Instabilità cavitanti nelle turbopompe a propellente liquido: dinamica del Tip Leakage Vortex nell'induttore e tecniche di controllo

In modern liquid-propellant aerospace propulsion systems, thrust generation requires the injection of fluids, often cryogenic, into the combustion chamber at extremely high pressures. This task is entrusted to the turbopump feed system, which, by processing large mass flows at extreme rotational speeds, is highly susceptible to cavitation. This phenomenon represents a potentially destructive critical issue, capable of compromising the performance and structural integrity of the entire launch vehicle. This thesis provides a critical review of the latest scientific literature regarding cavitation dynamics in axial inducers, the components of the pumping system most vulnerable to this risk. The study aims to deeply analyze the impact of Tip Clearance and the consequent Tip Leakage Vortex (TLV) on the onset and evolution of the system's most critical cavitating instabilities, focusing particularly on phenomena such as rotating cavitation and cavitation breakdown induced by the blockage effect. Finally, the work analyzes and compares the main design solutions intended to suppress these instabilities and mitigate tip leakage. Several methodologies are investigated: passive control techniques based on surface roughness optimization, stator casing treatments for vortex entrapment (such as J-grooves).

Nei moderni sistemi propulsivi aerospaziali a propellente liquido, la generazione della spinta richiede l'immissione di fluidi, spesso criogenici, in camera di combustione a pressioni estremamente elevate. Tale compito è affidato al sistema di alimentazione a turbopompa, il quale, elaborando grandi portate a regimi di rotazione estremi, risulta fortemente soggetto al fenomeno della cavitazione. Questa dinamica rappresenta una criticità potenzialmente distruttiva, in grado di compromettere le prestazioni e l'integrità dell'intero veicolo di lancio. Il presente elaborato propone una rassegna critica della letteratura scientifica più recente riguardante la dinamica della cavitazione negli induttori assiali, i componenti del sistema di pompaggio maggiormente esposti a tale rischio. Lo studio si prefigge di analizzare in dettaglio l'impatto del gioco di estremità (Tip Clearance) e del conseguente vortice di trafilamento (Tip Leakage Vortex - TLV) sulla genesi e sull'evoluzione delle instabilità cavitanti più critiche per il sistema, con particolare attenzione a fenomeni quali la rotating cavitation e il cavitation breakdown indotto dall'effetto di blocco (blockage). Infine, il lavoro analizza e confronta le principali soluzioni progettuali atte a sopprimere le instabilità e mitigare il trafilamento. Vengono indagate diverse metodologie: tecniche di controllo passivo basate sull'ottimizzazione della rugosità superficiale, trattamenti statorici al carter per l'intrappolamento del vortice (quali J-grooves).