大功率水平轴海流能发电机的叶片及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种水平轴海流能发电机的叶片及其制造方法，该叶片适合于大功率 的水平轴海流能发电机使用。
【背景技术】
[0002] 海流能是一种清洁可再生能源，我国海流能储量丰富，其开发利用潜力巨大。相对 波浪而言，海流能的变化平稳且有规律，具有能量密度大，规律性强，蕴藏量大等优点。海流 能发电机将海流能转化为电能，供用户使用，叶片作为捕获海流能量的第一级机构，是海流 能发电机的重要部件，其结构设计，材料选择直接影响能量捕获效率，以及机组能否长期稳 定运行。
[0003]目前海流能领域的研宄热点主要集中在以下方面：（1)海流机叶片的水动力设计 方法；（2)叶片可调距机构的设计；（3)安装与支撑方式的设计研宄；(4)叶片气蚀的研宄 和抑制；（5)机组布局的研宄；(6)海流能发电装置新概念的设计。
[0004] 对于小功率水平轴海流能发电机的叶片，叶片尺寸较小，可以直接用多轴联动机 床一体加工，而对于大功率水平轴海流能发电机的叶片，叶片尺寸较长，无法采用多轴联动 机床一体加工。现有的较大功率水平轴海流能发电机的叶片，有的使用与传统的水平轴风 力发电机叶片类似的叶片，其制造工艺方法和传统的水平轴风力发电机叶片一样，整体是 用玻璃钢制造的，玻璃钢拉伸弹性模量是19. 71GPa，弹性模量较低，比钢材差10倍，由于海 水的密度是空气的一千多倍，因此海流能发电机的叶片受到的载荷冲击大，这种叶片在海 流能使用中容易出现严重的叶片挥舞和振摆问题，甚至发生弯折或折断的情况；
[0005] 有的采用青铜材料、或者不锈钢、或者合金钢制造叶片，叶片是实心的，重量大，并 且，因为大功率海流能发电机的叶片较长，青铜材料的叶片存在自身强度不足的问题，而 且，也没有足够大的机床进行叶片整体加工，只能进行手工打磨，手工打磨非常费工，且精 度不够，而且自身重量非常大，成本也很高。
[0006] 许多海流能源丰富的海域含沙量高，例如中国舟山近海海域。传统的风力发电机 复合材料叶片表面硬度低，在叶片运转过程中，受到砂砾碰撞、摩擦，极易产生凹痕或划伤。 另外，水下环境中叶尖部分转速快，易产生气蚀，导致叶尖部分更易产生损伤。
[0007] 另外，在海洋运行环境中，必须面对悬浮渔网绞缠的问题，海流能发电机组若无自 保护措施，被渔网缠绕，将发生机组卡死，无法正常运转，甚至导致整个机组毁坏的情况。此 外，不同于大气环境，海洋附着物也是必须考虑的问题，细菌、藻类，生物幼虫等的生长会导 致叶片加速腐蚀损坏。
【发明内容】
[0008] 本发明针对现有技术中的上述不足，提供一种可以对抗潮流载荷冲击、高强度、高 刚性、抗砂砾碰撞摩擦、耐磨损、叶尖耐气蚀、防渔网缠绕、防海洋生物附着的大功率水平轴 海流能发电机的叶片及其制造方法。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：
[0010] 大功率水平轴海流能发电机的叶片，包括空心的金属大梁，金属大梁自上而下逐 渐变宽，金属大梁上间隔焊接有数个加强刚度的水平腹板，所述金属大梁的横截面呈u 型，或者ri型，或者<3型，或者《11型，按照横截面的前后次序，金属大梁的刚度依 次增加，但加工工艺难度依次增加；金属大梁的顶端焊接金属叶尖，金属叶尖上固定有第 一割网刀，金属叶尖和第一割网刀采用四轴联动机床一体制造，或者，金属叶尖采用四轴联 动机床一体制造，金属叶尖上再焊接第一割网刀，所述金属大梁的底端焊接金属叶根，金属 叶根采用四轴联动机床一体制造，金属叶根为与海流能发电机的轮毂连接的法兰或者螺纹 孔；金属大梁包括金属大梁与金属叶尖的焊接部位、金属大梁与金属叶根的焊接部位的外 侧包裹固化经过第一混合树脂涂抹或浸润的第一纤维布，第一混合树脂由热固性树脂与弹 性体树脂配比而成，包裹第一纤维布可以增大在金属大梁外侧涂抹粘接剂的使用面积并提 尚粘接剂的粘接力；
[0011] 包裹有第一纤维布（涂抹或浸润有第一混合树脂）之后，在金属大梁的外侧面粘 接外蒙皮，金属大梁的内侧面粘接内蒙皮，金属大梁的前侧面与外蒙皮、内蒙皮之间填置泡 沫填芯，金属大梁的后侧面与外蒙皮、内蒙皮之间填置泡沫填芯，泡沫填芯与金属大梁、外 蒙皮、内蒙皮之间粘接，外蒙皮与内蒙皮的前端和后端的连接部位也粘接，位于金属大梁下 端的泡沫填芯上插设第二割网刀，第二割网刀的刀刃外露于外蒙皮和内蒙皮，第一割网刀 和第二割网刀均设置在叶片的旋转方向一侧，用于割断海底缠绕的渔网；所述叶片的旋转 方向一侧粘接有提高叶片刚性和韧性的前缘金属包片，前缘金属包片嵌设在位于外蒙皮和 内蒙皮前端的空缺部位，前缘金属包片可以减少潮水中砂砾撞击摩擦对叶片的损坏；叶片 表面喷涂有防止海洋生物附着的防污涂料；
[0012] 所述金属大梁采用不锈钢、碳素钢、钛合金或其它有较好强度刚度的金属板材焊 接而成，所述金属叶尖采用不锈钢、镍合金、钛合金或其它有较好强度刚度并且抗气蚀、耐 腐蚀的材料，所述金属叶根采用不锈钢、碳素钢、钛合金或其它有较好强度刚度的金属材 料，所述第一割网刀和第二割网刀采用不锈钢、钛合金或其它高刚度的金属材料，所述前缘 金属包片采用不锈钢、镍合金、钛合金或其它耐腐蚀、高韧性金属材料；
[0013] 所述第一纤维布采用玻璃纤维、碳纤维、芳纶或其它增强纤维的一种或一种以上 的组合，所述外蒙皮和内蒙皮由经过热固性树脂与弹性体树脂配比的第二混合树脂合模加 压成型，所述热固性树脂采用酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、硅醚树脂或其它树脂的一种或 者一种以上的组合，所述弹性体树脂采用丁腈橡胶、聚氨酯弹性体、有机硅弹性体、聚丙烯 酸酯弹性体或其它改性环氧树脂的一种或者一种以上的组合，所述泡沫填芯采用PVC泡 沫、PET泡沫、Nomex蜂窝或其它泡沫、蜂窝材料的一种或者一种以上的组合。
[0014]作为优选的一种方案，所述金属大梁采用横截面为型或~|T1h型的金属大 梁，型和47>型的金属大梁向两侧伸出肋边，可以增加叶片旋转时的扭曲刚度和 弯曲刚度，进而改善叶片运行时扭转、弯曲、挥舞的问题，TPf型金属大梁的外侧面和内 侧面之间固定有连接板，可以增加金属大梁的刚度。
[0015]进一步，所述前缘金属包片的外缘与外蒙皮和内蒙皮的外缘光滑过渡连接，光滑 过渡连接有利于降低叶片旋转时海流对连接部位的阻力。
[0016] 进一步，所述第二割网刀的长度大于第一割网刀的长度，第一割网刀和第二割网 刀的刀刃倾斜设置，第一割网刀的尾部为宽型，以增加和金属叶尖的接触面积改善受力，第 二割网刀的尾部为宽型，以增加和泡沫填芯的接触面积改善受力。
[0017] 进一步，如若金属叶尖与第一割网刀焊接，金属叶尖与第一割网刀的焊接部位也 可以经过打磨抛光处理以降低海流阻力和增加美观。
[0018] 大功率水平轴海流能发电机的叶片的制造方法，包括以下步骤：
[0019] (1)制造大梁总成，金属大梁为空心结构，金属大梁上间隔焊接数个水平腹板以加 强刚度，金属大梁的横截面呈TT型，或者n型，或者0型，或者431型，金属大梁 的顶端焊接金属叶尖，金属叶尖上固定第一割网刀，金属叶尖和第一割网刀可以采用四轴 联动机床一体制造，或者，金属叶尖采用四轴联动机床一体制造，然后再在金属叶尖上焊接 第一割网刀；在金属大梁的底端焊接金属叶根，金属叶根采用四轴联动机床一体制造，四轴 联动机床具有空间上的四个自由度，可以一体加工出金属叶尖或者金属叶根；焊接有金属 叶尖和金属叶根的金属大梁构成大梁总成；
[0020] 所述金属大梁由不锈钢、碳素钢、钛合金或其它有较好强度刚度的金属板材热扎、 锻压、焊接而成，所述金属叶尖采用不锈钢、镍合金、钛合金或其它有较好强度刚度并且抗 气蚀、耐腐蚀的材料制造而成，所述金属叶根采用不锈钢、碳素钢、钛合金或其它有较好强 度刚度的金属材料制造而成；
[0021] (2)在第一纤维布表面涂抹由热固性树脂与弹性体树脂配比的第一混合树脂，或 者将第一纤维布通过该第一混合树脂进行浸润处理，在大梁总成的金属大梁包括金属大梁 与金属叶尖的焊接部位、金属大梁与金属叶根的焊接部位的外侧包裹该第一纤维布一圈至 数圈并加热固化，其目的是，在包裹有第一纤维布的金属大梁的外侧涂抹粘接剂，可以增大 粘接剂的使用面积，方便与下述的外蒙皮、内蒙皮有大接触面积粘接，另外，和直接在金属 大梁的外侧涂抹粘接剂相比，在包裹有第一纤维布的金属大梁上涂抹粘接剂，后者粘接剂 的粘接力更大；
[0022] 所述第一纤维布采用玻璃纤维、碳纤维、芳纶或其它增强纤维的一种或一种以上 的组合，所述热固性树脂采用酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、硅醚树脂或其它树脂的一种或 者一种以上的组合，所述弹性体树脂采用丁腈橡胶、聚氨酯弹性体、有机硅弹性体、聚丙烯 酸酯弹性体或其它改性环氧树脂的一种或者一种以上的组合；
[0023] (3)制造外蒙皮和内蒙皮，在第二纤维布表面涂抹由热固性树脂与弹性体树脂配 比的第二混合树脂，或将第二纤维布通过该第二混合树脂进行浸润处理，之后将第二纤维 布进行叠层铺设，之后将叠层铺设的第二纤维布通过外蒙皮和内蒙皮的模具合模加压成 型，之后冷却环节待第二混合树脂固化后可以脱模，由此形成玻璃钢材质的外蒙皮和内蒙 皮，外蒙皮和内蒙皮的前端留有嵌设前缘金属包片的空缺部位；
[0024] 所述第二纤维布采用玻璃纤维、碳纤维、芳纶或其它增强纤维的一种或一种以上 的组合，所述热固性树脂采用酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、硅醚树脂或其它树脂的一种或 者一种以上的组合，所述弹性体树脂采用丁腈橡胶、聚氨酯