An experimental investigation on the flow mechanisms causing performance breakdown in cavitating axial turbomachines

Cavitation degrades the performance of pumps, eventually leading to complete performance breakdown. Identifying the mechanisms causing breakdown has been a long-standing challenge. In this Thesis the cavitation breakdown process in a waterjet pump is studied using high-speed imaging (9.6 kHz) and pressure fluctuation measurements in the optically refractive index matched facility at the Johns Hopkins University. It involves interactions of a cavitating tip leakage vortex with the trailing edge of attached cavitation on the rotor blade, specifically, entrainment of the vortical cloud cavitation by the tip vortex. As the pressure is decreased, the blade suction side sheet cavitation extends further downstream. When the tail of sheet cavitation extends to the region where the rotor blades overlap, the entrained sheet cavitation vorticity forms a vortex with axis aligned perpendicularly to the blade, and extending over the entire passage. Decreasing the pressure increases the size of this vortex and generates several parallel structures. The process causes a sharp drop in the pressure difference across the blade tip, i.e. the blade loading (performance) diminishes. Examination of previously published images of cavitation in rocket inducers suggests that this phenomenon occurs in other axial turbomachines as well.

La cavitazione danneggia le prestazione delle pompe, fino a causarne il complete degrado. Ampi studi sono stati effettuati per identificare le cause di tale crollo delle prestazioni, tutt’oggi sono un problema difficile da spiegare e chiarire. In questa Tesi il processo di degrado delle prestazioni dovuto alla cavitazione in una pompa assiale è studiato utilizzando acquisizione di immagini ad elevata risoluzione (9.6 kHz) e misure dell’oscillazione della pressione nella struttura avente indice di rifrazione combinato a quello del fluido pompato alla Johns Hopkins University. Ciò coinvolge l’interazione di un vortice di trafilamento all’apice della pala cavitante con la parte terminale della cavitazione a lamina sulla pala rotorica, nello specifico, l’interazione della cloud cavitation con il vortice all’apice della pala. Diminuendo la pressione la cavitazione a lamina presente sul lato in suzione della pala si estende verso valle. Quando la parte terminale della cavitazione a lamina si estende fino alla regione dove le pale rotoriche si sovrappongono, le vorticità create dall’interazione con il vortice di trafilamento si allineano perpendicolarmente alla pala e si estendono per tutto il passaggio rotorico. Diminuendo ulteriormente la pressione, la dimensione di tali vorticità aumenta e si generano numerose vorticità parallele. Questo processo causa un netto crollo del gradiente di pressione tra lato in pressione e suzione all’ apice della pala, cioè il carico sulle pale e quindi le prestazioni, diminuisce. Esaminando immagini della cavitazione in turbopompe per missili precedentemente pubblicate si è osservato che questo fenomeno avviene anche in altre turbomacchine assiali.