一种风电叶片模具及模具型面监测系统的制作方法

[0001]
本实用新型涉及纤维复合材料的健康监测技术领域，具体涉及一种风电叶片模具及模具型面监测系统。


背景技术：

[0002]
风电叶片是风力发电机组实现由风能转化为机械能的关键核心部件之一，叶片质量的好坏将直接影响到风力发电机组的效率及使用寿命，从而影响到整个系统的性能。叶片在运转过程中，除受自身重力以外还将受到气动力以及离心力等多种载荷的复杂作用，为了能够正常运转，叶片必须具有足够高的尺寸稳定性、机械强度与弯扭刚度。叶片质量的好坏又取决于叶片模具的质量，因此高精度，高质量的模具制造技术必然成为人们最为关注的问题。现有叶片模具在制造过程中，由于玻璃纤维和环氧树脂的热膨胀系数不匹配以及固化生热不能及时释放等因素的影响，模具内部不可避免会产生残余应力，导致模具产生较大变形，不能满足相应的型面精度要求。目前，世界上较为先进的监测技术是无线激光跟踪仪监测技术，该技术具有精度高、可靠性高及携带方便等优势，但是该技术只能离线进行，在监测过程中设备一旦开启后，必须固定位置，不能轻易挪动，并且调节机制较为繁琐，耗时长，在生产叶片这种动态、闭模生产的工况下不宜使用，因此在实际生产工程中急需一种能够与无线激光跟踪仪相互配合使用且可以实时监测模具型面精度的监测技术。光纤光栅作为一种传感元件，以光信号为测量信源，具有体积小、精度高、防水防潮、抗电磁干扰、材质轻柔、便于内植、易于成网、能够实现实时监测等优点。
[0003]
因此，研发一种风电叶片模具及模具型面监测系统用于解决上述技术问题成为一种必需。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型既可以充分考虑风电叶片模具的生产工艺及制造特点，又可以解决现有技术只能离线检测的不足，目的是提供一种风电叶片模具及模具型面监测系统，以便于在实际生产过程中做到实时在线监测型面精度。
[0005]
本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现：
[0006]
一方面，本实用新型提供一种风电叶片模具，包括：上模和下模；
[0007]
所述上模的结构包括：内结构层、加热层以及外结构层；所述上模的外形与风电叶片的上表面外形相适配；所述下模的结构与所述上模的结构相同；所述下模的外形与所述风电叶片的下表面外形相适配；所述上模与所述下模对正扣合；
[0008]
所述加热层包括：由树脂与传热介质混合后浇筑凝固形成的导热凝脂层、被凝固在所述凝脂层内的铜管或加热丝，以及光纤光栅组成；所述光纤光栅设置在所述铜管或加热丝的设置间隙内；
[0009]
所述内结构层内以叠放的方式设置有表面毡、无碱布和多轴向多层织物；相邻两块所述表面毡间的连接方式为搭接；相邻两块所述无碱布间的连接方式为搭接；相邻两块
所述多轴向多层织物间的连接方式为搭接；所述内结构层为通过采用树脂在所述表面毡、无碱布和多轴向多层织物上灌注而共同形成的固化结构层；
[0010]
所述外结构层内以顺序叠放的方式设置有多轴向多层织物、轻木和多轴向多层织物；其中，相邻两块多轴向多层织物的连接方式为搭接；相邻两块轻木的连接方式为拼接；所述外结构层为通过采用树脂在多轴向多层织物、轻木和多轴向多层织物上真空辅助灌注后凝固而共同形成的固化结构层。
[0011]
在本实用新型的一些实施例中，所述光纤光栅由多个fbg裸栅串联后构成；多个所述光纤光栅在所述加热层内组成光纤bragg光栅，位于所述加热层内的多个所述光纤光栅互不接触；所述光纤bragg光栅中，多个所述光纤光栅共同连接于同一用户接口；所述用户接口用于连接光纤光栅解调系统，以实现波分复用。
[0012]
在本实用新型的一些实施例中，所述光纤光栅由多个fbg裸栅串联后构成；多个所述光纤光栅在所述加热层内组成光纤bragg光栅，位于所述加热层内的多个所述光纤光栅互不接触；所述光纤bragg光栅中，多个所述光纤光栅共同连接于同一用户接口；所述用户接口用于连接光纤光栅解调仪，以实现波分复用。
[0013]
在本实用新型的一些实施例中，所述光纤光栅的外形为一根独立的光纤；所述光纤光栅由多个不同中心波长的fbg裸栅串联后构成。
[0014]
在本实用新型的一些实施例中，多个所述fbg裸栅串联连接的熔接点部位设置有用于封装保护的热缩管。
[0015]
在本实用新型的一些实施例中，所述外结构层的外表面还贴附设置有保温层；所述传热介质为铝粉。
[0016]
在本实用新型的一些实施例中，所述内结构层和外结构层与所述光纤光栅布设位置相对应的部位，均分别开设有外形与所述光纤光栅相适配的凹槽；所述凹槽深度0.5mm宽度1mm。
[0017]
此外，本实用新型还提供一种模具型面监测系统，包括：风电叶片模具和光纤光栅解调仪；所述风电叶片模具为如前所述的风电叶片模具；所述光纤光栅解调仪通过光纤与所述风电叶片模具的光纤光栅信号连接。
[0018]
在本实用新型的一些实施例中，所述光纤光栅解调仪与所述光纤光栅间的光纤接口部位设置有密封袋。
[0019]
本实用新型的特点及优点是：
[0020]
本实用新型充分考虑风电叶片模具的生产工艺及制造特点，制备出结构、性能稳定的内置光纤光栅传感器的风电叶片模具，解决了大型风电叶片模具型面精度难以长期在线监测的难题，进而为叶片模具在线监测系统奠定了一定的物质基础；其中，本实用新型将光纤内植于叶片模具结构中，形成智能化风电叶片模具，可以实现风电叶片模具使役过程中型面精度的实时在线监测。本实用新型解决了叶片模具型面精度在加工制备以及使役过程中难以在线监测的难题，具有容易操作、一次安装、长期适用并且不影响模具整体性能的优点；本实用新型采用多个fbg裸栅串联后构成的光纤光栅作为传感器，对模具强度和刚度不产生影响的同时还可以监测模具内部应变和温度变化。
[0021]
进一步的，本实用新型提供的模具型面监测系统中，光纤光栅解调仪内置超辐射宽带光源，通过耦合器将光源耦合到现场光纤光栅探测器，现场光纤光栅探测器所反射的
各中心波长再次反射回耦合器，耦合器将反射信号送入波长检测单元，在波长检测单元中通过fp扫描技术感知各探测器反射的中心波长值，比较各探测器中心波长的变化量推算环境温度、应变等。光纤光栅解调仪最后将检测到的信息输出并显示，有报警等信息时同时输出报警信号。为防止光纤接口受到污染，本实用新型还进一步在光纤光栅解调仪与所述光纤光栅间的光纤接口部位设置密封袋，为高精度数据测量提供有力技术保障。
附图说明
[0022]
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]
图1为本实用新型实施例1中风电叶片模具的结构示意图；
[0024]
图2为图1中a部位的结构剖视图；
[0025]
图3为图2中加热层部位的结构示意图；
[0026]
图4为本实用新型实施例1中内结构层光纤光栅传感器排布示意图；
[0027]
图5为本实用新型实施例1中外结构层光纤光栅传感器排布示意图；
[0028]
图6为本实用新型实施例3中模具型面监测系统的核心工作部件连接关系示意图；
[0029]
图7为本实用新型实施例3中模具型面监测系统相关波分复用的工作原理示意图；
[0030]
图8为本实用新型实施例3中其中一种实施方式下的光纤光栅所测中心波长变化量与无线激光跟踪仪所测位移矢量变化量(单点)关系曲线示意图；
[0031]
图9为本实用新型实施例3中其中一种实施方式下的光纤光栅所测中心波长变化量与无线激光跟踪仪所测位移矢量变化量(多点)关系曲线示意图。
具体实施方式
[0032]
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
[0033]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0034]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术
语在本实用新型中的具体含义。
[0035]
实施例1：
[0036]
如图1及图2所示，本实用新型提供一种风电叶片模具，包括：上模100和下模200；如图2所示，所述上模100的结构包括：内结构层110、加热层120以及外结构层130；所述上模100的外形与风电叶片的上表面外形相适配；所述下模200的结构与所述上模100的结构相同；所述下模200的外形与所述风电叶片的下表面外形相适配；所述上模100与所述下模200对正扣合；优选的，如图1所示，采用叶根法兰300进行扣合后模具状态的更进一步定位；需要说明的是上述定位方式并不限于采用图1所示的叶根法兰定位方式，依现有技术将其它定位方式应用在本申请中也是本申请所要求保护的。
[0037]
如图3所示，所述加热层120包括：由树脂与传热介质混合后浇筑凝固形成的导热凝脂层121、被凝固在所述凝脂层121内的铜管122或加热丝123，以及光纤光栅124组成；所述光纤光栅124设置在所述铜管122或加热丝123的设置间隙内；
[0038]
所述内结构层110内以叠放的方式设置有表面毡、无碱布和多轴向多层织物；相邻两块所述表面毡间的连接方式为搭接；相邻两块所述无碱布间的连接方式为搭接；相邻两块所述多轴向多层织物间的连接方式为搭接；所述内结构层110为通过采用树脂在所述表面毡、无碱布和多轴向多层织物上灌注而共同形成的固化结构层；
[0039]
所述外结构层130内以顺序叠放的方式设置有多轴向多层织物、轻木和多轴向多层织物；其中，相邻两块多轴向多层织物的连接方式为搭接；相邻两块轻木的连接方式为拼接；所述外结构层130为通过采用树脂在多轴向多层织物、轻木和多轴向多层织物上真空辅助灌注后凝固而共同形成的固化结构层。
[0040]
需要说明的是，上述轻木也叫巴沙木，在结构方面本身是由一层布连接在一起的。此外，上述树脂是浸润到布层里面的，没有额外的树脂层；所有布层都是搭接，但不一定都在同一位置正好都设置为接驳位置。优选地，在铺设中表面毡采用搭接形式铺放，布层搭接宽度30～100mm；其余增强材料采用对接方式铺放；沟槽较深的地方，在整体铺放无碱布后填充2层ewr400-1000斜纹布条，防止沟槽堆积树脂；铺设铺布时不能有褶皱，铺布过程需严格控制。
[0041]
优选地，如图1所示，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述上模100及下模200均分别设置有叶根法兰300和翻边400。
[0042]
需要说明的是，所述光纤光栅优选使用裸栅形式，采用多个fbg裸栅串联的形式，形成具有多个光栅测点的传感器串，在熔接点处使用热缩管进行封装保护。且被铺设的多个fbg传感器串相互不接触。
[0043]
所述光纤光栅应变传感器同时对温度和应变敏感，因此当外界温度变化或受到外力作用时，光纤光栅的中心波长峰值随之发生漂移，即
[0044]
δλ
b
＝λ
b
(1-p
e
)ε+λ
b
(α
f
+ξ)δt
[0045]
＝k
ε
ε+k
t
δt
[0046]
式中，λ
b
为光纤光栅的中心波长值；δλ
b
为光纤光栅中心波长值的偏移量；ε为光纤光栅的轴向应变；δt为传感器温度变化量；pe为有效弹光系数；ξ和α
f
分别为光纤光栅的热光系数和热膨胀系数；k
ε
和k
t
分别是光纤光栅的应变灵敏度系数和温度灵敏度系数。
[0047]
进一步的，如图4和图5所示，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述光纤光
栅124由多个fbg裸栅串联后构成；多个所述光纤光栅在所述加热层内组成光纤bragg光栅，位于所述加热层内的多个所述光纤光栅互不接触；所述光纤bragg光栅中，多个所述光纤光栅共同连接于同一用户接口；所述用户接口用于连接光纤光栅解调仪，以实现波分复用。所述波分复用技术是指将数根不同中心波长的fbg串接成一根光纤，它们共用一个解调系统进行解调。
[0048]
优选地，所述光纤光栅的外形为一根独立的光纤；所述光纤光栅由多个不同中心波长的fbg裸栅串联后构成。
[0049]
优选地，多个所述fbg裸栅串联连接的熔接点部位设置有用于封装保护的热缩管。
[0050]
进一步的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述外结构层的外表面还贴附设置有保温层；所述传热介质为铝粉。
[0051]
进一步的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述内结构层和外结构层与所述光纤光栅布设位置相对应的部位，均分别开设有外形与所述光纤光栅相适配的凹槽；所述凹槽深度0.5mm宽度1mm。
[0052]
实施例2：
[0053]
本实施例在实施例1的基础上进一步提供一种叶片模具制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0054]
步骤1：采用真空辅助灌注工艺，将树脂浇筑在依次由表面毡、无碱布和多轴向多层织物按序叠放组成的多层结构上，用于制备叶片模具内结构层；当表面毡层由多块表面毡组成时，相邻两块所述表面毡间的连接方式为搭接；当无碱布层由多块无碱布组成时，相邻两块所述无碱布间的连接方式为搭接；当多轴向多层织物层由多块多轴向多层织物组成时，相邻两块所述多轴向多层织物间的连接方式为搭接；所述叶片模具内结构层的制作数量为两个，外形分别与叶片上侧及下侧的外形相适配，以获得上模内结构层及下模内结构层成品；
[0055]
步骤2：在所述上模内结构层及下模内结构层固化完成后，在所述上模内结构层及下模内结构层分别用于面向叶片的一侧预设光纤光栅设置位置，或在所述光纤光栅设置位置处开设凹槽；
[0056]
步骤3：将光纤光栅摆放在预设的所述光纤光栅设置位置处，并在同一层面进一步敷设铜管或电热丝；
[0057]
步骤4：将树脂与传热介质加热混合后浇筑在所述上模内结构层及下模内结构层分别用于面向叶片的一侧，以形成加热层；待充分凝固时将所述加热层打磨平整，获得厚度均匀的加热层；
[0058]
步骤5：在所述加热层用于面向叶片的一侧敷设由多轴向多层织物、轻木和多轴向多层织物组成的多层结构，用于制备外结构层；
[0059]
步骤6：采用真空辅助灌注工艺，将树脂浇筑在由多轴向多层织物、轻木和多轴向多层织物组成的多层结构上形成外结构层，待充分凝固后将所述外结构层打磨平整，获得叶片模具成品。所述轻木是指一种密度小，刚度大的多孔材料，可用来提高模具个别部位的刚度。
[0060]
进一步的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，还包括：步骤7：在所述外结构层外侧贴附保温层。
[0061]
进一步的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，还包括：步骤8：叶片模具预固化、离模及后处理。所述预固化温度为50-70℃，固化时间为12h，预固化是为了保证模具整体有一定刚度，使后续离模时不易产生大的变形。预固化度控制在15-35％之间，若固化度太小，会导致模具刚度过低。所述后处理工艺：50-70℃后保温24h，12h内升至90℃，90℃下保温36h。
[0062]
需要说明的是，在上述方法中，所述表面毡可以起到提高模具型面光滑度的作用，多轴向多层织物作为主体材料，能够提高模具整体刚度以及强度。所述表面毡可以是玻璃纤维表面毡，也可以是碳纤维表面毡，根据实际要求选用。所述真空辅助灌注成型工艺中，真空应控制在5-8个真空度以内。
[0063]
此外，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述内结构层制作完成后，将表面打磨清洗干净，按照预先设计的粘贴方案，将光纤光栅传感器粘贴固定。其上覆盖一层无纺玻纤布以及正交编织玻纤布，并手工刷涂真空消泡后的环氧树脂及其固化剂材料体系，从而浸渍无纺玻纤布以及正交编织玻纤布，达到封装、固定和保护光纤光栅传感器的目的。
[0064]
进一步的，所述加热层选择水加热(向铜管中通入热水)或电加热均能达到同样的使用效果，因此只设置其中一种或将两者均设置在加热层所形成的的结构都是本实用新型所要求保护的。
[0065]
进一步的，为更进一步保障模具精度，内结构层在制作过程中真空应控制在5-8个真空度以内；考虑到外结构层质量要求不如内结构层那么严格，因此外结构层的灌注真空控制在12-15个真空度以内即可达到使用要求。
[0066]
进一步的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述外结构层固化结束后，将光纤光栅传感器粘贴固定。其上覆盖一层无纺玻纤布以及正交编织玻纤布，并手工刷涂真空消泡后的环氧树脂及其固化剂材料体系，从而浸渍无纺玻纤布以及正交编织玻纤布，达到封装、固定和保护光纤光栅传感器的目的。
[0067]
进一步的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所采用的树脂为环氧树脂，但该环氧树脂也可以用密封硅胶来代替。因此采用密封硅胶应用在上述树脂浇筑工艺中也是本实用新型所要求保护的。
[0068]
进一步的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，在步骤1中，内结构层采用表面毡+无碱布+多轴向多层织物的形式，采用真空辅助灌注工艺成型。表面毡铺放采用搭接方式；无碱布铺放采用对接方式，在沟槽出多填充多轴向多层织物，以免富树脂情况出现；多轴向多层织物铺放采用对接方式，真空控制在5个真空度以内。
[0069]
进一步的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，在步骤3中，若加热层仅采用水加热的方式，将铜管弯成s型，在模具表面布满、固定，然后采用树脂与铝粉相混合的方式将空隙填充。
[0070]
进一步的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，在步骤4中，在模具型面表贴光纤光栅传感器时，待叶片模具外结构层后固化完成后，在预定位置开设凹槽，将光纤光栅串埋入凹槽内，用环氧树脂密封并且同时完全填充前述的凹槽，打磨平整，避免叶片模具缺陷。
[0071]
进一步的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，在步骤5中，外结构层采用多轴向多层织物+轻木+多轴向多层织物的三明治结构形式，采用真空辅助灌注工艺成型，真
空应控制在15个真空度以内。
[0072]
进一步的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，在步骤6中，还进一步包括：叶片模具型面及叶根加固：型面及叶根加固是将加固方管分别采用手糊以及真空辅助的工艺制备。需要说明的是上述加固方式基于现有技术实施，因此相关技术细节在此不再进一步赘述。
[0073]
实施例3：
[0074]
本实施例在上述实施例的基础上进一步提供一种模具型面监测系统，包括：风电叶片模具和光纤光栅解调仪；所述风电叶片模具为实施例1中所述的风电叶片模具，或依实施例2所述方法制造而成的风电叶片模具；所述光纤光栅解调仪通过光纤与所述风电叶片模具的光纤光栅信号连接。
[0075]
进一步的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述光纤光栅解调仪与所述光纤光栅间的光纤接口部位设置有密封袋。所述封装后的光纤光栅传感器的传输线路以及引线接头采用密封袋密封保护，能够防止光纤接口受到污染。
[0076]
如6图所示，模具型面监测系统的核心工作部件主要包括传感部分、传输光纤和光纤光栅解调仪三部分；由于光纤光栅可以制作成不同的中心波长，因此多个光栅可以方便地串接在同一条光路上形成波分复用测量系统，可方便地测量型面。相关波分复用的工作原理如图7所示。
[0077]
上述模具型面监测系统工作原理如下：光纤光栅解调仪内置超辐射宽带光源，通过耦合器将光源耦合到现场光纤光栅探测器，现场光纤光栅探测器所反射的各中心波长再次反射回耦合器，耦合器将反射信号送入波长检测单元，在波长检测单元中通过fp扫描技术感知各探测器反射的中心波长值，比较各探测器中心波长的变化量推算环境温度、应变等。光纤光栅信号处理器最后将检测到的信息输出并显示，有报警等信息时同时输出报警信号。需要说明的是上述光纤光栅解调仪为现有技术，可直接以购买的方式获得。
[0078]
本实用新型上述模具型面监测系统即可实现单点测量亦能实现多点测量；其中，在其中一个实施例中，光纤光栅所测中心波长变化量与无线激光跟踪仪所测位移矢量变化量(单点)关系曲线如图8所示；在另一个实施例中，光纤光栅所测中心波长变化量与无线激光跟踪仪所测位移矢量变化量(多点)关系曲线如图9所示。
[0079]
进一步的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，使用时，包含如下操作步骤：
[0080]
1、利用无线激光跟踪仪将模具大致调整成标准半圆状态作为初始状态，示数稳定后，记录此时fbg传感器的中心波长示数。
[0081]
2、进行第一次调整，通过调节钢结构，使型面产生一定的变形，注意此时变形一定要协调，切勿出现剧烈变形。待示数稳定后，记录此时fbg传感器的中心波长示数。
[0082]
3、根据单点测量法的测试要求，在每一个栅区周围选取6个点进行单点测量，取其平均值作为栅区中心所对应位置的位移矢量变化量。进行一次型面整体测量。
[0083]
4、重复以上步骤，进行多次变形实验，以获得所需的实验数据，并依据所获数据将叶片模具的外形作出相应的调整。
[0084]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术
语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0085]
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。