垂直轴风力机的优化设计与应用

垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴进行旋转，如图4-5所示。垂直轴风力机由于结构特点，可接受来自任何方向的风，当风向改变时，无需对风，因而不受风向限制。与水平轴风力机相比，因无需调风向装置，而结构设计大大简化。垂直轴风力机的齿轮箱和发电机均可安装在地面上或风轮下，运行维修简便，费用较低。此外，垂直轴风力机叶片结构简单，制造方便，设计费用较低。

图4-5　垂直轴风力机

按照空气动力学做功原理，垂直轴风力机主要分为两类：一类是利用空气对叶片的阻力做功，称为阻力型风力机；另一类是利用翼型升力做功，此类风力机称为升力型风力机。

（1）典型的阻力型风力机有Savonius风力机（简称S型风力机），具体结构如图4-5（a）所示。S型风力机由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，其优点为起动转矩较大，可在较低风速下运行。但S型风力机的风轮由于风轮周围气流不对称，从而产生侧向推力。受侧向推力与安全极限应力的限制，S型风力机大型化比较困难。此外，S型风力机风能利用系数也远低于高速垂直轴或水平轴风力机，仅为0.15左右。这意味着在风轮尺寸、重量和成本相同的条件下，其功率输出较低，因而用于发电的经济性较差。

（2）升力型风力机为达里厄（Darrieus）型风力机，结构如图4-5（b）所示。由法国人Darrieus于1925年发明，1931年取得专利权，此风轮也因此以Darrieus命名。当时达里厄风力机未受到关注，直到20世纪70年代石油危机后，才得到加拿大国家科学研究委员会（National Research Council）美国桑迪亚（Sandia）国家实验室的重视，进行了大量的研究。

达里厄风力机的风轮有多种型式，如图4-6所示，其风轮有Ф型、H型、Δ型、Y型和菱型等。根据叶片的结构形状，可简单地归纳为直叶片和弯叶片两种，其中直叶片H型风轮和Ф型风轮最为典型，应用最为广泛。叶片具有翼型剖面，空气绕叶片流动而产生的合力，形成转矩，因此叶片几乎在旋转一周内的任何角度都有升力产生。达里厄风力机最佳转速较水平轴的慢，但比S型风轮快很多，其风能利用系数与水平轴风力机的相当。

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图4-6　达里厄风力机的多种风轮型式

H型风轮结构简单，但这种结构造成的离心力使叶片在其连结点处产生严重的弯曲应力。直叶片借助支撑件或拉索来支撑，这些支撑产生气动阻力，降低了风力机的效率。

Ф型风轮所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力载荷，从而使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力要强，所以对于相同的总强度，Ф型叶片比较轻，且与直叶片相比，可以以更高的转速运行。但Ф型叶片不便采用变桨距方法来实现自起动和控制转速。另外，对于高度和直径相同的风轮，Ф型转子比H型转子的扫掠面积要小一些。

图4-7　Musgrove风力机的工作原理图

还有一种垂直轴风力机为Musgrove风力机，由英国雷丁大学Musgrove教授指导的科研小组研制成功。Musgrove风力机是一个升力型垂直轴的风力机，叶片呈H型，有一个中心轴，如图4-7所示。风速较高时，转轮会由于离心力而在一个水平点处转动，这就减缓了高速气流对叶片和结构的影响。

总而言之，目前用于风力发电的风力机主要有两种类型：一种是水平轴高速风力机；一种是垂直轴达里厄型风力机。在大型化应用中，前者占绝大多数，后者应用较少，仅限于小型风力机。除此之外，国内外还提出了一些其他新概念型风能转换装置，但总体而言，都处于研究试验阶段。