PL237222B1 - Układ chłodzenia powierzchni połączonych ze sobą pod kątem rozwartym - Google Patents

Abstract

Układ chłodzenia zawierający kanał dystrybucyjny, na którym jest co najmniej jedna dysza, charakteryzuje się tym, że dysza (2) jest prostopadła do jednej z powierzchni (3) oraz jest odsunięta od krawędzi (4) łączącej te powierzchnie (3) o odległość z przedziału od połowy do dwukrotności średnicy (D) dyszy (2).

Description

Opis wynalazku

Układ chłodzenia powierzchni połączonych ze sobą pod kątem rozwartym, mający zastosowanie zwłaszcza do chłodzenia elementów obudów turbin niskiego ciśnienia silników lotniczych.

Dotychczas prowadzone badania z zakresu strumieniowych układów dysz podejmują tematykę chłodzenia powierzchni płaskich oraz cylindrycznych. Znajdują one szerokie zastosowanie między innymi w elektronice oraz w chłodzeniu ogniw fotowoltaicznych. W literaturze można znaleźć wiele badań dotyczących chłodzenia powierzchni płaskich oraz cylindrycznych z różnymi parametrami cieplno-przepływowymi. Rozpatrywane są również różne geometrie dysz chłodzących oraz różne odległości pomiędzy dyszami i powierzchnią chłodzoną. Brak jest natomiast wyników badań dotyczących wpływu położenia dysz na wymianę ciepła pomiędzy płynem a powierzchnią chłodzoną złożoną z dwóch płyt.

Między innymi z publikacji artykułu K. Marzec, A. Kucaba-Piętal, Heat transfer characteristic of an impingement cooling system with different nozzle geometry, Journal of Physics: Conference Series, Volume 530, conference 1, 2014 znane są układy chłodzenia turbin silników lotniczych zawierające dysze rozmieszczone na kanale dystrybucyjnym o jednakowym kształcie geometrycznym. W publikacji opisano dysze o różnym kształcie, które mogą zostać zastosowane w takim układzie.

Z publikacji europejskiego opisu wynalazku EP 2551562 A2 znane jest stosowanie dysz o różnych kształtach geometrycznych do chłodzenia uszczelnień w lotniczych silnikach turbinowych.

Z publikacji polskiego opisu wynalazku P.416449 znany jest układ chłodzenia turbin silników lotniczych zawierający zestaw dysz kierujących strumień płynu na chłodzoną powierzchnię, w skład którego wchodzą dysze o zróżnicowanym kształcie geometrycznym.

Na pos. I przedstawiono poglądowo kanał dystrybucyjny z rzędem dysz podczas chłodzenia, zaś na pos. II wykres prezentujący wyniki badań dotyczących rozkładu liczby Nusselta dla znanego rozwiązania.

W obudowach turbin niskiego ciśnienia silników lotniczych występują obszary, w których dwie powierzchnie są względem siebie pochylone pod kątem rozwartym. Znane jest chłodzenie takich obszarów za pomocą kanału dystrybucyjnego z rzędem dysz ustawionych bezpośrednio nad krawędzią styku tych powierzchni.

Zastosowanie znanych ze stanu techniki rozwiązań do chłodzenia elementu złożonego z dwóch powierzchni pochylonych względem siebie pod kątem rozwartym nie zapewnia wystarczającej wartości stosunku szybkości wymiany ciepła w wyniku konwekcji do szybkości wymiany ciepła w wyniku przewodnictwa cieplnego, wyrażanego przez liczbę Nusselta.

Układ chłodzenia powierzchni połączonych ze sobą pod kątem rozwartym, zawierający kanał dystrybucyjny, na którym jest co najmniej jedna dysza, przy czym rozwarcie kąta połączenia ze sobą powierzchni jest zmierzone od strony przeciwnej względem tej po której umiejscowiony jest kanał dystrybucyjny z dyszą, znamienny tym, że kanał dystrybucyjny z dyszą jest umiejscowiony od strony wypukłej krawędzi łączącej te dwie powierzchnie, a ponadto dysza jest prostopadła do jednej z powierzchni oraz jest skierowana na tą powierzchnię względem, której jest prostopadła, przy czym dysza jest odsunięta od krawędzi łączącej te powierzchnie o odległość z przedziału od połowy do dwukrotności średnicy wewnętrznej dyszy.

Korzystnie, że średnica wewnętrzna dyszy układu wynosi od 0,5 mm do 2 mm.

Dalsze korzyści uzyskiwane są, jeśli średnica wewnętrzna kanału dystrybucyjnego wynosi od 5 do 20 mm.

Kolejne korzyści uzyskiwane są, jeśli odległość odsunięcia dyszy układu od krawędzi jest równa jednej średnicy dyszy.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku możliwe jest uzyskanie wysokiej efektywności wymiany cieplnej - wyrażanej przez rozkład liczby Nusselta - pomiędzy płynem a powierzchnią chłodzoną. Wynalazek zapewnia wysokie wartości liczby Nusselta wzdłuż chłodzonej powierzchni. W wyniku przeprowadzonych badań, w których zmierzona została liczba Nusselta, podczas chłodzenia powierzchni, nieoczekiwanie okazało się, że przesunięcie dysz względem krawędzi styku pochylonych względem siebie powierzchni o odległość wynoszącą od połowy do dwukrotności średnicy dyszy powoduje znaczny wzrost liczby Nusselta w stosunku do położenia dysz bezpośrednio nad krawędzią styku powierzchni. Średnia wartość liczby Nusselta dla dysz położonych bezpośrednio nad krawędzią wynosiła 15,59, w przypadku przesunięcia dysz o odległość równą trzykrotności średnicy dyszy, liczba ta wynosiła 18,48, czterokrotności 18,08, a w przypadku przesunięcia dyszy o odległość równą pięciokrotności średnicy dyszy, liczba ta wynosiła 17,44.

PL 237 222 Β1

Powyższe wyniki wskazują na znaczący wzrost wydajności układu chłodzenia według wynalazku w stosunku do znanych ze stanu techniki rozwiązań.

Układ chłodzenia powierzchni połączonych ze sobą pod kątem rozwartym, według wynalazku w przykładzie wykonania został pokazany na rysunku, na którym, fig. 1 przedstawia wykres prezentujący wyniki badań dotyczących rozkładu liczby Nusselta dla wynalazku w pierwszym wariancie wykonania, fig. 2 - wykres prezentujący wyniki badań dotyczących rozkładu liczby Nusselta dla wynalazku w drugim wariancie wykonania, fig. 3 - wykres prezentujący wyniki badań dotyczących rozkładu wynalazku w trzecim wariancie wykonania, fig. 4, 5 i 6 - dla porównania wyniki badań odpowiednio dla rozwiązań, w których dysze są odsunięte od krawędzi o trzykrotność, czterokrotność oraz pięciokrotność średnicy dyszy.

Układ chłodzenia powierzchni według wynalazku w pierwszym przykładzie wykonania ma kanał dystrybucyjny 1 o średnicy wewnętrznej Dt równej 15 mm, na którym jest wykonany rząd dziesięciu dysz 2 cylindrycznych o średnicy wewnętrznej D równej 1 mm. Dysze 2 rozmieszczone są w rzędzie prostopadle do jednej z dwóch powierzchni 3 oraz są skierowane na tą powierzchnię względem której są prostopadłe. Powierzchnie 3 są względem siebie pod kątem β=163°, zmierzonym od strony przeciwnej względem tej po której umiejscowiony jest kanał 1 z dyszami 2, tak że ten kanał 1 jest od strony krawędzi wypukłej łączącej te powierzchnie. Dysze 2 są przesunięte względem krawędzi 4 łączącej dwie powierzchnie 3 o odległość równą połowie średnicy dyszy D. Dla układu zmierzono rozkład liczby Nusselta w odległości z przedziału od -6 do 6 mm od krawędzi 4 podczas chłodzenia powierzchni 3 strumieniem płynu 5. Średni rozkład liczby Nsselta wyniósł Nu = 20,00 natomiast dla powierzchni 3 nad którą znajdowały się dysze 2 wartość ta wyniosła Nu = 20,57 a dla powierzchni 2 po drugiej stronie krawędzi 4 wyniosła Nu =19,43.

W drugim przykładzie wykonania dysze 2 są przesunięte względem krawędzi 4 o odległość równą jednej średnicy dyszy D. Dla układu zmierzono rozkład liczby Nusselta w odległości z przedziału od -6 do 6 mm od krawędzi 4 podczas chłodzenia powierzchni 3 strumieniem płynu 5. Średni rozkład liczby Nsselta wyniósł Nu = 20,49 natomiast dla powierzchni 3 nad którą znajdowały się dysze 2 wartość ta wyniosła Nu = 21,16 a dla powierzchni 3 po drugiej stronie krawędzi 4 wyniosła Nu = 19,82. W pozostałym zakresie wykonanie układu jest jak w przykładzie pierwszym.

W trzecim przykładzie wykonania dysze 2 są przesunięte względem krawędzi 4 o odległość równą dwukrotności średnicę dyszy D. Dla układu zmierzono rozkład liczby Nusselta w odległości z przedziału od -6 do 6 mm od krawędzi 4 podczas chłodzenia powierzchni 3 strumieniem płynu 5. Średni rozkład liczby Nsselta wyniósł Nu = 19,95 natomiast dla powierzchni 3 nad którą znajdowały się dysze 2 wartość ta wyniosła Nu = 20,65 a dla powierzchni po drugiej stronie krawędzi 4 wyniosła Nu =19,24. W pozostałym zakresie wykonanie jest jak w przykładzie pierwszym.

Wykaz oznaczeń

- kanał

- dysze

- powierzchnia

- krawędź

- strumień płynu

D - średnica wewnętrzna dyszy

Dt - średnica wewnętrzna kanału

Claims (4)

1. Układ chłodzenia powierzchni połączonych ze sobą pod kątem rozwartym, zawierający kanał dystrybucyjny, na którym jest co najmniej jedna dysza, przy czym rozwarcie kąta połączenia ze sobą powierzchni jest zmierzone od strony przeciwnej względem tej po której umiejscowiony jest kanał dystrybucyjny z dyszą, znamienny tym, że kanał dystrybucyjny (1) z dyszą (2) jest umiejscowiony od strony wypukłej krawędzi łączącej te dwie powierzchnie, a ponadto dysza (2) jest prostopadła do jednej z powierzchni (3) oraz jest skierowana na tą powierzchnię (3) względem, której jest prostopadła, przy czym dysza jest odsunięta od krawędzi (4) łączącej

PL 237 222 Β1 te powierzchnie (3) o odległość z przedziału od połowy do dwukrotności średnicy (D) wewnętrznej dyszy (2).

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że średnica (D) wewnętrzna dyszy (2) wynosi od 0,5 mm do 2 mm.

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że średnica (Dt) wewnętrzna kanału (1) dystrybucyjnego wynosi od 5 do 20 mm.

4. Układ według jednego z zastrz. od 1 do 3, znamienny tym, że odległość odsunięcia dyszy (2) od krawędzi (4) jest równa jednej średnicy (D) dyszy (2).