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垂直轴式风力机 垂直轴风力机可分为阻力型和升力型两类。 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）。 1. 阻力型风力机 υ1 —来流风速 T —阻力 F —阻力平板面积 υ‘ —阻力平板运动速度 CT —阻力系数 平板获得的相应功率P为 dCP /d（υ / υ1）=0时，CP取得极大值。此时υ / υ1=1/3，并且最大的CP值为 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λ值为0.2～0.6时，产生最大出力。 2.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。 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： 假定CT1、CT2为常数，得功率P 由dCP/du = 0得最大功率系数对应的切向速度为 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。 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。 3.升力型垂直轴风力机 对叶片翼型处于不同位置时其速度三角形的分析表明：在360o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90o和270o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。 * 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 图3-14 平板叶片的受力状况 平板吸收功率为 P = T υ 平板所受阻力为 当υ = 0，气流对平板不做功；υ = υ1，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υ / υ1= 0～1之间，必定有一确定的υ，使平板获得功率最大。 功率系数CP为 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，与一般水平轴风力机叶片的功率系数相比，明显偏低 。 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0o～90o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180o时阻力降为0； 180o～360o时，旋转中的平板则要克服风的压力做负功了。 图3-16 屏障式平板叶片风力机 逆风驱动阻力为： CT1、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，CT1、CT2的值分别为2.3和1.2。 功率系数CP 在CT1 = 3CT2的特殊情形下： 当CT2 = 0时 图3-21 S型风轮叶型的几何特性 a） b） 图3-20 S型风轮 风轮的扫掠面积S 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，气流的急速转折将造成旋涡、脱离，引起有效功的损失。 达里厄风轮叶片翼型的气流速度与动力特性 *