【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及风电叶片后固化，具体涉及一种风电叶片模具加热系统及加热方法。
技术介绍
1、风能作为当今全球最有竞争力、最成熟、最易快速部署的能源技术之一，在改善全球能源安全、保障能源自主以及实现节能减排等方面发挥着核心作用，因此高效快速发展风能产业已经成为人类的共同目标。
2、风电叶片是发电机组将风能转化为机械能的关键核心部件之一，直接关系到风电机组的产能。尤其是随着大兆瓦级以及海上风电的迅速崛起，对于超百米级大型风电叶片的成型质量要求也越来来越高。在风电叶片成型过程中，先采用真空灌注成型工艺，再经历多次加热、保温阶段，即风电叶片后固化，最后进行合模、抛光形成一个完整的风电叶片。其中，在后固化过程中风电叶片模具的热流密度分布均匀性将直接关系到风电叶片的成型质量，因此风电叶片模具的加热方式、加热功率、加热时间、传热方式等特性参数在风电叶片成型过程中起着至关重要的作用。目前，风电叶片模具主流的加热方式有水循环加热固化、油循环加热固化和电热丝加热固化三种，其中以电热丝加热固化方式最为常见。
3、水循环加热方式是通过在叶片模具内预埋金属管并内通循环热水，管路中间填充铝粉与树脂的混合物作为导热材料，通过传导散热的方式来实现对风电叶片的加热，可以实现对模具温度的双向控制，即模具温度低时可对模具加热，而树脂固化放热造成模温较高时，循环水亦可起到降温的作用。该加热方式传热均匀，生产出的风电叶片力学性能较好，且铜管便于焊接，维护成本低，但是该加热方法需要在模具中铺设大量的循环水管道，造成模具质量过大、翻转困难，需要对循环热
4、油循环加热方式的基本原理与水循环加热方式相同，不同之处在于金属管道内的加热介质为导热油。该方法的优点是能够在更宽的温度范围内满足不同的加热需求，导热油热稳定性好且无需作防锈、防冻处理，但是该方法仍需要在叶片模具中铺设大量导热油管道，造成模具质量大、成本高，且固化效率较低。
5、电热丝加热方式是在叶片模具的加热层中预埋加热加热丝，加热丝通电后发热，通过传导散热的方式对风电叶片进行加热固化。该方法加热速度快，升温速率可达0.83℃/min（约为循环水/油加热方式的2.4倍），固化效率高，且无需设置循环管路，可大大减轻模具重量，降低设备故障率，提高风电叶片生产效率。但该方法在实际加热丝铺设过程中，加热丝的间距、走向、长度等布置参数对叶片模具的加热性能及加热温度的均匀性有较大影响，控温复杂，对人员、设备要求均较高，且加热丝与导热材料、风电叶片之间的传热方式均为传导散热，存在明显的传热不均问题，进而导致风电叶片出现局部过热，影响风电叶片后固化质量，严重的甚至会造成叶片模具烧黑碳化甚至起火等安全事故。
6、因此，提出一种新型的风电叶片模具加热系统及加热方法，选择合适的热量传递方式将加热丝产生的热量均匀的传递到风电叶片表面，能够同时具备叶片模具质量轻、加热效率高、传热均匀等优点，对提高叶片生产质量、风电机组的使用寿命及产能具有重要意义。
7、常见的热量传递方式有传导散热、辐射散热和对流散热三种。
8、传导散热是通过物体之间直接接触对热量进行传递，该过程主要发生在直接接触的物体内部分子间的热量传递，是风电叶片模具传统电加热方式中加热丝-导热材料、导热材料-内结构层、内结构层-风电叶片之间的主要传热方式。该散热方式的总散热量受相邻物体间温度差、接触面积等因素影响。
9、辐射散热是指发热源产生的热量穿过空气或冷却液以波的形式向周围环境传递的过程，该过程主要发生在热量从发热源向周围没有直接接触的物体传播的过程，是上述新型风电叶片模具加热系统中加热丝-内结构层、加热丝-外结构层之间的主要传热方式。该散热方式的总散热量受物体间温度差、有效辐射面积等因素影响。
10、对流散热是指在流动的空气或冷却液内部由于温度差异而导致的热量传播过程，该过程主要发生在物体周围分布的流动空气或冷却液内部，是风电叶片模具所有加热方式中保温层-外界空气之间的主要热量损失方式。该散热方式的总散热量受物体间温度差、流体流速、流体流量等因素影响。
11、对于常规的电加热方式而言，发热源为加热丝，加热丝与导热材料、内结构层、风电叶片之间的热量传递方式为传导散热，在热量传递过程中，位于加热丝正上方（或正下方）的导热材料与加热丝直接接触，温度最高，位于加热丝正上方（或正下方）的内结构层以及风电叶片均温度较高，而其他部分温度相对较低，经过长时间高温加热后易出现加热不均甚至局部烧黑碳化的现象。而辐射散热方式是以波的形式将热量均匀的穿过周围空气传递到内结构层以及风电叶片上，具有叶片模具质量轻、加热效率高、传热均匀的优点。
12、目前市场上还未出现利用辐射散热方式作为叶片模具发热元件与风电叶片之间传热方式的风电叶片模具加热系统及加热方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种新型的风电叶片模具加热系统及加热方法，通过在加热层布置悬空的加热丝与加热丝支架，通过辐射散热的方式对风电叶片材料进行加热固化，可以实现风电叶片后固化过程的热量均匀传导，在保证加热速度的前提下同时提高风电叶片成型质量。
2、为实现上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案：
3、一种风电叶片模具加热系统，该加热系统主要包括风电叶片模具、温度控制系统，其特点为：所述风电叶片模具包括下半模结构层、下半模钢架、活动铰链、上半模结构层和上半模钢架；所述下半模结构层安装在下半模钢架上，所述上半模结构层安装在上半模钢架上；所述下半模钢架和上半模钢架通过活动铰链连接在一起；所述温度控制系统包括上位机、温度控制器、调压模块、温度传感器；所述上位机通过以太网分别与各温度控制器、温度传感器连接并进行双向数据交互，所述温度控制器与调压模块连接；
4、所述风电叶片模具下半模结构层由内到外依次为表面层、内结构层、加热层、外结构层和保温层五层结构；
5、所述表面层由厚度较小的碳毡和胶衣敷设而成，碳毡为剪裁好的碳纤维布，胶衣为树脂材料，它位于风电叶片模具下半模结构层内表面；
6、所述内结构层为聚酯材料制作，它位于叶片模具表面层与加热层之间；
7、所述加热层为空腔结构，它位于叶片模具内结构层与外结构层之间；其特征在于：所述的加热层中布置有加热丝和加热丝支架；加热丝支架顶端固定于内结构层，中间位置连接加热丝，末端固定于外结构层，起固定支撑作用；所述加热丝由若干根发热铜线组成，相邻加热丝之间等间距、呈“s”型平铺于加热层中；
8、所述外结构层中铺设有3~5层纤维布，它位于叶片模具加热层与保温层之间；
9、所述保温层材料为轻木和保温棉；
10、所述调压模块与加热丝连接，通过调节电压大小控制加热丝的发热量；
11、所述温度传感器为多个贴片式温度传感器，均匀布置于本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种风电叶片模具加热系统，具体包括风电叶片模具和温度控制系统两部分，其中风电叶片模具为多段式结构拼接而成，每段模具的外观形状不同，分别针对叶根、叶中、叶尖不同风电叶片弧度设计不同的模具形状，而每段模具的内部结构相同，其特征在于：所述风电叶片模具包括下半模结构层（1）、下半模钢架（2）、活动铰链（3）、上半模结构层（4）和上半模钢架（5）；所述的下半模结构层（1）安装在下半模钢架（2）上，所述的上半模结构层（4）安装在上半模钢架（5）上；所述的下半模钢架（5）和上半模钢架（5）通过活动铰链（3）连接在一起；所述的温度控制系统，主要负责设置目标温度和温度传感器反馈的实时温度，通过闭环算法，输出不同电压控制电加热丝的输出功率，完成风电叶片的后固化升温过程，具体包括上位机（6）、温度控制器（7）、调压模块（8）、温度传感器（9）；所述的上位机（6）通过以太网分别与各温度控制器（7）、温度传感器（9）连接并进行双向数据交互，所述的温度控制器（7）与调压模块（8）连接。
2.如权利要求1所述的风电叶片模具下半模结构层（1）由内到外依次为表面层（11）、内结构层（12）、加热层
3.如权利要求2所述的表面层（11）由厚度较小的碳毡和胶衣敷设而成，碳毡为剪裁好的碳纤维布，胶衣为树脂材料，它位于风电叶片模具下半模结构层（1）内表面。
4.如权利要求2所述的内结构层（12）为聚酯材料制作，它位于叶片模具表面层（11）与加热层（13）之间。
5.如权利要求2所述的加热层（13）为空腔结构，它位于叶片模具内结构层（12）与外结构层（14）之间；其特征在于：所述的加热层（13）中布置有加热丝（131）和加热丝支架（132）；加热丝支架（132）顶端固定于内结构层（12），中间位置连接加热丝（131），末端固定于外结构层（14），起固定支撑作用；所述加热丝（131）由若干根发热铜线组成，相邻加热丝（131）之间等间距、呈“S”型平铺于加热层（13）中。
6.如权利要求2所述的外结构层（14）中铺设有3~5层纤维布，它位于叶片模具加热层（13）与保温层（15）之间。
7.如权利要求2所述的保温层（15）材料为轻木和保温棉。
8.如权利要求1所述的调压模块（8）与权利要求5所述加热丝（131）连接，通过调节电压大小控制加热丝（131）的发热量。
9.如权利要求1所述的温度传感器（9）为多个贴片式温度传感器，均匀布置于风电叶片模具中的表面层（11）。
10.一种风电叶片模具加热方法，其特征在于：所述的风电叶片模具下半模结构层（1）中的加热层（13）为空腔结构，在该空腔结构中有均匀布置的加热丝（131）和加热丝支架（132）；具体操作过程如下：1）风电叶片后固化过程开始阶段：在上位机（6）中设置目标温度参数，通过操温度控制器（7）调节调压模块（8）的输出电压，使得加热层（13）中的所有加热丝（131）同时通电开始发热，并以辐射散热的方式向内结构层（12）和外结构层（14）传递热量，进而内结构层（12）通过传导散热的方式向表面层（11）传递热量，使得内结构层（12）和表面层（11）均匀升温，风电叶片后固化过程开始；2）风电叶片后固化过程保持阶段：所述温度传感器（9）对风电叶片模具表面层（11）的温度信号进行实时监测，并将温度信号传输至上位机（6），上位机（6）对温度传感器（9）的输出电信号实时处理并进行反馈控制，再由温度控制器（7）通过调压模块（8）调节加热丝（131）的通电电压大小，从而控制加热丝（131）发热量，保证风电叶片模具的加热温度始终符合要求；3）风电叶片后固化保温阶段：风电叶片后固化过程保持阶段结束后，上位机（6）通过温度控制器（7）、调压模块（8）控制加热丝（131）进入低功率工作状态，对风电叶片进行保温处理直至风电叶片后固化过程完全结束后，加热丝（131）断电。
11.如权利要求10所述的上位机（6）界面采用C#编程方法，结合SQL数据库管理技术，主要完成部分算法程序设计以及数据采集、显示以及存储，并通过以太网与各温度控制器（7）进行双向数据交互。
12.如权利要求10所述的温度控制系统主要负责设置目标温度以及对温度传感器（9）反馈的温度信号进行实时处理，并通过闭环算法，控制温度控制器（7）和调压模块（8）调节加热丝（131）的工作功率，保证风电叶片在后固化过程中能够实现均匀受热、均匀固化，提高风电叶片后固化质量。
...【技术特征摘要】
1.一种风电叶片模具加热系统，具体包括风电叶片模具和温度控制系统两部分，其中风电叶片模具为多段式结构拼接而成，每段模具的外观形状不同，分别针对叶根、叶中、叶尖不同风电叶片弧度设计不同的模具形状，而每段模具的内部结构相同，其特征在于：所述风电叶片模具包括下半模结构层（1）、下半模钢架（2）、活动铰链（3）、上半模结构层（4）和上半模钢架（5）；所述的下半模结构层（1）安装在下半模钢架（2）上，所述的上半模结构层（4）安装在上半模钢架（5）上；所述的下半模钢架（5）和上半模钢架（5）通过活动铰链（3）连接在一起；所述的温度控制系统，主要负责设置目标温度和温度传感器反馈的实时温度，通过闭环算法，输出不同电压控制电加热丝的输出功率，完成风电叶片的后固化升温过程，具体包括上位机（6）、温度控制器（7）、调压模块（8）、温度传感器（9）；所述的上位机（6）通过以太网分别与各温度控制器（7）、温度传感器（9）连接并进行双向数据交互，所述的温度控制器（7）与调压模块（8）连接。
2.如权利要求1所述的风电叶片模具下半模结构层（1）由内到外依次为表面层（11）、内结构层（12）、加热层（13）、外结构层（14）和保温层（15）五层结构。
3.如权利要求2所述的表面层（11）由厚度较小的碳毡和胶衣敷设而成，碳毡为剪裁好的碳纤维布，胶衣为树脂材料，它位于风电叶片模具下半模结构层（1）内表面。
4.如权利要求2所述的内结构层（12）为聚酯材料制作，它位于叶片模具表面层（11）与加热层（13）之间。
5.如权利要求2所述的加热层（13）为空腔结构，它位于叶片模具内结构层（12）与外结构层（14）之间；其特征在于：所述的加热层（13）中布置有加热丝（131）和加热丝支架（132）；加热丝支架（132）顶端固定于内结构层（12），中间位置连接加热丝（131），末端固定于外结构层（14），起固定支撑作用；所述加热丝（131）由若干根发热铜线组成，相邻加热丝（131）之间等间距、呈“s”型平铺于加热层（13）中。
6.如权利要求2所述的外结构层（14）中铺设有3~5层纤维布，它位于叶片模具加热层（13）与保温层（15）之间。
7.如权利要求2所述的保温层（...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨盼盼，张磊安，李建伟，宋汝君，黄雪梅，张玉环，文永双，王渊博，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：
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