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bdlhz618的博客

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个人简历 具有深厚的专业理论知识和丰富的实践经验,勤于思考,富于创新,在长期的工作实践中,始终注重研究和探索,通过多年的艰辛努力和实验,在技术革新与发明创造方面有所突破,研制成功《风力飞行器》(201110319692.2)。《调桨长的万向风车》(201210393482.2)。

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万向风车与达里厄风车的比较  

2010-12-03 09:48:13|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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万向风车和“H”型达里厄风车的比较

(以下内容转帖自鹏芃科艺)(www. Pengky .cn

达里厄风力机(升力型垂直轴风力机之一)

阻力型的垂直轴风力机虽然简单可靠,安装维修方便,但其叶尖速比在0.5左右才能获得较高的功率输出,也就是说叶片速度较低,仅为风速的一半,若风轮直径较大时,转速会很低,再说阻力型的垂直轴风力机最大功率系数不超过15%,这就限制了阻力型风力机在大型风力机中的应用。目前大中型风电主要采用水平轴风力机,属升力型风力机,具有转速高、风的利用率较高的优点,其叶尖速比通常在4以上,转速高,最大功率系数可达50%

垂直轴风力机也有升力型风力机,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),下面介绍这种风力机的原理与结构。

叶轮由两片垂直的叶片阻成,叶片截面为流线型的对称翼型,以相反方向安装在转轴两侧。注:为适合图中表示,叶片长度与支架长度都较实际比例缩小

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在下面图中列举了从0度到315度八个位置的叶片,风从左边进入,浅蓝色的矢量v是风速、绿色的矢量u是叶片圆周运动的线速度反向(即无风时叶片感受到的气流速度)、蓝色的矢量w是叶片感受到的合成气流速度(即相对风速)、紫色的矢量L是叶片受到的升力。

我们分析一下叶片在这八个角度的受力情况,在90度与270度的位置,相对风速不产生升力,在其它六个位置上叶片受到的升力均能在运动方向产生转矩力,这也是达里厄风力机能在风力下旋转的道理。

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实际上情况要复杂得多,前面分析图是理想状态,是在理想的叶尖速比与没有叶片的阻力时的状态。叶片推动风轮旋转的转矩力是升力与阻力的合成力在叶片前进方向的分力。我们取315度时的情况分析一下有阻力的情况,图中黑色的矢量D为叶片受到的阻力,棕色的矢量F是升力L与阻力D的合成力,该力在叶片前进方向的分力M才是实际的转矩力,显然此时的转矩力明显小于理想状况

 

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而且在180度与270度附近的角度内,升力与阻力的合成力产生的是反向转矩力。

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达里厄风力机只有在叶片在360度与180度附近才有较大的输出力。即便是这样,还只能运行在叶尖速比为3.5以上的情况,可通过下图来说明,

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图中左侧图叶片受到相对风速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。

图中右侧图风速增加了一倍,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,此时叶片工作在失速状态,叶片产生的升力L明显下降,阻力D却大大上升,相对风轮产生的力矩力M为负向,是阻止风轮旋转的,而且此时叶片运行在大多数位置均产生负向力矩。对于大多数普通翼型当叶尖速比小于3.5时叶片基本上不产生推动风轮旋转的力。

达里厄风力机在低风速下运转困难,要在较高的风力下,风轮转速达到叶尖速比为3.5以上才可能正常运转,在尖速比为4-6可获较高的功率输出。下图为达里厄风力机的功率系数与叶尖速比的关系曲线

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为减小阻力增加升力,对风力机的叶片截面形状(翼型)选择与外表光洁度要求比较高。

既然达里厄风力机在叶尖速比为3.5以下时不能依靠升力运转,能否依靠阻力运行呢?由于各翼片是均匀固定在风轮的圆周上,各翼片受风产生的阻力力矩不大而且各翼片合成的总力矩很小,即使某角度可产生一定的力矩但在另一角度可能产生反向力矩,所以达里厄风力机不能单靠风力自起动,必须依靠外力起动使叶尖速比达到3.5以上时才能依靠升力运转。

典型的达里厄风力机翼片不是直的,而是弯成弧形,两翼片合成一个φ形。下图即是一台达里厄风力机模型。

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现在的达里厄风力机多采用直形风叶,也有人称之为H型风力机。H型风力机的叶片数一般为26个,下图是一个有四个叶片的风力机模型。

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达里厄风力机的叶片通过两端或中部固定在转轴上,有利于加大机械强度,可做得很轻巧;达里厄风力机不存在头重脚轻的状况,对塔架要求较低,适合用拉索固定,安装容易,检修也方便,这些都是它的优点。

对于达里厄风力机不能自起动的问题,一般方法是在起动时采用发电机作电动机带动风力机旋转,使叶尖速比达到3.5以上。

由于对风速变化与负荷变化要求都较苛刻,难以平稳高效运行,加上不能自起动等缺点,达里厄风力机的发展较慢,直至近些年经过技术上的改进,开始有较大发展。

注:对于多数普通翼型的失速迎角为14度左右(关于失速迎角参见“风力机基础知识”有关章节),14度也即叶尖速比等于4,当攻角大于14度时(叶尖速比小于4),翼片进入失速状态,升力下降阻力大大增加。但尖速比小于4时在360度与180度以外的部分区域,翼型攻角小于14度,会有升力,故把叶尖速比定为3.5作为分界点,由于不同翼型不同安装方式失速迎角相差甚远,所以叶尖速比3.5只是一个参考值。

请观看φ形叶片达里厄风力机的运转动画。

(以上转自鹏芃科艺)

总结一下以上情况,可以看出达里厄风车的主要缺点是:

1)达里厄风力机由于各翼片是均匀固定在风轮的圆周上,各翼片受风产生的阻力力矩不大而且各翼片合成的总力矩很小,即使某角度可产生一定的力矩但在另一角度可能产生反向力矩,所以达里厄风力机不能单靠风力自起动,必须依靠外力起动使叶尖速比达到3.5以上时才能依靠升力运转。

2)达里厄风力机只有在叶片在360度与180度附近才有较大的输出力。即便是这样,还只能运行在叶尖速比为3.5以上的情况,

3)现在的达里厄风力机多采用直形风叶,也有人称之为H型风力机。H型风力机的叶片数一般为26个。达里厄风力机的叶片通过两端或中部固定在转轴上,有利于加大机械强度,但增加了空气动力学阻力。

4)达里厄风车属于纯升力型,不产生阻力,只依靠升力运转。

 

万向风车则克服了达里厄风车以上的不足,实现了以下几点优越的性能。

1)叶片的攻角不随风车的转速变化而变化;这也就是说,风车的尖速比对风车叶片的攻角影响不大;

2)交叉叶片产生的阻力大,风车启动力矩大;

3)叶片产生的升力反馈到输入端,形成正反馈,提高风车效率;

4)支架大部分处于叶片内部,叶片成了支架和连杆的整流罩,减少了空气阻力。

5)万向风车属于阻力加升力型,叶片即产生阻力又产生升力。

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