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升力型垂直轴风力机

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达里厄风力机(升力型垂直轴风力机之一) 阻力型的垂直轴风力机虽然简单可靠,安装维修方便,但其叶尖速比在0.5左右才能获得较高的功率输出,也就是说叶片速度较低,仅为风速的一半,若风轮直径较大时,转速会很低,再说阻力型的垂直轴风力机最大功率系数不超过15%,这就限制了阻力型风力机在大型风力机中的应用。目前大中型风电主要采用水平轴风力机,属升力型风力机,具有转速高、风的利用率较高的优点,其叶尖速比通常在4以上,转速高,最大功率系数可达50%。 垂直轴风力机也有升力型风力机,法国航空工程师达里厄(Darrieus)在1931年发明了升力型垂直轴风力机,后人习惯把升力型垂直轴风力机统称为达里厄风力机(D 式风力机),下面介绍这种风力机的原理与结构。 叶轮由两片垂直的叶片阻成,叶片截面为流线型的对称翼型,以相反方向安装在转轴两侧。注:为适合图中表示,叶片长度与支架长度都较实际比例缩小。 在下面图中列举了从0度到315度八个 位 置 的叶片,风从左边 进 入 ,浅 蓝 色 的矢 量 v 是风速、绿 色 的矢 量 u是叶片圆 周 运 动 的线速度反向(即 无 风时叶片感 受 到的气 流速度)、蓝 色 的矢 量 w 是叶片感 受 到的合成气 流速度(即 相对风速)、紫 色 的矢 量 L 是叶片受 到的升力。 我 们 分 析 一下叶片在这八个 角 度的受 力情 况 ,在90度与270度的位 置 ,相对风速不产 生 升力,在其它 六 个 位置 上叶片受 到的升力均 能在运 动 方向产 生 转矩 力,这也是达里厄风力机能在风力下旋 转的道 理。 实际上情况要复杂得多,前面分析图是理想状态,是在理想的叶尖速比与没有叶片的阻力时的状态。叶片推动风轮旋转的转矩力是升力与阻力的合成力在叶片前进方向的分力。我们取315度时的情况分析一下有阻力的情况,图中黑色的矢量 D 为叶片受到的阻力,棕色的矢量 F 是升力L 与阻力D 的合成力,该力在叶片前进方向的分力M 才是实际的转矩力,显然此时的转矩力明显小于理想状况。 而且在180度与270度附近的角度内,升力与阻力的合成力产生的是反向转矩力。 达里厄风力机只有在叶片在360度与180度附近才有较大的输出力。即便是这样,还只能运行在叶尖速比为3以上的情况,可通过下图来说明, 图中左侧图叶片受到相对风速W 的作用产生升力L 与阻力D,相对风速W 与叶片弦线的夹角即叶片的攻角α 约为14度,相对风速W 由风速V 与叶片运...

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