PL237222B1

PL237222B1 - Cooling system for surfaces connected to each other at an obtuse angle

Info

Publication number: PL237222B1
Application number: PL428152A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Marzec; Anna Kucaba-Piętal
Original assignee: Politechnika Rzeszowska Im Ignacego Lukasiewicza
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2021-03-22
Also published as: PL428152A1

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).A cooling system comprising a distribution channel having at least one nozzle, characterized in that the nozzle (2) is perpendicular to one of the surfaces (3) and is offset from the edge (4) connecting these surfaces (3) by a distance in the range of one half to twice the diameter (D) of the nozzle (2).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Układ chłodzenia powierzchni połączonych ze sobą pod kątem rozwartym, mający zastosowanie zwłaszcza do chłodzenia elementów obudów turbin niskiego ciśnienia silników lotniczych.Cooling system for surfaces connected to each other at an obtuse angle, especially applicable for cooling elements of low pressure turbine casings in aircraft engines.

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.The research conducted so far in the field of jet nozzle systems has taken up the subject of cooling of flat and cylindrical surfaces. They are widely used, among others, in electronics and in the cooling of photovoltaic cells. In the literature, you can find many studies on cooling flat and cylindrical surfaces with different thermal-flow parameters. Different geometries of cooling nozzles and different distances between the nozzles and the cooled surface are also considered. However, there are no research results concerning the influence of the nozzle position on the heat exchange between the fluid and the cooled surface composed of two plates.

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.Among others, from the publication of the article by 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, there are known cooling systems for aircraft engine turbines containing nozzles arranged on a distribution channel of the same geometric shape. Various shaped nozzles are described in the publication that can be used with such an arrangement.

Z publikacji europejskiego opisu wynalazku EP 2551562 A2 znane jest stosowanie dysz o różnych kształtach geometrycznych do chłodzenia uszczelnień w lotniczych silnikach turbinowych.It is known from EP 2551562 A2 to use nozzles of different geometrical shapes for cooling seals in aviation turbine engines.

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.From the publication of the Polish description of the invention, P.416449, a cooling system for aircraft engine turbines is known, which includes a set of nozzles directing the fluid stream onto the cooled surface, including nozzles of various geometric shapes.

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.In fig. 1 shows a distribution channel with a row of nozzles during cooling, while in Fig. II graph presenting the results of research on the distribution of the Nusselt number for the known solution.

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.In the low pressure turbine casings of aero-engines there are areas where the two surfaces are inclined at an obtuse angle to each other. It is known to cool such areas by means of a distribution channel with a row of nozzles positioned directly over the contact edge of these surfaces.

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.The use of the prior art solutions for cooling an element composed of two obtuse inclined surfaces does not provide a sufficient ratio of the heat transfer rate due to convection to the heat transfer rate due to thermal conductivity, expressed by the Nusselt number.

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.A cooling system for surfaces interconnected at an obtuse angle, comprising a distribution channel on which there is at least one nozzle, the gap of the angle of engagement of the surfaces being measured from the side opposite to that on which the distribution channel with the nozzle is located, characterized in that the distribution channel with the nozzle is located on the side of the convex edge joining these two surfaces, and moreover, the nozzle is perpendicular to one of the surfaces and is directed to the surface in relation to which it is perpendicular, the nozzle being moved away from the edge joining these two surfaces by a distance of half to twice the inside diameter of the nozzle.

Korzystnie, że średnica wewnętrzna dyszy układu wynosi od 0,5 mm do 2 mm.Preferably, the inside diameter of the system nozzle is 0.5mm to 2mm.

Dalsze korzyści uzyskiwane są, jeśli średnica wewnętrzna kanału dystrybucyjnego wynosi od 5 do 20 mm.Further advantages are obtained if the inner diameter of the distribution channel is between 5 and 20 mm.

Kolejne korzyści uzyskiwane są, jeśli odległość odsunięcia dyszy układu od krawędzi jest równa jednej średnicy dyszy.Further advantages are obtained if the distance from the edge of the system nozzle to the edge is one nozzle diameter.

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.Thanks to the solution according to the invention, it is possible to obtain a high efficiency of heat exchange - expressed by the distribution of the Nusselt number - between the fluid and the cooled surface. The invention provides high values for the Nusselt number along the cooled surface. As a result of the conducted tests, in which the Nusselt number was measured, during surface cooling, it was unexpectedly found that shifting the nozzles in relation to the contact edges of the inclined surfaces by a distance from half to twice the diameter of the nozzle causes a significant increase in the Nusselt number in relation to the location of the nozzles directly over the edge where the surfaces meet. The average value of the Nusselt number for the nozzles directly above the edge was 15.59, in the case of shifting the nozzles by a distance equal to three times the diameter of the nozzle, the number was 18.48, four times 18.08, and in the case of shifting the nozzle by a distance equal to five times the diameter of the nozzle, the number this was 17.44.

PL 237 222 Β1PL 237 222 Β1

Powyższe wyniki wskazują na znaczący wzrost wydajności układu chłodzenia według wynalazku w stosunku do znanych ze stanu techniki rozwiązań.The above results show a significant increase in the efficiency of the cooling system according to the invention as compared to the solutions known in the art.

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.The cooling system of surfaces connected to each other at an obtuse angle according to the invention in an exemplary embodiment is shown in the drawing, in which, Fig. 1 shows a graph showing the results of the research on the Nusselt number distribution for the invention in the first embodiment, Fig. 2 - a graph showing the test results on the Nusselt number distribution for the invention in the second embodiment, Fig. 3 - graph showing the results of the research on the inventive distribution in the third embodiment, Fig. 4, 5 and 6 - for comparison, the test results for solutions in which the nozzles are offset from the edge by three, four and five times the diameter of the nozzle.

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.The surface cooling system according to the invention, in the first embodiment, has a distribution channel 1 with an internal diameter Dt equal to 15 mm, on which there is made a row of ten cylindrical nozzles 2 with an internal diameter D equal to 1 mm. The nozzles 2 are arranged in a row perpendicular to one of the two surfaces 3 and are directed to the surface towards which they are perpendicular. The surfaces 3 are at an angle β = 163 ° to each other, measured from the side opposite to that on which the channel 1 with the nozzles 2 is located, such that the channel 1 is on the side of the convex edge joining these surfaces. The nozzles 2 are offset from the edge 4 connecting the two surfaces 3 by a distance equal to half the diameter of the nozzle D. For the system, the Nusselt number distribution was measured at a distance ranging from -6 to 6 mm from the edge 4 while cooling the surface 3 with a fluid jet 5. Average Nsselt number distribution was Nu = 20.00 while for the area 3 above which the nozzles 2 were located, the value was Nu = 20.57 and for the area 2 on the other side of the edge 4 it was 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.In the second embodiment, the nozzles 2 are offset from the edge 4 by a distance equal to one nozzle diameter D. For the system, the Nusselt number distribution was measured at a distance ranging from -6 to 6 mm from the edge 4 while cooling the surface 3 with a fluid jet 5. Average Nsselt number distribution was Nu = 20.49, while for the area 3 above which the nozzles 2 were located, the value was Nu = 21.16 and for the area 3 on the other side of the edge 4 it was Nu = 19.82. The rest of the design is as in the first example.

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.In the third embodiment, the nozzles 2 are offset from the edge 4 by a distance equal to twice the diameter of the nozzle D. For the system, the Nusselt number distribution was measured at a distance ranging from -6 to 6 mm from the edge 4 while cooling the surface 3 with a fluid jet 5. Average Nsselt number distribution was Nu = 19.95, while for the area 3 above which the nozzles 2 were located, the value was Nu = 20.65 and for the area on the other side of the edge 4 it was Nu = 19.24. For the rest, the execution is as in the first example.

Wykaz oznaczeńList of designations

- kanał- channel

- dysze- nozzles

- powierzchnia- area

- krawędź- edge

- strumień płynu- fluid stream

D - średnica wewnętrzna dyszyD - inside diameter of the nozzle

Dt - średnica wewnętrzna kanałuDt - inner diameter of the channel

Claims

A cooling system for surfaces connected at an obtuse angle, comprising a distribution channel on which there is at least one nozzle, the gap of the angle of connection of the surfaces being measured from the side opposite to that on which the distribution channel with the nozzle is located, characterized by that the distribution channel (1) with the nozzle (2) is located on the side of the convex edge joining the two surfaces, and furthermore the nozzle (2) is perpendicular to one of the surfaces (3) and is directed towards the surface (3) with respect to which it is perpendicular with the nozzle spaced from the connecting edge (4)

PL 237 222 Β1 these surfaces (3) by a distance ranging from half to twice the diameter (D) of the inner nozzle (2).

2. The system according to claim The method of claim 1, characterized in that the inner diameter (D) of the nozzle (2) is 0.5 mm to 2 mm.

3. The system according to p. The method of claim 1, characterized in that the inside diameter (Dt) of the distribution channel (1) is 5 to 20 mm.

System according to one of the claims characterized in that the distance of the nozzle (2) from the edge (4) is equal to one diameter (D) of the nozzle (2).