固定葉片升力型垂直軸風力機的主要問題 

傳統達裏厄風力機采用ф形葉片,目前較多采用直葉片(H型)結構,達裏厄風力機的葉片相對于風輪是固定的,也就是葉片弦線角度是不可調的。

升力型風力機是利用葉片的升力推動風輪旋轉做功,對于多數普通翼型的葉片在理想狀态下(xià),在攻角爲0至15度均能産生(shēng)升力,而在8至14度能産生(shēng)大(dà)的升力且阻力較小(xiǎo)。下(xià)圖是風力機的葉片旋轉到風輪向風側(0度位置)時的氣流與受力圖。

圖2左側圖中(zhōng)葉片受到相對風速W的作用産生(shēng)升力L與阻力D,相對風速W與葉片弦線的夾角即葉片的攻角α約爲14度,相對風速W由風速V與葉片運動速度u合成,此時的葉片運動的速度約風速的4倍,即葉尖速比爲4。升力L與阻力D的合力爲F,該力對風輪的力矩力爲M,是推動風輪旋轉的力。在葉尖速比爲4時,葉片運行在向風側或背風側均能産生(shēng)推動風輪旋轉的力矩,僅在兩側(90度與180度)附近升力很小(xiǎo),會有不大(dà)的負向力矩。

在圖2右側圖中(zhōng)風速增加了一(yī)倍,葉片運動的速度未變,葉尖速比約爲2,葉片的攻角α約爲27度,葉片工(gōng)作在失速狀态,此時葉片産生(shēng)的升力L下(xià)降了,阻力D大(dà)大(dà)上升了,相對風輪産生(shēng)的力矩力M爲負向,是阻止風輪旋轉的,而且在這種風速與轉速下(xià)葉片運行在大(dà)多數位置均産生(shēng)負向力矩。
其實葉片在葉尖速比爲4(α爲14度)時已靠近失速的邊沿,低于4時升力L已不再增加,阻力D已明顯上升,風葉産生(shēng)的力矩力M有可能爲0或負向。好在葉片運行在0度至90度中(zhōng)間一(yī)段區域葉片攻角較小(xiǎo)能産生(shēng)正向力矩、在90度至180度、180度至270度、270度至360度的中(zhōng)間也有這樣一(yī)段區域。但在在葉尖速比小(xiǎo)于3.5(α大(dà)于16度)時這樣的區域就越來越小(xiǎo)了。
圖3中(zhōng)是升力型垂直軸風力機的功率系數Cp與葉尖速比tsr的關系曲線,可見葉尖速比在4至6之間才有較大(dà)的輸出,而且是氣流在理想的狀态下(xià)。

然而風力大(dà)小(xiǎo)不可能穩定,風力機負荷也不會不變,當風速快速增加,風力機轉速不能立即同步跟上,葉尖速比可能降至3.5以下(xià),風力機可能遭受反向力矩的沖擊而運行不穩;這種情況在風力機負荷增加轉速下(xià)降導至葉尖速比下(xià)降時同樣會出現;在風速下(xià)降時風力機因負荷轉速會下(xià)降更快,也可能出現這種情況。要求風力或負荷的變化範圍窄就是固定葉片升力型垂直軸風力機的主要問題,不能自起動也是固定葉片升力型垂直軸風力機的重要缺點,這些都給應用帶來許多限制。

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