CN112105813A - 磁性附接的凸缘 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成风力涡轮机叶片的模具，包括第一模具表面和第二模具表面，第一模具表面和第二模具表面包括其中具有开口的凸缘部分，其中第一模具表面和第二模具表面构造成从打开位置到关闭位置在它们之间进行相对运动。当处于关闭位置时，第一凸缘部分的开口与第二凸缘部分的开口对准，第一磁体设置在第一模具表面的开口中的开口内，第二磁体设置在第二模具表面的开口内。

Description

磁性附接的凸缘
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62/646,194号根据35USC 119的优先权，其全部内容以引用的方式并入到本文中。
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系统。具体而言，本公开的主题针对制造包括碳和/或玻璃纤维的复合材料例如风力涡轮机叶片的模具和相对应方法。
背景技术
已知多种方法和系统用于形成和成形风力涡轮机叶片。常规模具和技术的示例在以下公开中提供，其中每一个都以全文引用的方式并入到本文中：美国专利号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、8,33,7192、8,877,116和美国专利申请公开号20060027314、20060249872、20070102837、20110221093、20130113141、20140333009、20140345789、20160158970、20160185092和US20160193752。
这种常规方法和系统通常被认为对于其预期目的是令人满意的。然而，最近需要一种可以包括不需要螺纹联接的凸缘部分的模具，这允许树脂材料在压力下不希望的泄漏。
当前公开的主题为用于形成例如风力涡轮机叶片的复合材料凸缘的模具提供了新颖的创新解决方案，其中可移除的凸缘部分包括磁体，以便于联接到模具的主凸缘。
发明内容
所公开主题的目的和优点将在下面的描述中阐述并从下面的描述中变得明显，并且将通过所公开主题的实践来了解。通过在书面描述和权利要求中特别指出的方法和系统以及附图，将实现和获得所公开主题的附加优点。
为了实现这些和其他优点，并且根据所公开主题的目的，如具体实施和广泛描述的，所公开主题包括用于形成风力涡轮机叶片的模具，该模具包括第一模具表面和第二模具表面，该第一模具表面和第二模具表面包括其中具有开口的凸缘部分；其中第一模具表面和第二模具表面构造成从打开位置到关闭位置在它们之间进行相对运动；并且其中当处于关闭位置时，第一凸缘部分的开口与第二凸缘部分的开口对准。第一磁体设置在第一模具表面的开口中的开口内；第二磁体设置在第二模具表面的开口内。
在一些实施例中，第一磁体和第二磁体是稀土磁体；第一磁体的宽度大于第一凸缘部分宽度的至少一半；第二磁体的宽度大于第二凸缘部分宽度的至少一半；和/或至少一个磁体具有约3毫米的厚度。
在一些实施例中，第一凸缘表面中的开口深度延伸的距离小于第一凸缘表面的厚度，第二凸缘表面中的开口深度延伸的距离小于第二凸缘表面的厚度。此外，第一磁体的上表面可以与第一凸缘部分的上表面布置在同一平面内，第二磁体的上表面可以与第二凸缘部分的上表面布置在同一平面内。
模具表面中至少一个是可移除的，第一凸缘部分和第二凸缘部分具有相等的宽度，并且至少一个复合材料片层设置在第一凸缘表面与第二凸缘表面之间。
根据另一方面，本公开包括一种形成风力涡轮机叶片的方法，该方法包括：提供第一模具表面和第二模具表面，第一模具表面和第二模具表面包括其中具有开口的凸缘部分，至少一种磁性材料设置在开口中；移动第一模具表面和第二模具表面中的至少一个，以将第一凸缘部分的开口与第二凸缘中的开口对准；以及将第一凸缘部分磁联接到第二凸缘部分。
在一些实施例中，该方法还包括在第一凸缘表面与第二凸缘表面之间提供至少一个复合材料片层。
此外，磁联接可以由稀土磁体提供，其中第一磁体设置在第一模具表面的开口中的开口内，第二磁体设置在第二模具表面的开口中的开口内，磁体的上表面与凸缘部分的表面在同一平面内。该方法可以进一步包括移除第一凸缘或第二凸缘中的至少一个。
应当理解，前面的发明内容和下面的详细描述都是示例性的，并且旨在提供对所要求保护的公开主题的进一步解释。
并入在本说明书中并构成其一部分的附图是为了说明和提供对所公开主题的方法和系统的进一步理解。附图与说明书一起用于解释所公开主题的原理。
附图说明
本文描述的主题的各个方面、特征和实施例的详细描述参考附图提供，附图在下面简要描述。附图是说明性的，不一定按比例绘制，为了清楚起见，一些部件和特征被夸大了。附图示出了本主题的各个方面和特征，并且可以整体或部分地示出本主题的一个或多个实施例或示例。
图1是用于形成风力涡轮机叶片凸缘的常规模具的示意性剖视图。
图2是根据所公开主题的在凸缘部分内具有磁体的模具的示意图。
图3是根据所公开主题的其中嵌入有磁体的凸缘的视图。
图4是根据所公开主题的具有可移除凸缘的模具的示意性剖视图。
图5是根据所公开主题的具有可移除凸缘的模具的示意图。
具体实施方式
现在将详细参考所公开主题的示例性实施例，其示例在附图中示出。将结合系统的详细描述来描述所公开主题的方法和相应步骤。
本文提出的方法和系统可用于模制成形复合材料。所公开的主题特别适用于制造包括碳和/或玻璃纤维的复合材料，例如风力涡轮机叶片。
用于制造复合材料的模具包含各种轮廓以成形复合材料，确保期望的几何形状，并且同时加工复合材料，特别是用于固化其中包含的基质形成物。例如，在纤维复合材料构造的区域中，将纤维材料添加到模具处，并且随后例如在真空灌注过程中用树脂浸渍，并且通过热暴露固化。涉及浸渍的制造步骤也可以通过使用预浸渍材料(预浸料)来促成。
根据本公开，通过使用具有两个部分的模具来形成叶片，两个部分中的第一部分设计成位于第二部分上。第一模具部分可以以蛤壳方式枢转/旋转到与第二部分接合，或者可替代地，可以经由操纵装置，例如经由具有支撑带的起重机降低以进行接合。
在联结两个模具部分之前，两个模具部分处于打开位置，在该位置，内壁暴露(即，面朝上)，使得具有由塑料材料的线或纤维和优选为玻璃纤维的加强线或纤维的混合物制成的线的柔性布中的一层或多层可以放置在每个模具部分内的适当位置。这种布可以用聚丙烯纤维或线和玻璃纤维或线的混合物制成的线构成，并且可以是纺织线片的形式和/或多铺层形式。
根据本公开的一个方面，本文公开的系统可以在真空辅助树脂传递模制过程中使用。在这样的过程中，液体聚合物或树脂被填充到模腔中，在该模腔中纤维材料已经被预先铺设。将第二模具部分放置到位，以与第一模具部分形成密封，从而限定模腔。接下来，在模腔中施加真空力，以将液体聚合物树脂吸入并遍布到纤维材料中。
图1描绘了复合结构模具的示例性实施例，并且大体上由附图标记1000表示。相似的附图标记(由最前面的数字区分)可以在本文呈现的各种视图和附图中提供，以表示功能上对应但不一定相同的结构。
如图1所示，系统1000通常包括用于形成风力涡轮机叶片的凸缘的模具，该模具具有上模具半部100和下模具半部200，如图所示，每个模具半部有形成大体上L形凸缘的互补部分110、210。在所示的示例性实施例中，凸缘部分110、210与从水平基部110、210在竖直方向上大体上垂直延伸的部分100、200一体形成。出于说明而非限制的目的，示例性实施例包括具有相等尺寸(即，纵横比＝1)的凸缘部分100、110，凸缘部分100、110的宽度约为4英寸。在其他实施例中，凸缘110、210可以形成为第一尺寸(例如，4英寸)，而竖直部分100、200具有更大的尺寸(例如，6英寸)。应当理解，本公开不限于任何特定的尺寸，并且凸缘的几何形状可以根据需要进行调节，以适应任何期望的叶片构造。
凸缘可以包括位置指示机构，该机构记录两个凸缘相对于彼此的位置。在图1所示的实施例中，定位销214被包括在下模具凸缘210内，其可以被上模具的凸缘110接纳。插件112、212可以包括在上凸缘110和下凸缘210中，用于容纳和接纳定位销214。在图1所示的实施例中，定位销214构造在下模具凸缘210中，但是应该理解，定位销214也可以位于上模具凸缘110中。当两个模具半部进入闭合构造时，定位销214可被致动向上伸入由壳体插件112形成的槽中。一旦定位销214位于上凸缘110的孔内，模具半部之间的相对运动就受到限制。
定位销214可被手动操作，或经由编程致动而操作。例如，定位销214可以以类似于电磁阀的方式操作，其中在插件212中施加电流以感应磁场，该磁场迫使销214向上延伸或伸展到上模具的插件112中。
根据本公开的一个方面，(一个或多个)玻璃纤维层300可以位于上模具半部与下模具半部之间，并且侧向向外延伸以夹在凸缘110、210之间，如图所示。在一些实施例中，当处于致动或延伸位置时，(一个或多个)玻璃纤维层300在定位销214上延伸。在这样的实施例中，玻璃纤维层300可以楔入插件112的孔中。在其他实施例中，玻璃纤维层300可以构造有孔，该孔在位置上对应于定位销214的位置。致动时，定位销穿过玻璃纤维层300并在玻璃纤维层300上方突伸。在又一个实施例中，玻璃纤维层可以是连续的片材，当销被致动时，该片材被定位销214刺穿。
虽然在模具半部之间使用机械位置指示装置，例如本文公开的示例性定位销214，适当地对齐模具半部并防止相对侧向运动，但是使用这种机械结构会在模具部件之间产生间隙和裂缝。这些间隙会导致制造过程中不希望的树脂流动，这会损害模制产品的完整性，并需要过度清理。
因此，根据本公开的另一方面，位置指示装置可以构造为模具部件之间的磁性结合。在图2-3所示的示例性实施例中，磁体1140被包括在上模具的凸缘1100内，并且导磁元件1140被定位在下模具的凸缘2100内。附加地或替代地，导磁元件1140可以构造为磁体。在一些实施例中，(一个或多个)磁体1140、2140可以构造为稀土磁体，其被设置或嵌入在凸缘内的开口内。在其他实施例中，磁力可以作为(一个或多个)电磁体提供，电磁体可以接通/断开以根据需要循环磁力。仅出于示例性目的，一些适用于所公开的系统和方法的代表性稀土磁体表现出约50-150磅的磁力。在一些实施例中，可以通过施加手动拉力来克服或切断磁联接。
(一个或多个)磁体可以构造为沿着凸缘的期望长度延伸的单个元件，或者可以包括根据预定布局间隔开的多个离散磁体。例如，如果需要，磁体的密集度/频率可以在叶片根部附近增加。在一些实施例中，磁体沿着凸缘长度均匀间隔。在图2所示的示例性实施例中，磁体1140、2140的宽度“W”大于凸缘1100、2100宽度的至少一半。此外，磁体的厚度约为3毫米。在一些实施例中，凸缘1100、2100内的开口形成为凹部(而不是完整的孔)，凸缘中的深度延伸的距离小于第一凸缘表面的厚度。在一些实施例中，外表面(即，磁体2140的上表面；磁体140的下表面)与相应凸缘部分2100、1100的表面在同一平面内。
因此，凸缘的磁性附接或联接提供了模具的连续表面，该表面基本上没有裂缝或间隙。这种均匀和连续的结构使树脂暴露的表面积最小化，并防止树脂不希望的泄漏或蠕变到与机械联接机构相关的裂缝/间隙中。此外，磁联接凸缘的基本平面的表面降低了凸缘之间的复合材料层300损坏(例如，撕裂、刺穿)的可能性，这种损坏在机械联接凸缘中是常见的。
因此，本文公开的磁联接凸缘系统提供了一种制造包括纤维增强聚合物材料的风力涡轮机叶片的方法，该方法包括：a)提供具有第一成型表面的第一模具部分，该第一成型表面具有限定风力涡轮机叶片的外表面的至少一部分的轮廓，b)将纤维材料布置在第一模具部分中，c)磁联接模具的凸缘，d)将树脂引入模具中，其中树脂和纤维材料抵靠成型表面保持，和e)固化树脂以形成风力涡轮机叶片。
在操作中，可以通过在下模具100与上模具200之间施加相对运动来打开和关闭模具。换句话说，下模具100可以是固定的，上模具200是可移除的，或者下模具100可以是可移除的，同时上模具200保持固定。附加地或替代地，下模具100和上模具200两者可以同时移动。此外，凸缘1100、2100可以构造成具有相等的宽度和长度。
在一些实施例中，上模具的凸缘110或其至少一部分与下模具的凸缘210进行直接接触。这种构造可以增强模具半部之间的密封结合，从而抑制或防止树脂泄漏并缩短循环时间。
根据本公开的另一方面，(一个或多个)磁性凸缘可以可移除地附接到形成风力涡轮机叶片的上部(即，吸力侧)和下部(即，压力侧)的主模具。如图4所示，提供下模具半部(例如，叶片的压力侧)，该下模具半部具有形成叶片蒙皮的模具表面500(还提供了用于形成叶片吸力侧的互补的第二模具半部，该第二模具半部在下模具上闭合，随后树脂被抽吸遍布纤维铺设段)。如图5所示，每个模具半部包括一个主凸缘(例如，530)，它是模具的永久部分。如在图4的放大插图中更详细示出的，下模具具有基本平面的凸缘530，该凸缘530构造成与可移除凸缘540协同操作。如上所描述，可移除凸缘540(和/或主凸缘530)包含嵌入磁体。(一个或多个)磁体可以并入到可移除凸缘的侧向延伸部分542中，主凸缘530内具有相对应的导磁材料，使得两个磁性特征在模具闭合时对准。
在一些实施例中，主凸缘530可以延伸比可移除凸缘540的大体上侧向延伸部分542更大的距离，如图4所示。此外，向上延伸部分544可以形成为不同于90°的角度，例如相对于侧向部分542约105°，如图所示。在这样的实施例中，凸缘部分544有助于形成涡轮叶片的结合凸缘，该结合凸缘具有形成在另一叶片半部上的互补凸缘，这两个形成的凸缘在两个模具半部闭合时接合，以提供最终的结合和叶片组装。
在操作中，可移除凸缘540与主凸缘530接合，同时复合结构在模具内用期望的纤维(例如，玻璃、碳等)和树脂形成。一旦形成，可移除凸缘540被移除，留下形成的凸缘不受阻碍，并构造成与形成在另一模具半部中的互补凸缘接合。
在一些实施例中，可移除凸缘形成一定几何形状，该几何形状导致模制部分被截留在模具中。因此，为了从模具中移除该部分，必须移除凸缘。为了移除，操作者可以手动将凸缘540从定位销上提起。在这样的实施例中，磁体的力必须足够强，以在模制期间将凸缘保持在适当的位置，但是足够弱，以使操作者用手克服该磁力。附加地或替代地，在一些情况下，楔形物可用于最初将凸缘540从下面的主凸缘530上断开。
根据本公开，多个可移除的凸缘可以并入到上(叶片吸力侧)模具和下(叶片压力侧)模具上，以形成互补的凸缘，这些凸缘结合在一起以形成最终的叶片组件。
本公开既适用于手动树脂供应、树脂传递模制(RTM)、真空辅助树脂传递模制(VARTM)，也适用于非中空和中空模具的生产。
出于说明而非限制的目的，本公开描绘了用于制造风力涡轮机叶片部件的本文系统和方法的操作，但是应当理解，本公开同样适用于其他大型复合结构。
虽然这里根据某些优选实施例描述了所公开的主题，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以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例的个别特征可以在这里讨论或在一个实施例的附图中示出，但未在其他实施例中示出，但是应当清楚，一个实施例的个别特征可以与另一个实施例的一个或多个特征或者多个实施例的特征相结合。
除了下面要求保护的特定实施例之外，所公开的主题还涉及具有下面要求保护的从属特征和上面公开的从属特征的任何其他可能组合的其他实施例。同样地，在从属权利要求中呈现的和上面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该被认为也特别针对具有任何其他可能组合的其他实施例。因此，出于说明和描述的目的，已经呈现了所公开主题的特定实施例的前述描述。并非旨在穷举或将所公开的主题限于所公开的那些实施例。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，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系统进行各种修改和变化。因此，所公开的主题旨在包括在所附权利要求及其等同物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模具，包括：
第一模具表面，所述第一模具表面包括其中具有开口的第一凸缘部分；
第二模具表面，所述第二模具表面包括其中形成有开口的第二凸缘部分；
其中所述第一模具表面和第二模具表面构造成从打开位置到关闭位置在它们之间进行相对运动；
其中当处于所述关闭位置时，所述第一凸缘部分的所述开口与所述第二凸缘部分的所述开口对准；和
第一磁体，所述第一磁体设置在所述第一模具表面的所述开口中的所述开口内；和
第二磁体，所述第二磁体设置在所述第二模具表面的所述开口内。
2.根据权利要求1所述的模具，其中所述第一磁体和第二磁体是稀土磁体。
3.根据权利要求1所述的模具，其中所述第一磁体的宽度大于所述第一凸缘部分的宽度的至少一半。
4.根据权利要求1所述的模具，其中所述第二磁体的宽度大于所述第二凸缘部分的宽度的至少一半。
5.根据权利要求1所述的模具，其中至少一个磁体具有约3毫米的厚度。
6.根据权利要求1所述的模具，其中第一凸缘表面中的所述开口的深度延伸的距离小于所述第一凸缘表面的厚度。
7.根据权利要求1所述的模具，其中第二凸缘表面中的所述开口的深度延伸的距离小于所述第二凸缘表面的厚度。
8.根据权利要求1所述的模具，其中所述第一磁体的上表面与所述第一凸缘部分的上表面在同一平面内。
9.根据权利要求1所述的模具，其中所述第二磁体的上表面与所述第二凸缘部分的上表面在同一平面内。
10.根据权利要求1所述的模具，其中模具表面中的至少一个模具表面是可移除的。
11.根据权利要求1所述的模具，其中，至少一个复合材料片层设置在第一凸缘表面与第二凸缘表面之间。
12.根据权利要求1所述的模具，其中所述第一凸缘部分和第二凸缘部分具有相等的宽度。
13.一种形成风力涡轮机叶片的方法，包括：
提供第一模具表面，所述第一模具表面包括其中具有开口的第一凸缘部分，至少一种磁性材料设置在所述开口中；
提供第二模具表面，所述第二模具表面包括第二凸缘部分，所述第二凸缘部分具有形成在其中的开口，至少一种磁体材料设置在所述第二凸缘部分的所述开口中；
移动所述第一模具表面和第二模具表面中的至少一个，以将所述第一凸缘部分的所述开口与第二凸缘中的所述开口对准；和
将所述第一凸缘部分磁联接到所述第二凸缘部分。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括在第一凸缘表面与第二凸缘表面之间提供至少一个复合材料片层。
15.根据权利要求13所述的方法，其中磁联接由稀土磁体提供。
16.根据权利要求15所述的方法，其中第一磁体设置在所述第一模具表面的所述开口中的所述开口内。
17.根据权利要求15所述的方法，其中第二磁体设置在所述第二模具表面的所述开口中的所述开口内。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括移除第一凸缘或第二凸缘中的至少一个。
19.根据权利要求13所述的方法，其中第一磁体的上表面与所述第一凸缘部分的上表面在同一平面内。
20.根据权利要求13所述的方法，其中第二磁体的上表面与所述第二凸缘部分的上表面在同一平面内。
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