High performance waterjets: study of an innovative scoop inlet and development of a novel method to design ducted propellers.

In the last decades the diffusion of waterjet systems for commercial applications in the high speed field is on the increase. These marine propulsors show remarkable qualities in terms of fuel consumption, noise, vibrations and manoeuvrability but they have some disadvantages which make their use optimal only for a limited speed range and which limit the overall propulsive efficiency. In the present document is described a way to modify a conventional waterjet with the aim of reducing these problems, increasing the overall efficiency. Many problems are dealt with. In chapter 3 it is shown how the substitution of a conventional flush inlet with a new scoop inlet could be an efficient way to minimise the total pressure losses and the non-uniformity velocity distribution upstream the pump, limiting in this way the influence of the boundary layer ingestion on the machine performance. In chapter 4 a novel method to study and design axial pumps is developed and explained. In chapter 5 a rim driven propeller is designed and tested numerically and experimentally demonstrating the good prediction capabilities of the method.

Il documento riassume il progetto di dottorato sugli idrogetti ad alte prestazioni condotto dall'autore nel periodo che va dal 2012 al 2014. Durante il triennio sono stati affrontati due filoni principali di ricerca riguardo questi propulsori, focalizzandosi in particolare sullo studio dell'imbocco e del sistema pompante. Un idrogetto è una propulsore navale che riesce a produrre una forza propulsiva accelerando una massa d'acqua; durante questo processo la massa d'acqua, originariamente presente libera nell'ambiente marino o fluviale, attraversa quattro diversi componenti: l'imbocco, il sistema pompante, l'ugello e il sistema sterzante. Ogni componente possiede una sua funzionalità ma in generale massimizzando l'efficienza di questi componenti è possibile osservare un generico aumento delle prestazioni complessive. Il lavoro qui presentato si è focalizzato sullo studio dell'imbocco e del sistema pompante; volendo essere di carattere innovativo, le configurazioni e le idee qui presentate rappresentano delle alternative costruttive o metodologiche sostanzialmente differenti dalla comune prassi industriale. Lo studio dell'imbocco ha avuto come linea guida il confronto tra un imbocco commerciale di stampo tradizionale (i cosiddetti imbocchi flush) e un imbocco dinamico di derivazione aeronautica (imbocchi scoop). Lo studio, oltre a rappresentare forse l'unico caso in letteratura di studio specifico su imbocchi dinamici, mette in luce le criticità dell'imbocco tradizionale mostrando una via alternativa alla prassi industriale. Lo studio analizza le performance in termini di perdite di pressione totali e fattore di distorsione di questi due imbocchi, con e senza la presenza dell'albero di trasmissione, attraverso diverse analisi CFD. Interessante è la derivazione aeronautica dell'imbocco dinamico preso “in prestito” da studi NASA riguardanti un imbocco per un aereo sperimentale caratterizzato da importanti spessori dello strato limite. Lo studio dimostrerà, per il caso in analisi, la superiorità dell'imbocco dinamico rispetto a quello tradizionale nei termini di paragone sopra descritti, dimostrando la necessità di affrontare con critico approfondimento lo studio degli imbocchi sugli idrogetti in ambito industriale, rimettendo in discussione molti dogmi dati per scontati nella realtà industriale ma in verità mai dimostrati nella letteratura scientifica. Lo studio dell'apparato pompante è stato affrontato in due fasi, la prima squisitamente teorica , la seconda di carattere sperimentale. La fase teorica ha visto la definizione di un nuovo metodo per la progettazione di un apparato pompante assiale. Il metodo, che è stato successivamente implementato in un programma Matlab e validato, è un metodo di carattere generale frutto della combinazione di diversi metodi analitici già utilizzati in letteratura ma in maniera concettualmente differente; anche se sviluppato originariamente per una pompa di un idrogetto, è stato pensato per avere una validità generale e può essere utilizzato per lo studio di una qualsiasi pompa assiale intubata. Il metodo rappresenta una combinazione di un metodo BEM (Blade Element Momentum) con due teorie analitiche per il calcolo dei coefficienti di portanza e resistenza dei profili alari (Weinig e Lieblein) e dell'equazione di Eulero per le turbomacchine. Il metodo risultante è un metodo fortemente iterativo che permette di calcolare la geometria di una pompa assiale intubata e le sue prestazioni anche fuori dal punto di progetto senza la necessità di utilizzare fattori empirici di discutibile attendibilità; esso si dimostra quindi un metodo innovativo e flessibile per lo studio completo di un generico propulsore intubato. Il metodo è stato implementato e testato sia numericamente che sperimentalmente grazie alla collaborazione della “University of Southampton” e della ditta “TSL Technology” su un propulsore elettrico attuato in periferia. Il propulsore in questione fa parte di una classe di propulsori di nuova concezione meglio conosciuti come RDP (Rim Driven Propeller) che fra le varie caratteristiche hanno quella di abbandonare la necessità di un albero per la trasmissione della coppia motrice con la conseguente assenza delle perdite dovute alla presenza dell'albero immerso nel flusso dell'acqua. La realizzazione sperimentale di questo propulsore, oltre ad aver sensibilmente migliorato l'efficienza del propulsore rispetto a quelli sviluppati in passato dalla ditta coinvolta, ha dimostrato l'attendibilità del modello analitico sviluppato.