固定叶片升力型垂直轴风力机的主要问题 

传统达里厄风力机采用ф形叶片,目前较多采用直叶片(H型)结构,达里厄风力机的叶片相对于风轮是固定的,也就是叶片弦线角度是不可调的。

升力型风力机是利用叶片的升力推动风轮旋转做功,对于多数普通翼型的叶片在理想状态下,在攻角为0至15度均能产生升力,而在8至14度能产生大的升力且阻力较小。下图是风力机的叶片旋转到风轮向风侧(0度位置)时的气流与受力图。

图2左侧图中叶片受到相对风速W的作用产生升力L与阻力D,相对风速W与叶片弦线的夹角即叶片的攻角α约为14度,相对风速W由风速V与叶片运动速度u合成,此时的叶片运动的速度约风速的4倍,即叶尖速比为4。升力L与阻力D的合力为F,该力对风轮的力矩力为M,是推动风轮旋转的力。在叶尖速比为4时,叶片运行在向风侧或背风侧均能产生推动风轮旋转的力矩,仅在两侧(90度与180度)附近升力很小,会有不大的负向力矩。

在图2右侧图中风速增加了一倍,叶片运动的速度未变,叶尖速比约为2,叶片的攻角α约为27度,叶片工作在失速状态,此时叶片产生的升力L下降了,阻力D大大上升了,相对风轮产生的力矩力M为负向,是阻止风轮旋转的,而且在这种风速与转速下叶片运行在大多数位置均产生负向力矩。
其实叶片在叶尖速比为4(α为14度)时已靠近失速的边沿,低于4时升力L已不再增加,阻力D已明显上升,风叶产生的力矩力M有可能为0或负向。好在叶片运行在0度至90度中间一段区域叶片攻角较小能产生正向力矩、在90度至180度、180度至270度、270度至360度的中间也有这样一段区域。但在在叶尖速比小于3.5(α大于16度)时这样的区域就越来越小了。
图3中是升力型垂直轴风力机的功率系数Cp与叶尖速比tsr的关系曲线,可见叶尖速比在4至6之间才有较大的输出,而且是气流在理想的状态下。

然而风力大小不可能稳定,风力机负荷也不会不变,当风速快速增加,风力机转速不能立即同步跟上,叶尖速比可能降至3.5以下,风力机可能遭受反向力矩的冲击而运行不稳;这种情况在风力机负荷增加转速下降导至叶尖速比下降时同样会出现;在风速下降时风力机因负荷转速会下降更快,也可能出现这种情况。要求风力或负荷的变化范围窄就是固定叶片升力型垂直轴风力机的主要问题,不能自起动也是固定叶片升力型垂直轴风力机的重要缺点,这些都给应用带来许多限制。

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