 e la cavità 11, esiste una zona in cui la pendenza della curva definita da dΨ/dτ è negativa. In questa zona, si ha una destabilizzazione per il sistema completo delle linee e della pompa. La parte 13 della curva corrisponde alla caduta di prestazione in sovrappressione dell'induttore quando il valore di τ diventa troppo basso.

E' già stato proposto, in particolare tramite la pubblicazione della domanda di brevetto giapponese n. 5-332.300 di modificare la geometria del carter della pompa nelle vicinanze dell'induttore per tentare di far sparire la riga supersincrona. Così, come rappresentato sulle figure 2 e 4, il diametro interno della parte anteriore 24 del carter si riduce progressivamente secondo una parte inclinata 43 a monte delle pale 36 del rotore 23 dell'induttore per presentare in una zona 26 un valore D2 inferiore al diametro DI della parete interna della parte 27 del carter situato a monte dell'induttore, il diametro D2 restando superiore al diametro Dt del rotore 23 procurando un gioco J1 tra la parete cilindrica interna del carter 24 nella zona 26 e il rotore 23 dell'induttore. Il gioco J2 esistente tra il diametro Dt del rotore 23 e la parte 27 del carter di diametro DI è così superiore al gioco J1 che esiste tra il rotore 23 e la zona 26 del carter e si prolunga per una breve distanza t1 a monte del rotore di induttore 23. Secondo questa arte anteriore, il gioco J2 è circa il doppio del gioco J1. Tuttavia, prove hanno mostrato che la realizzazione in queste condizioni, di una parte allargata del diametro interno del carter, a monte del rotore, non era sufficiente per garantire in tutti i casi l'assenza di cavitazione rotante e l'eliminazione della riga supersincrona.

La soluzione preconizzata nella domanda di brevetto giapponese JP-A-5 .332.300 non permette dunque in modo sicuro di eliminare le vibrazioni provocate dal fenomeno di cavitazione rotante in rapporto al carter o in rapporto al rotore. Ne consegue che sussistono rischi di danneggiamento degli organi della pompa, tipo i cuscinetti, e che la pressione del liquido all'entrata della pompa deve restare superiore ad un valore minimo al di qua del quale il fenomeno di cavitazione rotante può apparire. Ora, è desiderabile ridurre la pressione del liquido all'entrata della pompa, in modo tale che la pressione del liquido imbarcato su un razzo e immagazzinato in un serbatoio sia la più bassa possibile, in modo da poter alleggerire e semplificare la struttura meccanica del serbatoio di immagazzinaggio di liquido associato a pompa munita di un induttore.

Oggetto e descrizione succinta dell'invenzione La presente invenzione mira a porre rimedio agli inconvenienti precitati e a realizzare un induttore per pompa a grande capacità di aspirazione, per la quale la riga supersincrona sia eliminata su tutta la zona di flusso di funzionamento dell'induttore in modo da evitare il fenomeno di cavitazione supersincrona e così ridurre il rischi di apparizione di vibrazioni di forte ampiezza.

Questi scopi sono raggiunti grazie ad un induttore per pompa a grande capacità di aspirazione che include un carter che circonda un rotore di induttore comprendente una pluralità di pale che procurano con il carter un gioco, caratterizzato dal fatto che il gioco tra la parte periferica delle pale e il carter presenta un valore aumentato superiore al valore di gioco normale, su una zona che si estende contemporaneamente in una prima parte cilindrica, della parete interna del carter a monte del rotore di induttore e su una porzione della parete interna del carter adiacente alla detta prima parte cilindrica e che ricopre una parte a monte del rotore di induttore secondo una distanza a partire dal bordo di attacco delle pale, del rotore di induttore, e dal fatto che il rapporto tra il gioco a valore aumentato e il gioco a valore normale è superiore a 10.

Il gioco a valore normale presenta un valore compreso tra 0,4% e 1% del raggio della parte periferica delle pale dell'induttore.

A titolo di esempio, il gioco a valore normale presenta un valore compreso tra 0,4 e 0,9 mm e il gioco a valore aumentato presenta un valore compreso tra 5 e 10 mm.

La distanza di copertura che si estende lungo l'asse del rotore di induttore a partire dal bordo di attacco della pale è compresa tra 15 e 20% della lunghezza assiale delle pale dell'induttore.

Breve descrizione dei disegni

Altre caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione che segue di modi particolari di realizzazione, forniti a titolo di esempi, facendo riferimento ai disegni annessi, sui quali:

- la figura 1 è una vista schematica che mostra una caratteristica essenziale dell'invenzione legata alla geometria del carter situato nelle vicinanze di un rotore di induttore;

- la figura 2 è una vista schematica analoga alla figura 1, ma mostrante la geometria del carter situata nelle vicinanze di un rotore di induttore secondo una realizzazione dell'arte anteriore;

- la figura 3 è una vista in sezione assiale di un esempio di turbopompa dell'arte anteriore alla quale è applicabile l'invenzione;

- la figura 4 è una vista ingrandita in sezione assiale della parte di entrata della pompa della figura 3 comprendente l'induttore;

- la figura 5 è una vista di testa della parte di entrata della figura 4;

la figura 6 è una curva ψ = f(τ) rappresentante l'evoluzione della sovrappressione adimensionale ψ dell'induttore in funzione della pressione adimensionale τ all'entrata dell'induttore, per una pompa classica;

- la figura 7 mostra sul medesimo grafico tre curve ψ = f(τ), due delle quali corrispondono a induttori conosciuti e la terza corrispondente ad un induttore conforme all'invenzione;

- la figura 8 mostra il campo di apparizione della frequenza supersincrona nel piano (φ/φo, τ) definito dal coefficiente di flusso φ/φo e dalla pressione τ all'entrata dell'induttore, per differenti induttori;

- la figura 9 mostra l'evoluzione delle righe frequenziali caratteristiche in funzione della pressione adimensionale τ all'entrata di un induttore classico conosciuto, con in particolare l'apparizione di righe supersincrone;

- la figura 10 mostra l'evoluzione delle righe frequenziali caratteristiche in funzione della pressione adimensionale τ all'entrata di un induttore simile che è munito di un equipaggiamento secondo l'invenzione, con la configurazione della figura 1, con l'eliminazione completa di righe supersincrone; e

- la figura 11 mostra l'evoluzione delle righe frequenziali caratteristiche in funzione della pressione adimensionale τ all'entrata di un induttore simile che è munito di un equipaggiamento secondo l'arte anteriore, come quello della figura 2, con in particolare l'apparizione di righe supersincrone .

Descrizione dettagliata di modi particolari di realizzazione

Descriveremo innanzitutto facendo riferimento alle figure da 3 a 5 un esempio di induttore conosciuto in particolare attraverso la pubblicazione della domanda di brevetto giapponese (KOKAI) N. 5-332.330, e applicata ad una pompa a grande capacità di aspirazione 21 tipo una turbopompa che serva a pressurizzare per esempio un ergolo di alimentazione di un lanciarazzi, tipo idrogeno liquido.

La pompa a grande capacità di aspirazione 21 comprende una puleggia 29 fissata su un albero di rotazione 28 la cui parte posteriore porta una o più ruote 31 di una turbina 30. L'albero 28 è montato in rapporto al carter del corpo 32 della pompa con l'aiuto di almeno un cuscinetto 33. Un rotore di induttore 23 è disposto all'estremità anteriore di un albero 34 che prolunga l'albero 28 del supporto della puleggia 29 e pud cooperare con un cuscinetto 46. Il rotore di induttore 23 può comprendere per esempio un insieme di tre pale 36 a forma di elica montate su un elemento centrale 35 solidale all'estremità anteriore dell'albero 34.

Come si può vedere nelle figure 3 e 4, l'elemento centrale o mozzo 35 del rotore di induttore 23 presenta un raggio il cui valore evolve in modo crescente fra l'ingresso e l'uscita del rotore di induttore 35.

Staffe 44 possono essere previste all'estremità di entrata 39 del carter 24 per fissare un serbatoio di liquido o una canalizzazione di portata di liquido. Pale fisse 45 solidali al carter 24 possono essere previste tra il rotore di induttore 23 e la puleggia 29.

Cosi, la turbopompa 21 rappresentata sulla figura 3 presenta un induttore 23, 24 disposto in modo classico all'entrata della pompa propriamente detta munita della sua puleggia 29 e questo induttore è stato munito di una struttura che mira a prevenire le vibrazioni provocate dalla cavitazione rotante. Per questo, è prevista all'entrata del carter che divide le vie di scorrimento del rotore, una parte allargata 27 del diametro interno DI, il quale diametro interno DI è superiore al diametro interno D2 della zona 26 che circonda le pale 36 del rotore 23.

Infatti, si è constatato attraverso diverse prove comparative che una tale geometria di carter contribuisce senza dubbio a ridurre un po' la cavitazione rotante supersincrona, ma non permette di eliminare completamente la riga supersincrona e le vibrazioni radiali corrispondenti.

L'invenzione si allontana dalla geometria di carter di riferimento conosciuto, come descritto facendo riferimento alle figure da 2 a 5, e propone una geometria di carter differente che permette di eliminare in modo completo e sicuro la riga supersincrona. Questa nuova geometria di carter è stata rappresentata sulla figura 1 che permette un confronto con la geometria conosciuta illustrata sulla figura 2. Si noterà che l'invenzione si riferisce ad un induttore migliorato che può applicarsi a diversi tipi di pompe a grande capacità di aspirazione, e non è dunque limitata alla struttura di pompa descritta a titolo di esempio facendo riferimento alle figure da 3 a 5.

Nella configurazione della figura 1, una prima parte cilindrica 127 della parete interna del carter 124 situata a monte del rotore di induttore 123 presenta un diametro superiore al diametro di una seconda parte cilindrica 126 della parete interna del carter 124 situata di fronte alle pale 136 del rotore di induttore 123. Tuttavia, non è prevista alcuna zona di transizione troncoconica tra le prime e seconde parti cilindriche 127, 126 (contrariamente alla zona 43 della figura 2) e la prima parte cilindrica 127 della parete interna del carter 124 si prolunga essa stessa attraverso una porzione cilindrica supplementare 127A di diametro uguale a quello della parte cilindrica 127, su una distanza dll a partire dal bordo di attacco delle pale 136, in modo che sia definito un gioco J12 a valore aumentato non solamente a monte del rotore di induttore 123, ma ugualmente su una distanza d11 che ricopre una parte a monte del rotore di induttore 123. Peraltro, secondo un'altra caratteristica dell'invenzione che si aggiunge alla caratteristica precedentemente descritta, il rapporto tra, da una parte, il gioco a valore aumentato J12 tra le parti 127, 127A della parete interna del carter 124 e la parte periferica della pale 136 dell'induttore e, d'altra parte, il gioco a valore normale J11 tra la parte 126 della parete interna del carter 124 e la parte periferica delle pale 136 dell'induttore è superiore a 10. Il gioco a valore normale presenta un valore compreso tra 0,4% e 1% del raggio della parte periferica delle pale dell'induttore.

A titolo di esempio, il gioco a·valore normale J11 presenta un valore compreso tra 0,4 e 0,9 mm e il gioco a valore aumentato J12 rappresenta un valore compreso tra 5 e 10 mm.

Tipicamente, il gioco Jll può essere dell'ordine di 0,4 mm mentre il gioco J12 è dell'ordine di 6 mm.

La distanza di sovrapposizione dii, che si estende lungo l'asse del rotore di induttore 23 a partire dal bordo di attacco delle pale 136 può essere compresa tra 15 e 20% della lunghezza assiale delle pale dell'induttore.

Così, qualunque sia la forma del bordo d'attacco, la riga supersincrona può essere eliminata su tutta la zona di flusso di funzionamento dell'induttore, se si adotta per il carter una geometria tale che la zona di gioco aumentato si sovrapponga ad una parte di rotore su una distanza dii significativa e il rapporto J12/J11 è importante, cioè superiore a 10.

La figura 10 mostra l'evoluzione delle righe frequenziali caratteristiche in funzione della pressione τ all'entrata dell'induttore, per una turbopompa munita di un induttore conforme all'invenzione. Si vede che esiste in modo normale una riga 61 corrispondente alla frequenza di rotazione F0 della macchina, oltre che, per le basse pressioni, una riga subsincrona 62. Si noterà che questa riga subsincrona 62, alla quale corrisponde una cavitazione subsincrona, appare solamente in una zona limitata di basse pressioni, e di conseguenza non apporta i medesimi inconvenienti delle righe supersincrone degli induttori conosciuti.

A titolo di confronto, è stata rappresentata sulle figure 9 e 11, l'evoluzione delle righe frequenziail caratteristiche in funzione della pressione τ all’entrata dell’induttore, da una parte per una turbopompa munita di un induttore conosciuto che presenta un gioco normale, e d'altra parte per una turbopompa munita di un induttore come definito facendo riferimento alle figure da 2 a 5.

Si constata sulla figura 9, a fianco delle righe 53, 54, 56 corrispondenti alla frequenza di rotazione FQ della macchina, e del rumore 55 situato attorno a questa frequenza di rotazione FQ, numerose altre righe corrispondenti a fenomeni di cavitazione rotante che si traducono in apparizione di vibrazioni. Cosi, si osserva una riga supersincrona 57 molto marcata, ad una frequenza Fs che è dell'ordine da 1,1 a 1,2 volte la frequenza di rotazione F0. La riga supersincrona 57 è presente in un campo di pressione di entrata relativamente elevato ed esteso, cosa che in pratica è ancora più di disturbo. Righe 59, 60 appaiono ugualmente sulla figura 11 ad una frequenza doppia della frequenza di rotazione F0.

Altre righe di disturbo 51, 58 corrispondenti ad una combinazione della frequenza di rotazione F0 e della frequenza supersincrona Fs appaiono ugualmente sul diagramma della figura 9. Cosi, la riga 51 corrisponde ad una frequenza uguale a 4(FS - F0). Si rileva ugualmente una riga subsincrona 52.

Sulla figura 11, si nota molto nettamente allo stesso modo una riga supersincrona 77 in un campo di pressione di entrata relativamente elevato ed esteso, a lato di un insieme di altre righe associate da 72 a 76 e da 78 a 80 la cui analisi può avvenire in modo simile a quella delle righe da 52 a 56 e da 58 a 60 della figura 9.

Tramite confronto tra la figura 10 e le figure 9 e 11, si vede come le sorgenti di vibrazione parassita siano ridotte quando si mette in opera una geometria di carter secondo l'invenzione.

Se si considera peraltro la curva ψ = f(τ) della figura 7 e che si stabilisce una tale curva da una parte nel caso di una turbopompa munita di un induttore conforme all'invenzione (curva 301) e d’altra parte nel caso di una turbopompa dell'arte anteriore presentante un gioco normale (curva 101) oltre che nel caso di una turbopompa la cui geometria del carter corrisponderebbe a quella delle figure da 2 a 5 (curva 201), si constata che le curve 101 e 201 conservano entrambe la configurazione della curva 1 della figura 6 con, di seguito ad una parte 110, 210 piana un'incavatura 111, 211, poi una gobba 112, 212 che precede una caduta 113, 213, quando si fa diminuire la pressione τ all'entrata dell'induttore.

Al contrario, la curva 301 corrispondente ad un induttore conforme all'invenzione mostra che quando si fa diminuire la pressione τ all'entrata del dell'induttore, la curva presenta un piano 310 che prosegue senza gobbe sino ad un basso valore prima che la curva subisca una diminuzione. Cosi, non esiste più una zona in cui la pendenza dΨ/dτ sia negativa, cosa che rappresenta la garanzia di una migliore stabilità dell'insieme del sistema composto dalla pompa e dalle linee di alimentazione e di mandata. E' dunque la combinazione di una cavità del carter delimitata dalla porzione 127A e che ricopre una parte delle pale 136, e un valore elevato del rapporto J12/J11 che permette di ottenere la sparizione della cavitazione supersincrona su tutta la zona di flusso utile.

Se φ rappresenta il coefficiente di flusso della macchina, si osserva che il fenomeno di cavitazione supersincrona è limitato nel piano (φ/τ)(figura 8).

Così, quando τ ha un valore elevato, non si ha oppure ha poca cavitazione (cosa che corrisponde alla parte a forma piana delle curve delle figure 6 e 7), e se τ presenta un valore sufficientemente prossimo al limite ammissibile da parte dell'induttore, appare una resimmetrizzazione dei differenti canali palettati dell'induttore con una cavitazione fortemente sviluppata che accompagna la caduta imminente di prestazione in sovrappressione dell'induttore (che corrisponde alla parte a perpendicolo delle figure 6 e 7).

Peraltro, se si fa variare i coefficiente di flusso φ della macchina, appare un punto di flusso minimo al di qua del quale la cavitazione supersincrona sparisce. Allo stesso modo, esiste un punto di flusso massimo al di là del quale la capitazione supersincrona sparisce.

Sono stati rappresentati sulla figura 8 diversi campi con riferimento REF e B che corrispondono rispettivamente a una geometria di carter con gioco normale e ad una geometria di carter conforme alla figura 2, con differenti valori per i parametri J1, J2 e di, che sono forniti nella tabella I che segue:

Sulla figura 8, non appare nessun campo corrispondente ad un induttore presentante una geometria di carter conforme all'invenzione (figura 1) con, per esempio, parametri J11 = 0,4 mm; J12 = 6 mm e d11 = 12 mm, dal momento che la riga supersincrona è stata eliminata.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. - Induttore per pompa a grande capacità di aspirazione includente un carter (124) che circonda un rotore di induttore (123) comprendente una pluralità di pale (136) che procurano con il carter (124) un gioco (J11), caratterizzato dal fatto che il gioco (J12) tra la parte periferica delle pale (136) e il carter (124) presenta un valore aumentato superiore al valore di gioco normale (J11), su una zona che si estende contemporaneamente in una prima parte cilindrica (127) della parete interna del carter (124) a monte del rotore di induttore (123) e su una porzione (127A) della parete interna del carter (124) adiacente alla detta prima parte cilindrica (127) e che ricopre una parte a monte del rotore di induttore (123) secondo una distanza (d11) a partire dal bordo di attacco delle pale (136) del rotore di induttore (123), e dal fatto che il rapporto tra il gioco a valore aumentato (J12) e il gioco a valore normale (J11) è superiore a 10. 2. - Induttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il gioco a valore normale presenta un valore compreso tra 0,4% e 1% del raggio della parte periferica delle pale dell 'induttore. 3. - Induttore secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il gioco a valore normale (J11) presenta un valore compreso tra 0,4 e 0,9 min e il gioco a valore aumentato (J12) presenta un valore compreso tra 5 e 10 mm. 4. - Induttore secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che la distanza (d11) di sovrapposizione che si estende lungo l'asse del rotore di induttore (123) a partire dal bordo di attacco delle pale (136) è compresa tra il 15 e il 20% della lunghezza assiale delle pale dell'induttore.