垂直軸式風(fēng)力機(jī)

1、垂直軸式風(fēng)力機(jī),垂直軸風(fēng)力機(jī)特點(diǎn)： 無對風(fēng)裝置 能量傳遞轉(zhuǎn)換裝置在地面 便于維護(hù)保養(yǎng)，降低了制造和運(yùn)行費(fèi)用 受邊界層影響，地面風(fēng)速較低，輸入風(fēng)能大打折扣 每葉片運(yùn)行中力的大小不斷發(fā)生周期性變化 升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)不易啟動,垂直軸風(fēng)力機(jī)可分為阻力型和升力型兩類。,典型升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，法國航空工程師達(dá)里厄（darrieus）在1931年發(fā)明了升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，后人習(xí)慣把升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)統(tǒng)稱為達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)（d式風(fēng)力機(jī)）。,1. 阻力型風(fēng)力機(jī),1 來流風(fēng)速 t 阻力 f 阻力平板面積 阻力平板運(yùn)動速度 ct 阻力系數(shù),圖3-14 平板葉片的受力狀況,平板吸收功率為,p = t ,平板所受阻力為

2、,當(dāng) = 0，氣流對平板不做功； = 1，平板的運(yùn)行速度與風(fēng)速相同，平板對氣流沒有阻力，風(fēng)依然沒有做功。所以，在 / 1= 01之間，必定有一確定的，使平板獲得功率最大。,平板獲得的相應(yīng)功率p為,功率系數(shù)cp為,dcp /d（ / 1）=0時，cp取得極大值。此時 / 1=1/3，并且最大的cp值為,若平板葉片的阻力系數(shù)ct =1.3，則它可能達(dá)到的最大功率系數(shù)cp,max=5.2/27，與一般水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的功率系數(shù)相比，明顯偏低 。,圖3-15 ct =1.2阻力型葉片cp值與變速比的關(guān)系,阻力型風(fēng)力機(jī)葉片阻力實(shí)際上是不斷變化的，它并不總處于最佳值。旋轉(zhuǎn)中葉片平面相對于風(fēng)速有個與旋轉(zhuǎn)角度

3、有關(guān)的投影面，角度為090時，投影面積由0增加到葉片面積f，做功阻力也由0增為最大；其后，做功阻力下降，至180時阻力降為0；,180360時，旋轉(zhuǎn)中的平板則要克服風(fēng)的壓力做負(fù)功了。,為了減小葉片在逆風(fēng)時所受的壓力，可在逆風(fēng)葉片前設(shè)置可動屏障。屏障依靠尾舵始終保持封堵逆風(fēng)葉片進(jìn)風(fēng)的位置（見圖3-16）。尾舵可繞風(fēng)力機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)向是自動進(jìn)行的。這類風(fēng)力機(jī)在葉尖速比值為0.20.6時，產(chǎn)生最大出力。,圖3-16 屏障式平板葉片風(fēng)力機(jī),2.阻力差型風(fēng)力機(jī),若垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片在順風(fēng)與逆風(fēng)方向時形狀不同，則氣流在兩方向上作用于葉片的阻力就有懸殊差別，因而能使風(fēng)輪順利轉(zhuǎn)動。由于這種阻力差型風(fēng)力機(jī)本身是中

4、心對稱的，因而無需調(diào)向裝置，結(jié)構(gòu)也非常簡單。,最簡單的阻力差型風(fēng)力機(jī)就是風(fēng)杯式風(fēng)速表 設(shè)葉片中心在風(fēng)速中運(yùn)動的線速度為u 則順風(fēng)驅(qū)動阻力為：,逆風(fēng)驅(qū)動阻力為：,ct1、ct2分別為杯形葉片順風(fēng)凹面、逆風(fēng)凸面的阻力系數(shù)。半球形風(fēng)杯ct1可達(dá)1.33，而其ct2的值僅為0.34；當(dāng)杯體為半圓柱形時，ct1、ct2的值分別為2.3和1.2。,假定ct1、ct2為常數(shù)，得功率p,功率系數(shù)cp,由dcp/du = 0得最大功率系數(shù)對應(yīng)的切向速度為,在ct1 = 3ct2的特殊情形下：,當(dāng)ct2 = 0時,阻力差型風(fēng)力機(jī)的還有s型風(fēng)輪，它是由芬蘭工程師西吉爾特薩馮尼斯（sigurt savonius）于1

5、924年發(fā)明的。,圖3-21 s型風(fēng)輪葉型的幾何特性,a） b） 圖3-20 s型風(fēng)輪,風(fēng)輪的掃掠面積s,s型風(fēng)輪主要由中心軸線相互錯開的兩個半圓柱形葉片組成（見圖3-20）。順風(fēng)而動的凹面葉片與凸面迎風(fēng)的葉片間形成做功氣流的通道，在兩葉片的引導(dǎo)下，氣流發(fā)生轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折氣流對凸面迎風(fēng)的葉片產(chǎn)生了與風(fēng)向相反對作用力，從而減少了該逆風(fēng)葉片消耗的功。,兩半圓形葉型的偏心距e（見圖3-21）決定了該夾道內(nèi)空氣流通截面的大小。e值過大，氣流短路，不能全部流過做負(fù)功葉片的凹面，降低了其抵消部分負(fù)功的能力；e值太小，因邊界層效應(yīng)，氣流受到阻滯，也將使風(fēng)輪的功率系數(shù)減小。圓形葉型的直徑d影響著流經(jīng)葉片空氣的流線形狀，若d太小，氣流的急速轉(zhuǎn)折將造成旋渦、脫離，引起有效功的損失。,3.升力型垂直軸風(fēng)力機(jī),達(dá)里厄風(fēng)輪葉片翼型的氣流速度與動力特性,對葉片翼型處于不同位置時其速度三角形的分析表明：在360圓周的絕大部分區(qū)域，葉片所受的空氣動力都將產(chǎn)生一個驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；只有分別在90和270附近時葉素翼型的對稱面與風(fēng)向平行或接近平行，氣流相對速度很小，而阻力與升力的比值大，此時轉(zhuǎn)矩接近于零，甚至成為剎車轉(zhuǎn)矩。,我們?nèi)?15度時的情況分析一下有阻力的情況，圖中黑色的矢量d為葉片受到的阻力，棕色的矢量f是升力l與阻力d的合成力，該力在葉片前進(jìn)方向的分力m才是實(shí)際的轉(zhuǎn)矩力，顯然此時的轉(zhuǎn)矩力明顯小于理想狀況。,而且在