CN112672836A - 带有导热凸缘的模具 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成风力涡轮机叶片的凸缘的模具，其包括第一凸缘部分和垂直的第二凸缘部分，所述第一凸缘部分包括多个层片并且呈大致平面状的形状，所述第二凸缘部分包括多个层片。多根铜丝设置在层片内，用于将热量从基部部分经过第一凸缘部分和第二凸缘部分传递。模具没有流体导管，且凸缘部分能够相对于基部部分移动。

Description

带有导热凸缘的模具
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年3月21日提交的美国临时申请No.62/646,185根据35USC 119的优先权，其全部内容通过引用合并于本文。
技术领域
所公开的主题涉及一种用于模制成形复合材料的***。特别地，本公开的主题针对一种制造包括碳和/或玻璃纤维的复合材料例如风力涡轮机叶片的模具和相应方法。
背景技术
已知多种用于形成和成形风力涡轮机叶片的方法和***。通常需要提供热量来辅助进行这种叶片的成形和轮廓加工。常规的风力涡轮机叶片模具包括用于输送加热/冷却介质——通常是水——的流体导管或管道。
在以下公开文献中提供了常规模具和技术的示例，其各自通过引用整体并入本文：美国专利9,463,583、8,108,982、8,899,546、4,105,184、5,260,014、5,358,211、5,437,547、6,264,877、6,040,362、8,202,458、8,337,192号；以及美国专利申请公开20060027314、20060249872、20070102837、20110221093、20130113141、20140333009、20140345789、20160158970、20160185092和US20160193752号。
通常认为这样的常规方法和***满足于它们的预期目的。然而，近来，需要一种无需使用复杂的流体加热/冷却***即可提供对复合部件的受控加热的模具。
本发明公开的主题提供了一种针对用于形成例如风力涡轮机的复合材料的凸缘的模具的新式创新型解决方案，其中模具形成有导热体，以将热量传递到整个凸缘部分。
发明内容
所公开的主题的目的和优点将在下面的描述中阐明并从中变得明显，并且将通过实践所公开的主题来了解。通过在书面描述及其权利要求中以及从附图中特别指出的方法和***，将实现并获得所公开的主题的其他优点。
为了实现这些和其他优点、并且根据所公开的主题的目的，如具体实施和广义描述的，所公开的主题包括用于形成风力涡轮机叶片的凸缘的模具，该模具包括：第一凸缘部分，该第一凸缘部分包括多个层片；第二凸缘部分，该第二凸缘部分包括多个层片且连接到第一凸缘部分；导热体，该导热体设置在第二凸缘部分的至少一部分内；基部部分，该基部部分中设置有加热元件；并且其中，导热体构造成使热量传递经过第一凸缘部分和第二凸缘部分。
在一些实施方式中，第二凸缘一体地连接到第一凸缘部分并垂直于第一凸缘部分设置。
在一些实施方式中，第一凸缘部分和第二凸缘部分以及基部部分没有流体导管。
在一些实施方式中，导热体设置在第一凸缘部分的至少一部分内，并且具有大于层片材料的导热系数。
在一些实施方式中，导热体包括至少一个金属箔片和/或多根均匀间隔的铜丝。
在一些实施方式中，导热体沿着第二凸缘部分的整个长度延伸。
在一些实施方式中，加热元件包括至少一根铜丝。
在一些实施方式中，加热元件设置在距基部部分的表面约三英寸的距离内
在一些实施方式中，导热体设置在距第二凸缘部分的表面约三英寸的距离内。
在一些实施方式中，基部部分能够相对于第一凸缘部分和第二凸缘部分中的至少一者移动。
在一些实施方式中，第一凸缘部分或第二凸缘部分能够相对于基部部分移动。
在一些实施方式中，在第一凸缘部分和第二凸缘部分的层片之间交织有多个导热体。
根据本公开的另一方面，一种形成风力涡轮机叶片的一部分的方法包括：提供具有第一凸缘部分的模具，使该第一部分包括多个层片并且呈大致平面状的形状；提供包括多个层片的第二凸缘部分，该第二凸缘部分呈大致平面状的形状并且连接到第一凸缘部分；提供设置在第二凸缘部分的至少一部分内的导热体；提供基部部分，使该基部部分中设置有加热元件；启动基部部分中的加热元件；使热量从加热元件传递经过第一凸缘部分和第二凸缘部分；以及将复合材料放置成与基部部分和第二凸缘部分中的至少一者接触。
在一些实施方式中，移动基部部分而使其至少部分地接触第一凸缘部分。
在一些实施方式中，加热导热体以沿着第二凸缘部分提供均匀的温度。
应当理解，前面的总体描述和下面的详细描述都是示例性的，并且旨在提供所要求保护的公开主题的进一步说明。
包括有包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图以示出并提供对所公开主题的方法和***的进一步理解。与描述一起，附图用于解释所公开的主题的原理。
附图说明
参照以下简要描述的附图，提供了本文所描述的主题的各个方面、特征和实施方式的详细描述。附图是说明性的，并且不一定按比例绘制，为了清楚起见，放大了一些部件和特征。附图示出了本主题的各个方面和特征，并且可以全部或部分地示出本主题的一个或多个实施方式或示例。
图1是用于形成风力涡轮机叶片的凸缘的常规模具的示意图。
图2是根据所公开的主题的在凸缘部分内具有导热体的模具的示意图。
图3是根据所公开的主题的注入过程之后的模具的视图，其中导热体结合在模具外表面下方。
图4是根据所公开的主题的模具的视图，其中导热体在凸缘层压期间添加到叶片的叠层中。
图5是根据所公开的主题的具有可移除的凸缘的模具的示意性截面图。
具体实施方式
现在将详细参考所公开主题的示例性实施方式，其示例在附图中示出。将结合对***的详细描述来描述所公开主题的方法和相应步骤。
本文提出的方法和***可以用于模制成形复合材料。所公开的主题特别适合于制造包括碳和/或玻璃纤维的复合材料，例如制造风力涡轮机叶片。
制造复合材料所采用的模具包含各种轮廓，以使复合材料成形，确保所需的几何形状，并同时处理复合材料，特别是用于固化其中所包含的基质形成物。例如，将纤维材料在纤维复合构造的区域中添加到模具，然后例如在真空注入过程中用树脂浸渍，并通过热暴露进行固化。还可以通过使用预浸渍材料(预浸料)来促成涉及浸渍的制造步骤。
为了向待制造的复合材料或以树脂浸渍的纤维材料施加或引入足够的热量，模具结合有加热装置，该加热装置可以将其中复合材料或基质形成物的容器加热到足以进行固化的目的。然而，大表面模具在以既要确保模具中热量的充分均匀分布、又要确保模具的所需(一个或多个)部分达到目标温度的快速响应时间的方式选择加热装置的几何形状方面可能具有挑战。
与风力涡轮机叶片构造相关地采用的模具有时设置有加热装置，该加热装置集成到模具中作为用于引导加热流体的加热通道。这样的加热装置典型地被永久性地层压到包含玻璃纤维层或碳纤维层的模具中，在不破坏复合材料的情况下不能在其中进行去除、重新定位或重新布置。更糟糕的是，这种常规的加热装置经常在用于使复合材料成形的表面部分上产生不希望的局部热量最大值，这导致热量不均匀地散发到要成形和固化的复合材料上。该热量最大值会导致正在模具内形成的复合制品中形成不均匀的结构特征(例如，局部翘曲、烧蚀等)。
另外，热量不均匀地散发到复合材料会导致复合材料的某些区域过早固化，而其他区域需要额外的留置时间才能充分固化或稳定。由此，要制造的复合材料的质量和均质性是不足的。用流体加热模具还有其他缺点，这样的加热流体(例如，水)会引起管道腐蚀，从而损坏模具。同样，因为无法实现超过90℃的加热，所以温度范围受到限制，并且流体导管经常需要加压，因此可能面临危险泄漏或***的风险。
根据本公开，通过使用具有两个部分的模具来形成叶片，其中第一部分设计成定位在第二部分上。模具的第一部分可以以蛤壳方式枢转/旋转来与第二部分接合，或者可替代地，可以经由例如具有支撑带的起重机的操纵装置降低进行接合。
在连结两个模具部分之前，两个模具部分处于打开位置，在该打开位置，内壁暴露出(即，面朝上)，使得可以将一层或多层具有由塑料材料的线材或纤维与优选为玻璃纤维的增强线材或纤维的混合物制成的线材的柔性布可以在每个模具部分内放置就位。这样的布可以由聚丙烯纤维或线材与玻璃纤维或线材的混合物制成的线材构成，并且呈编织线材片的形式和/或呈多层的形式。
为了说明和示出而非限制的目的，在附图中示出了根据所公开的主题的***的示例性实施方式。图1描绘了用于形成具有基部部分100和L形凸缘200的风力涡轮机叶片的凸缘的常规模具设计。基部部分100通过金属丝加热，但是L形凸缘200的竖直表面保持相对较凉。因此，常规模具不允许将热量直接且快速地传递到凸缘的竖直部分，因而不能在凸缘形成的过程和期间中提供充分的控制。
有利地，本公开的模具在整个凸缘上提供受控的加热/冷却，并且在一些实施方式中，没有流体导管，从而避免了与液体加热式模具相关联的复杂的***设备。
图2描绘了根据本公开的模具的示例性实施方式，并且总体上由附图标记1000表示。在本文中呈现的各个视图和附图中，可以提供相似的附图标记(由前导数字进行区别)来表示功能上对应但不一定相同的结构。
如图2所示，***1000总体上包括用于形成风力涡轮机叶片的凸缘的模具，该模具具有基部部分100和L形凸缘200。L形凸缘包括第一凸缘部分204和第二凸缘部分202。在示出的示例性实施方式中，第一凸缘部分202与第二凸缘部分204一体地形成，第二凸缘部分204从水平的第一凸缘部分202沿竖直方向垂直地延伸。为了示出而非限制，示例性实施方式包括宽度约为4英寸的具有相等尺寸(即，纵横比＝1)的凸缘部分202、204的凸缘。在其他实施方式中，凸缘204可以形成为具有第一尺寸(例如，4英寸)，而凸缘202具有较大的尺寸(例如，6英寸)。应当理解，当前公开内容不限于任何特定尺寸，并且凸缘的几何形状可以根据需要进行调节以适应任何所需的叶片构造。
模具的基部部分和凸缘部分可以由连结在一起的多个层叠片形成。在一些实施方式中，每层具有均匀的厚度和材料成分，但是可以想到非均匀的构造也在本公开的范围内。而且，相邻的层片可以形成为具有一致的几何形状，或者可替代地，取决于与模具表面的接近度和要形成的复合制品的形状而具有变化的几何形状。可以选择所采用的层片的数量以实现传热元件120、220的期望的绝热量，这将在下面进一步详细描述。
在一些实施方式中，层叠片由纤维增强树脂基质复合材料构成。可以采用本领域中已知的典型用于制造聚合物模具的所有模具材料。树脂基质可以是环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、氰酸酯或混合类型。纤维可以是玻璃、碳、玄武岩、芳族聚酰胺或混合类型。
基部部分100由加热元件120加热，加热元件120可以沿着基部部分的整个表面区域延伸。根据本公开的一个方面，可以采用传热元件120、220来对模具和凸缘进行加热或冷却操作。
在一些实施方式中，(一个或多个)加热元件120可以是金属丝，例如，钢丝、铜丝等，其导热系数大于所采用的模具层片材料。另外，如果需要的话，加热元件可以配置为流体介质，例如水。加热元件120位于与复合制品接合的基部部分的表面附近，以提供快速且有效的热传递。在示例性实施方式中，加热元件120设置在距接合复合制品的基部部分的表面约三英寸的距离内。但是应当理解，可以根据需要调节加热元件在表面附近的位置，以实现目标加热/冷却性能。
凸缘部分202、204可以形成有设置在凸缘的层片之间的导热体220。导热体220使得热量能够从水平的第一部分202向上而远离热源(即，加热元件120)向竖直的第二部分204进行受控且有效的传输，如由图2所示的叠加在凸缘构件上的箭头所指示的。在一些实施方式中，导热体220由金属(例如，铜、钢等)形成，该金属的导热系数大于所采用的周围模具层片材料的导热系数。
另外，导热体220可以成形为具有大致扁平构造的箔片。由于这样的构造允许多个导热体220以邻接的方式彼此相邻定位而消除导热体之间的任何间隙，所以这样的构造是有利的。而且，将导热体220形成为平面状箔片使得在形成模具1000时容易施加上覆的层片。但是，在一些实施方式中，导热体可以形成为具有足以提供所需要量的导热系数的直径或规格的圆金属丝。导热体220可以以均匀间隔的方式设置在凸缘构件的整个表面上。在一些实施方式中，导热体可以形成为多根丝或多个箔层，其以交织的方式嵌入模具层片。
附加地或替代地，导热体220可以构造为由等间隔的导电纤维构成的编织网，例如纱罩，其位于表面下方约9毫米至11毫米处。在一些实施方式中，导热体220可以是其中具有穿孔的基本上连续的片材。在另一些实施方式中，导热体220可以是以均匀或随机取向设置的一束细且柔性的细丝。
在图2至图4中所示的示例性实施方式中，导热体220沿着第一凸缘部分202和第二凸缘部分204的整个长度延伸。这使得能够在沿着第二凸缘部分204的所有部位处直接向所形成的复合制品进行受控且有效的热传递。在一些实施方式中，导热体220可以在一个凸缘部分中相对于另一个凸缘部分以更密集(例如，更靠近)的构造定位。例如，第二凸缘部分204中的导热体220可以比第一凸缘部分202中的导热体装得更密集。这样的构造可以在电流沿凸缘部分204向上流动时补偿固有的散热，并因此在该凸缘部分内提供更一致的温度。
导热体220提供受控的热传递速率，这可以限制所得到的产品的内部应力并限制该产品的收缩和翘曲。因此，这样的控制提高了所得到的产品的整体质量。另外，可以显著减少循环时间以改善由微粒工具1000制造的部件的输出量。
在一些实施方式中，基部部分的加热元件120是唯一被直接加热的元件(即，凸缘200中的导热体220没有在其中被直接施加电流)。附加地或可替代地，凸缘200中的导热体220上可以直接施加有电流以加速传热和凸缘形成。根据需要，导热体220和加热元件120可以具有公共电源或不同电源。利用具有不同电源的多个导热体220的优点在于，即使在制造过程中基部部分中的加热元件120发生故障，凸缘部分200仍保持通过经由导热体220直接施加热而达到所需温度的能力。类似地，将导热体220形成为多个交织构件是有利的，这是因为即使特定的导热体失效或损坏，模具仍能够达到期望的温度。
在操作中，可以通过在基部部分100和凸缘部分200之间施加相对运动来打开和关闭模具。换句话说，基部部分100可以被固定并且凸缘部分200是可移动的，或者当凸缘部分200保持固定时，基部部分100可以是可移动的。附加地或可替代地，基部部分100和凸缘部分200两者可以同时移动。
一旦将要形成为成品的复合材料沉积在模具内，便将加热元件120启动至所需温度。另外，在同时还可以经由施加的电流直接加热导热体220的那些实施方式中，导热体将被启动以达到期望的温度。当凸缘部分200与基部部分100发生接触(或至少接近)时，热量从加热元件120传递到第一凸缘部分202中的导热体220。在第一凸缘部分202中获得的热量进一步从第一凸缘部分202传递到第二凸缘部分204。因此，允许第二凸缘部分204更快地达到期望的温度，并且在凸缘形成循环期间内保持该温度。
在一些实施方式中，使凸缘202或其至少一部分与基部部分100发生直接接触。这样的构造可以增强热传递进而更快地实现目标温度，从而减少循环时间。
根据本公开的另一方面，本文公开的传热***可以***作成在凸缘内提供局部加热/冷却区域。例如，可以将选择的加热元件120和相应的导热体220设置成与沿着凸缘长度的相邻元件/导体相比具有更高的温度。在一些实施方式中，各局部加热/冷却区域可以彼此独立地操作，其中第一区域提供加热应用，而相邻区域同时提供冷却应用。此外，凸缘内的导热体220还可以用作温度计，以提供在凸缘的每个位置处所具有的温度的实时反馈。这允许连续监测叶片的热图，以避免或实现期望的任何特定的热梯度。此外，如果超过任何预选的温度极限，则导热体220可以触发警报。
如图5所示，提供了下模具半部(例如，叶片的压力侧)，该下模具半部具有形成叶片的蒙皮的模具表面500(还提供了用于形成叶片的吸力侧的互补的第二模具半部，该第二模具半部闭合在下模具上，且此后在整个纤维铺层段中汲取树脂)。每个模具半部包括主凸缘(例如，530)，该主凸缘是模具的永久部分。如在图5的放大标注中更详细地示出的，下模具有大致平面状的凸缘530，该凸缘530构造成与可移除凸缘540协力地操作。如上所述，可移除凸缘540包含导热体。在一些实施方式中，如图所示，主凸缘530可以延伸出大于可移除凸缘540的大致横向延伸的部分542的距离，如图5所示。此外，向上延伸的部分544可以形成为相对于横向部分542成非90°的角度，例如成约105°的角度，如图所示。在这样的实施方式中，热凸缘部分544有助于涡轮机叶片的结合凸缘的形成，该结合凸缘具有在另一叶片半部上形成的互补凸缘，并且当两个模具半部闭合时，这两个所形成的凸缘相接合，以提供最终的结合和叶片组件。
在操作中，使可移除凸缘540与主凸缘530发生接合，同时用所需的纤维(例如，玻璃、碳等)和树脂在模具内形成复合结构。另外，导热体被启动以在可移除凸缘542、544中实现期望的温度，这有助于最终产品的结合表面凸缘的形成。一旦形成并且获得了所形成的凸缘的期望温度，就移除可移除凸缘540，使所形成的凸缘不受阻碍并且构造成与在另一模具半部中形成的互补凸缘接合。
根据本公开，可以在上模具(叶片吸力侧)和下模具(叶片压力侧)两者上结合多个可移除的凸缘，以形成互补的凸缘，所述互补的凸缘结合在一起以形成最终的叶片组件。
虽然本文就某些优选实施方式描述了所公开的主题，但是本领域技术人员将认识到，可以在不脱离其范围的情况下对所公开的主题进行各种修改和改进。此外，尽管所公开主题的一个实施方式的单个特征可以在本文中讨论或在一个实施方式的附图中示出，而未在其他实施方式中示出，但是显然，一个实施方式的单个特征可以与另一实施方式的一个或多个特征或多个实施方式中的特征组合。
除了以下要求保护的特定实施方式之外，所公开的主题还针对具有以下要求保护的从属特征和以上所披露的从属特征的任何其他可能组合的其他实施方式。这样，在从属权利要求中提出并在上文中公开的特定特征可以在所公开的主题的范围内以其他方式彼此组合，使得所公开的主题应被理解为还具体针对具有任何其他可能组合的其他实施方式。因此，出于说明和描述的目的，已经给出了所公开的主题的特定实施方式的前述描述。并不旨在穷举或将所公开的主题限制于所公开的那些实施方式。
对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离所公开主题的精神或范围的情况下，可以对所公开主题的方法和***进行各种修改和变化。因此，所公开的主题意在包括在所附权利要求及其等同者的范围内的修改和变化。

Claims (20)

1.一种用于形成风力涡轮机叶片的凸缘的模具，包括：
第一凸缘部分，所述第一凸缘部分包括多个层片；
第二凸缘部分，所述第二凸缘部分包括多个层片并连接到所述第一凸缘部分；
导热体，所述导热体设置在所述第二凸缘部分的至少一部分内；
基部部分，所述基部部分中设置有加热元件；并且
其中，所述导热体构造成使热量传递经过所述第一凸缘部分和所述第二凸缘部分。
2.根据权利要求1所述的模具，其中，所述第二凸缘部分垂直于所述第一凸缘部分设置。
3.根据权利要求1所述的模具，其中，所述第一凸缘部分和所述第二凸缘部分一体地连接。
4.根据权利要求1所述的模具，其中，所述第一凸缘部分和所述第二凸缘部分以及所述基部部分没有流体导管。
5.根据权利要求1所述的模具，其中，所述导热体设置在所述第一凸缘部分的至少一部分内。
6.根据权利要求1所述的模具，其中，所述导热体的导热系数大于所述层片材料的导热系数。
7.根据权利要求1所述的模具，其中，所述导热体包括至少一个金属箔片。
8.根据权利要求7所述的模具，其中，所述导热体包括多根均匀间隔的铜丝。
9.根据权利要求1所述的模具，其中，所述导热体沿着所述第二凸缘部分的整个长度延伸。
10.根据权利要求1所述的模具，其中，所述加热元件包括至少一根铜丝。
11.根据权利要求1所述的模具，其中，所述加热元件设置在距所述基部部分的表面约三英寸的距离内。
12.根据权利要求1所述的模具，其中，所述导热体设置在距所述第二凸缘部分的表面约10毫米的距离内。
13.根据权利要求1所述的模具，其中，所述基部部分能够相对于所述第一凸缘部分和所述第二凸缘部分中的至少一者移动。
14.根据权利要求1所述的模具，其中，所述第一凸缘部分或所述第二凸缘部分能够相对于所述基部部分移动。
15.根据权利要求1所述的模具，其中，在所述第一凸缘部分的所述层片以及所述第二凸缘部分的所述层片之间交织有多个导热体。
16.一种形成风力涡轮机叶片的一部分的方法，包括：
提供具有第一凸缘部分的模具，所述第一凸缘部分包括多个层片并且呈大致平面状的形状；
提供包括多个层片的第二凸缘部分，所述第二凸缘部分呈大致平面状的形状并且连接到所述第一凸缘部分；
提供设置在所述第二凸缘部分的至少一部分内的导热体；
提供基部部分，所述基部部分中设置有加热元件；
启动所述基部部分中的所述加热元件；
使热量从所述加热元件经所述第一凸缘部分和所述第二凸缘部分传递；以及
将复合材料放置成与所述基部部分和所述第二凸缘部分中的至少一者相接触。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括移动所述基部部分而使其至少部分地接触所述第一凸缘部分。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括加热所述导热体，以沿着所述第二凸缘部分提供均匀的温度。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述导热体从所述第一凸缘部分延伸到所述第二凸缘部分。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第二凸缘部分从所述第一凸缘部分垂直地延伸。
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