升力型垂直轴风力机：高效节能的清洁能源设备

升力型垂直轴风力机主要利用了空气对叶片的升力来驱动风轮旋转的。最常见的升力型风力机为法国学者Darrieus发明的Darrieus风力机，也称达里厄风力机。其结构如图8-6所示。升力型垂直轴风力机风轮的结构差别甚大，如有轴上直接固定了两片叶片，叶片外形整体成打蛋器型的达里厄风力机，如图8-6（a）所示；也有两支叶片通过叶片支架固定在风轮轴上的H型达里厄风力机，如图8-6（b）所示；也有超过两个叶片的其他结构形式的升力型风力机。

升力型垂直轴风力机的风轮采用升力型设计，其关键因素为叶片翼型采用机翼翼型或对称翼型。升力型风轮的结构虽存差异，但其工作原理相同。图8-7所示为升力型风轮断面的示意图，假设风轮横截面上空气流速v为恒定的，风轮运转中该横截面各翼型的切向速度u大小相等，方向与旋转半径垂直而各不相同，则它们与相对速度vr构成了各翼型的速度三角形，即

图8-7　叶片的受力分析图

由于风速向量v和切向速度向量u已知，就可以确定相对速度vr以及叶片翼型所受的空气动力。在某一截面上，各叶片翼型所受切向力与其半径乘积的叠加，即为该横截面叶片翼型对风轮驱动力矩的贡献，将每一断面产生的力矩沿风轮高度积分，则可得出风轮的推动力矩。

从图8-7可以看出，叶片在360°范围内，不同位置具有不同的速度三角形，且叶片在绝大部分区域所受的空气动力都将产生一个正的驱动转矩，只有在90°和270°附近时，翼型的弦线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较大，产生负的驱动转矩，表现为刹车转矩，这也是降低升力型垂直轴风轮风能利用系数的一个原因。(www.xing528.com)

图8-8是典型达里厄风轮单个叶片的力矩变化曲线。从图8-8可以看出叶片出现负转矩的区域，从而限制了达里厄风轮的最大出力。小叶尖速比值下，叶片产生失速现象，这种转矩特性导致达里厄风轮的起动力矩很小，需借助外力起动。

图8-8　叶片旋转一周的力矩系数

图8-9　两叶片和三叶片的力矩系数变化

图8-9所示为两叶片和三叶片的达里厄风轮由各叶片力矩作用叠加而形成的风力力矩系数随转角变化的情形。从图8-9可以看出，在叶片力矩的叠加下，叶片的力矩系数与单叶片产生较大区别，三叶片产生的总力矩系数很少有负力矩产生，这种现象随λ的增大，愈加明显。

阻力型风轮的起动力矩大，但在高叶尖速比时的风能利用系数较低。升力型风轮主要采用机翼翼型，因此作用在叶片上的升力与阻力之比，在适当的条件下可以达到70～80，正因为如此，所以叶片主要依靠升力来工作而不是阻力，故称为升力型风轮，且升力型风轮在高叶尖速比时得到较大的输出力矩，风能利用率较高。