升力型垂直轴风力机

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。

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。

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。

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。

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以上的情况，可通过下图来说明，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。

实际上当叶尖速比小于3时叶片基本上不产生推动风轮旋转的力，反而产生阻碍风轮旋转的力。

所以达里厄风力机不能单靠风力自起动，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以上才可能运转起来，在尖速比为4至5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。

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非常高。

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。

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2至6个，下图是一个有四个叶片的风力机模型。

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。

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。

请观看φ形叶片达里厄风力机的运转动画。

升力－阻力结合式垂直轴风力机（垂直轴升力型风力机之二）为解决达里厄风力机不能自起动的缺点，在在一些小型风力机转轴上加装阻力式风叶帮助起动，加装双S式风轮是简单实用的方案，在阻力型垂直轴风力机栏目中对S式风轮的工作原理有详细介绍，双S式风轮结构简单、紧固，任何风向都可起动旋转。

下图为一个加装双S式风轮的达里厄风力机，也称为Ｄ－Ｓ结合达里厄风力机双S式风轮能在任何风向下帮助达里厄风力机起动。

S式风轮属阻力型风力机，风叶受力点在风速的30%至50%有较好功率系数，此时的叶尖速比约0.5至0.8。

达里厄风力机属升力型风力机，在达里厄风力机一节中介绍了达里厄风力机必须在叶尖速比为3以上才能起动。

只有达里厄风轮直径是S式风轮直径的4倍以上时，S式风轮才可能帮助达里厄风力机实现自起动。

一般来说，达里厄风轮直径是S式风轮直径的5倍至7倍较好，而且在正常运转时S式风轮也能发挥作用。

直叶片的达里厄风力机也可以加装双S式风轮帮助起动。

除了加装双S式风轮外，也可采用其他阻力式风轮，例如风杯式风轮，下图就是一个加装风杯式风轮的升力型风轮。

风杯采用半圆柱面型，与升力叶片安装在同一支架上。

4个阻力风杯可在任何风向下旋转，帮助升力叶片进入正常运转。

下图为该风力机模型。

无论是加装双S式风轮或风杯式风轮都是同时应用了升力风力机与阻力风力机的技术，故把这种风力机称之为升力-阻力结合型垂直轴风力机。

欲观看升力-阻力结合型垂直轴风力机模型运转动画的网友，请下载动画文件，用播放器观看。

叶片可摆动的垂直轴风力机（垂直轴升力型风力机之三）把叶片做成可转动的，即可解决达里厄风力机不能自起动的问题，又可改善达里厄风力机的工作特性。

理想的方法是采用微处理器根据风向与风速调节翼片的转角，使叶片在各个位置上都能产生最大的转矩，采取这样技术的达里厄风力机效率完全可以达到水平轴风力机的水平，不过制造加工的精密性与控制系统的可靠性要求使之成本高昂，只适用于大中型风力机，这里仅介绍靠风力驱动摆叶的风力机。

叶片采用长直型，叶片上有叶片转轴，叶片转轴在叶片弦线上，在叶片压力中心前方，也就是在弦线四分之一前，风力就可推动叶片摆动，下图是叶片转轴位置图叶片通过叶片转轴安装在风轮支架上，图中是一个叶片（截短图）与支架（部分图）。

在支架上有两个挡块，限制叶片的摆动角度，叶片可在限制范围内正负方向摆动。

在静止时，在风的作用下两个叶片分别摆向不同位置，对风的阻力不同，两叶片的阻力差就会产生转矩使风轮旋转。

这就解决了自起动问题，在有三个以上叶片时，效果更好。

图中是对称的两个叶片在风作用下的状态。

叶片随风摆动可使风力机在较低的风速下也能较好的工作，叶片旋转至风轮向风侧时，叶片向风轮内侧偏摆，叶片旋转至风轮背风侧时，叶片向风轮外侧偏摆，均能形成较大的转矩力，图中左方是叶片旋转至风轮向风侧时受力状况，右方是叶片旋转至风轮背风侧时受力状况。

这种方式的缺点是叶片顺风位置较多，叶片在风向的两侧时是在挡块中间位置，是随风摆动位置，不产生升力，而且挡块的范围越大，顺风位置的范围越大。

叶片与与挡杆间的撞击不但对结构有损害，也有较大的噪声。

使叶片摆动角度连续可调可解决这些问题，在风速低与转速低时摆动角度大些，在风速高与转速高时摆动角度要减小些，一种利用风轮旋转产生离心力来调节叶片摆动角度的方法可达到此目的。

在风轮支架靠叶片位置设置一个滑道，在滑道上有一个滑块，滑块可在滑道上自由滑动，滑块上有两个档轮，为加大滑块质量附加了一个离心锤，下图左图为该结构顶视图，右图为该结构透视图。

由滑块、两个档轮、离心锤共同构成离心滑动控制件。

一个由4个叶片组成的风轮由下图所示把风轮安装在风力机主轴架上，风轮就会随风旋转。

离心滑动控制件受到离心力作用而紧靠叶片，随转速增高其对叶片的压力加大。

在下图中，是在转速较低时，离心滑动控制件对叶片的压力较小，风力推动叶片以较大角度偏摆，使叶片能在不失速的情况下工作，以取得较大的升力推动风轮旋转。

在下图中，是在转速较高时，离心滑动控制件对叶片压力较大，风力仅能推动叶片在较小的角度偏摆，可使叶片在正常的攻角下工作，以取得较大的升力推动风轮旋转。

这种利用离心滑块控制叶片摆动角度的效果是不错的，不但能自起动，而且能在较宽的风速变化与较宽的负荷变化时很好的工作。

其缺点是滑动机械件对加工要求较高，密封与维护都较麻烦。

离心力调节叶片攻角垂直轴风力机（升力型垂直轴风力机之四）如何对升力型垂直轴风力机叶片攻角进行简单而有效的控制，是大家在努力解决的课题，在叶片角度可变的垂直轴风力机一节中，已介绍了一种离心滑块控制叶片摆动角度的风力机，这里再介绍一种采用离心力与风力直接控制叶片偏摆的垂直轴风力机，是本站推出的叶片攻角控制技术，已经申报国家发明专利。

风力机叶片采用直叶片，也就是所谓H型风轮。

在叶片上有叶片转轴，叶片转轴位置在叶片的压力中心前侧（对称翼型的压力中心在离叶片前缘1/4叶片弦长位置），叶片转轴在叶片中弧线上（对称翼型中弧线与弦线重合）叶片通过叶片转轴安装在风轮的叶片支架上，叶片可绕轴转动。

压力中心是风对叶片作用力的合力作用点，对称翼型在不失速状态下运行时，压力中心在离叶片前缘1/4叶片弦长位置；运行在不失速状态下的非对称翼型，在较大攻角时压力中心也在离叶片前缘1/4叶片弦长位置，在小攻角时压力中心会沿叶片弦长向后移。

无论对称翼型或非对称翼型，在失速时风对叶片作用力的合力作用点也均在1/4叶片弦长之后，所以叶片在任何风向下均能随风摆动。

叶片的重心必须在叶片转轴上,由于叶片转轴在叶片弦线前部不到1/4的地方，较难做到前后平衡。

可在叶片的前方固定平衡杆，平衡杆的轴线在叶片弦线的延长线上，在平衡杆上有位置可调节的平衡锤，通过调节平衡锤的位置使叶片的重心在叶片转轴上。

把叶片的原始机械位置称为无偏摆位置，其定义是：在无风时风轮在外力作用下正向旋转时，风轮受空气阻力最小时的叶片位置为叶片无偏摆位置。

在叶片处在无偏摆位置时，在叶片朝向风轮外侧一面固定有离心摆杆，离心摆杆指向风轮外侧，其轴线通过叶片转轴与风轮转轴，离心摆杆上有位置可调节的离心锤。

下图左图是该叶片控制摆动机构的顶视图，右图是透视图。

叶片、平衡杆、平衡锤、离心摆杆、离心锤是固定联接在一起的机械构件，称之为控摆构件，把控摆构件安装在风轮支架上组成风轮，下图是有三个叶片的风轮。

在下面两图中将分析风轮在风力作用下旋转时叶片受控偏摆时的受力情况，上图是风叶旋转至风轮向风侧位置，下图是风叶旋转至风轮背风侧位置，图中仅显示叶片、离心锤与主要力矢。