垂直轴式风力机

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1、2021/7/11垂直轴式风力机垂直轴风力机特点：无对风装置 能量传递转换装置在地面 便于维护保养，降低了制造和运行费用 受边界层影响，地面风速较低，输入风能大打折扣 每叶片运行中力的大小不断发生周期性变化升力型垂直轴风力机不易启动2021/7/12 垂直轴风力机可分为阻力型和升力型两类。2021/7/13 典型升力型垂直轴风力机，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）。2021/7/141.阻力型风力机 1 来流风速 T 阻力 F 阻力平板面积 阻力平板运动速度 CT 阻力系数 图3-14 平

2、板叶片的受力状况平板吸收功率为 P=T 2021/7/15平板所受阻力为 21TFC2T)(当=0，气流对平板不做功；=1，平板的运行速度与风速相同，平板对气流没有阻力，风依然没有做功。所以，在/1=01之间，必定有一确定的，使平板获得功率最大。2021/7/16 平板获得的相应功率P为 21()2TPC F功率系数CP为21230111()2(1)2TPTC FPCCPF2021/7/17 dCP/d（/1）=0时，CP取得极大值。此时/1=1/3，并且最大的CP值为,max427PTCC若平板叶片的阻力系数CT=1.3，则它可能达到的最大功率系数CP,max=5.2/27，与一般水平轴风力

3、机叶片的功率系数相比，明显偏低。2021/7/18图3-15 CT=1.2阻力型叶片CP值与变速比的关系阻力型风力机叶片阻力实际上是不断变化的，它并不总处于最佳值。旋转中叶片平面相对于风速有个与旋转角度有关的投影面，角度为090时，投影面积由0增加到叶片面积F，做功阻力也由0增为最大；其后，做功阻力下降，至180时阻力降为0；180360时，旋转中的平板则要克服风的压力做负功了。2021/7/19 为了减小叶片在逆风时所受的压力，可在逆风叶片前设置可动屏障。屏障依靠尾舵始终保持封堵逆风叶片进风的位置（见图3-16）。尾舵可绕风力机轴旋转，调向是自动进行的。这类风力机在叶尖速比值为0.20.6时

4、，产生最大出力。图3-16 屏障式平板叶片风力机2021/7/1102.阻力差型风力机 若垂直轴风力机的叶片在顺风与逆风方向时形状不同，则气流在两方向上作用于叶片的阻力就有悬殊差别，因而能使风轮顺利转动。由于这种阻力差型风力机本身是中心对称的，因而无需调向装置，结构也非常简单。2021/7/111 最简单的阻力差型风力机就是风杯式风速表 设叶片中心在风速中运动的线速度为u 则顺风驱动阻力为：2111()2TTC Fu逆风驱动阻力为：2221()2TTC FuCT1、CT2分别为杯形叶片顺风凹面、逆风凸面的阻力系数。半球形风杯CT1可达1.33，而其CT2的值仅为0.34；当杯体为半圆柱形时，C

5、T1、CT2的值分别为2.3和1.2。2021/7/112 假定CT1、CT2为常数，得功率P22121()()2TTPF CuCuu功率系数CP 22123()()22TTPF CuCuuCF2021/7/113 由dCP/du=0得最大功率系数对应的切向速度为 22121212122()4()3()3()TTTTTToptTTCCCCCCuCC在CT1=3CT2的特殊情形下：852/66optu当CT2=0时/3optu2021/7/114 阻力差型风力机的还有S型风轮，它是由芬兰工程师西吉尔特萨冯尼斯（Sigurt Savonius）于1924年发明的。图3-21 S型风轮叶型的几何特性

6、a）b）图3-20 S型风轮风轮的扫掠面积S(2)ShdehD2021/7/115 S型风轮主要由中心轴线相互错开的两个半圆柱形叶片组成（见图3-20）。顺风而动的凹面叶片与凸面迎风的叶片间形成做功气流的通道，在两叶片的引导下，气流发生转折，转折气流对凸面迎风的叶片产生了与风向相反对作用力，从而减少了该逆风叶片消耗的功。两半圆形叶型的偏心距e（见图3-21）决定了该夹道内空气流通截面的大小。e值过大，气流短路，不能全部流过做负功叶片的凹面，降低了其抵消部分负功的能力；e值太小，因边界层效应，气流受到阻滞，也将使风轮的功率系数减小。圆形叶型的直径d影响着流经叶片空气的流线形状，若d太小，气流的急

7、速转折将造成旋涡、脱离，引起有效功的损失。2021/7/1163.升力型垂直轴风力机 2021/7/117达里厄风轮叶片翼型的气流速度与动力特性 2021/7/118 对叶片翼型处于不同位置时其速度三角形的分析表明：在360圆周的绝大部分区域，叶片所受的空气动力都将产生一个驱动转矩；只有分别在90和270附近时叶素翼型的对称面与风向平行或接近平行，气流相对速度很小，而阻力与升力的比值大，此时转矩接近于零，甚至成为刹车转矩。2021/7/119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 2021/7/120图3-25 转动360内三叶片达里厄 风轮力矩系数的变化图3-24 360范围内达里厄风轮单个 叶片力矩系数的变化 若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！