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固定葉片升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的主要問(wèn)題?

傳統(tǒng)達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)采用ф形葉片,目前較多采用直葉片(H型)結(jié)構(gòu),達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的葉片相對(duì)于風(fēng)輪是固定的,也就是葉片弦線角度是不可調(diào)的。

升力型風(fēng)力機(jī)是利用葉片的升力推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)做功,對(duì)于多數(shù)普通翼型的葉片在理想狀態(tài)下,在攻角為0至15度均能產(chǎn)生升力,而在8至14度能產(chǎn)生大的升力且阻力較小。下圖是風(fēng)力機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)到風(fēng)輪向風(fēng)側(cè)(0度位置)時(shí)的氣流與受力圖。

圖2左側(cè)圖中葉片受到相對(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)的葉片運(yùn)動(dòng)的速度約風(fēng)速的4倍,即葉尖速比為4。升力L與阻力D的合力為F,該力對(duì)風(fēng)輪的力矩力為M,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)的力矩,僅在兩側(cè)(90度與180度)附近升力很小,會(huì)有不大的負(fù)向力矩。

在圖2右側(cè)圖中風(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,葉片工作在失速狀態(tài),此時(shí)葉片產(chǎn)生的升力L下降了,阻力D大大上升了,相對(duì)風(fēng)輪產(chǎn)生的力矩力M為負(fù)向,是阻止風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的,而且在這種風(fēng)速與轉(zhuǎn)速下葉片運(yùn)行在大多數(shù)位置均產(chǎn)生負(fù)向力矩。
其實(shí)葉片在葉尖速比為4(α為14度)時(shí)已靠近失速的邊沿,低于4時(shí)升力L已不再增加,阻力D已明顯上升,風(fēng)葉產(chǎn)生的力矩力M有可能為0或負(fù)向。好在葉片運(yùn)行在0度至90度中間一段區(qū)域葉片攻角較小能產(chǎn)生正向力矩、在90度至180度、180度至270度、270度至360度的中間也有這樣一段區(qū)域。但在在葉尖速比小于3.5(α大于16度)時(shí)這樣的區(qū)域就越來(lái)越小了。
圖3中是升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)Cp與葉尖速比tsr的關(guān)系曲線,可見(jiàn)葉尖速比在4至6之間才有較大的輸出,而且是氣流在理想的狀態(tài)下。

然而風(fēng)力大小不可能穩(wěn)定,風(fēng)力機(jī)負(fù)荷也不會(huì)不變,當(dāng)風(fēng)速快速增加,風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不能立即同步跟上,葉尖速比可能降至3.5以下,風(fēng)力機(jī)可能遭受反向力矩的沖擊而運(yùn)行不穩(wěn);這種情況在風(fēng)力機(jī)負(fù)荷增加轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)至葉尖速比下降時(shí)同樣會(huì)出現(xiàn);在風(fēng)速下降時(shí)風(fēng)力機(jī)因負(fù)荷轉(zhuǎn)速會(huì)下降更快,也可能出現(xiàn)這種情況。要求風(fēng)力或負(fù)荷的變化范圍窄就是固定葉片升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的主要問(wèn)題,不能自起動(dòng)也是固定葉片升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的重要缺點(diǎn),這些都給應(yīng)用帶來(lái)許多限制。

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