達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)

阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)雖然簡(jiǎn)單可靠，安裝維修方便，但其葉尖速比在0.5至0.9左右才能獲得較高的功率輸出，也就是說(shuō)葉片速度較低，風(fēng)輪外沿線速度僅為風(fēng)速的一半多，若風(fēng)輪直徑較大時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)很低。阻力型風(fēng)力機(jī)的受風(fēng)面積中只有一半被利用，另一半往往還做負(fù)功，所以阻力型的垂直軸風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)較低，一般不超過(guò)15%，S型阻力風(fēng)力機(jī)雖可達(dá)25%，但其巨大的風(fēng)葉生產(chǎn)制造、運(yùn)輸、安裝都很困難，使其無(wú)法在大型風(fēng)力機(jī)中使用，這就限制了阻力型風(fēng)力機(jī)的廣泛應(yīng)用。目前大中型風(fēng)電主要采用水平軸風(fēng)力機(jī)，屬升力型風(fēng)力機(jī)，具有轉(zhuǎn)速高、風(fēng)的利用率較高的優(yōu)點(diǎn)，其運(yùn)行葉尖速比通常在4以上，轉(zhuǎn)速高，最大功率系數(shù)可達(dá)50%。

垂直軸風(fēng)力機(jī)也有升力型風(fēng)力機(jī)，法國(guó)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)），達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的原始機(jī)型是φ形結(jié)構(gòu)，在國(guó)外已運(yùn)行的大中型達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)是φ形結(jié)構(gòu)，中小型采用H形結(jié)構(gòu)。在國(guó)內(nèi)目前一些小微型升力阻力結(jié)合風(fēng)力機(jī)采用φ形結(jié)構(gòu)，大一些的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)多采用H形結(jié)構(gòu)，下面就H形結(jié)構(gòu)達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的原理進(jìn)行介紹。

圖1是H形達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)圖，風(fēng)輪由兩片與轉(zhuǎn)軸平行的葉片阻成，葉片截面為流線型的對(duì)稱翼型，以相反方向安裝在風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)軸兩側(cè)，風(fēng)輪繞風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。為較清晰表示其結(jié)構(gòu)，圖中將葉片弦長(zhǎng)較實(shí)際比例進(jìn)行夸大。

葉片隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)到不同角度是否都有推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩呢，圖3是葉片隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)到不同角度的受力圖，通過(guò)該圖來(lái)看H形達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的工作原理，在圖中列舉了從0度到315度八個(gè)位置的葉片，圖中角度不是葉片與來(lái)風(fēng)的夾角，角度是按風(fēng)輪反時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向，圖上部葉片與來(lái)風(fēng)方向平行的位置為0度。來(lái)風(fēng)從左邊進(jìn)入，淺藍(lán)色的矢量v是外來(lái)風(fēng)速、綠色的矢量u是葉片圓周運(yùn)動(dòng)的線速度（反向）、深藍(lán)色的矢量w是葉片感受到的合成氣流速度（即相對(duì)風(fēng)速）、紫色的矢量L是葉片受到的升力，由于正常工作時(shí)的阻力很小，在圖中很難標(biāo)出，故不顯示阻力。

我們分析一下葉片在這八個(gè)角度的受力情況，除了在0度與180度的位置，相對(duì)風(fēng)速不產(chǎn)生升力，在其它六個(gè)位置上葉片受到的升力均能在運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在90度與270度能提供最大的的轉(zhuǎn)矩，這些轉(zhuǎn)矩，都朝著同一旋轉(zhuǎn)方向，這就是達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)能在風(fēng)力下旋轉(zhuǎn)的道理，所以說(shuō)達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)屬升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)。

圖7左側(cè)圖葉片受到相對(duì)風(fēng)速W的作用產(chǎn)生升力L與阻力D，相對(duì)風(fēng)速W與葉片弦線的夾角即葉片的攻角α約為14度，相對(duì)風(fēng)速W由風(fēng)速V與葉片運(yùn)動(dòng)速度u合成，此時(shí)葉片的運(yùn)動(dòng)速度約為風(fēng)速的4倍，即葉尖速比為4。升力L與阻力D的合力為F，該力M形成對(duì)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩，是推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力。在葉尖速比為4時(shí)，葉片運(yùn)行在向風(fēng)側(cè)或背風(fēng)側(cè)均能產(chǎn)生推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，僅在兩側(cè)（0度與180度）附近升力很小，會(huì)有不大的負(fù)向轉(zhuǎn)矩。

圖7中間圖是風(fēng)速增加了，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速?zèng)]有增加，即葉片運(yùn)動(dòng)的速度未變，此時(shí)葉片的運(yùn)動(dòng)速度約為速風(fēng)的3倍，即葉尖速比為3，葉片的攻角α約為18.3度。此時(shí)風(fēng)速增加了，但升力不但沒(méi)有增加還會(huì)降低，因?yàn)槿~片已進(jìn)入失速狀態(tài)，進(jìn)入失速狀態(tài)的葉片受到的阻力大大增加，升力L與阻力D的合力為F，該力形成風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的力為M，此時(shí)的M已很小了。只有葉片在離開90度或270度一定距離的范圍時(shí)轉(zhuǎn)矩的減小才沒(méi)那么明顯。

圖7右側(cè)圖風(fēng)速增加了一倍，葉片運(yùn)動(dòng)的速度未變，葉尖速比約為2，葉片的攻角α約為27度，此時(shí)葉片工作在失速狀態(tài)，風(fēng)速的增加使升力L略增加，但阻力D卻大幅度上升，合力F相對(duì)風(fēng)輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)向，是阻止風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的。在葉尖速比為2時(shí)葉片運(yùn)行在大多數(shù)位置均產(chǎn)生負(fù)向轉(zhuǎn)矩。

對(duì)于大多數(shù)普通翼型當(dāng)葉尖速比小于3.5時(shí)葉片在0度與180度附近基本上不產(chǎn)生推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力。在葉尖速比小于2時(shí)即使在某個(gè)角度能產(chǎn)生一點(diǎn)正向轉(zhuǎn)矩也被其他角度產(chǎn)生的負(fù)向轉(zhuǎn)矩給抵消了。

達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn)困難，要在較高的風(fēng)力下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到葉尖速比為3.5以上才可能正常帶動(dòng)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，在尖速比為4-6可獲較高的功率系數(shù)。圖8是達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的一個(gè)重要的動(dòng)力特性曲線，即功率系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線。???

圖10--H型葉片的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)

達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的葉片通過(guò)兩端或中部固定在轉(zhuǎn)軸上，有利于加大機(jī)械強(qiáng)度；達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)將發(fā)電機(jī)安裝在地面時(shí)可減輕頭重腳輕的狀況，對(duì)塔架要求較低，適合用拉索固定，檢修較方便；達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)高于30%，遠(yuǎn)高于阻力型風(fēng)力機(jī)，葉片面積也比阻力型風(fēng)力機(jī)小得多，這些都是它的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)不能自起動(dòng)的問(wèn)題，一般方法是在起動(dòng)時(shí)把發(fā)電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)，使葉尖速比達(dá)到3.5以上。

由于對(duì)風(fēng)速變化與負(fù)荷變化要求都較苛刻，在氣流不平穩(wěn)與湍流較大時(shí)都難以高效率運(yùn)行，加上不能自起動(dòng)等缺點(diǎn)，達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的發(fā)展較慢，直至近些年經(jīng)過(guò)技術(shù)上的改進(jìn)，開始有較大發(fā)展。