Sviluppo, implementazione e validazione preliminare di un modello parametrico per il design e l'ottimizzazione di pompe volumetriche elettriche a tripla vite per endoreattori a propellenti liquidi = Development, implementation, and preliminary validation of a parametric model for the design and optimization of electric triple-screw volumetric pumps for liquid propellant rocket engines

L'impiego di turbopompe negli stadi superiori di un lanciatore, o in configurazioni di dimensioni particolarmente ridotte, risulta spesso poco praticabile, soprattutto in presenza di stringenti requisiti di regolazione. Le pompe volumetriche, in particolare quelle a tripla vite, si distinguono come valide candidate per applicazioni in ambito propulsivo. Nel presente elaborato verrà sviluppato un modello analitico parametrico per il design e l'ottimizzazione di una pompa volumetrica a tripla vite, successivamente implementato tramite codice MATLAB e preliminarmente validato. L'obiettivo è superare le limitazioni dovute alla scarsità di riferimenti completi in letteratura e alla limitata accessibilità a conoscenze approfondite, spesso ostacolate dalla natura empirica e proprietaria dello sviluppo industriale di tali macchine. La trattazione affronterà le principali criticità, quali l’usura e i bassi valori di rendimento volumetrico, problemi particolarmente accentuati in presenza di fluidi operativi a bassa viscosità. In una prima fase, verrà condotto uno studio cinematico dei corpi volventi tramite il quale sarà possibile definire le geometrie nello spazio e individuare la linea di contatto per l'analisi degli effetti tribologici dovuti agli strisciamenti intrinseci dell'ingranamento. In parallelo, ci si focalizzerà sulla componente meccanica del modello, con un'analisi delle forze di interazione fluido-rotori e delle forze scambiate tra i rotori stessi. Tale analisi includerà una verifica statica e il calcolo delle forze di attrito, necessario a fornire una stima preliminare del rendimento meccanico, fino ad arrivare all'introduzione dello studio degli effetti dinamici con la determinazione delle prime velocità critiche e delle frequenze torsionali. Nello studio, inoltre, si porterà avanti una valutazione idraulica e fluidodinamica della pompa, esplicata tramite una stima dei rendimenti idraulici e volumetrici attraverso apposite approssimazioni. Infine, verrà presentato un processo di ottimizzazione topologica delle geometrie, per determinare la configurazione ottimale che riduca gli effetti negativi individuati nelle analisi precedenti.