CN216536915U - 一种叶尖结构、转子叶片、风力涡轮机、风电场和飞行器 - Google Patents

一种叶尖结构、转子叶片、风力涡轮机、风电场和飞行器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一叶尖结构；该叶尖结构包括配置在叶片的迎风面(43)上的迎风面结构(50)，以及配置在叶片(12)的背风面(44)上的背风面结构(60)，迎风面和背风面结构(50,60)具有不同的桨距角(αp,αs)，使得迎风面结构(50)的翼弦(CP2)沿运动方向(D)向前延伸，并且相较于背风面结构(60)的翼弦(CS2)，其朝远离叶片根部更大径向向外延伸、或者朝向叶片根部方向更小径向向内延伸，从而确定两个结构(50,60)之间的相对扭转角(αT)；本实用新型还公开了一种含有该叶尖结构的转子叶片、风力涡轮机、风电场、直升机和飞行器。

Description

一种叶尖结构、转子叶片、风力涡轮机、风电场和飞行器
技术领域
本实用新型涉及风力发电领域，尤其是涉及一种叶尖结构、转子叶片、风力涡轮机、风电场和飞行器。
背景技术
大多数现代商用风力发电机(即:发电的风力涡轮机)是具备基于升力的转子的水平轴风力机(HAWTs)--也就是说，转子叶片系翼型叶片、其以高于风速的叶尖速度旋转。在翼型叶片上流动的空气产生升力(垂直于相对风的方向的力，即当叶片旋转时，撞击在叶片上的空气平均方向)，它驱动转子旋转。
一个水平轴风力机(HAWT)转子的叶片从轮毂径向向外延伸到叶尖。随着距轮毂的径向距离增加，叶片的切向速度也增加、并因此相对气流的方向逐渐远离风的方向移动(其沿着旋转轴流过转子)并与叶片的旋转方向相反。基于此，叶片通常沿着其纵轴略微扭转，随着距轮毂的距离增加，其前缘端朝旋转方向逐渐转向，从而维持最佳几何攻角(即翼型叶片的翼弦线相对于气流的角度)。
翼型叶片的剖面被成型为在叶片的顺风(低压或"背风")面和叶片的逆风(高压或"迎风")面之间产生压力差。通过叶片的压力差在垂直于相对气流方向的方向上表现为作用在叶片上的力，即为升力。升力包括两个矢量分量，该等矢量分量在本说明书中分别被称为推力和扭矩。
该推力沿着旋转轴的方向作用，并且因此，如果转子被放置在一个支撑结构的逆风上，则将叶片推向支撑结构。尽管一些预弯设计(朝叶片叶尖的逆风方向的渐进曲率)使结构变得更轻、更灵活，但是叶片必须足够坚硬以便抵抗推力并保持一个安全叶尖间隙。
该扭矩在旋转方向上推动叶片，并且在旋转轴处被转换为轴功率。因此，风力涡轮机转子设计的一项主要目标就是将相对于推力的扭矩最大化；并通过几何攻角来实现这个目标。
在叶片上流动的空气产生反作用力，统称为阻力，其在与旋转方向相反的方向上作用于叶片上。阻力尤其包括：因叶片上流动空气的偏转引起的诱导阻力、且因此可以被认为是升力的对应物；以及废阻力，其特别包括了当空气在叶片表面上流动时的表面摩擦阻力。阻力会消耗一些有用的扭矩，并且因此减少了转子的输出轴功率。因此，另一项主要目的就是相对于阻力最大化提高升力系数，也称为滑翔比。
翼型叶片的剖面尤指叶片厚度与翼弦线弦长的比率，并且与几何攻角一起被用以优化滑翔比。
当叶片旋转时，每个叶片的逆风侧和顺风侧上产生的压力差使得空气从较高压处的逆风侧，向较低压力处的顺风侧进行环流。大部分的流动是沿着翼弦线的方向，即沿叶片的宽度方向，从其前缘端到后缘端，因此有助于形成能够产生升力的压力差、并因此产生能够驱动叶片旋转的扭矩。
然而，有些流向是沿着叶片的长度方向，径向向外远离轮毂朝向叶尖，并且环绕叶片的叶尖从较高压处的逆风侧至较低压处的顺风侧。该流动减小了叶片的逆风侧和顺风侧上产生的压力差、从而减小了在叶片叶尖附近区域中的升力。该气流从叶片叶尖流出、从而形成该叶片后侧的涡流；该涡流的形成会消耗转子的一些旋转动能，并因此产生诱导阻力。
因此，为了维持升力并减小阻力，从而增加能够转换成有用轴功率的扭矩的比例，应尽可能地抑制沿径向向外或长度方向上围绕叶片叶尖的气流。
转子实度–意即，当转子叶片沿旋转轴投影形成的总面积与转子的扫琼面积之比–其取决于叶片的数量，并且由于翼弦线在旋转方向上延伸，所以也取决于翼弦线的长度。因此，叶片越少且翼弦线越短，转子实度越低。
转子被设计成其旋转速度足以从流经转子扫掠面积的风中提取尽可能多的能量，同时在下一叶片到达之前、由每个叶片通道引起的湍气流能够有足够时间离开转子。因此，转子实度越低，其旋转速度越高。
由风力发电机转子产生的有用轴功率P是其轴扭矩和旋转速度的乘积。在其他条件不变时，更高速的扭矩比或更低的质量惯性矩/将减小机械载荷并因此降低风力发电机的安装成本，包括转动系统，轴承，发电机和相对于输出轴功率P 的支撑结构。
低实度转子的相对较高速度的扭矩比特别适合于驱动发电机。
对于任何给定的翼型叶片剖面和转子直径，较短的翼弦线(因此具备较低转子实度)意味着更细长的叶片。然而，叶片的结构效率与其细长成反比；在其他条件不变时，更细长的叶片还必须保证更大的质量、以便在相同使用条件下能够足够坚固和强硬的运行。
因此，转子实度的降低导致转速与扭矩比的增加，意味着与质量惯性矩增加相权衡。在实践中，这些抗衡性设计目标使商用风力发电机的翼弦线长度和转子实度为其目标使用条件、朝着空气动力和结构效率之间的一个最佳平衡点发展。
所有这些设计考虑的最终结果是，用于产生风能的现代水平轴风力机的转子的特点是使用相对较少的细长叶片。
由于三叶片式转子的陀螺效应较小，因此三叶片式转子比单叶、双叶或四叶片的转子设计具有更高的动力稳定性和更易偏航的能力，因此大多数现代商用水平轴风力机都有一个三叶片式转子，典型的是在转子的径向外部区域的滑翔比高达 160或更高，且叶尖速度比约为8到10。
普遍公认在不同使用条件下使用的风力发电机的设计准则是由瑞士日内瓦国际电工委员会的IEC61400国际标准来确定，其参考了风力发电机组等级(WTG等级)。对于任何给定的风力发电机组等级，更大的质量惯性矩/要求叶片、轮毂、轴承和传动系统具有更大强度，因而需要更重且更昂贵的组件和支撑结构。
安装风力发电机的商用价值从根本上取决于其设计寿命期间每单位发电量的资本成本。由于风力发电机安装的资本成本主要取决于转子的质量惯性矩，所以为方便起见，将风力发电机转子定义为具备P/I的质量效率，其中P是在目标风速范围内，转子在其部分负载工作区域(即达到额定风速)上产生的平均输出轴功率，I是转子的质量惯性矩。当在相同风力发电机组等级、且叶片数量和扫掠面积相同的两种相互竞争的水平轴风力机转子设计之间作出商业选择时，该选择特别取决于它们的相对质量效率。
任何增加叶片质量的结构修改也将使叶片的质量惯性矩I与自旋转轴的质量距离平方成比例增加。因此，相对轻微地增加叶片长度或叶尖质量，将比在叶根处增加相当的附加质量对转子的质量效率具有更大程度的影响。
风力发电机转子设计中的另一制约因素是叶尖扫掠圆弧的总直径，这可能受到预期安装位点的限制，包括转子可允许的总高度。随着叶片长度增加，在其他条件不变的情况下，由于推力导致的叶尖偏转也会增加。因此，当叶片在风中弯曲时，需要进一步的预弯设计或更刚性的构造来保持叶尖与塔架之间的安全距离。
飞机机翼与风力发电机转子叶片相似，因为它们定义了一种可以产生升力翼型剖面，该升力用于支撑飞行中的飞机的重量。与风力发电机叶片一样，飞机机翼上方的大部分空气系从其前缘端到后缘端大致沿翼弦线方向流动，从而有助于产生升力。然而，部分空气沿机翼的长度方向从其下(较高压)侧流到其上(背风或较低压)侧，从而降低机翼的上下表面的压力差，并且从翼尖流出从而形成一个尾随在机翼后面的涡流。压力差的损失降低了升力，而尾涡的形成消耗了维持飞机空速和产生升力所需的发动机功率，从而降低了燃油效率。
通常飞机机翼经过改装，使得翼尖包括一个小翼或一个端板，其实际上是一对分别在翼型叶片的背风面和迎风面延伸的小翼。该小翼或每个小翼确定一块板，有时(但不一定)具有翼形剖面、并形成一个屏障来阻止空气沿机翼长度方向从机翼的下(高压)侧向机翼的上(背风或低压)侧环流，从而有助于抑制翼尖尾部涡流的形成。
小翼增加的表面积由于摩擦而产生更大的阻力，但通过在机翼的长度方向上产生相对更显著的气流减小效果，从而减弱翼尖处的涡流的产生，进而使滑翔比得到净提高。为此，人们发现小翼可以使飞机的整体燃油效率得到净提高。
经常有人提出在水平轴风力机转子叶片上安装一个或多个小翼。
例如，US2015003994(A1)公开了一种水平轴风力机转子，其具有相反方向的弧形小翼。翼型叶片的顺风(背风)侧上的小翼长度(沿旋转轴的方向)可能是翼型叶片的逆风(迎风)侧上的小翼长度的一半，以便使叶片在使用中朝支撑塔偏转时保持间隙。
WO2015/001090公开了一种具有尖前缘端和三分叉后缘端小翼的水平轴风力机转子叶片。
CN106089572(A)公开了一种具备分别从叶片的迎风面和背风面延伸并相对于其纵轴线成不同角度的小翼的水平轴风力机。
KR20130064466(A)和JP2004084590(A)公开了一种具有背风面小翼或端板的水平轴风力机转子叶片。
如上所述，风力发电机转子叶片设计是空气动力和结构效率之间的折衷，其设计标准与固定翼型应用(如飞机机翼)明显不同。因此，飞机机翼的翼弦线可以在机身的长度方向上延伸一段相当长的距离，但风力发电机转子设计要求翼弦弦长度相对较短、且更细长的形状系数。
当考虑对质量惯性矩I增加质量的影响时，图FIG 1A和图FIG 1B有助于说明细长的重要性。
考虑具有相等质量的两个物体1和2以及中心3，物体1比物体2相对更细长 (图FIG1A)。
把相当于每个物体质量的10％附加质量4连接到其相对的两端。(图FIG 1B.) 质量4是相等的，但更细长的物体1的质量比不够细长的物体2的质量离中心 3更远。由此可以认识到，在同等条件下，在一个相对较细长的物体远端加一个质量，对其质量惯性矩I的影响要比在相对不够细长的物体远端加一个相同的质量的影响要大得多。
与飞机的固定翼相比，水平轴风力机的叶片与飞机螺旋桨或直升机的旋转叶片的细长和总体形状因数更相似。
直升机桨叶和飞机螺旋桨通常不像飞机机翼那样具有小翼。类似地，在实践中，商用水平轴风力机通常不在叶尖处配备小翼，因为人们发现小翼通常会导致质量效率净减小，或在最好的情况下，对质量效率(P/I)的改进不显著。即使小翼被设计成翼型，通常情况下，小翼在安装寿命内的单位能量成本增加的质量惯性矩I 和寄生阻力的损失，在很大程度上盖过了叶片尖端纵向气流和涡流产生的任何减少带来的好处。
为了抵消质量惯性矩I的增加，缩短叶片是有可能的；然而，缩短叶片会减小转子的扫掠面积，从而降低升力、并降低输出轴功率P。
因此，在实践中，通常发现在优化的水平轴风力机转子叶片的叶尖添加一个小翼将降低或最多只能略微地提高转子的质量效率。
发明内容
本实用新型的主要目标是提高翼型叶片的效率。本实用新型更为具体的体现是旨在提高水平轴风力机转子的质量效率P/I。
本实用新型的第一部分提供了一种特别用于水平轴风力机转子叶片的翼型叶片叶尖结构。
该叶尖结构包括从翼型叶片的迎风面延伸出的迎风面结构和从翼型叶片的背风面延伸出的背风面结构。在翼型叶片被配置为水平轴风力机的转子叶片时，叶尖结构将在使用中连接到转子叶片的自由端，从而使得每个结构的截面可以被限定在与旋转平面大致平行的相应平面P2或S2中。
当在各个平面P2或S2中考虑时，运动方向D由相应平面中的直线表示时，迎风面结构的翼弦线CP2相对于运动方向D以αP角度延伸，而背风面结构的翼弦线CS2相对于运动方向D以αS角度延伸。
根据本实用新型，αp角小于或大于αs角(也就是说，相对于叶片的纵轴L，弦 CP2在运动方向D上向前延伸，并且与弦CS2相比，弦CP2相对于叶片根部更径向地向外延伸，或者径向向内较少地朝向叶根)。因此，在迎风侧结构弦CP 2 和背风侧结构CS 2之间定义了一个相对扭角αT。
在对1兆瓦水平抽风力机的测试中(下文将进一步讨论)，发现扭转角αT产生了令人惊讶的良好现实性能，显著改善了质量效率的关键指标P/I。
在相关方面，本实用新型提供了一种将叶尖结构安装在转子叶片的自由端区来提高转子的质量效率P/I的方法。
进一步讲，本实用新型分别提供了一种包括新型叶尖结构飞机或转子叶片，一种配置新型转子叶片的转子的风力发电机或直升机，以及拥有多个新型风力发电机以上游/下游关系布置的风电场。
附图说明
以下本实用新型的说明性实施例将就本实用新型的进一步特征和优势予以阐述。
仅以示例的方式，且不限于《权利要求书》的范围，并参考所附图纸，其中：
图FIG 1A展示了两个质量相等、长细度不同的物体；
图FIG 1B展示在图1A的两个物体的每一个远端的末端均添加了相等的质量；
图FIG 2展示了具有三个翼型叶片的水平轴风力机，根据本实用新型的实施例，每个叶片均具有叶尖结构；
图FIG 3是图FIG 2的叶尖结构之一的放大视图；
图FIG 4展示了含有多个图FIG 2中所示的的水平轴风力机的风电场；
图FIG 5-18所示为根据本实用新型的另一实施例，具备类似叶尖结构(以下称为第一叶尖结构)的翼型叶片自由端区，其中：
图FIG 5是观察翼型叶片的迎风面，并显示了如何将第一叶尖结构配置为附接到翼型叶片的自由端区域的改装单元；
图FIG 6是第一叶尖结构的外侧视图，从中可以看出，第一叶尖结构包括位于翼型叶片的迎风面的迎风面结构，以及在翼型叶片的背风面的背风面结构，并且显示了假想的第一、第二和第三迎风侧平面P1，P2，P3和背风侧平面S1，S2，S3；
图FIG 7与图FIG 6相似，显示了迎风面结构和背风面结构的投影面积Pa和Sa；
图FIG 8是观察翼型叶片后缘端和第一叶尖结构的视图；
图FIG 9与图FIG 8类似，展示了迎风面结构和背风面结构如何倾斜以定义相对于第一参考平面Aref垂直于翼型叶片的纵轴L的倾斜角βP,βS；
图FIG 10和FIG 11是分别在第一参考平面Aref(图FIG 10)和中间部分平面Ai(图FIG 11)中截取的翼型叶片的剖面图；
图FIG 12是观察翼型叶片的迎风面，并显示了在第二迎风面平面P2中的迎风面结构的剖面XP2的视图；
图FIG 13是观察翼型叶片的迎风面，并显示了在第三迎风面平面P3中的迎风面结构的剖面XP3的视图；
图FIG 14是观察翼型叶片背风面，并显示在第二背风面平面S2中的背风面结构的剖面XS2的视图；
图FIG 15是观察翼型叶片背风面，并显示在第三背风面平面S3中的背风面结构的剖面XS3的视图；
图FIG 16是观察翼型叶片的迎风面，并展示了叠加剖面XP2和XP3的视图；
图FIG 17是观察翼型叶片的背风面，并展示了叠加剖面XS2和XS3的视图；
图FIG 18是观察翼型叶片的迎风面，并展示了叠加的剖面XP2,XP3,XS 2和XS3，以及相对扭转角αT的视图；
图FIG 19是表1、表2、表3和表4所示的比较现场测试数据和计算流体动力学模拟数据的图表，该图展示了具有三个叶片的1兆瓦水平轴风力机(以下称为测试涡轮机)的功率输出曲线，每个叶片装配有与第一叶尖结构对应的测试叶尖结构；
图FIG 20呈现了进一步的计算流体动力学模拟数据集，显示了装配有测试叶尖结构的测试涡轮机的功率输出如何随着扭转角αT而变化；
图FIG 21呈现了另外两组的计算流体动力学模拟数据集，显示了安装有测试叶尖结构的测试涡轮机的功率输出如何随着迎风面结构和背风面结构的组合投影面积Pa+Sa而变化，分别针对6°扭转角αT的测试叶尖结构，以及针对当扭转角αT 调整为0°时的测试叶尖结构；以及
图FIG 22-25是根据本实用新型的另一个实施例，所做的四个更进一步的叶尖结构的内侧视图。
具体实施方式
在多个附图中出现的参考标记和字符表示每个附图中有着相同或对应的特征。通常在本说明书中，术语"背风面"和"迎风面"用于表示各个部件位于翼型叶片12 的哪一侧。
参照图FIG 2和图FIG 3，传统的水平轴风力机10包括转子11，该转子11有三个叶片12安装在轮毂15上，用来绕旋转轴Y1沿运动方向D旋转。每个叶片被构造为一个翼型叶片12；因此叶片12在下文中也被称为翼型叶片12，注意用于上下文中的术语"翼型叶片"，也可以根据上下文用来指各自的迎风面或背风面结构的剖面。每个叶片或翼型叶片12具有一个终端或自由端区域13和一个位于叶根并连接轮毂15的近端或支撑端区域14。轮毂15被安装为可在支撑塔16 的上端偏航，以保持转子11指向风W1的方向。
每个叶片或翼型叶片12沿纵轴L从其自由端部区域13延伸到相反的支撑端部区域14。
再参考图FIG 10，翼型叶片12被安装在支撑端区域14处使用，以在相对于翼型叶片的气流W2中沿运动方向D运动。自由端区域13处的相对气流W2与运动方向D相对，也就是说，相对气流W2与运动方向相反，而不是与运动方向相同。
在所示的示例中，相对气流W2由翼型叶片12绕旋转轴Y1旋转产生。在这种情况下，运动方向D被定义为叶尖结构20、21处的扫掠圆弧40的切线。扫掠圆弧40由叶尖结构20、21围绕旋转轴Y1的旋转产生，如图FIG 2所示。
可以理解的是，相对气流W2的方向(也被称为相对风)是风向W1撞击涡轮转子 (该转子提取其部分能量作为轴功率)，以及叶片12旋转的结果，矢量之和呈现为几何攻角，该攻角取决于翼型叶片12的翼弦线的桨距角以及叶尖速度比。在本规范中，“桨距角”是指翼弦线与运动方向D之间的角度，在风力涡轮机设计领域通常被称为“扭转角”。因此，在本说明书中应当理解为，相对气流W2是由翼型叶片12的旋转产生的，从这种意义上说，相对气流W2的方向受翼型叶片12 的旋转影响。
传统的水平轴风力机通过被安装在每个翼型叶片12的自由端区域处使用位置的叶尖结构21来改进，如图FIG 2和图3所示。
图FIG 5显示了第一叶尖结构20，其大体类似于叶尖结构21，并且可以安装在翼型叶片12的自由端区域处的相同位置上。为了便于参考，下面将参照图FIG 2-4 中相似的叶尖结构21在涡轮上的安装位置讨论第一叶尖结构20的特征。
叶尖结构20、21可以与翼型叶片12形成整体，或如图FIG 5示，可以配置为包括至少一个连接部分30的改装单元，该连接部分30可附接至翼型叶片12的自由端区域13从而形成组件。连接部分30可以包括接收叶片12的切割端部17 插口31；连接部分30的外表面的轮廓形成翼型叶片12的剖面的平滑延伸。这些部件可以任何便利的方式连接，例如用粘合剂粘结在一起。通常来讲，风力发电机叶片的外部几百毫米非常致密，因为在制造过程中粘合剂被迫进入叶片尖端，从而为叶尖结构的连接提供了坚实的基础。
参照图FIG 8，截面平面Aref,Ai被定义为垂直于纵轴L(即垂线)。正如图FIG 10和FIG 11所示，当考虑截面平面Aref,Ai垂直于纵轴L时，翼型叶片12定义了一个由翼弦线Cref,Ci限定的最大长度尺寸的剖面。
翼弦线是一条长度处在剖面上的前缘点41和剖面上的后缘点42之间的直线。翼弦线的长度定义了弦的剖面的最大长度尺寸。在图FIG 11中，截面平面Ai中的翼弦线Ci的长度表示为C1。
翼型叶片的剖面在翼型叶片的迎风面43一侧和背风面44一侧的前缘点41与后缘点42之间延伸。如图所示，当翼型叶片在前缘端41位于后缘端42上侧的气流W2中使用时，剖面配置为(相对于迎风面43而言)在背风面44引起压力减小。本说明书所示的实施例显示了不对称或弧形的翼型叶片12。如图FIG 10和图FIG 11所示，在不对称或弧形翼型叶片中，前缘点41和后缘点42由弧形线两端或剖面的平均中心线45确定。然而，这种翼型叶片或每个翼型叶片(无论是形成叶片还是迎风面结构或背风面结构)都可以有任何合适的剖面。如果翼型叶片与翼弦线是对称的，则迎风面44和背风面43的不同效果将由翼弦线和相对风向W2之间的几何攻角来确定；而对于不对称翼型叶片，其不同效果将由几何攻角和它们不同的形状确定。
叶尖结构20、21包括从翼型叶片12的迎风面43延伸的迎风面结构50，以及从翼型叶片12的背风面44延伸的背风面结构60。
翼型叶片12的纵轴L被定义为在从翼型叶片12的自由端区域13到支撑端区14 的截面平面(Aref,Ai)的每个位置上穿过翼弦线上的轴点46、47的线。每个轴点 46、47位于从前缘点41开始的翼弦线长的25％处。
轴点46在下文中被称为终端轴点，其被限定为离支撑端区域14最远的轴点，从而确定了翼型叶片的一个远端。该远端可在沿着纵轴L的最后一点处被识别，而包含在截面平面中的剖面仍确定着一个翼型叶片；其可在穿过圆角48(图FIG 8、图FIG 9)的截面平面中，或者如图所示，通过圆角48开始偏离翼型叶片12的剖面的位置。
参照图FIG 8和图FIG 10，第一参考平面Aref被定义为可以在靠近翼型叶片12 的叶尖结构的自由端区域13的任何方便的位置处选择的截面平面。如示例所示，第一参考平面Aref作为包含终端轴点46的截面平面。位于第一参考平面Aref 区域中的翼型叶片12的翼弦线Cref被定义为参考翼弦线。
轴点47被定义为在纵轴(L)上距离终端轴点46直线距离D1(图FIG 8)的点，以下称为中间轴点，截面平面Ai称为中间剖面(进一步讨论如下)。
如图所示，纵轴L可以是直的，也可以是弯曲的。例如，当叶片12的自由端区域13被扫掠、使得其远离支撑结构15、16朝向其叶尖弯曲时，这种情况下的纵轴L将跟随曲线。
包含参考翼弦线Cref的第一迎风面平面P1相对于第一参考面Aref以75°到90°的角βP定义，包含参考翼弦线Cref的第一背风面平面S1相对于第一参考面Aref 以75°到90°的角βS定义。如图8和图9所示，第一迎风面平面P1和第一背风侧平面S1最好能尽可能接近分别垂直于迎风面结构50和背风面结构60的平均中心平面。
在图FIG 2-8和FIG 10-8的示例中，迎风面和背风面的机构50，60一般是指垂直于(垂线)叶片12，并且第一迎风面和第一背风面P1，S1大致确定在与尖叶结构平行，使得角度βP＝βS＝90。因此，P1和S1位于公共面中。
如图FIG 9所示，当从图9的视图方向来考虑时，迎风面与背风面结构50,60中的任一个或两个可以交替地相对叶片12倾斜约75°至90°的角度至叶片的自由端部区域13。在这种情况下，可以选择角度βP，βS以相应地定位各平面P1，S1。βP，βS在75°的方向上的最小角度处，相应的第一迎风面P1和/或第一背风面S1 将根据倾斜方向呈现位置P1'，S1'或P1'，S1'。
比如当尖叶结构安装在被安装在具有扫掠尖端的旋翼叶片上(即：局部成角度的自由端区域13)时，βP,βS之间角度可能有必要小于90°，从而具有弯曲纵轴L和参考平面Aref被限定为穿过叶片的扫掠自由端区域13，同时尖叶结构被安装于更接近垂直于叶片更长的直线区的纵轴，其延伸至支撑端区域14。如下文进一步讨论，当被安装到测试涡轮机时，试验尖叶结构的几何形状就是这种情况。再次参考图FIG 8和图FIG 9，包含参考翼弦线Cref的迎风面参考平面Pref是指垂直于第一个迎风面P1。因此，可以理解为参考翼弦线确定了迎风面参考平面 Pref和第一个迎风面P1的交叉点。
包含参考翼弦线Cref的背风面参考平面Sref是指为垂直于第一个背风面参考平面S1。因此，可以理解为参考翼弦线也确定了背风面参考平面Sref和背风面参考平面S1的交叉点。
第二个迎风面参考平面P2与第一个迎风面平面P1是平行的，为穿过迎风面结构50。第二个迎风面参考平面P2可以被确定在迎风面结构50的高度hP上的任何适当位置。作为迎风面结构50的翼弦线与运动方向D之间角度的迎风面桨距角αP，通过参照第二个迎风面平面P2中的迎风面结构50的翼弦线CP2来确定。为了量化迎风面桨距角αP随迎风面结构50的高度hP变化的程度(如有变化)，第三个迎风面平面P3确定与第一和第二个迎风面平面P1、P2要平行。第三迎风平面P3中的迎风面结构50的翼弦线为CP3。
第二个背风面平面S2确定与第一背风面平面S1平行，以穿过背风面结构60，第二个背风面平面S2可以确定在背风面结构60的高度hs上的任何适当位置，作为背风面结构60的翼弦线与运动方向D之间角度的背风面桨距角αS，通过参照背风面结构60在第二背风面平面S2中的翼弦线CS2来确定。
为了量化背风面桨距角αS随背风面结构60的高度hs变化的程度(如有变化)，第三背风面平面S3确定与第一背风面平面S1和第二背风面平面S2要平行。第三背风面平面S3中的背风面结构60的翼弦线被指定为CS3。
在如图FIG 8所示的标准情况下，由于P1和S1位于同一公共面内并且垂直于迎风面参考平面Aref，可以看出，迎风面参考平面Aref和背风面参考平面Sref与参考平面Aref平行(或共面)。
或者，如果迎风面结构和背风面结构中的一个或两个如图FIG 9所示倾斜，则各平面全部倾斜，因此在第一个倾斜方向，迎风面参考平面Pref，P1，P2，P3和 /或背风面参考平面Sref，S1，S2，S3分别变为迎风面参考平面Pref'，P1'，P2'， P3'，背风面参考平面Sref'，S1'，S2'，S3'；并且在第二个相反的倾斜方向，迎风面参考平面Pref，P1，P2，P3和/或背风面参考平面Sref，S1，S2，S3分别变为迎风面参考平面Pref"，P1”，P2”，P3”，背风面参考平面Sref"，S1”，S2”， S3”。
图FIG 12和图FIG 13展示了当在截面中考虑迎风面结构50的剖面，分别为第二个迎风面平面P2中的剖面XP2和第三个迎风面平面P3中的剖面XP3。每个剖面 XP2，XP3有相应确定其最大长度尺寸的翼弦线CP2，CP3。
同样地，如图FIG 14、图FIG 15所示，当在截面中考虑时背风面结构60的剖面，分别为第二个背风面平面S2中的剖面XS2和第三个背风面平面S3中的剖面XS3。每个剖面XS2，XS3有相应确定其最大长度尺寸的翼弦线CS2、CS3。
因此，迎风面结构50的翼弦线分别在第二和第三迎风面平面P2，P3中分别为翼弦线CP2，CP3，而背风面结构60的翼弦线分别在第二和第三个背风面平面S2， S3中为翼弦线CS2，CS3。
为便于参考，如图FIG 12-18所示，翼弦线CP2，CP3，CS2，CS3分别延伸超过相应的迎风面或背风面结构的剖面，作为各自参考线CP2(e)，CP3(e)，CS2(e)和CS3(e)。在每种情况下，翼弦线是剖面前缘点541，641与剖面后缘点542，642之间的直线。如图FIG 2所示，当在尖叶结构20，21使用位置考虑时，前缘点相对于气流W2位于后缘点的上方。
当然，剖面的截面是在各自平面中的相应的迎风面或背风面结构的外表面轮廓；内部结构未显示，它可以是实心的，或更典型的是中空的，这取决于制造工艺(例如可以是玻璃钢，碳纤维或任何其他合适的材料)，这在翼型叶片叶片构造领域众所周知。
为了优化滑翔比，最好每个迎风面结构50和背风面结构60被配置为具有迎风面53，63和背风面54，64的相应翼型叶片。该翼型叶片被配置成当该尖叶结构在气流W2中使用时，在该背风面54，64上相对于该迎风面53，63产生减小的压力。当相对于纵轴L的方向考虑时，迎风面结构50翼型叶片的迎风面53和背风面结构60翼型叶片的背风面64，可以设置成面向支撑端结构14的方向(如图所示)，而背风面结构50的翼型叶片的背风面54和背风面结构60的翼型叶片的迎风面63被设置成大致面向远离受支撑端区域14的方向。
虽然叶尖结构20，21被示为在与叶片或翼型叶片12大致垂直(即垂线)的方向上，如图FIG 8所示，其或可以相对叶片倾斜。当就纵轴L的方向考虑时，面向 (或远离)支撑端区域14的参考应当被解释为朝向于通常更接近而非远离(或更远离而非接近)支撑端区域14的方向。
每个相应的迎风面平面或背风面平面中的翼型叶片不需要具有所示的形状，但可以根据熟知的翼型叶片设计原理具有任何想要的剖面，以便当尖叶结构安装在其预期使用位置时最大优化滑翔比和总体运行条件。无论迎风面结构和背风面结构是否被构造为翼型叶片或平板，前缘点和后缘点将由如上所述的剖面平均中心线确定，其中翼弦线被确定为这两个点之间的直线。
运动方向D由第二个和第三个迎风面平面P2，P3和第二个和第三个背风面平面S2，S3中的每一个中的直线(如图所示，沿箭头方向运动)表示。
可以看出，当在相应的迎风面平面或背风面平面中考虑时，迎风面结构的翼弦线相对于运动方向D以迎风面桨距角αP延伸，而背风面结构的翼弦线相对于运动方向D以背风面桨距角αS延伸。
应当理解，第一个，第二个和第三个迎风面平面和背风面平面可以向旋转尖叶结构的真正运动方向D稍微倾斜地成角度。对于一个旋转尖叶结构，运动方向D 将位于旋转平面中，即垂直于旋转轴线Y1并且包含扫掠圆弧40的平面，倾斜角度反映叶片12在尖叶结构处的桨距角，其可以被认为是参考翼弦Cref相对于旋转平面的角度。这种情况下，运动方向D可以由第一个，第二个和第三个迎风面平面和背风面平面中的每一条直线表示，其中在每个情况下，直线与相应平面中的运动方向最接近。如果翼型叶片12是转子叶片，则运动方向D可以认为是在旋转平面中的直线，其沿着旋转轴线Y1的方向被投影到相应的第一个，第二个或第三个迎风面或背风面平面上。如果翼型叶片12是飞行器的机翼，则运动方向D可认为是通过飞行器的向前运动在直线和水平飞行中平移点的方向。在每种情形中，角度αP或αS均表示相应迎风面平面或背风面平面中的运动方向D 的直线长度。
如图FIG 12，图FIG 13所示，迎风面桨距角αP在第二个和第三个迎风面平面 P2，P3中分别为迎风面桨距角αP2和αP3。
如图FIG 14，图FIG 15所示，背风面桨距角αS在第二个和第三个背风面平面 S2,S3中分别为背风面桨距角αS2和αS3。
如图FIG 18所示，各自迎风面和背风面桨距角之间的差相应表示迎风面结构和背风面结构的相应剖面之间的相对扭转角αT。
如图FIG 8所示例且可以清楚看到，最好是针对从翼型叶片12相应的迎风面 43或背风面44处的根部52，62到其相应叶尖55，65的高度hP，hS的部分、大部分或全部(如图所示)，每一个迎风面和背风面结构可以相对于运动方向D平滑且连续地弯曲。因此，每一个迎风面桨距角αP和背风面桨距角αS，以及扭转角αT也可以相应随着从各自第一迎风面或背风面平面P1，S1的各自迎风面或背风面的高度hP，hS而平滑且连续地增大。
或者，迎风面桨距角αP和背风面桨距角αS中的任一个或两个可以随着各自迎风面或背风面结构的高度hP，hS而平滑且渐进地减小；比如这可以设置成朝着叶尖结构各自末端减少负载、以便不超过发电机在其预期使用位置的额定容量。
在替代实施例中，迎风面和/或背风面结构的翼弦线可以位于其高度hP，hS 的部分或全部的平面中，使相应的迎风面或背风面桨距角αP，αS不会随着该区域中的高度hP，hS而变化。在进一步的替代实施例中，迎风面和/或背风面结构的扭转可以随高度hP，hS逐渐改变(增加或减少)。也就是说，迎风面或背风面结构可在局部区域扭转(即在该区域中桨距角αP，αS可能随高度hP，hS快速变化)，这标志着两个相对较小扭转的区域之间的过渡(即：其中桨距角αP，αS随高度hP恒定或更恒定)。两个区域具有不同的迎风面或背风面桨距角αP，αS。在每种情况下，且如实施例所示，αP角正角值小于或负角值大于αS角。
也就是说，相对于翼型叶片的纵轴L，翼弦线CP2在运动方向D上向前延伸，并且与翼弦线CS2相比，相对更多地径向向外远离支撑端区域，或者更少地径向向内朝向支撑端区域。因此，在迎风面结构和背风面结构的翼弦线CP2，CS2之间限定了大于零度的相对扭转角αT。
在本说明书中，在相应的翼弦线CP2，CP3，CS2，CS3相对于运动方向D向前 (即箭头的方向)并朝向支撑端区域延伸的情况下，角度αP或αS为正值；而在相应的翼弦线CP2，CP3，CS2，CS3相对于运动方向D向前(即在箭头的方向上)并远离支撑端区域延伸的情况下，角度αP或αS为负值。
如下文进一步讨论，在实验中发现，由相对扭转角αT确定的迎风面及背风面结构50，60之间的角度关系在迎风面结构和背风面结构的相应润湿表面上产生增强的压力差，从而产生出于意料的良好性能。特别是由尖叶结构的相应湿润表面的角度设计所产生的有效径向扩散和压缩(垂直于纵轴L)预计会减少。
从叶片12的迎风面43到背风面44的径向向外(旋转)流动减少了叶尖涡流的形成并因此减少了阻力，同时通过增强叶片各自的迎风面和背风面之间的压力差来控制气动力的损失。
如实施例所示，尖叶结构可以设置成使角度αS为正值且角度αP为负值，并且角度αS大于角度αP。当尖叶结构附接到一个转子的叶片(尤其是水平轴风力发电机)时，这种设置可以提供良好性能。
如图FIG 20(进一步讨论如下)所示，当针对测试涡轮机最优化时，针对测试尖叶结构，约3°及以上的扭转角可提供功率输出中约60％的峰值改进，因此尖叶结构获得大部分净效益。因此，根据经验，当应用新的尖叶结构，例如对任一典型的商用水平轴风力发电机优化时，人们相信当αP角比αS角的正角值至少小3°或负角值至少大3°，可以实现良好到最佳的性能。
对于很多翼型叶片，包括通常用于转子叶片的翼型叶片(例如一台水平轴风力发电机的转子叶片)，当αP角从正角2°至负角5°，且角度αS从正角2°至正角9°时，可以获得良好性能。迎风面结构50可在其高度尺寸上扭转，使得αP3角正角值大于或负角值小于，或负角值大于或正角值小于αP2角。
如图所示，可二选一或附加地，背风面结构可以在其高度上扭转，使得αS3角正值小于或者负值大于，或者负值小于或正值大于αS2角。
在每种情况下，通过逐渐增大针对叶片高度的压力差，逐步扭转使得在迎风面或背风面结构根部的圆角48和/或在迎风面或背风面结构的上端、下端或尖端的阻力最小化成为可能。
投影表面面积：如图FIG 7所示，迎风面结构50在垂直于迎风面参考平面Pref 的方向投射，以在迎风面参考平面Pref中确定迎风投影剖面51。
背风面结构60在垂直于背风面参考平面的方向上投射，以在背风面参考平面中确定背风投影剖面61。
为了便于参考，如图7所示包含投影剖面51，61的尖叶结构20的投影剖面，具备与图FIG 6中尖叶结构20的迎风面和背风面结构50，60的剖面相同的形状和尺寸。在图FIG 6和图FIG 7的任一个或两个中所示的如下所述的投影剖面的特征(包括指定距离Pd，Sd)，为该目的被互换参考，图FIG 22也是如此。
关于图FIG 7，迎风面结构50的迎风投影剖面51确定了第一迎风面平面P1 的一侧的总面积Pa、并以翼型叶片12的迎风面43为界。如图所示的总面积Pa 是点画面积Pa(1)和具有不同的"+"点画区域Pa(2)两个区域的总和。区域Pa(2) 包括圆角48在其根部52所处的迎风面结构的那些部分，以及其叶尖55处其(上或下)端面的平滑曲率部分组成。点画区域Pa(1)至少占总投影表面积Pa的90％以上。
背风面结构60的背风投影剖面61确定了第一背风面平面S1的一侧总面积Sa、并以翼型叶片12的背风面44为界。如图所示的总面积Sa是点画面积Sa(1)和具有不同“S”形状点画区域面积Sa(2)两个区域的总和。区域Sa(2)包含由圆角48在其根部62所处的背风面结构的那些部分，以及其叶尖65处其(上或下)端面的平滑曲率部分组成。点画区域Sa(1)至少占总投影表面积Sa约85％以上。
为了使迎风面结构50至少在其大部分表面面积上产生最大化附加功率，当第二迎风面平面P2被确定在与迎风面参考平面Pref相交的位置时(该位置在包括面积 Pa至少50％区域中的任何地方)，αP角(被看作αP2角)可以是负值。
在示例中，当迎风面参考平面Pref位于点画区域Pa(1)中的任何地方时，满足该条件。
类似地，为了使背风面结构60在其至少大部分表面面积上产生最大化附加功率，当第二背风面S2被确定在与背风面参考平面Sref相交的位置时(该位置包括面积Sa至少50％的任何地方)，αS2角度(被看作αS2)可以是正的。
在示例中，当背风面参考平面Sref位于点画区域Sa(1)中的任何地方时，满足该条件。
第二迎风面P2在面积Pa至少50％以上区域中的任何地方与迎风面参考平面Pref相交，并且第二背风面平面S2在面积Sa至少50％以上区域中的任何地方与背风面参考平面Sref相交时，当αP角(被看作αP2角)正值小于或负值大于αS角(被看作αS2角)时，可以获得较好的滑翔比。
当第二迎风面P2(角度αP定义为αP2)在Pa面积至少50％以上区域中的任何地方与迎风面参考平面Pref相交，并且第二背风面S2(角度αS定义为αS2)在Sa面积至少50％以上区域中的任何地方与背风面参考平面Sref相交，在αP角从正值 2°至负值5°、且αS角从正值2°至正值9°时，也可以获得良好的滑翔比。
为了良好的性能，迎风面和背风面结构的组合投影截面面积Pa，Sa可选择成与翼型叶片的翼弦线长度成比例(如下所示)。如图FIG 7，图FIG 8和图FIG 11所示，翼弦线Ci穿过中间剖面Ai中的中间轴线点47，该翼弦线长度C1在翼型叶片12的剖面相应前缘点41和后缘点42之间。当选择中间轴点47和终端轴点 46之间的直线距离D1(图FIG 8)在300mm至700mm范围内时，可以使用尖叶结构投影截面面积与翼型叶片的翼弦弦长度之间的关系满足以下表达: (Pa+Sa)<(3·Cl)2。
如图FIG 6和图FIG 8所示，可看到迎风面结构50的迎风投影剖面51的高度 hP延伸到最大值时，表示为从第一迎风面平面P1到其叶尖55的最大垂直距离Pd；而背风面结构60的背风投影剖面61的高度hS延伸到最大值时，表示为从第一背风面平面S1到其叶尖65的最大垂直距离Sd。
如图FIG 22的替代实施例所示，当Sd>Pd时可以获得良好的性能。也就是说，背风面结构60的最大距离Sd(即最大高度hS)大于迎风面结构50的最大距离Pd(最大高度hP)。
如图所示，迎风面和背风面结构中的每一个的剖面总体上包括一个弧形的或圆锥形的前缘端和一个向后渐缩的后缘端，该后缘端终止于一个点或一个扁平面。根据所选择的剖面，在每一个迎风面和背风面结构中，翼弦线长度与剖面的最大宽度或厚度尺寸的比率(即在垂直于包含翼弦线的截面最大尺寸)，通常可以小于 10:1。
文所讨论的优选参数值中的一些或全部可以用于任何所需的组合、在配置水平轴风力机的转子叶片的叶尖结构时作为单独使用情形的指南，或用于其他应用中。
在实践中，遵循翼型叶片设计的既定原则，结合纳入了前述必要特诊的新型叶尖结构20几何形状，就要附加了叶尖结构的翼型叶片12进行优化。尤其是，由背风面桨距角αS和迎风面桨距角αP确定叶尖结构20的背风面和迎风面50、 60翼型叶片部分的负载，并且被选用于优化相对于阻力的升力。
背风面和迎风面结构50、60可配置为确定本领域内已知的多种不同翼型叶片剖面中的任一种，包括各自高度尺寸hP或hS上不同剖面的组合，和背风面桨距角αS和迎风面桨距角αP可在以下讨论的取值范围内选择，以便为所选翼型叶片剖面或剖面确定有利的操作条件。本领域技术人员将理解，例如，背风面桨距角αS和迎风面桨距角αP尤其可以通过变化以适用于翼型叶片剖面的弧度。
最好选择背风面桨距角αS和迎风面距角αP以获取几何攻角，相对于来自叶尖结构的阻力，该几何攻角优化了叶片12相邻表面的负载，对应于如下所述的图20中的性能曲线的峰值(功率v.扭转)。遵循这一基本原则，本领域技术人员将认识到，可以通过改变背风面桨距角αS和迎风面距桨距αP至最佳角度、以适应应用了新型叶尖结构20的叶片12的叶尖负载剖面。
如图所示，在第一叶尖结构20中，迎风面桨距角αP2约为负值1.5°，而背风面距桨距αS2约为正值3°，从而在各自的平面P2、S2中的截面之间提供约 4.5°的总扭转角αT。
在三个相同的单元中作用的测试叶尖结构被附接在与图FIG 2所示类似的其他常规风力发电机的三个旋翼叶片的顶端(如图FIG 2和图FIG 3所示)，以下简称为测试涡轮机，其在现场测试中运行并产生了数据集FT。在叶尖结构附接到叶片之前，通过运行测试涡轮机产生相应的数据集，即基线数据集FB。测试涡轮机也在计算流体动力学CFD模拟中建模，用每个叶片装配有测试叶尖结构的测试涡轮机产生计算流体动力学CFD数据集CT，以及用没有装配测试叶尖结构的测试涡轮产生对应的基线计算流体动力学CFD数据集CB。这四个数据集在表1-4 中列出，并在图FIG 19中以图形形式呈现，如下文进一步讨论。
表1：数据集FB(现场测试数据——无叶尖结构的基线涡轮机)
风速(m/s) 功率系数(标准值)
3.00 0.00
3.58 0.48
4.00 0.63
4.49 0.75
4.99 0.83
5.50 0.91
5.98 0.94
6.49 0.96
6.98 0.98
7.49 1.00
7.95 0.99
8.47 0.97
8.97 0.95
9.45 0.92
9.99 0.87
10.41 0.84
10.88 0.79
11.55 0.72
11.55 0.72
12.00 0.66
表2：数据集FT(现场测试数据——装有叶尖结构的基线涡轮机)
Figure DEST_PATH_GDA0003557351920000161
Figure DEST_PATH_GDA0003557351920000171
表3：数据集CB(计算流体动力学CFD模型数据——无叶尖结构的基线涡轮机)
风速(m/s) 功率系数(标准值)
5.00 0.79
6.00 0.91
7.00 0.94
8.00 0.96
9.00 0.92
10.00 0.84
表4：数据集CT(计算流体动力学CFD模型数据——装有叶尖结构的基线涡轮机)
风速(m/s) 功率系数(标准值)
5.00 0.81
6.00 0.93
7.00 0.96
8.00 0.97
9.00 0.93
10.00 0.85
涡轮机功率系数是涡轮机提取的功率在风中总可用功率中所占比例的测量，被定义为Pm/(0.5·ρ·V3·ar)，其中，Pm是转子轴的测量功率输出，ρ是空气密度， V是轮毂高度风速(即：在轮毂的高度处的风力W1的速度)，ar是转子的面积。
通过将每个数据点处的涡轮机功率系数除以参考值，可以得到如图FIG19所示的Y轴每个数据集中的标准化涡轮机功率系数(标准值)，所述参考值选自标准化之前基础数据集FB(现场测试数据：无叶尖结构的基线涡轮机)的功率系数最大测量值。因此，数据集FB的功率系数(标准值)的峰值为1.00。
如上所述，测试叶尖结构的特征与第一叶尖结构20的特征基本相同，不同之处在于测试叶尖结构的几何形状优化了测试涡轮机的叶片。在测试叶尖结构中，迎风面桨距角αP在正值2°到负值5°的范围内，背风面桨距角αS在正值2°到正值9°的范围内。总扭转角αT为6°。从图FIG 20(功率v扭转)可以看出，当叶尖结构安装在测试涡轮机上时，这被发现是测试叶尖结构的最佳扭转角度(如下述进一步讨论)。
现场测试参数
该测试按照IEC 61400-12标准进行，在1兆瓦桨距调节可调变速涡轮机上进行“风力发电机的功率性能测量”，驱动连接到电网的发电机。
转子的直径为61m，每个叶片距旋转轴Y1的总长度为30.5m，并且在静止状态下，叶片在叶尖处沿其纵轴L预弯设计(扫掠)，以补偿在负载过轻下叶片尖端处的偏转。每个叶片的质量约为3000kg，质心位于距轮毂约12m处，因此质量矩(/)为36000kgm。
测试涡轮机配备了灵动的变桨和偏航控制系统。变桨控制系统配置为根据叶片在转子的旋转循环中的角位置来调节每个叶片的桨距。周期桨距调节补偿了与高度相关的风切变，从而随着转子的每此旋转减少叶片两端的可变弯矩，这在本领域中是已知的。
在接入电网之前，通过涡轮发电机的电力电子系统在电网连接处测量功率。所有风况(包括切变，湍流，速度，方向)均通过仪器在靠近涡轮机的现场桅杆上进行测量。所有测量均按照IEC标准进行，针对每个列表风速均有统计意义的数据集。
涡轮机在没有叶尖结构的情况下运行2-3个月所生成基线数据集FB。将叶尖结构装配到每一片涡轮集叶片之后(如图FIG 2所示)，让涡轮机再运行2-3个月之后生成数据集FT。测试期间，周围地面粗糙度水平或其他限定的测试参数没有明显变化。
如图FIG 5-18所示，用于现场测试的叶尖结构被配置为包括附接部分30的改装组件，附接部分30被布置连接到另外的常规转子叶片12，并且背风面和迎风面结构50、60通常如图所示被旋入附接部分30中。
如图FIG 5所示，叶尖结构通过切断大约200-400mm的叶片尖端、并且将叶片12的切割端引入形成在叶尖结构附接部分30的插口31中而附接。附接部分被配置为套管，以装配在叶尖尖端的切割末端处，使叶片重叠大约100mm 以形成通过粘合剂粘结的接头。
改装后的叶尖结构总质量是3.5kg。从尖端移除的叶片的短部分估计质量约为0.7kg，因此安装测试叶尖结构会使叶片质量增加净重2.8kg，并使增加质量的中心位于距旋转轴约30.5m的位置，从而保持扫掠圆弧不变。
计算流体动力学CFD测试参数
计算流体动力学CFD模型基于具有三个静态叶片(即相对于轮毂固定的叶片) 的转子，假设边界层完全湍流，气流自由且无风切变，其中关键参数如下：-
StarCCM+(RTM)版本12被用于CATIA(RTM)v5的模拟，用于生成输入的CAD 数据。
当在风向W1上观察时，全局域代表扫掠圆弧的三分之一，并使用周期性边界条件使旋转流畅。
叶片表面上的单元尺寸被确定在5mm到30mm的范围内，通过适当的改进，以平滑的方式捕捉前缘端曲率。
从叶片表面确定棱镜层网格以捕获边界层行为(壁面y+<1)。
在叶片尖端周围确定体积网格细化区域，以捕获具有更高分辨率的后缘涡流。
计算流体动力学CFD模型是使用K-Epsilon湍流模型的全湍流、稳态模型。使用K-Omega SST湍流模型的结果也非常相似。
可见，通过计算流体动力学CFD模拟的基线测试涡轮机(无叶尖结构)所产生的数据集CB与对应真实世界的数据集FB非常拟合，这表明计算流体动力学CFD 模拟是测试涡轮机在真实世界性能的良好模型。
除计算流体动力学CFD模拟外，还进行了风洞比例模型测试。所使用的风洞具有封闭部分，标称测试流速为40m/s的封闭返回类型。所使用的模型是由铝制框架和3D打印塑料部件构建的风力发电机的叶片外部长度3m的50％比例模型。该模型被安装在高精度地面安装力平衡仪上，该平衡仪测量了六个分量，包括三个力和三个力矩。
模型采用与计算流体动力学CFD模拟中相同的几何形状进行测试，并且升力和阻力趋势观察结果与模拟结果非常近似，从而使人们对计算流体动力学CFD 方法充满信心。
然而，应当注意的是计算流体动力学CFD模拟假设了完全湍流边界层，而在现实条件下，叶片和叶尖结构的表面可能会出现大量的层流，其表面摩擦阻力明显低于湍流。数据集CB和FB之间的偏移量反映出，与计算流体动力学CFD 模拟相比，在现实世界的现场测试中有望使功率系数提高至少约2％。
如本领域通常已知的，当包括与背风面结构结合的迎风面结构的叶尖结构或端板，被附接到翼尖或叶片尖端时，预计能在翼型叶片迎风面和背风面上的压力场之间提供增强的分离，并因此可以预计产生相对较低的阻力，从而获得功率系数的净提高。
可以注意到，从叶片的迎风面和背风面延伸的常规叶尖结构或端板产生的功率系数的预期改善将显著大于由现有领域中已知的仅从翼型件的一个(迎风或背风)面延伸的常规小翼或上翻叶片尖端所提供的功率系数改善。
计算流体动力学CFD模拟中生成的数据组CB和CT之间的差异，反映了叶尖结构测试中由于迎风面和背风面间增强的压力场分离而导致的功率系数的可预期改善。
在现场测试中，装配新型叶尖结构的涡轮机令人惊讶的良好表现远超计算流体动力学CFD模型预测，与基线涡轮机数据集FB相比，FT数据集下产生的功率系数提升约2.5％至4％。由此可得，数据集FB和FT间的差值实质上大于CB和 CT数据集项下的差值，而CB和CT间的差值反映了叶尖结构测试中由于迎风面和背风面间增强的压力场分割而导致的功率系数的可预期改善。
根据现场测试的风速概率分布的威布尔曲线(Weibull curve)而得出的涡轮机年发电量(AEP)约2％-3％的增长与功率系数2.5％至4％的提升相对应。本领域技术人员将领会到，符合威布尔曲线(Weibull curve)的风速的功率输出与该风速预计发生的年份的比例之和可算出每个测得风速的涡轮机年发电量。所有测得的风速下的年总发电量总和即是涡轮机的年总发电量(AEP)。
如上讨论，参考叶片的运行性能时，叶尖结构与计算流体动力学CFD模型下假定的湍流边界层相比，其在实际情况中的层流条件项下同样可以更佳运行。可以预期的是，该差异将有助于改善数据集FT和FB之间的功率系数测量改善差异，以及对计算流体动力学CFD模型预测的数据集CT和CB的差异进行相对较小的改善。但是，这种改善的可能比例预计最多与数据集CB和FB之间的差值相对应(代表实际因素对整个计算流体动力学CFD模型的影响)，进而造成数据集CB 和CT之间差值的比例，反映出叶尖结构的总体提升量的预测数。基于此，便可推断出与计算流体动力学CFD模型的湍流边界层条件相对应的真实世界叶尖结构的层状边界层条件，最多贡献了图中功率系数(标准值)轴上一个百分点的百分之几。
尽管本实用新型并不受理论限制，但可以相信迎风面和背风面之间的扭转角αT会在叶尖结构的径向向外表面上产生增大的压力差，并能出乎意料地与气流良好相结合，进而预计将极大地改变叶片尖端涡流的强度、大小和位置。反过来，这又将改变涡轮机尾流的形成和演化方式。本领域技术人员能够理解，尾流的大小，形状，强度或位置的变化也将对上游流动条件产生影响。例如，产生的平均速度的小幅增加有助于功率输出的总体增长。
还可能通过增加叶片尖端处产生的升力，新型的叶尖结构可以产生拉直叶片的效果(在具有或不具有叶片预弯设计的转子中)。较直的叶片可能会在使用中略微增加扫掠圆弧，进而增强转子的功率输出。
当同一方向的风被高大的树木遮挡、但从所有其他方向吹过平地的测试现场时不常见的。树木产生强风切变，会预计导致输出率远低于计算流体动力学CFD 模拟所预测的水平，因为计算流体动力学CFD模拟环境下不考虑风切变。
但是，测试结果表明了，当风来自于林木线方向时的输出率与计算流体动力学CFD研究预测的自由气流的输出率相同期间的输出功率。如现场测试数据集 (FB，FT)所示，在风来自其他方向(从而吹过平地)期间，其性能表现显著优于计算流体动力学CFD预测，该等数据集显示了测试期内所有风向的汇总数据(包括风自林木线方向)。
对不同风向输出功率测量的分析表明，新型叶尖结构不仅极大地增强了自由气流环境下的性能效率，在严重的风切变和湍流条件下也表现惊人的出色。
同样，本明不受理论约束，人们认为通过增加叶尖载荷并改变叶尖涡流的结构，配备新型叶尖结构的涡轮机叶片在湍动的风场中可以减小动态扭转或偏转，并由于翼型叶片能保持更接近最佳几何攻角，将进一步增加输出功率。
更为有利的是，新型叶尖结构处增强的气流和减弱的涡流形成将有助于在涡轮机下游提供相对更受限的尾流或流管。根据预期，这将提升可用功率密度，从而提高下游区域中其他风力涡轮机的性能。
因此，通过为每个风力发电机配备新型叶尖结构，本实用新型可以相对于其总土地面积提高风电场80的输出。如图FIG 4，风电场包括多个风力发电机10，每个风力发电机带有一个转子，该转子包括至少一个配有新型叶尖结构的叶片，该新颖的叶尖结构可从风W1中提取能量。风力发电机相对于风向分别被对应放置在上游和下游，如箭头W1所示，使得每个涡轮机的受限制的流管可实现涡轮机的输出总体增加的效果。
更有利之处在于，根据第一叶尖结构20的描述，新型叶尖结构在叶片(或改进叶尖结构的连接部分)与迎风面和背风面50，60之间有相对尖锐角过渡。也就是说，如同本领域中众所周知的那样，过渡部分可以平滑地延展至圆角，但圆角48由于其半径相对较小，故而可在迎风面和背风面50，60的润湿区域和叶片12的表面之间形成明显的过渡区域。
该过渡区域具有更明显和局部化的特点，例如，与在先技术上翘的叶片尖端或小翼对应区域相比，该过渡区域具有恒定的曲率，进而使其逐渐地且平滑地偏离叶片一直到叶尖。
更加局部化且明显的过渡区域将叶尖结构的总体表面面积的比例最大化，叶尖结构定位在要求产生预期矢量力的方向上，该等矢量力形成气流模式(如上所述)。因此，就其尺寸而言，且与逐渐弯曲的叶片尖端相比，新型叶尖结构可以对叶片末端的气流产生显著的约束力。
相较于其产生的力而言，叶尖结构相对较小的整体尺寸意味着其重量也相对较轻。
相对明显的标记过渡区域的推论是，任何角度的不连贯性将会引入潜在的阻力源；因此过渡区域的阻力损耗必须针对叶尖结构总体大小和质量，通过有效增强的空气动力学效果进行平衡。
图FIG 20(功率v扭转)说明，测试涡轮机通过新型叶尖结构获得的涡轮功率系数增强情况是如何随扭转角αT而变化的。
该图显示了从计算流体动力学CFD模拟获得的数据集，其参数与用于生成数据集CB和CT的参数相同(表3和4)，即假定风速为7m/s，用于测试涡轮机转子的转速为20RPM。该模型模拟的附接在测试涡轮上的叶尖结构与数据集CT 所用的相同，但扭转角αT有所变化，且迎风面和背风面的桨距角αP，αS均针对每个选定的αT值进行了优化。
图表X轴上的值αT(°)是扭转角αT角度的值，以度为单位。
Y轴上的值ΔCp(％)是由叶尖结构产生的涡轮机功率系数Cp计算出的增加值，是在零扭转角(αT＝0°)条件下获得的涡轮机功率系数Cp的所得出的增加值的百分比。
在最佳扭转角αT＝6°的条件下计算出的出涡轮机功率系数Cp的增加，对应于前述模拟中在7.00m/s数据点的数据集CT和CB(表3和4)之间的差异。
ΔCp峰值约为128％时表明，在最佳扭转角αT＝6°时计算出的涡轮机功率系数Cp计算的增加值约为零扭转角(αT＝0°)情况下由测试叶尖结构产生的涡轮机功率系数Cp计算的增加值的128％。
由此可见，扭转角αT是叶该尖结构输出率的一项决定因素。
图FIG 21(功率与面积)显示了由计算流体动力学CFD模拟生成的两个计算流体动力学CFD数据集，它们采用与用于生成数据集CB和CT的参数相同的参数(表 3和表4)，假设风速为7m/s，用于测试涡轮机的转子的转速为20RPM。
第一个数据集(αT＝6°)采用了与CT数据集所测试涡轮机相同的叶尖结构，均采用与数据集CT相同的几何结构(包括6°的扭转角αT)。通过改变测试的叶尖结构的整体尺寸(但不改变其几何结构)来生成数据集。
第二数据集(αT＝0°)与第一数据集采用的参数相同，但为提供零扭转角(aT＝0°)条件，调整了叶尖结构以匹配迎风面和背风面。相应的迎风面和背风面桨距角αP，αS相等，且为满足该条件进行了最优化。随后在零扭转角(但不改变其他几何结构)的条件下，通过改变测试叶尖结构的整体尺寸来获得数据集。
图表中X轴上的值Pa+Sa(％)是相应的迎风面参考平面及背风面参考平面 Pref，Sref(图FIG 7)中的迎风面和背风面结构的组合投影面积Pα和Sα，是数据集CT(表4)所采用的测试叶尖结构的组合投影面积Pα+Sα的百分比。
因此，最小值100表示组合投影面积Pa+Sa等于测试叶尖结构的投影面积，并且值200表示组合投影面积Pa+Sa是测试叶尖结构的投影面积的两倍。
Y轴上的值ΔCp(％)是由叶尖结构产生的涡轮功率系数Cp计算的增加值占相应基线值的百分比。
对于第一组数据组(αT＝6°)，基线值是从测试叶尖结构获得的涡轮机功率系数Cp计算的增加值，对应于前述模拟中数据集CT和CB(表3和4)在7.00m/s数据点之间的差异。
因此，对于第一组数据集(αT＝6°)，值ΔCp＝100％表示涡轮功率系数Cp的增加，等同于从叶尖结构获取的值，因此等于数据集CT和CB(表3和表4)在7.00m/s 数据点的差值。
对于第二组数据集(αT＝0°)，基线值是从具备零扭转角(αT＝0°)的改进的测试叶尖结构中获取的涡轮功率系数Cp计算的增加值，且组合投影面积Pa+Sa等于测试叶尖结构的投影面积，因此X和Y轴上的值均为100％。
第一组数据组(αT＝6°)的峰值ΔCp表明，通过将组合的投影面积Pa+Sa增加到测试叶尖结构的约142％，可以将在最佳扭转角αT＝6°处的涡轮功率系数Cp的增加值，优化至第一模拟(数据组CT，表4)中使用的测试叶尖端结构所获取的增加值的约132％。
第二组数据集显示，只有通过将组合投影面积Pa+Sa增加至测试叶尖结构的约两倍，才能从具有零扭转角(αT＝0°)的叶尖结构获取可比值。
叶尖结构的质量反映了其结构特性，其必须足以将施加的载荷传递到叶片。因为相同的施加的载荷将在更大的结构中产生更大的力矩，所以质量将不仅随着所施加的载荷而增加，而且会随着整体尺寸的非线性函数而增加。因此，面积的增加将导致质量成比例地大幅增长，这表明外加的材料与叶尖结构上增加的设计负载荷，这又需要较厚的蒙皮材料。
在前述现场试验(数据组FB和FT，表1和2)中，当安装到测试涡轮机上时，每个测试叶尖结构的附加质量力矩为2.8kg·30.5m＝85.4kgm，仅为没有叶尖结构叶片原始质量矩的0.24％。
在实践中，可以估算，将图FIG 21的第二组数据集(功率v区域)示的具有零扭转角(αT＝0°)的叶尖结构的面积加倍到Pa+Sa＝200％数据点，将使叶尖端结构的质量增加约6倍。基于测试叶尖结构的3.5kg质量，这将等于质量为6·3.5＝21kg 的叶尖机构减去从测试涡轮机的叶片尖端移除的0.7kg，因此总附加质量为 20.3kg。在现场试验的示例中，对于每个叶尖结构，这将相当于大约619kgm的附加质量力矩，在没有叶尖结构的测试涡轮机叶片的原始质量力矩的大约1.72％时，将显著地影响涡轮机整体负荷，从而导致质量效率P/I关键指标净损失。
以1兆瓦测试涡轮为例，在安装新叶尖结构之前，每个叶片的质量效率P/I的标准化基线图可计算为1·106/36000kgm＝27.78。
基于计算流体动力学CFD数据集CB和CT之间的差异(表3和表4)所述的标准化涡轮机功率系数Cp(标准值)的预期平均增长值为1.5％，当同一叶片装配有最佳扭转角(αT＝0°)的测试叶尖结构时，预计将提供1.015·106/36085＝28.13的中等较高的质量效率P/I。
对于涡轮机功率系数Cp(标准值)的增加，取1.5％的平均值，在安装有零扭转角(αT＝0°)但面积翻倍的改进的叶尖结构时，相同的叶片预期将提供.015·106/36619＝27.72的减小的质量效率P/I。
考虑到不同的实测风速数据点，数据集FB和FT之间的差异更难以取得平均。然而，在两个数据集中，数据点以8.97m/s的速度出现，并且从图表(图FIG 19) 中可以看出，数据点广泛代表整个测量范围内的性能差异。对于该数据点，两个数据组(0.98v.0.95)之间的涡轮机功率系数Cp(标准值)增加了3.0％。
采用该3％的值来反映现场测试中的测试叶尖结构的实际性能出乎意料地更好，当将新型的叶尖结构安装到测试涡轮机的叶片上，以及在αT＝6°处对叶片的扭转角进行优化，预计将提供显著更高的质量效率P/I，即1.03·106/36085＝28.54。
该新型叶尖结构可在不改变叶片长度的情况下用于增加涡轮机的功率输出，无论是在设计阶段或者作为改进。例如，对于额定等级高于其实际或预期的现场位置要求的现有涡轮机。
可以推断，这种新型叶尖结构在其他应用中也可以获得类似的成效，特别是当安装到绕轴旋转的叶片上时，这种叶片的外形尺寸与水平轴风力机转子叶片的相似。
因此，本实用新型可应用于获取转子，而该转子具有至少一个配置为翼型叶片，其中所述的新型叶尖结构(如图FIG 3和图FIG 5)所示安装到所述转子的叶片或每个叶片12上。包括叶片12的转子(图FIG 3，图FIG 5)可以是兆瓦、千瓦或微型风力涡轮机的转子，特别是水平轴风力机，或直升机的转子，或飞行器螺旋桨。
当新型叶尖结构安装到飞机的机翼尖部或主升力面时，也可以获得性能效益，例如，如图FIG 3和图FIG 5所示，其中翼型件12包括机翼或主升力面。因此，新型叶尖结构可以应用于具有至少一个翼型件12(例如，螺旋桨或机翼的叶片或固定翼飞行器的前翼或水平或垂直尾翼)的飞机，该翼型件具有新型叶尖结构。
根据以上提供的数据，可以理解，本实用新型可进一步应用于提供一种改进包括至少一个叶片的转子的质量效率P/I的方法，所述叶片包括翼型叶片，其中P 是所述转子在目标风速范围内产生的平均输出轴功率，I是所述转子的质量惯性矩，通过将如上所述新型叶尖结构安装在叶片或每个叶片的自由端区域。
据发现，其中迎风面结构50的迎风投影剖面51和背风面结构60的背风投影剖面61相对于运动方向(D)向前交会，以确定该叶尖结构中向前指向前缘70的投影剖面时，可以获得良好的性能。叶尖结构的后缘端71可以是分叉的，使得其在每一个迎风面结构和背风面结构中的尖端(高度尺寸为hP，hS)处逐渐缩小至点56，66，如图所示。这些特征可以在第一叶尖结构20和变体叶尖结构21(图 FIG 3)中看到，并且存在于测试叶尖结构中。
图FIG 22-25展示出了变体叶尖结构22，23，24和25，其全部大体上类似于第一叶尖结构20，并且包括前倾前缘端70和分叉的后缘端71。
在叶尖结构22(图FIG 22)中，迎风面结构50的后缘端71稍微延伸以界定更明显的分叉。如图FIG 2和图FIG 3所示,通过安装有叶尖结构22的水平轴风力机转子的叶片12展示该视图，其中叶片12以截面所示。
本领域已知的涡流发生器或锯齿状后缘等其他特征可应用于新型叶尖结构，以帮助维持附着气流，从而允许在相应的翼型叶片失速之前增加几何攻角。这继而可以在迎风面结构和背风面结构50、60之间提供更大的扭转角αT，这进一步增加了迎风面结构和背风面结构的向内侧之间的压力差，从而提高新型翼型输送的效率性能，特别是作为水平轴风力机内使用的转子叶片的质量效率P/I。
作为示例，从与图FIG 22相同的方向观察，图FIG 23显示了具有锯齿状后缘端71的新型叶尖结构的另一个实施例。锯齿状或沟槽状的后缘端或具有流线的后缘端可减轻由叶尖结构23上的升力(载荷)的增加而引起的噪声发射，通常与后缘端边界层的厚度增加相关联。
图FIG 24显示配备有涡流发生器72的新型叶尖结构24的又一实施例的类似视图。涡流发生器的添加可以增加相应迎风面或背风面结构的翼型部分失速的几何攻角，从而在不引起气流分离和相关性能损失的情况下，增加扭转角αT。涡流发生器72可包括本领域已知的小叶片，该小叶片可布置成在背风面结构和迎风面结构的一个或两个结构上，并通常从图示的相应背风面表面向外延伸。图FIG 25显示配备有百叶窗73的新型叶尖结构25的又一实施例的类似视图。一个百叶窗包括一个小缝隙，该缝隙可以被配置成如示例中位于翼型叶片的背风表面和迎风表面之间的狭槽。通过在叶尖结构的相应的背风面和迎风面之间设置一个或多个百叶窗以释放压力，可以减少产生脱落涡流的压力差，从而减小诱导阻力。
所述新型叶尖结构可以包括集成的防雷系统，该集成的防雷系统包括比如金属嵌件或金属箔，以形成从塔架到叶尖结构的导电路径。在翼型设计和构造领域还可以包括通常已知的其他特征，例如，羽状边缘等。
如果需要，改装的叶尖结构的附件部分可配置为翼型叶片，以延伸转子的转子总直径，或者，如图FIG 5的示例所示，其可配置成在切割叶片尖端以连接叶尖结构之后保持转子的原始直径。
总之，优选的实施例提供了一种叶尖结构，该叶尖结构可以布置例如在水平轴风力机10的转子叶片12上。叶尖结构包括设置在叶片的迎风面43上的迎风面结构50和设置在叶片12的背风面44上的背风面结构60。迎风面和背风面结构 50、60具有不同的桨距角αP,αS，以便迎风面结构50的翼弦线CP2沿着运动方向D向前延伸，相对更多地向远离叶片叶根的径向向外延伸，或者比背风面结构60的翼弦线CS2，更少地向叶片叶根径向向内延伸，这界定两个结构50、60 之间的相对扭转角αT。
本领域技术人员将认识到，在权利要求书的范围内，进行多次的进一步改变或适应是可能的。
在权利要求书中，纯粹为了便于引用，而在括号中提供了附图标记和数字，不应被解释为限制特征。

Claims (19)

1.一种叶尖结构,该叶尖结构特别别用于水平轴风力机转子叶片的翼型叶片，其特征在于，所述翼型叶片沿纵轴(L)从自由端区域(13)延伸到相对的支撑端区域(14)，所述翼型叶片安装在支撑端区域，用于沿相对于翼型叶片的气流(W2)的运动方向(D)运动，自由端区域处的气流(W2)与运动方向(D)相反，
其中，如果气流(W2)是通过翼型叶片绕旋转轴线(Yl)的旋转而产生的，则将运动方向(D)定义为叶尖结构处的扫掠圆弧(40)的切线，由叶尖结构围绕旋转轴线的旋转确定扫掠圆弧；
其中，当在垂直于纵轴(L)的截面平面(Aref,Ai)中考虑时，翼型叶片限定一个最大长度尺寸的剖面，而该尺寸由一根翼弦(Cref,Ci)来确定，该翼弦是一条长度处在剖面前缘点(41)和剖面后缘点(42)之间的直线；该剖面在翼型叶片的迎风面(43)一侧和背风面(44)一侧的前缘点与后缘点之间延伸，当翼型叶片在前缘端位于后缘端上侧的气流中使用时，剖面配置为(相对于迎风面而言)在背风面引起压力减小；纵轴(L)的定义为，一条贯穿于翼型叶片的自由端区域到支撑端区域的剖面(Aref,Ai)每个位置处翼弦上的轴点(46,47)的线，轴点位于从前缘点算起、翼弦长度的25％处；
其中，将翼型叶片自由端区域处相应的截面平面定义为第一参考平面(Aref)，而位于第一参考平面中的翼型叶片的翼弦定义为参考翼弦(Cref)；相对于第一参考平面(Aref)，将包含了参考翼弦(Cref)的第一迎风面平面(P1)定义为角度βP处于75°至90°之间的平面；以及相对于第一参考平面(Aref)，将包含参考翼弦(Cref)的第一背风面平面(S1)定义为角度βS处于75°至90°之间的平面；
叶尖结构包括从翼型叶片的迎风面(43)延伸的迎风面结构(50)，以及从翼型叶片的背风面(44)延伸的背风面结构(60)；
其中，当考虑到使用位置时：
当在与第一迎风面平面(P1)平行的第二迎风面平面(P2)中考虑迎风面结构(50)时，该迎风面结构(50)确定了被一根翼弦(CP2)限定了最大长度尺寸的剖面(XP2)，该翼弦系该剖面上的前缘点(541)与后缘点(542)之间的直线，就气流(W2)而言，所述前缘点位于所述后缘点的上侧，且当在与第一背风面平面(S1)平行的第二背风面平面(S2)中考虑背风面结构(60)时，该背风面结构(60)确定了被一根翼弦(CS2)限定了最大长度尺寸的剖面(XS2)，该翼弦系该剖面上的前缘点(641)与后缘点(642)之间的直线，就气流(W2)而言，所述前缘点位于所述后缘点的上侧部分；以及
其中，当运动方向(D)由分别在第二迎风面平面(P2)和第二背风面平面(S2)中的直线表示时：
当在第二迎风面平面(P2)中考虑时，迎风面结构(50)的翼弦(CP2)相对于运动方向(D)以αP角度延伸；当在第二背风面平面(S2)中考虑时，背风面结构(60)的翼弦(CS2)相对于运动方向(D)以αS角度延伸；并且αP角正角值小于或负角值大于αS角，当相应翼弦(CP2，CS2)相对于运动方向(D)朝支撑端区域(14)方向延伸时，将αP或αS角度定义为正角，当相应翼弦(CP2，CS2)朝远离支撑端区域(14)方向延伸时，将αP或αS角定义为负角；
将其中包含参考翼弦的一个迎风面参考平面(Pref)定义为垂直于第一迎风面平面(P1)；且
将包含参考翼弦的一个背风面参考平面(Sref)定义为垂直于第一背风平面(S1)；且
当迎风面结构(50)在垂直于迎风面参考平面(Pref)的方向上投影，以确定迎风面参考平面(Pref)中的迎风投影剖面(51)，且
背风面结构(60)在垂直于背风面参考平面(Sref)的方向上投影，以确定背风面参考平面(Sref)中的背风投影剖面(61)，
迎风面结构的迎风投影剖面(51)从第一迎风面平面(P1)延伸至最大距离Pd，
背风面结构的背风投影剖面(61)从第一背风平面(S1)延伸至最大距离Sd：
Sd>Pd。
2.根据权利要求1所述的一种叶尖结构，其特征在于，αP角比αS角的正角值至少小3°或负角值至少大3°。
3.根据权利要求1所述的一种叶尖结构，其特征在于，αP角从正角2°到负角5°，αS角从正角2°到正角9°。
4.根据权利要求1所述的一种叶尖结构，其特征在于，αS角度是正角而αP是负角，且αS角度大于αP角度。
5.根据权利要求1所述的一种叶尖结构，其特征在于，将包含了参考翼弦(Cref)的背风面参考平面(Sref)定义为第一背风平面(S1)；及
当背风面结构(60)在垂直于背风面参考平面(Sref)的方向上被投影、以确定背风面参考平面(Sref)中的背风投影剖面(61)时，该背风面结构的背风投影剖面(61)确定了第一背风平面一侧的总面积Sa、并以翼型叶片的背风面(44)为界：
当第二背风面平面(S2)在至少包含面积Sa的50％区域内的任何地方与背风面参考平面(Sref)相交时，αS角为正角。
6.根据权利要求1所述的一种叶尖结构，其特征在于，将其中包含参考翼弦(Cref)的迎风面参考平面(Pref)定义为垂直于第一迎风面平面(P1)，并且
当迎风面结构(50)在垂直于迎风面参考平面(Pref)的方向上被投影、以确定迎风面参考平面(Pref)中的迎风投影剖面(51)时，该迎风面结构的迎风投影剖面(51)确定第一迎风平面(P1)一侧的总面积Pa、并以翼型叶片的迎风面(43)为界：
当第二迎风面平面(P2)在至少包含面积Pa的50％区域内的任何地方与迎风面参考平面(Pref)相交时，αP角度为负角。
7.根据权利要求1所述的一种叶尖结构，其特征在于，将其中包含参考翼弦(Cref)的迎风面参考平面(Pref)定义为垂直于第一迎风面平面(P1)，且
将包含了参考翼弦(Cref)的背风面参考平面(Sref)定义为第一背风平面(S1)，且
当迎风面结构(50)在垂直于迎风面参考平面(Pref)的方向上投影、以确定迎风面参考平面(Pref)中的迎风投影剖面(51)，且背风面结构(60)在垂直于背风面参考平面(Sref)的方向上投影，以来确定背风面参考平面(Sref)中的背风投影剖面(61)时，迎风面结构的迎风投影剖面(51)确定第一迎风平面(P1)一侧的总面积Pa、并以翼型叶片的迎风面(43)为界，而背风面结构的背风投影剖面(61)确定第一背风平面一侧的总面积Sa、并以翼型叶片的背风面(44)为界：
当第二迎风面平面(P2)在至少包含面积Pa的50％区域内的任何地方与迎风面参考平面(Pref)相交、且第二背风面平面(S2)在至少包含面积Sa的50％区域内的任何地方与背风面参考平面(Sref)相交时，αP角正角值小于或负角值大于αS角。
8.根据权利要求1所述的一种叶尖结构，其特征在于，将其中包含参考翼弦(Cref)的面参考平面(Pref)定义为垂直于第一迎风面平面(P1)，且
将包含了参考翼弦(Cref)的背风面参考平面(Sref)定义为第一背风平面(S1)，且
当迎风面结构(50)在垂直于迎风面参考平面(Pref)的方向上投影、以确定迎风面参考平面(Pref)中的迎风投影剖面(51)，且背风面结构(60)在垂直于背风面参考平面(Sref)的方向上投影，以确定背风面参考平面(Sref)中的背风投影剖面(61)时，迎风面结构的迎风投影剖面(51)确定第一迎风平面(P1)一侧的总面积Pa、并以被翼型叶片的迎风面(43)为界，而背风面结构的背风投影剖面(61)确定第一背风平面一侧的总面积Sa、并被翼型叶片的背风面(44)为界：
当第二迎风面平面(P2)在至少包含面积Pa的50％区域内的任何地方与迎风面参考平面(Pref)相交、且第二背风面平面(S2)在至少包含面积Sa的50％区域内的任何地方与背风面参考平面(Sref)相交时，αP角从正角2°到负角5°，αS角从正角2°到正角9°。
9.根据权利要求1所述的一种叶尖结构，其特征在于，将其中包含参考翼弦(Cref)的面参考平面(Pref)定义为垂直于第一迎风面平面(P1)，且
将包含了参考翼弦(Cref)的背风面参考平面(Sref)定义为第一背风平面(S1)，且
当迎风面结构(50)在垂直于迎风面参考平面(Pref)的方向上投影、以确定迎风面参考平面(Pref)中的迎风投影剖面(51)，且背风面结构(60)在垂直于背风面参考平面(Sref)的方向上投影，以确定背风面参考平面(Sref)中的背风投影剖面(61)时，迎风面结构的迎风投影剖面(51)确定第一迎风平面(P1)一侧的总面积Pa、并以翼型叶片的迎风面(43)为界，而背风面结构的背风投影剖面(61)确定着第一背风平面一侧的总面积Sa、并以翼型叶片的背风面(44)为界；
以及，在距离终端轴点(46)300mm至700mm范围内的直线距离(D1)的纵轴(L)上确定中间轴点(47)，该终端轴点即为翼型叶片的一个末端，该终端轴点(46)是距离支撑端区域(14)最远的轴点，
翼型叶片的翼弦线(Ci)穿过中间轴点(47)，该翼弦线长度C1在翼型叶片的相应前缘点和后缘点之间：
(Pa+Sa)<(3·C1)2。
10.根根据权利要求1所述的一种叶尖结构，其特征在于，其中每个迎风面结构(50)和背风面结构(60)均配置为一个各自具备迎风面(53,63)和背风面(54,64)翼型叶片，当叶尖结构在气流(W2)中使用时，背风面被配置为在相对于迎风面的背风面用以减压；
当考虑纵轴(L)方向时，迎风面结构(50)的翼型叶片的迎风面(53)和背风面结构(60)的翼型叶片的背风面(64)面向支撑端区域(14)；
当考虑纵轴(L)方向时，迎风面结构(50)的翼型叶片的背风面(54)和背风面结构(60)的翼型叶片的迎风面(63)背离支撑端区域(14)。
11.根据权利要求1所述的一种叶尖结构，其特征在于，将其中第三背风平面(S3)定义为平行于第一和第二背风面平面(S1,S2)且位于两者之间，且
当在第三背风面平面(S3)的截面平面中被考虑时，背风面结构确定着一个最大长度尺寸的剖面，而该尺寸由一根翼弦(CS3)来确定，该翼弦是一条处在剖面上的前缘点(641)和后缘点(642)之间的直线，就气流(W2)而言，该前缘点(641)位于该后缘点(642)的上侧；且
其中，当运动方向(D)分别由第二和第三背风面平面(S2,S3)中的直线表示时：
背风面结构(60)的翼弦(CS2)以相对于运动方向(D)的αS2角度在第二背风面平面(S2)延伸，并且(CS3)以相对于运动方向(D)的αS3角度在第三背风面平面(S3)延伸，且
αS3角相比较于αS2角而言，正角值更小或负角值更大，或者负角值更小或正角值更大，
其中，当相应的弦(CS2,CS3)相对于运动方向(D)朝向支撑端区域(14)延伸时，αS2或αS3角被定义为正角，当相应的弦(CS2,CS3)相对于运动方向(D)朝远离支撑端区域(14)延伸时，αS2或αS3角度被定义为负角。
12.根据权利要求1所述的一种叶尖结构，其特征在于，将其中第三迎风平面(P3)定义为平行于第一和第二迎风面平面(P1,P2)且位于两者之间，且
当在第三迎风面平面(P3)的截面平面中被考虑时，迎风面结构确定着一个最大长度尺寸的剖面，而该尺寸由一根翼弦(CP3)来确定，该翼弦是一条处在剖面上前缘点(541)和后缘点(542)之间的直线，就气流(W2)而言，该前缘点(541)位于该后缘点(542)的上侧；且
其中，当运动方向(D)分别由第二和第三迎风面平面(P2,P3)中的直线表示时：
迎风面机构(50)的翼弦(CP2)以相对于运动方向(D)的αP2角度在第二迎风面平面(P2)延伸，并且以相对于运动方向(D)的αP3角度在第三迎风面平面(P3)延伸，且
αP3角相较于αP2角而言，正角值更大或负角值更低，或者负角值更大或正角值更低，
其中，当相应的弦(CP2,CP3)相对于运动方向(D)朝向支撑端区域(14)延伸时，αP2或αP3角被确定为正角，当相应的弦(CP2,CP3)相对于运动方向(D)朝远离支撑端区域(14)延伸时，αP2或αP3角被确定为负角。
13.根据权利要求1所述的一种叶尖结构，其特征在于，将其中包含参考翼弦(Cref)的一个迎风面参考平面(Pref)定义为垂直于第一迎风面平面(P1)，且
将包含参考翼弦(Cref)的一个背风面参考平面(Sref)定义为垂直于第一背风面平面(S1)；且，
当迎风面结构(50)在垂直于迎风面参考平面(Pref)的方向上投影、以确定迎风面参考平面(Pref)中的迎风投影剖面(51)，且
背风面结构(60)在垂直于背风面参考平面(Sref)的方向上投影，以确定背风面参考平面(Sref)中的背风投影剖面(61)：
迎风面结构的迎风投影剖面(51)以及背风面机构的背风投影剖面(61)以相对于运动方向(D)向前汇聚、以确定该叶尖结构中向前指向前缘(70)的投影剖面(70')。
14.根据权利要求1-13中任一所述的一种叶尖结构，其特征在于，包括至少一个连接部分(30)，该连接部分可附接至翼型叶片(12)的自由端区域(13)构成一套组件。
15.一种转子叶片，其特征在于，包括翼型叶片(12)和转子(11)，所述翼型叶片(12)包括权利要求1-13中任一项所述的一种叶尖结构。
16.一种风力涡轮机，其特征在于，该风力涡轮机(10)包括至少具备权利要求15所述的一个翼型叶片(12)和转子(11)。
17.一种风电场，其特征在于，该风电场(80)包括从风中提取能量的多个权利要求16所述的风力涡轮机(10)，风力涡轮机(10)相对于风的方向(W1)分别布置在彼此的上游和下游。
18.一架直升机，其特征在于，该直升机包括至少具备权利要求16所述的一个翼型叶片(12)和转子(11)。
19.一种飞行器，其特征在于，该飞行器包括至少一个翼型叶片(12)，该翼型叶片具有根据权利要求1-13中的任一项所述的一种叶尖结构。
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