CN101780697A - 具有一体式加热的模具及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有一体式加热的模具及其制造方法。具体而言，提供了制造模具的方法以及通过该方法制造的模具。模具通过以下方式制造：提供具有预定形状的支承结构；在支承结构上施加热分配层；在热分配层上施加加热元件网状物；在加热元件网状物上施加至少一层玻璃成分层；将树脂成分施加到加热元件网状物和至少一层玻璃成分层中的各者上；以及使热分配层、加热元件网状物、至少一层玻璃成分层和树脂成分形成为一体，以便形成模具单元。
Description
技术领域
本发明主要涉及风力涡轮机叶片的模具，且具体地涉及玻璃增强的、可容许热膨胀的、用电加热的模具的制备方法。
背景技术
近年来，关于全球变暖及燃料排放物的有害影响的担忧产生了对更清洁及可持续的能源(例如风能)的新需求。风力涡轮机作为对环境安全及相对廉价的替代能源已经越来越受到关注。随着对这种关注的日益增长，人们对发展可靠和高效的风力涡轮机做出了相当大的努力。
风力涡轮机利用风的动能并将该动能转变成电能。因此，电力可以几乎无污染的方式产生。为了发电，风力涡轮机通常包括转子，转子支承从转子上沿径向延伸的多个叶片。这些叶片捕获风的动能，继而导致发电机的传动轴和转子做旋转运动。由这种风力发电系统产生的能量的多少取决于风力涡轮机捕获风的能力，且继而取决于转子叶片的物理参数和结构参数。
通常需要的是，对风力涡轮机的叶片设计和制造保持良好的质量控制标准。各个转子叶片是该转子叶片在其中进行铸造的模具的镜像。因此，设计和制造这些模具所依据的技术对于成品叶片的质量至关重要。一旦铸造，则叶片型面必须根据尺寸和质量规范，并在连续的铸造件之间具有极其有限的变动。另外，对于工艺过程(包括在铸造过程中的快速吞吐时间)也有严格要求。
为了提高在转子叶片生产中的效率和速度，要求对模铸过程本身进行更大程度的控制。模具需要装配加热器件，以便使转子叶片的成分尤其是环氧树脂固化。在叶片制造中使用的环氧树脂的固化率很大程度上取决于温度。树脂的固化温度可高达大约130℃。对模具加热的另一项有益之处在于使环氧树脂系统后固化的能力。后固化是这样一种工艺过程，即通过该工艺过程，固化的产品在较高的温度下保持一段时间，以便通过释放应力提高产品的机械性能。一个示范性的后固化工艺过程是在大约65℃至大约70℃的温度下保持长达大约12小时的时间段。该温度应当在大约±3℃的误差范围内可控。
因此，需要一种模具及制造模具的方法，该模具可提供稳健的加热解决方案，而并不降低模具本身的效率或耐用性，同时实现高质量的模制产品(如以上所讨论的风力叶片)所需的可重复性及可复制性。
发明内容
总体而言，本发明提供了转子叶片模具及制造该模具的方法，该模具具有与模具的其它零件一起的一体式加热以及可容许的热膨胀。
本发明的一方面在于制造模具的方法。模具通过以下方式制造：提供具有预定形状的支承结构；在支承结构上施加热分配层；在热分配层上施加加热元件网状物(network)；在所述加热元件网状物上施加至少一层玻璃成分层；对各加热元件网状物和至少一层玻璃成分层施加树脂成分；以及使热分配层、加热元件网状物、至少一层玻璃成分层以及树脂成分形成一体，以便形成模具单元。
本发明的另一方面在于模具本体。模具本体包括：热分配层；至少一层加热元件网状物层；布置在至少一层加热元件网状物层上的至少一层玻璃成分层，其中，该至少一层加热元件网状物层和该至少一层玻璃成分层由固化的树脂包封。
本发明的又一方面在于制造模具的方法。该模具通过以下方式制造：提供具有预定形状的支承结构；为支承结构施加热分配层；至少一层碳织物层；在至少一层碳织物层上施加至少一层玻璃纤维层；对至少一层碳织物层和至少一层玻璃纤维层中的各者施加树脂；以及使热分配层、碳织物、玻璃纤维层和树脂形成为一体，以便形成模具单元。
附图说明
当参照附图阅读以下详细说明时，将会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，全部附图中相同的标号代表相同的零件，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的制备中的模具的截面图。
图2是根据本发明的一个实施例的已完成模具的一部分的俯视图。
图3是梭织(woven)网状物的实例。
图4是编织(braided)网状物的实例。
图5是针织网状物的实例。
零件清单
10模具单元
12支承结构
14型塞的外表面
16加热元件网状物
18玻璃成分层
20表面隔离层
22树脂成分
40表面隔离
42热分配层
44电源
46连接至电源的金属或合金线
具体实施方式
如以下详细讨论，本发明的实施例包括制造转子叶片模具的方法及模具本身。
本发明的模具可用于完整的叶片或相应叶片的一定部分，或者备选地用于要求与风力涡轮机的叶片类似的结构或表面特性的产品(例如快艇等)。相应而言，模具可以为不同的形状、尺寸，并取决于使用这些模具进行制造的叶片或叶片的部分而具有不同的机构和多个零件。因此，形成模具及模具的构件的更详细的细节将有所变化。仅有特定的特征和工艺过程在本文中进行描述，这些特征和工艺过程对于理解本发明是必需的。
图1是根据本发明的一个实施例构造的模具10的示意图。制造新的叶片模具10从设计包括型塞(plug)(具有所需叶片或叶片零件的精确外部形状的全比例模型)的支承结构12开始。型塞用作制造相应的转子叶片模具的凹模(negative mould)。支承结构12可以为任何材料，例如金属、合金、环氧树脂、木材、任何复合材料或其任意组合。支承结构12制造为使得邻近模具10的型塞表面14具有适当的表面特征，以保证当与支承结构12分开时模具10也将具有适当的内表面40(图2)特性，通常为光滑的表面，当随后使用模具10铸造时，该特性又决定了叶片的表面特性。
加热元件网状物16布置在支承结构12的型塞的表面14上。在本发明的一个实施例中，加热元件网状物16包括碳。在模具表面40(图2)上需要均匀地加热而没有显著变化，并且应当完全地防护以免过热。为了横越模具内表面40达到均匀的温度，热分配层42通常布置在型塞表面14上，由此从模具表面40覆盖加热元件网状物16的表面。热分配层42通过散射自加热元件网状物16所引导的热而提供适当的散热，由此当铸造叶片零件时防止对其局部加热(除非需要)。通过防止加热元件网状物16暴露到环境中及遭受任何其它可能的直接机械裂纹或裂缝，热分配层42还用作加热元件网状物16的保护层。热分配层42可以是玻璃纤维、玻璃成分和树脂的混合物或这些成分的任意组合的薄层。在一个实施例中，热分配层可在施加加热元件网状物16之前布置在支承结构12的型塞的表面14(图1)上。在另一个实施例中，热分配层42在模具从型塞中移出之后布置在模具的表面40上。在一个具体的实施例中，热分配层以玻璃喷漆(glass painting)的形式施加。
加热元件网状物16可以不同的形状提供，例如长纤维、梭织织物(图3)、编织网状物(图4)、针织网状物(图5)，或这些形状的任意组合。尽管不同的加热元件材料提供了独特的结构特性和电特性，但诸如梭织、编织或针织网状物的形式具有更大程度的交联性，并且不会因为局部失效而不起作用。
在加热元件网状物16(图1)上布置有至少一层玻璃成分层18。玻璃成分是模具本体的主要部分，并且以层或叠层的形式施加。玻璃成分为模具本体提供强度和刚度，并且还保证对加热元件网状物16的无氧环境。玻璃成分层18还是模具本体的主要的负荷承载零件。玻璃成分层18可采用纤维、一组纤维、织物、叠层或编织物的形式或这些形式的任意组合。
树脂成分22施加到玻璃成分层18上。树脂成分渗入玻璃成分层18和加热元件网状物16，以便形成包封的模具本体10。树脂22可初始以粘性形式施加且随后固化，以变成坚硬层。在一个实施例中，树脂22通过施加热而固化。在一个具体的实施例中，经由加热元件网状物16所供送的热使树脂22固化。在一个实施例中，热反射层20也用于模具10的外表面附近，以便改进热管理和提高热效率。热反射层20将热反射回模具本体中，且由此提高模具10的热效率。
然后，具有形成一体的热分配层42、加热元件网状物16、玻璃成分层18、热反射层20以及树脂成分22的模具10在不影响模具的表面特性的情况下与支承结构12分离。分离可通过在特定的温度下以机械方式使模具倒置而实现。在一个实施例中，模具从型塞上移出之后具有非常光滑的表面40(图2)。在另一个实施例中，通过施加适当材料如玻璃或树脂的涂层，可给予模具内表面光滑的光洁度。
当由电源44供电时，加热元件网状物16(图2)通过电阻加热而变热。加热元件网状物16可用任何适当的方式连接至电源44，例如包括通过焊接或钎焊而附接适当的金属或合金线46。焊接或钎焊的材料并不受限，并且可为任何传统的金属或合金材料。适当材料的实例包括铜、银、钼、钨和类似的金属及其合金。在一个实施例中，在加热元件网状物16施加到支承结构12上之前，将金属或合金线46附接至加热元件网状物16上。
在模具10(图2)中，热分配层42、加热元件网状物16、玻璃成分层18以及树脂成分22相互接触，并在铸造、固化和后固化转子叶片时一起作用。因此，在叶片(或产品)制造的所有阶段，在这些构件之间具有物理和化学相容性非常重要。加热元件、玻璃和树脂不应当在操作条件下彼此起化学反应，以保证不在模具中形成有害的化学化合物(其将会降低模具的效率和寿命)。模具构件的一项重要的物理特性为热膨胀。通常，这些构件的热膨胀、尤其是加热元件和玻璃成分的热膨胀彼此相差很大，并且这些构件在循环加热过程中的不均匀膨胀可在模具本体中导致裂纹，并降低其使用寿命。因此，重要的是使加热元件网状物和玻璃成分或通过化学变化或通过结构变化与这些构件中的一者或两者相匹配。本发明的一些方面涉及这些问题。
本发明的另一方面通过以下方式提供模具10(图1)以及制造模具10的方法：提供具有预定形状的支承结构12；对支承结构施加热分配层42；施加至少一层碳加热网状物层16；在至少一层碳加热网状物层16上施加至少一层玻璃网状物层18；对所述至少一层碳加热网状物层16和至少一层玻璃网状物层18中的各者施加树脂22；以及使热分配层42、碳网状物层16、玻璃网状物层18和树脂22形成为一体，以便形成模具单元10。在一个具体的实施例中，碳加热网状物层16以针织织物的形式使用，并且针织的碳加热网状物层16通过焊接或钎焊的金属或合金线46而连结到电源44上。可选的是，散热的表面隔离层20可增加到模具10的外表面上，以便将热反射回模具10中。
碳可生成为宽广范围的电导率。碳还具有优良的机械特性，允许其对于不同的电阻率应用而采用不同的厚度和长度。用于本发明的该实施例的碳材料并不受限于分子结构，并且可例如为石墨碳、无定形碳或具有处于石墨碳与无定形碳之间的中间结晶结构的碳。
石墨形式的碳具有很大程度的各向异性的热膨胀。从室温加热时，沿着其六角晶体结构的c-方向存在有膨胀，而沿着基面方向存在有收缩。大多数碳纤维通常呈现出优选的基面取向，且因此将在横向方向上沿其c-轴线取向。因此，对于具有石墨形式的碳纤维而言，沿着横向方向的热膨胀将比沿着轴向方向的热膨胀更大。碳的这种特性使碳加热元件网状物的周围部分经历极大程度的各向异性的热膨胀。因此，需要对碳加热元件网状物进行结构变更，以降低其热膨胀的各向异性。
在本发明中使用的碳材料并不受限于形状，并且可例如为碳纤维、碳纤维布、编织的碳或针织碳网状物的形式。这些碳网状物可以单独使用，或者以组合的方式使用。这些组合还可以用来在模具的不同部分提供差温加热。可选的是，碳加热元件可具有覆盖物，以防止碳的氧化变化，或者对碳加热元件网状物16提供物理稳健性。只要可达到预期的加热结果，在本发明中所用碳的纤维直径并不受限。然而，在一个实施例中，碳纤维的直径从大约3μm至大约9μm。
本发明的一个实施例在于提供纤维集(collection)形式的加热元件网状物16。纤维在保持其交联性的同时可分散在玻璃成分中，使得纤维单独的热膨胀与周围的玻璃成分相适应，由此经受相结合的较大的热膨胀差异。
本发明的一个实施例在于提供梭织织物形式的加热元件网状物16。梭织物可以为二维(2-D)或三维(3-D)。图3显示了简单的2-D梭织织物的实例。2-D梭织织物显示出良好的平面内(in-plane)特性。这种2-D梭织织物易于制备，因为可利用高度自动化的初加工制造方法。另外，这种2-D梭织织物可提供良好的布质性能，由此克服模具结构形成过程中层构造的刚度。梭织织物还适合于大面积的覆盖，且因此尤其适合于转子叶片模具的加热元件，因为模具通常在尺寸上较大，并且长度可达大约50-60米，宽度可达大约3-4米。3-D梭织织物可以受限的梭织形状形成，并显示出合理的平面内特性及平面外特性。在3-D物理特性如3-D延展性和热膨胀较重要的情况下，这一点尤其有用。以梭织织物的形式布置加热元件可为加热元件16的膨胀提供空间，由此限制对玻璃成分18的影响。在一个实施例中，梭织织物以波状的形式布置。波状可降低织物的刚性，且使其更适应在模具中发生的机械和热膨胀的变化。
本发明的另一个实施例为编织形式的加热元件网状物16。在编织形式中，单独的纱线通常以不同于0°和90°的角度交织。在任何一个时刻，部分纱线如在图4中所示沿着正方向行进，而其它部分沿着负方向行进。对于±45°的编织角度，交织为一半用于平织，这意味着可减少起皱，并且使纱线更有利于复合的平移强度。编织织物的结构使其沿着轴向方向和径向方向高度可变形。编织物的肋结构通常具有非同寻常的高度弹性，并且尤其适合于适应加热元件的热膨胀。在一个实施例中，加热元件网状物16的编织形式包括一些波状部分。
本发明的又一个实施例为针织形式的加热元件网状物16(图5)。针织织物的有利之处在于其具有延展性，在涉及适应热膨胀的情况下，这一点是一项重要的考虑因素。还有，针织织物更坚固并且能够更好地耐受结构磨损。针织织物可以为纬编型或经编型，并且还可为2-D的针织形式或3-D的针织形式。图5显示了简单的2-D纬编的针织织物的实例。针织形式的加热元件16可以按任何要求均匀地施加热，并且甚至比梭织或编织的形式更能适应热膨胀。
一旦形成，则模具单元10(图2)便可随后用于制造风力涡轮叶片或其零件(或其它产品)。在模具上铸造叶片时，模具内部光滑的表面40将接收叶片成分。在模具10中铸造之后，加热元件网状物16主要用来固化所形成的叶片结构。加热元件网状物16通常通过焊接或钎焊的金属或合金线46而连接至外部电源44。借助于热分配层，加热元件网状物16通常能够在制造过程中根据要求提供受控并且分散的热输出，以便使模铸的物体如叶片的固化和后固化达到最佳程度。
在前文中描绘的模具单元10仅为了说明目的而描述为具有均匀内部表面的结构。根据使用模具10进行铸造的叶片或叶片零件的结构，模具的内表面40可具有肋状物、梁、刺突等特征，这些特征或在模具本身构造的过程中或在初始的模具形成之后通过连接而一体地形成到模具结构中。
尽管为说明目的而对典型实施例进行了阐述，但以上描述不应视为对本发明范围的限制。相应而言，本领域的技术人员可想到多种变更、改进和备选方案，而并不背离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种制造模具的方法，包括：
提供具有预定形状的支承结构；
在所述支承结构上施加热分配层；
在所述热分配层上施加加热元件网状物；
在所述加热元件网状物上施加至少一层玻璃成分层；
将树脂成分施加到所述加热元件网状物和所述至少一层玻璃成分层中的各者上；以及
使所述热分配层、所述加热元件网状物、所述至少一层玻璃成分层以及所述树脂成分形成为一体，以便形成模具单元。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热元件网状物包括碳。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热元件网状物包括梭织织物、编织形式或针织形式的任意组合。
4.一种模具本体，包括：
热分配层；
布置在所述热分配层上的至少一层加热元件网状物层；
布置在所述至少一层加热元件网状物层上的至少一层玻璃成分层，其中，所述热分配层、所述至少一层加热元件网状物和所述至少一层玻璃成分层由固化的树脂所包封。
5.根据权利要求4所述的模具本体，其特征在于，所述模具本体还包括联接至所述至少一层加热元件网状物层上的电连接件。
6.根据权利要求4所述的模具本体，其特征在于，电源线通过合金连接至所述加热元件网状物上。
7.根据权利要求4所述的模具本体，其特征在于，所述加热元件网状物包括梭织织物、编织形式或针织形式的任意组合。
8.根据权利要求4所述的模具本体，其特征在于，所述加热元件网状物层包括波状部。
9.一种制造模具的方法，包括：
提供具有预定形状的支承结构；
在所述支承结构上施加热分配层；
在所述热分配层上施加至少一层碳网状物层；
在所述至少一层碳网状物层上施加至少一层玻璃网状物层；
将树脂施加到所述至少一层碳网状物层和所述至少一层玻璃网状物层中的各者上；以及
使所述热分配层、碳网状物层、玻璃网状物层和所述树脂形成为一体，以便形成模具单元。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述碳网状物包括梭织织物、编织形式的碳或针织形式的碳的任意组合。
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