石墨加热元件、石墨加热器及设计方法技术

本发明专利技术提供一种石墨加热元件、石墨加热器及设计方法，该石墨加热器包含n层石墨加热元件层(n≥1)，所述的n层石墨加热元件层构成轴对称的棱台结构，其中，每一层石墨加热元件层由若干个等腰梯形的石墨加热元件在周向上构成轴对称的封闭结构，构成每一层石墨加热元件层的石墨加热元件的底边组成正多边形，且各层正多边形的边数一致，每个正多边形的外接圆平行且同轴，第i+1层的石墨加热元件层的上表面与第i层石墨加热元件层的正多边形底面共面且形状相同，i＝1,2,…n。本发明专利技术通过将石墨加热元件设计成等腰梯形结构，不仅能够有效的减少元件的规格和数量，互换性强、安装便利；而且对于不同尺寸的回转体或类似回转体结构，有一定的通用性、减少试验费用开支。

【技术实现步骤摘要】
石墨加热元件、石墨加热器及设计方法
本专利技术属于飞行器结构热试验的
，涉及一种石墨加热元件、石墨加热器及设计方法，具体涉及一种用于回转体或类似于回转体的试验件的石墨加热元件、石墨加热器及设计方法。
技术介绍
随着飞行器飞行的马赫数越来越高，相应的气动加热问题亦越来越严重，其局部最高温度为1400℃以上，瞬时热流密度可达1.2MW/m2以上，这对传统式地面环境结构热试验提出了更高的技术要求。在传统的石英灯加热温度只能达到1200℃～1300℃的情况下，石墨因其加热温度高、强度好、热导性能良等优点更多的被用作结构热试验中的辐射加热元件；但相较于技术非常成熟的石英灯加热，石墨的起步较晚，石墨加热器的设计方法更多的只能参照石英灯加热器。为有效的保障辐射加热效果的实现性，结构热试验中的石英灯、石墨等加热器均采用依照试验件外形的随行设计方法。目前，石墨加热器的核心部件石墨加热元件通常参照石英灯，被设计成U型、S型、波形等棒状结构。当被加热试验件为常规的方形、圆形时，棒状结构石墨加热元件构成的石墨加热器能够很好的实现辐射加热效果；但当试验件为回转体或类似于回转体结构时，例如圆锥形结构，此种棒状结构的石墨加热器不仅会造成所需元件的规格和数量众多、生产加工周期长、费用高，而且元件两端的机械连接空间小、操作繁琐、安装过程易发生折断。
技术实现思路
在下文中给出关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。为解决上述问题，本专利技术提出一种石石墨加热元件、石墨加热器及设计方法，本专利技术提供的石墨加热器、设计方法及所用石墨加热元件尤其适用于回转体或类似于回转体试验件的结构热试验。本专利技术的技术解决方案：一方面，本专利技术提供一种石墨加热器，该石墨加热器包含n层石墨加热元件层(n≥1)，所述的n层石墨加热元件层构成轴对称的棱台结构，其中，每一层石墨加热元件层由若干个等腰梯形的石墨加热元件在周向上构成轴对称的封闭结构，构成每一层石墨加热元件层的石墨加热元件的底边组成正多边形，且各层正多边形的边数一致，每个正多边形的外接圆平行且同轴，第i+1层的石墨加热元件层的上表面与第i层石墨加热元件层的正多边形底面共面且形状相同，i＝1,2,…n。进一步的，所述的石墨加热元件层的轴截面底角θ相同；进一步的，所述的石墨加热元件层的轴截面底角θ的确定如下：根据试验件尺寸以及其加热距离要求，设计一圆锥，该圆锥与试验件之间满足：1)该圆锥可将所述的试验件包裹在其内部，且2)该圆锥的高度和轴截面底角满足试验件加热距离的要求；因此，可以确定出该圆锥的高度和轴截面底角；令该轴截面底角即为所述的θ；进一步的，所述每层石墨加热元件层中，各石墨加热元件均相同。进一步的，所述每层石墨加热元件层中，石墨加热元件元件的数量均相同，且不少于3个；进一步的，所述的石墨加热器还包括水冷电极、反射板和支架，其中，在石墨加热元件布局的基础上，所述水冷电极、反射板和支架围绕该布局进行设计。进一步的，所述多个石墨加热元件中，任一个石墨加热元件的上下两端均加工有电极，并均水冷电极连接，然后两者整体装配在水冷反射板上，所述的水冷的反射板安装在所述支架上。另一方面，本专利技术还提供一种石墨加热器的设计方法，其包括石墨加热元件的布局设计，通过以下步骤实现：步骤1、基于试验件设计一圆锥，根据试验件尺寸以及其加热距离要求，设计一圆锥，该圆锥与试验件之间满足：1)该圆锥可将所述的试验件包裹在其内部，且2)该圆锥高度和轴截面底角满足试验件加热距离的要求；因此，可以确定出该圆锥的高度和轴截面底角；该步骤可根据本领域公知技术以及实际需求进行；步骤2、石墨加热元件的布局，基于步骤1所得圆锥，进行石墨加热元件的布局，其中，所述的石墨加热元件布局为n层石墨加热元件层(n≥1)，所述的n层石墨加热元件层构成轴对称的棱台结构，其中，每一层石墨加热元件层由若干个等腰梯形的石墨加热元件在周向上构成轴对称的封闭结构，构成每一层石墨加热元件层的石墨加热元件的底边组成正多边形，且各层正多边形的边数一致，每个正多边形的外接圆平行且同轴，第i+1层的石墨加热元件层的上表面与第i层石墨加热元件层的正多边形底面共面且形状相同，i＝1,2,…n；而且，令：n层石墨加热元件层的轴截面底角为所述圆锥的轴截面底角；每个正多边形的外接圆与所述圆锥的横截面(垂直于圆锥的轴的面)共面；石墨加热元件层中最后一层的正多边形的外接圆为所述圆锥的底面；具体布局方法如下：2.1确定石墨加热元件层的层数，该层数的确定原则为：1)、所述层数不少于1层，且2)、所述层数不少于试验件上加热温区的数目；2.2确定石墨加热元件层的各层层高，可根据试验件的具体温区划分需求进行取值；2.3，确定每层石墨加热元件层中的石墨加热元件的数量，每层石墨加热元件层的石墨加热元件数相等，且不少于3个；2.4，确定各个等腰梯形的石墨加热元件的其余边长及高。进一步的，各个等腰梯形的石墨加热元件的其余边长及高由以下公式获取：R外＝a/2sin(π/m)(1)h＝Hs/inθ(2)l＝a-2h·tan(π/m)(3)式中，R外—外接圆半径；a—正多边形边长，亦为等腰梯形的下底长；m—正多边形边数；h—等腰梯形的高；H—等腰梯形对应排列层的层高，根据结构热试验中试验件的具体温区划分需求进行取值；l—等腰梯形的上底长。最后，本专利技术还提供一种石墨加热元件，所述的石墨加热元件的外形为等腰梯形结构。本专利技术相比于现有技术的有益效果：基于现有的石墨加热元件通常被设计成U型、S型、波形等棒状结构，当试验件为回转体或类似回转体结构时，此种棒状结构构成的石墨加热器不仅会造成所需元件的规格和数量众多、生产加工周期长、费用高，而且元件两端的机械连接空间小、操作繁琐、安装过程易发生折断；本专利技术通过将石墨加热元件设计成等腰梯形结构，不仅能够有效的减少元件的规格和数量，互换性强、安装便利；而且对于不同尺寸的回转体或类似回转体结构，有一定的通用性、减少试验费用开支。此外，本专利技术针对石墨加热器中的多个等腰梯形的石墨加热元件进行布局，有效保证了辐射效果，且连接简便，安装过程中不易发生破坏，本专利技术提供的石墨加热器、设计方法及所用石墨加热元件尤其适用于回转体或类似于回转体试验件的结构热试验，解决了该类试验件不易甚至难以进行符合均匀加热需求的结构热试验的难题，且本专利技术的设计方法和结构具有普适性，应用范围广，具有很大的应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是根据本专利技术具体实施例提供的一种石墨加热器的结构示意图；图2是根据本专利技术具体实施例提供的石墨加热器中石墨加热元件的布局示意图；图3是图2的俯视图；图4是根据本专利技术具体实施例提供的一种石墨加热元件的结构示意图；所述附图中：1石墨加热元件，2水冷反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨加热器，其特征在于：该石墨加热器包含n层石墨加热元件层(n≥1)，所述的n层石墨加热元件层构成轴对称的棱台结构，其中，每一层石墨加热元件层由若干个等腰梯形的石墨加热元件在周向上构成轴对称的封闭结构，构成每一层石墨加热元件层的石墨加热元件的底边组成正多边形，且各层正多边形的边数一致，每个正多边形的外接圆平行且同轴，第i+1层的石墨加热元件层的上表面与第i层石墨加热元件层的正多边形底面共面且形状相同，i＝1,2,…n。

【技术特征摘要】
1.一种石墨加热器，其特征在于：该石墨加热器包含n层石墨加热元件层(n≥1)，所述的n层石墨加热元件层构成轴对称的棱台结构，其中，每一层石墨加热元件层由若干个等腰梯形的石墨加热元件在周向上构成轴对称的封闭结构，构成每一层石墨加热元件层的石墨加热元件的底边组成正多边形，且各层正多边形的边数一致，每个正多边形的外接圆平行且同轴，第i+1层的石墨加热元件层的上表面与第i层石墨加热元件层的正多边形底面共面且形状相同，i＝1,2,…n。2.根据权利要求1所述的一种石墨加热器，其特征在于，所述的石墨加热元件层的轴截面底角θ相同。3.根据权利要求2所述的一种石墨加热器，其特征在于，所述的石墨加热元件层的轴截面底角θ相同时；所述的轴截面底角θ的确定如下：根据试验件尺寸以及其加热距离要求，设计一圆锥，该圆锥与试验件之间满足：1)该圆锥可将所述的试验件包裹在其内部，且2)该圆锥的高度和轴截面底角满足试验件加热距离的要求；因此，可以确定出该圆锥的高度和轴截面底角；令该轴截面底角即为所述的θ。4.根据权利要求1-3所述的一种石墨加热器，其特征在于，所述n层石墨加热元件层中，各层中的石墨加热元件均相同。5.根据权利要求1-4所述的一种石墨加热器，其特征在于，所述n层石墨加热元件层中，石墨加热元件元件的数量均相同，且不少于3个。6.根据权利要求1-5所述的一种用于结构热试验的石墨加热元件，其特征在于：所述的石墨加热器还包括水冷电极、反射板和支架，其中，在石墨加热元件布局的基础上，所述水冷电极、反射板和支架围绕该布局进行设计。7.根据权利要求6所述的一种用于结构热试验的石墨加热元件，其特征在于：所述多个石墨加热元件中，任一个石墨加热元件的上下两端均加工有电极，并均水冷电极连接，然后两者整体装配在水冷反射板上，所述的水冷的反射板安装在所述支架上。8.一种石墨加热器的设计方法，其包括石墨加热元件的布局设计，其特征在于，通过以下步骤实现：步骤1、基于试验件设计一圆锥，根据试验件尺寸以及其加热距离要求，设计一圆锥，该圆锥与试验件之间满...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨群，严超，
申请(专利权)人：北京机电工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11