CN102114681B - 一种兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层及其制作方法，它包括至少一个加热区，每个加热区包括5～15块纳米碳加热薄膜、温控盒、电源和若干铜网；每块纳米碳加热薄膜均上都开设有若干小孔；每块纳米碳加热薄膜均铺设在叶片辅助模具的内结构层上，相邻的纳米碳加热薄膜之间铺设有铜网，每块纳米碳加热薄膜的两端均设置有电极，两电极分别通过电源线连接至温控盒；预埋在纳米碳加热薄膜内的限温线和感温线连接至温控盒；每块纳米碳加热薄膜的电源线并联至温控盒，由温控盒对其所对应的加热区进行温度控制；每个加热区的温控盒均外接电源，各电源并联后连接至主电源线。本发明能保证叶片辅助件在叶片辅助模具中固化时受热均匀。本发明可以广泛应用于风电领域中。

Description

一种兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种加热层及其制作方法，特别是关于一种能对风电叶片辅助件生产提供固化要求温度的兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层及其制作方法。
背景技术
面对日益增长的能耗需求和环保方面的压力，世界各国都在加大新能源的开发。清洁无污染、绿色环保的可再生能源是当今世界能源开发的焦点。风能是可再生能源中最具代表性的一种，它对保护环境和维持生态平衡，以及减少对常规能源依赖和改善能源结构都有重要意义。风能开发的重点是利用风力发电机将风能转换为电能。风力发电机中的叶片又是捕获风能的关键部件，而叶片捕获风能的大小与叶片的外形、长度、面积密切相关。如何制作出重量轻、强度高、大型化的风电叶片是实现风能开发的关键所在。但是，质量轻、强度和刚度高的合格叶片不仅与所选用复合材料有关，还与叶片成型时所选用的模具有关。随着风力发电叶片叶型的演变，叶片已由过去的小叶片、低功率向长叶型、大功率发展。叶片制作所需的模具也逐渐由金属模具向玻璃钢模具演变。由于玻璃钢模具与叶片材料相同，两者的热膨胀系数非常接近，因此由玻璃钢模具制作出的复合材料叶片的尺寸及叶片精度均优于金属模具制作出的叶片。然而，玻璃钢叶片在生产过程中需要一定温度进行固化，所以玻璃钢模具中的加热层的制作对叶片及叶片辅助件的生产是非常必要的。
目前，在叶片辅助件生产工艺中通常采用的加热方式有电加热丝加热和水加热两种。电加热丝加热主要是将加热丝等距离铺设于模具的内结构层与外结构层之间，并由设置在模具外部的控制单元对电加热丝进行温度控制。其特点是：1、升温速度快、加热效率高、温控操作简单。但是，电加热丝在长期使用过程中存在熔断现象。对熔断位置的检测相对困难，对其进行修复时间又很长，这就容易造成模具的闲置，从而严重影响生产的正常进行。2、电加热丝加热控制完全由外部控制单元及相关设备进行控制，一旦控制单元或相关设备出现问题，电加热丝就不能正常工作，会对生产过程中的产品造成破坏。水加热主要是以水作为加热媒介质，通过外部的水加热器及循环泵的工作，媒介质水在模具的加热层的管路中流动，不断将热能传递给模具从而对模具中的产品进行加热。其特点是：1、升温速度比电加热丝加热要缓慢，但是由于水具有较大的比热容，当升温到设定温度时，水加热器会停止工作，此时只要保证循环泵正常工作即能向模具中产品提供固化所需热量。当加热器中的媒介质水温度降低一定程度后，水加热器会开始工作直至达到所设定温度。2、由于水在常压状态下，沸点低于100℃，这就保证了在生产过程中，即使加热系统出现问题，也不会对固化当中的产品造成致命破坏。3、以水作为加热媒介质，长时间使用产生的水垢会对加热管路造成堵塞，进而影响生产的正常进行。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种加热均匀、铺设工艺简单，并且温度测量准确、安全可靠的兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层及其制作方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层，其特征在于：它包括至少一个加热区，每个所述加热区包括5～15块纳米碳加热薄膜、一温控盒、一电源和若干铜网；每块所述纳米碳加热薄膜均按照预先设计的形状加工成型，并且其上都开设有若干均匀分布的小孔；每块所述纳米碳加热薄膜均铺设在所述叶片辅助模具的内结构层上，相邻的所述纳米碳加热薄膜之间铺设有所述铜网，且每块所述纳米碳加热薄膜的两端均设置有一外部采用耐高温绝缘胶布包裹的电极，两所述电极分别通过电源线连接至所述温控盒；预埋在所述纳米碳加热薄膜内的限温线和感温线连接至所述温控盒，每块所述纳米碳加热薄膜的电源线并联后连接至所述温控盒，由所述温控盒对其所对应的所述加热区进行温度控制；每个所述加热区的温控盒均外接所述电源，各所述电源并联后连接至主电源线。
每块所述纳米碳加热薄膜包括一层纳米碳纤维发热体、两层PET薄膜和两层无纺布，所述纳米碳纤维发热体设置在中间部位，两侧由内向外依次设置有所述PET薄膜和无纺布，形成对称夹心结构。
所述兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层位于所述叶片辅助模具的内结构层与外结构层之间，其形状与所述叶片辅助模具的形状相对应设置。
每块所述纳米碳加热薄膜的宽度范围为300～700mm之间；相邻所述加热区之间设置有3～20mm的间隙，所述间隙上铺设1～3层40～100目的所述铜网。
各所述温控盒均采用功率为3～6kw，温控范围为0～200℃的温控盒。
所述纳米碳加热薄膜上的若干小孔的孔径范围为3～10mm、孔间距为10～40mm。
所述限温线和感温线与所述纳米碳加热薄膜的预埋方式为：所述限温线和感温线的探头穿入所述纳米碳加热薄膜的小孔内，且所述限温线与所述感温线的预埋孔间距为10～50mm。
所述电源线采用1～5mm2耐高温导线。
一种制作上述兆瓦级风电叶片辅助模具加热层的制作方法，其包括如下步骤：(1)将每块纳米碳加热薄膜预先裁剪成与叶片辅助模具相对应的形状，进行标记编号，并在每块纳米碳加热薄膜上开设若干小孔；(2)在叶片辅助模具内结构层表面铺设短切毡，并辊涂模具树脂，将各纳米碳加热薄膜铺设在该短切毡上，相邻的纳米碳加热薄膜之间留有间隙；(3)在相邻的纳米碳加热薄膜之间的间隙处铺设1～3层的40～100目铜网；(4)铺设过程中，将限温线和感温线的感温探头分别穿入纳米碳加热薄膜的小孔内，并与纳米碳加热薄膜贴实；(5)采用湿法袋压或真空灌注使纳米碳加热薄膜与叶片辅助模具的内、外结构层紧密贴实，并将预先焊接的电源线及预埋的限温线和感温线装入预先制作的封闭真空袋内；(6)待各块纳米碳加热薄膜与外结构层固化后，将电源线及限温线和感温线从真空袋内取出，将每个加热区的各块纳米碳加热薄膜的电源线并联后连接至该加热区的温控盒内，并将在纳米碳加热薄膜内预埋的限温线及感温线连接于温控盒内；(7)每个温控盒分别连接设置在叶片辅助模具外部的电源，各电源再并联后连接至主电源线。
所述步骤(2)中，所述叶片辅助模具内结构层表面铺设短切毡和纳米碳加热薄膜采用湿法袋压或真空导入方式进行铺设。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用将加热层设置在叶片辅助模具的内结构层与外结构层之间，并根据叶片辅助模具的形状将纳米碳加热薄膜按照所铺设位置的型面宽度预先裁剪，并将每一块纳米碳加热薄膜进行编号，这样可以保证每一块纳米碳加热薄膜与其所铺设的位置一一对应，因此，保证了叶片辅助件在叶片辅助模具当中固化时受热均匀。2、本发明由于采用纳米碳加热薄膜作为叶片辅助模具的热源，为叶片辅助件生产提供固化所需热能。纳米碳加热薄膜铺设于叶片辅助模具的内结构层与外结构层之间。首先在内结构层上铺设一层短切毡并辊涂模具树脂，再将纳米碳加热薄膜铺设其上，并采用湿法袋压或真空灌注使纳米碳加热薄膜与叶片辅助模具面紧密贴实，可使加热薄膜所产生热量更加均匀传递到模具表面。因此，实现了使叶片辅助件达到预期固化的效果。3、本发明由于采用纳米碳加热薄膜作为叶片辅助模具的热源，与选用水加热及加热丝加热方式相比，铺设工艺简单、生产成本低、模具重量轻且节省安装空间、不存在加热丝熔断现象。4、本发明由于采用纳米碳加热薄膜作为叶片辅助模具的热源，无需预热、加热效率高、升温迅速、温度控制简单且安全可靠、温度测量准确。5、本发明由于采用在纳米碳加热薄膜上预先开设有若干均匀分布的小孔，保证了纳米碳加热薄膜与叶片辅助模具内、外结构层及短切毡充分贴合，并通过模具树脂有机的粘合在一起，形成一个具备一定强度的“三明治”夹心结构，从而保证了叶片辅助模具的整体刚性。6、本发明由于采用在纳米碳加热薄膜两端设置有电极，并在电机外部采用耐高温绝缘胶布进行绝缘包裹，最大程度的避免了叶片辅助模具在使用过程中对操作人员由于漏电而造成的电击伤害。并且由于纳米碳加热薄膜中不含电阻丝，即使在使用及施工中不小心划破或者打孔，也不会影响其正常发热，更不会触电。在对电极进行包裹前提下，进一步提高了本发明在使用时的安全可靠性。本发明可以广泛应用于风电领域中。
附图说明
图1是本发明的纳米碳加热薄膜铺设结构示意图；
图2是本发明的纳米碳加热薄膜截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层，位于叶片辅助模具的内结构层与外结构层之间，并根据叶片辅助模具的形状将加热层的纳米碳加热薄膜按照所铺设位置的型面宽度预先裁剪，并将每一块纳米碳加热薄膜进行编号，这样可以保证每一块纳米碳加热薄膜与其所铺设的位置一一对应，保证了大梁及抗剪腹板产品及翻边在叶片辅助模具当中固化时受热均匀。
如图1所示，本发明的加热层包括至少一个加热区，每个加热区包括5～15块纳米碳加热薄膜1、一个温控盒2、一个电源3和若干铜网(图中未示出)。每块纳米碳加热薄膜1均按照预先设计的形状加工成型，并在每块纳米碳加热薄膜1上都开设有若干均匀分布的小孔4，避免了纳米碳加热薄膜1在叶片辅助模具内结构层表面悬空而存留气泡，由于气泡在叶片辅助模具加热过程中受热膨胀，从而使纳米碳加热薄膜1与叶片辅助模具内、外结构层分层，导致加热层的控温精确度降低。每块纳米碳加热薄膜1均铺设在叶片辅助模具的内结构层上，相邻的纳米碳加热薄膜1之间铺设有1～3层的铜网，有助于相邻区域之间的导热。且每块纳米碳加热薄膜1的两端均设置有一电极5，两电极5分别通过电源线6连接至温控盒2，且两电极5的外部采用耐高温绝缘胶布进行包裹绝缘。预埋在纳米碳加热薄膜1内的限温线7和感温线8也连接至温控盒2，每块纳米碳加热薄膜1的电源线6并联后连接至该加热区的温控盒2，由温控盒2对其所对应的加热区进行温度控制。每个加热区的温控盒2均外接电源3，各电源3并联后连接至主电源线9，从而实现对各加热区的供电。
上述实施例中，每块纳米碳加热薄膜1包括一层纳米碳纤维发热体10、两层PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)薄膜11和两层无纺布12，纳米碳纤维发热体10设置在中间部位，两侧由内向外依次设置有PET薄膜11和无纺布12，使纳米碳加热薄膜1形成以纳米碳纤维发热体10为中心的对称夹心结构。
上述各实施例中，每块纳米碳加热薄膜1的宽度范围为300～700mm之间；相邻加热区之间设置有3～20mm的间隙，该间隙上铺设的铜网采用40～100目铜网。
上述各实施例中，各温控盒2均采用功率为3～6kw，温控范围为0～200℃的温控盒。每个加热区中纳米碳加热薄膜1的总面积基本相同，且发热功率与连接该加热区的温控盒2功率相匹配。这样能最大程度的保证每一个加热区的加热电流相同，所产生热量更加均匀，也避免了电控元器件在长期使用过程中由于负载偏差造成的损伤。
上述各实施例中，纳米碳加热薄膜1上的若干小孔4的孔径范围为3～10mm、孔间距为10～40mm，由于各小孔4之间具有间隔距离，使得纳米碳加热薄膜1在铺设时能更好的与辊涂有树脂的短切毡贴敷于叶片辅助模具内结构层表面。
上述各实施例中，限温线7和感温线8与纳米碳加热薄膜1的预埋方式为：限温线7和感温线8的探头穿入纳米碳加热薄膜1的小孔4内，且限温线7与感温线8的预埋孔间距为10～50mm，限温线7和感温线8的感温探头与纳米碳加热薄膜1贴实。
上述各实施例中，电源线6采用1～5mm2耐高温导线。
本发明的加热层设置在叶片辅助模具的内结构层与外结构层之间，且叶片辅助模具的内结构层采用真空灌注方式制作，叶片辅助模具内结构层外部的胶衣层采用辊涂方式制作。叶片辅助模具外结构层采用手工积层或真空灌注方式制作成型。加热层与叶片辅助模具内、外结构层形成“三明治”夹心结构，保证了叶片辅助模具型面稳定及整体结构的强度。本发明的兆瓦级风电叶片辅助模具加热层制作方法，其步骤如下：
1)将每块纳米碳加热薄膜1预先裁剪成与叶片辅助模具相对应的形状，并对各块纳米碳加热薄膜1进行标记编号，同时，在每块纳米碳加热薄膜1上开设若干均匀分布的小孔4；
2)在叶片辅助模具内结构层表面铺设短切毡，并辊涂相应的模具树脂，将各纳米碳加热薄膜1铺设在辊涂有叶片辅助模具树脂的短切毡上，相邻的纳米碳加热薄膜1之间留有间隙；
3)在相邻的纳米碳加热薄膜1之间的间隙处铺设1～3层的40～100目铜网，以助于相邻区域的导热；
4)在步骤2)和步骤3)的铺设过程中，将限温线7和感温线8的感温探头分别穿入纳米碳加热薄膜1的小孔4内，使限温线7和感温线8的感温探头与纳米碳加热薄膜1贴实；依次类推，将所有纳米碳加热薄膜1铺设完毕；
5)采用湿法袋压或真空灌注使纳米碳加热薄膜与叶片辅助模具的内、外结构层紧密贴实，在制作过程中，将预先焊接的电源线6及预埋的限温线7和感温线8装入预先制作的封闭真空袋内，避免在湿法袋压或真空灌注过程中粘上树脂，不利于后续操作步骤的进行；
6)待各块纳米碳加热薄膜1与外结构层固化后，将电源线6及限温线7和感温线8从真空袋内取出，将每个加热区的各块纳米碳加热薄膜1的电源线6并联后连接至该加热区的温控盒2内；并将在纳米碳加热薄膜1内预埋的限温线7及感温线8连接于温控盒2内相应位置；
7)每个温控盒2分别连接设置在叶片辅助模具外部的电源3，各电源3再并联后连接至主电源线9，实现各自加热区均由其相应温控盒2进行独立操作控制。
上述实施例中，步骤2)中在叶片辅助模具内结构层表面铺设短切毡及纳米碳加热薄膜可以采用湿法袋压或真空导入方式进行铺设。
综上所述，本发明在使用时，打开叶片辅助模具电源控制柜的电源开关，根据生产工艺需要对每个加热区的温控盒2进行温度设定，这样各加热区的电源3通过温控盒2对每个加热区的纳米碳加热薄膜1进行加热。温控盒2再通过所接入的限温线7及感温线8对叶片辅助模具的加热效果进行实时温度控制，从而达到所预先设定的温度参数。当本发明的加热层温度低于设定温度3℃时，自动接通温控盒2；当加热层温度达到设定温度时，温控盒2强制断开负载，保护加热层温度不致过高。当温度恢复低于过热保护温度3℃时，温控盒2恢复正常工作。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层，其特征在于：它包括至少一个加热区，每个所述加热区包括5～15块纳米碳加热薄膜、一温控盒、一电源和若干铜网；每块所述纳米碳加热薄膜均按照预先设计的形状加工成型，并且其上都开设有若干均匀分布的小孔；每块所述纳米碳加热薄膜均铺设在所述叶片辅助模具的内结构层上，相邻的所述纳米碳加热薄膜之间铺设有所述铜网，且每块所述纳米碳加热薄膜的两端均设置有一外部采用耐高温绝缘胶布包裹的电极，两所述电极分别通过电源线连接至所述温控盒；预埋在所述纳米碳加热薄膜内的限温线和感温线连接至所述温控盒，每块所述纳米碳加热薄膜的电源线并联后连接至所述温控盒，由所述温控盒对其所对应的所述加热区进行温度控制；每个所述加热区的温控盒均外接所述电源，各所述电源并联后连接至主电源线。
2.如权利要求1所述的一种兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层，其特征在于：每块所述纳米碳加热薄膜包括一层纳米碳纤维发热体、两层PET薄膜和两层无纺布，所述纳米碳纤维发热体设置在中间部位，两侧由内向外依次设置有所述PET薄膜和无纺布，形成对称夹心结构。
3.如权利要求1所述的一种兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层，其特征在于：所述兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层位于所述叶片辅助模具的内结构层与外结构层之间，其形状与所述叶片辅助模具的形状相对应设置。
4.如权利要求1所述的一种兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层，其特征在于：每块所述纳米碳加热薄膜的宽度范围为300～700mm之间；相邻所述加热区之间设置有3～20mm的间隙，所述间隙上铺设1～3层40～100目的所述铜网。
5.如权利要求1所述的一种兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层，其特征在于：各所述温控盒均采用功率为3～6kw，温控范围为0～200℃的温控盒。
6.如权利要求1所述的一种兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层，其特征在于：所述纳米碳加热薄膜上的若干小孔的孔径范围为3～10mm、孔间距为10～40mm。
7.如权利要求1所述的一种兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层，其特征在于：所述限温线和感温线与所述纳米碳加热薄膜的预埋方式为：所述限温线和感温线的探头穿入所述纳米碳加热薄膜的小孔内，且所述限温线与所述感温线的预埋孔间距为10～50mm。
8.如权利要求1所述的一种兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层，其特征在于：所述电源线采用1～5mm2耐高温导线。
9.一种如权利要求1～8任意一项所述兆瓦级风电叶片辅助模具加热层的制作方法，其包括如下步骤：
（1）将每块纳米碳加热薄膜预先裁剪成与叶片辅助模具相对应的形状，进行标记编号，并在每块纳米碳加热薄膜上开设若干小孔；
（2）在叶片辅助模具内结构层表面铺设短切毡，并辊涂模具树脂，将各纳米碳加热薄膜铺设在该短切毡上，相邻的纳米碳加热薄膜之间留有间隙；
（3）在相邻的纳米碳加热薄膜之间的间隙处铺设1～3层的40～100目铜网；
（4）铺设过程中，将限温线和感温线的感温探头分别穿入纳米碳加热薄膜的小孔内，并与纳米碳加热薄膜贴实；
（5）采用湿法袋压或真空灌注使纳米碳加热薄膜与叶片辅助模具的内、外结构层紧密贴实，并将预先焊接的电源线及预埋的限温线和感温线装入预先制作的封闭真空袋内；
（6）待各块纳米碳加热薄膜与外结构层固化后，将电源线及限温线和感温线从真空袋内取出，将每个加热区的各块纳米碳加热薄膜的电源线并联后连接至该加热区的温控盒内，并将在纳米碳加热薄膜内预埋的限温线及感温线连接于温控盒内；
（7）每个温控盒分别连接设置在叶片辅助模具外部的电源，各电源再并联后连接至主电源线。
10.如权利要求9所述的一种兆瓦级风电叶片辅助模具的加热层制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述叶片辅助模具内结构层表面铺设短切毡和纳米碳加热薄膜采用湿法袋压或真空导入方式进行铺设。
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