一种垂直轴叶片及其成型方法与流程

本发明涉及潮流能发电领域，尤其涉及一种垂直轴叶片及其成型方法。

背景技术：

在能源领域，潮流能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到重视。潮流能发电是把潮流能转变为机械转动能的装置，目前主要有两种形式，即垂直轴水轮机和水平轴水轮机发电机。垂直轴水轮机与水平轴水轮机相比，垂直轴水轮机有一些独特的优势,具有适应流向性强，工作时不受流向影响、维护简单、发电机舱不影响水轮机流场、噪声低不易空化、适合大规模阵列布置等。

叶片是潮流能发电机组的捕能装置，将潮流的动能转化为叶轮机构的旋转机械能，其研究成本占到了整个发电机组的20％左右。高速的潮流能能量密度大，意味着叶片的负载大，且载荷随湍流而持续变化。因此叶片不仅要有有效的形状，还要具备高强度。垂直轴水轮机的叶片位于水下，常规的金属材料叶片容易造成海水腐蚀，影响使用寿命，而一些复合材料叶片，如玻璃纤维等材料虽具有防腐性，但其属于脆性材料，易断裂、变形、损伤，不宜制造成较长的叶片，碳纤维虽具有强度高、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等优点，但其但剪断强度弱，造价高。

因此，如何解决现有叶片制造所用的材料所造成的叶片耐腐蚀性差、强度差、造价高等仍是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

为克服现有技术的问题，本发明提供一种垂直轴叶片，包括：

金属骨架；

泡沫部，包裹住所述金属骨架，并形成垂直轴叶片的轮廓；

主梁层，设置在所述泡沫部的外侧，且与所述金属骨架相对应；

外层蒙皮，设置在所述主梁和/或泡沫部的外侧。

可选地，所述金属骨架包括平行设置的两根金属管，所述两根金属管之间通过竖直管和/或斜向管固定连接。

可选地，所述金属管为三根以上。

可选地，所述主梁层的宽度小于所述金属骨架的宽度。

可选地，所述泡沫部上设有凹槽，所述凹槽用于容纳至少部分所述主梁层。

可选地，所述主梁层的横截面为正梯形、倒梯形或矩形。

可选地，所述主梁层为单向碳纤维，玻璃纤维，玄武岩纤维中的至少一种。

可选地，所述主梁层由单向为主的少量织物组成。

可选地，所述外层蒙皮为玻璃纤维，碳纤维，玄武岩纤维中的至少一种。

本发明提供一种垂直轴叶片的成型方法，包括步骤：

s1、获取金属骨架；

s2、发泡形成泡沫部，所述泡沫部将所述金属骨架包裹在内，并形成垂直轴叶片的轮廓；

s3、在泡沫部上形成主梁层；

s4、在所述主梁和/或泡沫部的外侧形成外层蒙皮。

可选地，所述步骤s4包括：

在所述主梁和泡沫部的外侧形成外层蒙皮；或

在所述泡沫部的外侧未被所述主梁层覆盖的区域形成外层蒙皮，并使所述主梁层与所述外层蒙皮平滑过渡。

本发明提供的垂直轴叶片及其成型方法，采用金属骨架为主承重，主梁为次承重，提高叶片的耐腐蚀性，增加强度，能制造成较长的叶片，同时还能控制造价成本。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本发明实施例的垂直轴叶片的结构示意图。

图2为本发明另一实施例的垂直轴叶片的结构示意图。

图3为本发明实施例的金属骨架的结构示意图。

图4为本发明另一实施例的垂直轴叶片的结构示意图。

图5为本发明另一实施例的垂直轴叶片的结构示意图。

图6为本发明另一实施例的金属骨架的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种垂直轴叶片，包括：金属骨架110、泡沫部120、主梁层130、外层蒙皮140。其中：

金属骨架110包括平行设置的至少两根金属管，该至少两根金属管之间通过竖直管和/或斜向管固定连接。请同时参照图3，本实施例中，金属骨架110包括平行设置的两根金属管111、112。该两根金属管之间通过竖直管113和/或斜向管114固定连接。上述金属管111、112的横截面可以圆形或方形或三角形等，本发明对此并不做限制；金属管111、112的横截面可以相同，也可以不同。金属管111、112的长度可以根据需要自行设定，本发明对此不作限定。

泡沫部120可以采用pu或pvc发泡形成。泡沫部120充满金属骨架中至少两根金属管之间，包裹住金属骨架，并形成垂直轴叶片的轮廓。

主梁层130设置在泡沫部的外侧，且与金属骨架相对应；一般地，主梁层130的宽度小于金属骨架110的宽度，金属骨架的宽度是指第一根金属管与最后一根金属管之间的距离。主梁层130由单向为主的少量织物组成。主梁层130可以采用多层碳纤织物进行分层铺放形成，该碳纤织物为单向碳纤维，玻璃纤维，玄武岩纤维中的至少一种，例如，采用多层单向碳纤织物进行分层铺放形成。在具体实施时，主梁层的横截面可以为正梯形、倒梯形或矩形。需要说明的是，本发明并不对主梁层的形状做限定。

外层蒙皮140设置在主梁和泡沫部的外侧。在具体实施时，进行发泡形成泡沫部时，可以预留凹槽位，从而在泡沫部120上形成凹槽，该凹槽用于容纳至少部分主梁层130，也就是说，主梁层130可以全部位于凹槽内，也可以一部分位于凹槽内，另一部分突出于凹槽。本发明不对该凹槽的形状做限制，该凹槽可以为正梯形、倒梯形或矩形。

主梁层130设置完成后，再将外层蒙皮140包裹住主梁和泡沫部。外层蒙皮140可以采用多层碳纤织物进行分层铺放形成，该碳纤织物为玻璃纤维，碳纤维，玄武岩纤维中的至少一种。外层蒙皮140还可以采用多层碳纤织物和玻纤织物交错分层铺放而成。在具体实施时，主梁层的厚度大于外皮层的厚度更佳。当然，主梁层的厚度与外皮层的厚度相等或略小于外皮层的厚度也是可行的。

需要说明的是，泡沫部120上不设置凹槽，直接铺放主梁层也是可行的。

如图2所示，本实施例提供的垂直轴叶片，包括：金属骨架210、泡沫部220、主梁层230、外层蒙皮240。金属骨架210、泡沫部220、主梁层230与上述图1对应的实施例的金属骨架110、泡沫部120、主梁层130结构相同。在此不再赘述，不同的是，本实施例中：

外层蒙皮240仅设置在泡沫部的外侧，即，外层蒙皮240没有包裹住主梁层230。

在具体实施时，进行发泡形成泡沫部时，可以预留凹槽位，从而在泡沫部220上形成凹槽，该凹槽用于容纳主梁层230，本实施例中，主梁层230的高度大于凹槽的深度，也就是说，主梁层230突出于该凹槽。如此，再将外层蒙皮240包裹住泡沫部未被主梁层覆盖的区域，并使主梁层与外层蒙皮平滑过渡。

同样，外层蒙皮240可以采用多层碳纤织物进行分层铺放形成，该碳纤织物为玻璃纤维，碳纤维，玄武岩纤维中的至少一种。外层蒙皮240还可以采用多层碳纤织物和玻纤织物交错分层铺放而成。在具体实施时，主梁层的厚度大于外皮层的厚度更佳。当然，主梁层的厚度与外皮层的厚度相等或略小于外皮层的厚度也是可行的。

如图4所示，本实施例提供的垂直轴叶片，包括：金属骨架310、泡沫部320、主梁层330、外层蒙皮340。泡沫部320、主梁层330、外层蒙皮340与上述图1对应的实施例的泡沫部120、主梁层130、外层蒙皮140结构相同。在此不再赘述，不同的是：

本实施例中的金属骨架如图6所示，金属骨架310采用三根金属管311、312、313组成，相邻的金属管之间采用竖直管和/或斜向管固定连接。

本实施例尤其适用于垂直轴水轮机叶片宽度较大的情况下，虽然图中没显示，还可以视垂直轴水轮机叶片宽度增加金属骨架中金属管的个数，此时金属管的个数可以大于3根、例如是4根、5根等。

如图5所示，本实施例提供的垂直轴叶片，包括：金属骨架410、泡沫部420、主梁层430、外层蒙皮440。金属骨架410、泡沫部420、主梁层430与上述图4对应的实施例的金属骨架310、泡沫部320、主梁层330结构相同。在此不再赘述，不同的是，本实施例中：

外层蒙皮440仅设置在泡沫部的外侧，即，外层蒙皮440没有包裹住主梁层430。

在具体实施时，进行发泡形成泡沫部时，可以预留凹槽位，从而在泡沫部420上形成凹槽，该凹槽用于容纳主梁层430，本实施例中，主梁层430的高度大于凹槽的深度，也就是说，主梁层430突出于该凹槽。如此，再将外层蒙皮440包裹住泡沫部未被主梁层覆盖的区域，并使主梁层与外层蒙皮平滑过渡。

同样，外层蒙皮440可以采用多层碳纤织物进行分层铺放形成，该碳纤织物为玻璃纤维，碳纤维，玄武岩纤维中的至少一种。外层蒙皮440还可以采用多层碳纤织物和玻纤织物交错分层铺放而成。在具体实施时，主梁层的厚度大于外皮层的厚度更佳。当然，主梁层的厚度与外皮层的厚度相等或略小于外皮层的厚度也是可行的。

本发明提供一种垂直轴叶片的成型方法，包括步骤：

s1、获取金属骨架；

更具体地，该金属骨架可以如图3或图6所示。

s2、发泡形成泡沫部，泡沫部将金属骨架包裹在内，并形成垂直轴叶片的轮廓；

进行发泡形成泡沫部时，可以预留凹槽位，从而在泡沫部上形成凹槽。本发明不对该凹槽的形状做限制，该凹槽可以为正梯形、倒梯形或矩形。

s3、在泡沫部上形成主梁层；

更具体地，主梁层可以形成在上述凹槽内，其顶部可以与凹槽的顶部齐平或形成垂直轴叶片的轮廓中的一段、或突出于该凹槽的顶部。也就是说，该凹槽可以用于容纳至少部分主梁层130，主梁层130可以全部位于凹槽内，也可以一部分位于凹槽内，另一部分突出于凹槽。

需要说明的是，泡沫部上不设置凹槽，直接铺放主梁层也是可行的。在具体实施时，主梁层的横截面可以为正梯形、倒梯形或矩形。需要说明的是，本发明并不对主梁层的形状做限定。

s4、在主梁和/或泡沫部的外侧形成外层蒙皮。

一般地，在步骤s4中，若位于凹槽内的主梁层的顶部与凹槽的顶部齐平或形成垂直轴叶片的轮廓中的一段，则可以在主梁和泡沫部的外侧形成外层蒙皮，如图1、图4所示。

在本发明的另一个实施例中，若位于凹槽内的主梁层的顶部突出于该凹槽的顶部，则在泡沫部的外侧未被主梁层覆盖的区域形成外层蒙皮，并使主梁层与外层蒙皮平滑过渡，如图2、图5所示。

本发明提供的垂直轴叶片及其成型方法，采用金属骨架为主承重，主梁为次承重，提高叶片的耐腐蚀性，增加强度，能制造成较长的叶片，同时还能控制造价成本。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。