大型海上风力机叶尖尾缘融合分形孔翼结构及风力机

摘要

本实用新型涉及一种大型海上风力机叶尖尾缘融合分形孔翼结构及风力机，其中分形孔翼结构包括叶片主体和分形孔翼段，所述分形孔翼段连接于叶片主体的叶尖末端，所述分形孔翼段的翼型与叶片主体的叶尖末端的翼型相同，所述分形孔翼段的尾缘处开设有分形孔，所述分形孔贯穿分形孔翼段的压力面和吸力面设置。与现有技术相比，本实用新型叶尖尾缘融合翼段布置了具有自相似性的分形孔，采用被动调节的方式有效减少了海上大型风力机在高风速运行工况下吸力面出现的流动分离现象，抑制了失速的产生，减少了叶片振动及运行不稳定，提高了风力机的使用寿命，相对于主动失速调节更加节省成本。

说明书

技术领域

本实用新型涉及风力机叶片，尤其是涉及一种大型海上风力机叶尖尾缘融合分形孔翼结构及风力机。

背景技术

与陆上风力机相比，海上风力机受到风浪联合作用的影响会产生艏摇、纵摇、纵荡等运动，会影响风轮平面处的入流风速，从而影响风力机的气动性能。此外，海上风能储量丰富，存在较大的风速，风力机叶片通常运行在大风速工况下，在叶片的吸力面上产生流动分离，导致叶片升力减小和阻力增大，使得风力机整体噪声和振动增大，风力机长时间处于该工况下运行会导致运行不稳定并且减少风力机的使用寿命。为了提高风力机叶片在大风速下的气动性能，需要有效的方法来延缓叶片吸力面的流动分离。

现有技术已经研究出了很多利用主动或被动调节失速的方法。虽然主动失速调节可以有效改善叶片表面的流动分离现象，但它所需要的成本更高。而现有的被动调节失速的方法虽然可以提高升力系数，然而会导致显著的阻力增加。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了提供一种大型海上风力机叶尖尾缘融合分形孔翼结构及风力机，叶尖尾缘融合翼段布置了具有自相似性的分形孔，采用被动调节的方式有效减少了海上大型风力机在高风速运行工况下吸力面出现的流动分离现象，抑制了失速的产生，减少了叶片振动及运行不稳定，提高了风力机的使用寿命，相对于主动失速调节更加节省成本。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种大型海上风力机叶尖尾缘融合分形孔翼结构，包括叶片主体和分形孔翼段，所述分形孔翼段连接于叶片主体的叶尖末端，所述分形孔翼段的翼型与叶片主体的叶尖末端的翼型相同，所述分形孔翼段的尾缘处开设有分形孔，所述分形孔贯穿分形孔翼段的压力面和吸力面设置。

所述分形孔翼段与叶片主体的叶尖部分平滑过渡。

所述分形孔翼段的展向长度为风力机的风轮半径的1％～3％。

所述分形孔翼段位置为相对翼弦弦长0.75至尾缘处。

所述分形孔与叶片翼弦的网格结构垂直。

所述分形孔的截面为方形。

所述分形孔共设有多个，且排列成网格状。

所有分形孔包括第一分形孔和第二分形孔，所述第二分形孔包围第一分形孔设置，且第一分形孔的尺寸大于第二分形孔的尺寸。

所有第一分形孔的边长比为第二分形孔的3倍。

一种风力机，包括如上述的孔翼结构。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1)叶尖尾缘融合翼段布置了具有自相似性的分形孔，采用被动调节的方式有效减少了海上大型风力机在高风速运行工况下吸力面出现的流动分离现象，抑制了失速的产生，减少了叶片振动及运行不稳定，提高了风力机的使用寿命，相对于主动失速调节更加节省成本。

2)叶尖尾缘融合翼段与叶片的叶尖部分平滑连接且翼型相同，分形孔翼段增大了叶尖压力面和吸力面压差，提高了叶尖处的扭矩，从而增加了风力机总体功率，具备良好的气动性能。

3)分形孔结构为基于分形学原理衍生迭代形成，降低了叶片的流动阻力，提高了叶尖尾缘处的流动掺混程度，同时其结构简单且易于制造。

附图说明

图1为本实用新型叶尖尾缘融合分形孔翼段的风力机叶片结构示意图；

图2为叶尖尾缘融合分形孔翼段放大结构示意图；

图3为原始叶片与分形孔叶片压力面压差对比云图；

图4为原始叶片与分形孔叶片吸力面压差对比云图；

图5为原始叶片与分形孔叶片功率随时间变化曲线图；

图6为原始叶片叶尖位置截面周围流场速度矢量图；

图7为分形孔叶片叶尖位置截面周围流场速度矢量图；

其中：1、叶片主体，2、分形孔翼段，3、分形孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

一种大型海上风力机叶尖尾缘融合分形孔3翼结构，应用于风力机中，如图1 所示，包括叶片主体1和分形孔3翼段2，分形孔3翼段2连接于叶片主体1的叶尖末端，分形孔3翼段2的翼型与叶片主体1的叶尖末端的翼型相同，分形孔3 翼段2的尾缘处开设有分形孔3，分形孔3贯穿分形孔3翼段2的压力面和吸力面设置。

一般的，分形孔3翼段2与叶片主体1的叶尖部分平滑过渡，分形孔3翼段2 的展向长度为风力机的风轮半径的1％～3％。

图2示出了本实用新型的叶尖尾缘融合分形孔3翼段2放大结构示意图，分形孔33结构为基于分形学原理采用任意一种几何图形衍生迭代形成，具有自相似性、标度不变性和自仿射性。本实施例采用的为方形孔，分形孔3一次迭代宽度为分形孔3翼段2展向长度的10％～15％。为满足在融合叶尖翼段上生成二次迭代的分形孔3，其局部与整体存在一定意义上的相似，其二次迭代孔与一次迭代孔始终保持迭代宽度比为1：3。

具体如图2所示，分形孔包括第一分形孔和第二分形孔，第二分形孔包围第一分形孔设置，且第一分形孔的尺寸大于第二分形孔的尺寸，所有第一分形孔的边长比为第二分形孔的3倍。

参照图2所示，分形孔33布置在叶尖相对翼弦弦长0.75至尾缘处，形成贯穿叶尖融合翼段的压力面和吸力面且垂直于叶片翼弦的网格结构，此外其正对于来流速度方向，可以使得来流风贯穿通过其翼段上下表面。该分形孔3结构相比于线性布置的孔结构而言，利用其自相似性提高了流动掺混程度，改善叶尖尾缘流场，降低了叶片流动阻力，从而提高其气动性能。

对该风力机有无叶尖尾缘融合分形孔3翼段2的叶片在额定运行风速11.4m/s 以及受到风浪联合作用产生的纵荡、纵摇、艏摇运动工况下进行了计算流体力学计算模拟分析，如图3、4所示分别为原始叶片与分形孔3叶片压力面压差对比云图和吸力面压差对比云图。可以观察到，在叶片压力面，两种叶片的压力分布基本相同，在叶片吸力面，叶尖尾缘融合分形孔3翼段2的叶片负压更大，较大的负压区位于分形孔3附近，更大的压差提高了叶尖的做功能力，从而增加了叶片的输出功率。如图5所示为原始叶片与分形孔3叶片功率随时间变化曲线图，可以看出在风力机风轮旋转4圈，即20s左右，风力机功率基本达到稳定，分形孔3叶片输出功率为5.16MW，原始叶片输出功率为5.03MW，相对于原始叶片，分形孔3叶片输出功率增加了约2.6％。

此外，海上大型风力机时常在高风速工况下运行，受到风力机叶片的自身旋转和高速来流风的影响，翼型上表面会发生流动分离现象。进一步采用计算流体力学计算，设置了对在高风速运行工况下有无叶尖尾缘融合分形孔3翼段2的叶片模拟，如图6、7所示为在进口来流风速为25m/s时截取原始叶片叶尖和分形孔3叶片叶尖位置截面周围流场速度矢量图。对叶尖后方流场进行分析，可以看出，在高速来流风的作用下，原始叶片吸力面后方流场出现流动分离现象，靠近于吸力面附近出现了失速团，然而在相同风速工况下分形孔3叶片吸力面后方流场没有观察到明显的流动分离现象，这是因为由于分形孔3的存在在叶片尾缘产生小尺度湍流，干扰了形成失速团区域的流场，从而抑制了失速分离。