CN205113722U - 用于翼型的非均匀电加热元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于翼型的非均匀电加热元件，其中，根据翼型表面沿弦向的热流密度分布，所述电加热元件分区域布置，不同区域的电加热元件具有不同的电阻值。本实用新型基于翼型表面非均匀的外部热载荷需求针对性的设计非均匀的电加热元件，让各区域的热流密度更加准确，提升了电加热系统的供电经济性。

Description

用于翼型的非均匀电加热元件

技术领域

本实用新型总地属于航空器环境防护设备设计领域，尤其涉及一种用于翼型的非均匀电加热元件。

背景技术

飞机机翼前缘、发动机短舱前缘和尾翼前缘均有防/除冰的潜在需求，目前常用的方式是采用内部通热气进行防/除冰或采用电加热元件进行电热防/除冰。若采用电热防/除冰，目前常用的电加热元件是电阻丝或电加热膜，其通电后发热从而实现防/除冰。

由于机翼/发动机短舱/尾翼的前缘均为大曲率表面(统称为翼型)，因此电加热元件通常被设计为紧贴翼型。如图1所示，防护区10上设置电加热元件11，该电加热元件11与防护区翼型的曲率保持一致，呈“蛇形”设计。此外，电加热元件11通常保持均匀厚度和均匀宽度，以便于设计、加工和安装布置。这种设计简单、易操作，目前应用电热防/除冰的飞机均采用该种方式。在加工工艺和安装水平稳定的条件下，这种设计布置形式将使翼型蒙皮外表面均匀受热，获得均匀的热流密度。

但是，实际上翼型前缘所需的加热热流并非是沿弦向均匀分布的，根据外部热载荷(主要是水滴撞击特性和外部对流换热情况)，通常翼型所需的加热热流总体趋势为前缘部分较大，越往后缘所需越小。换热系数越大的地方，强制对流的冷却效果越好，因此也需要更多的热量。虽然具体的分布情况并非完全取决于对流换热系数，需要综合考虑水滴潜热、显热，但从对流换热这一主要因素而言，翼型表面所需的热流并非均匀分布。

目前电加热元件的常规设计都是对翼型表面进行均匀加热，设计为满足最严酷的区域，即前缘部分的热流密度需求，然而对于后缘来说，则会产生加热能量的浪费。根据工程经验，前缘和后缘所需的热流密度差异可达5倍以上，这将极大的影响电加热装置的经济性。

实用新型内容

因此，本实用新型旨在基于翼型表面非均匀的外部热载荷需求，提出一种非均匀电加热元件设计，根据加热功率分区域布置电加热元件，提升电加热系统的供电经济性。

上述目的通过以下技术方案来实现：

一种用于翼型的非均匀电加热元件，其中，根据翼型表面沿弦向的热流密度(即功率密度)分布，所述电加热元件分区域布置，不同区域的电加热元件具有不同的电阻值。

在某些实施方式中，所述电加热元件为一体式或分体式。

在某些实施方式中，所述电加热元件保持均匀厚度，并在不同区域具有不同的宽度。

在某些实施方式中，所述电加热元件保持均匀厚度，并在不同区域具有不同的长度。

在某些实施方式中，所述电加热元件保持均匀厚度，并在不同区域采用不同的材料，即采用具有不同电阻率的材料。

优选地，所述电加热元件为金属丝或金属膜，涵盖所有可用于电加热的金属材料。

本实用新型基于翼型表面非均匀的外部热载荷需求针对性的设计非均匀的电加热元件，让各区域的热流密度更加准确，提升了电加热系统的供电经济性。当采用一体式电加热元件时，成型简单，减少了连接电源的导线数量，利于减重。当采用分体式电加热元件时，能够对每个区域单独控制，配合控制逻辑将有更多的防/除冰策略，适用范围广。

附图说明

本实用新型的更多特征及优点将通过下面结合附图对优选实施方式的进一步详细说明来更好地理解。附图中：

图1为用于翼型的传统电加热元件的均匀“蛇形”布置的示意图；

图2为根据本实用新型一种实施方式的一体式非均匀电加热元件的示意图；

图3为根据本实用新型一种实施方式的分体式非均匀电加热元件的示意图。

具体实施方式

下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本实用新型的特定方式，而非限制本实用新型的范围。

基于本实用新型的构思，在确定电加热元件的分区域布置时，首先计算翼型表面的外部热载荷，获取沿弦向分布的电加热功率需求，根据该功率需求分布，将电加热元件(金属丝或金属膜)按照功率密度差异进行分区，对于各区域的电阻按照功率需求进行对应设计，并通过改变电加热元件的宽度、长度或材料来实现不同区域的阻值差异。

针对一体式的电加热元件，基于热流密度分布情况将翼型表面按弦向分为n个区域，电加热元件保持厚度均匀，根据热流密度(即功率密度)需求的比例，确定各区域的电阻值比例。具体而言，可按以下方式进行设计：

1)针对所需设计的翼型表面计算其外部热载荷；

2)根据弦向的热载荷情况，得到电加热元件的弦向功率密度；

3)根据功率密度情况将翼型表面按弦向划分为n个区域，依次为1、2...i...n-1、n，以每个区域内的最大功率密度作为其设计功率密度q_n；

4)根据以下电功率公式，基于供电电压U及加热效率η，计算得到每个区域的电阻值R_i；

$q_i={\left(\frac{U}{R_1+R_2+...+R_n}\right)}^2\·R_i\·\mathrm{\η}$

5)根据以下电阻率公式，基于电加热元件的给定材料的电阻率ρ、电加热元件的厚度H，各区域的电阻值Ri，则可以在确定的电加热元件的宽度W的情况下求得电加热元件的长度L，或在确定长度L的情况下求得宽度W；

$R_i=\frac{\mathrm{\ρ}\·L}{W\·H}$

6)将设计方案形成三维数模；

7)采用合理的方式实现电加热元件的制造。

参见图2所示，示出根据一种实施方式的各区域宽度不同的一体式非均匀电加热元件，出于简洁目的，仅以三个区域为例。其中，以前缘区域20中的前缘线23为界，分别在前缘区域20两侧划分出第一后缘区域21和第二后缘区域22。在该实施例中，电加热元件24为一体式，具有连接电源的端部25，在第一后缘区域21和第二后缘区域22上布置的电加热元件的宽度大于布置于前缘区域20内的电加热元件的宽度。在额定供电电压下，前缘区域20上的电加热元件部分具有更高的发热功率，由此提高了前缘区域20的供电效率，同时避免了第一后缘区域21和第二后缘区域22的加热能量的浪费。

针对分体式的电加热元件，基于热流密度分布情况将翼型表面按弦向分为n个区域，电加热元件保持厚度均匀，根据热流密度(即功率密度)需求，逐个确定每个区域的电阻值。具体而言，可按以下方式进行设计：

1)针对所需设计的翼型表面计算其外部热载荷；

2)根据弦向的热载荷情况，得到电加热元件的弦向功率密度；

3)根据功率密度情况将翼型表面按弦向划分为n个区域，依次为1、2...i...n-1、n，以每个区域内的最大功率密度作为其设计功率密度q_n；

4)根据以下电功率公式，基于供电电压U及加热效率η，计算得到每个区域的电阻值R_i；

$q_i=\frac{U^2}{R_i}\·\mathrm{\η}$

5)根据以下电阻率公式，基于电加热元件的厚度H，各区域的电阻值R_i，则可以在电阻率ρ、电加热元件的宽度W和长度L三个变量中，在确定两个变量的情况下求得第三个变量；

$R_i=\frac{\mathrm{\ρ}\·L}{W\·H}$

6)将设计方案形成三维数模；

7)采用合理的方式实现电加热元件的制造。

参见图3所示，示出根据一种实施方式的各区域宽度不同的分体式非均匀电加热元件，出于简洁目的，仅以三个区域为例。其中，以前缘区域30中的前缘线33为界，分别在前缘区域30两侧划分出第一后缘区域31和第二后缘区域32。在该实施例中，电加热元件为分体式，分别在前缘区域30、第一后缘区域31和第二后缘区域32中布置不同的第一电加热元件301、第二电加热元件311、第三电加热元件321，各个电加热元件分别具有连接电源的第一端部302、第二端部312、第三端部322。其中，在第一后缘区域31和第二后缘区域32上布置的第二电加热元件311、第三电加热元件321的宽度大于布置于前缘区域30内的第一电加热元件301的宽度。在额定供电电压下，前缘区域30上的第一电加热元件301具有更高的发热功率，由此提高了前缘区域30的供电效率。

本实用新型的技术内容及技术特点已揭示如上。应当理解的是，附图所示并加以描述的仅为本实用新型的原理，上述实施方式存在许多修改方式，这些方式对相关领域技术人员来说是很明显的。例如，图中示出的各部件的结构形状仅为示例，并不作为对本实用新型的限定，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于翼型的非均匀电加热元件，其特征在于，根据翼型表面沿弦向的热流密度分布，所述电加热元件分区域布置，不同区域的电加热元件具有不同的电阻值。

2.根据权利要求1所述的非均匀电加热元件，其特征在于，所述电加热元件为一体式或分体式。

3.根据权利要求1或2所述的非均匀电加热元件，其特征在于，所述电加热元件保持均匀厚度，并在不同区域具有不同的宽度。

4.根据权利要求1或2所述的非均匀电加热元件，其特征在于，所述电加热元件保持均匀厚度，并在不同区域具有不同的长度。

5.根据权利要求1或2所述的非均匀电加热元件，其特征在于，所述电加热元件保持均匀厚度，并在不同区域采用不同的材料。

6.根据权利要求1所述的非均匀电加热元件，其特征在于，所述电加热元件为金属丝或金属膜。