垂直轴风力机的实度 |
在水平轴风力机栏目中风轮实度一节中讨论过风轮实度问题，垂直轴风力机的实度虽不是一个有确定值的参数，但是一个重要的参考数，实度大了不光是功率系数会降低，还可能无法正常运行。 下面简介垂直轴风力机的实度问题，内容主要来自《垂直轴风力机原理与设计》一书，供大家参考。该书主要介绍Φ型垂直在风力机，叶片数2或3个，但工作原理与直叶片的H型风力机相同。 大型的Φ型垂直轴风力机通常采用双叶片或三叶片结构，图1是一个3叶片的Φ型垂直轴风力机风轮立体构造图。图中R是风轮的半径，H是风轮高度的一半，c是叶片截面的弦长。 |
图1 三叶片Φ型垂直轴风力机风轮 |
大型的Φ型垂直轴风力机叶片较多使用对称翼型，2个叶片，因叶片较长，为加大强度一般采用较厚的NACA0015与NACA0018翼型。大部分的叶片较窄，有些叶片的弦长只有风轮周长的1/100。 两个或三个叶片弯曲结合成Φ型，弯曲的形状多为抛物线型与悬链线型。 垂直轴风力机的实度定义为NcL/S，其中N为叶片数，c为叶片翼型的弦长，L为叶片长度，D为风轮直径，S为风轮的迎风面积。对于Φ型叶片风轮，当高度与直径之比为1.5时，S=DD；对于H型叶片风轮，S=LD，实度为Nc/2R,在参考书中也采用Nc/R作为H型垂直轴风力机的实度。 图2是气流通过风轮的流线图，上图是气流通过实度小的风轮时流线图；下图是气流通过实度大的风轮时流线图。可看出当风轮实度大时气流如遇到一个旋转的圆柱，绕开而行，通过风轮的气流少了、速度慢了，风轮得到的风功率小了。（注：本图不是气流的瞬时图，是一段时间的平均值图；两图的风轮没有显示实度的不同，仅是风轮的示意图）。 |
图2 气流通过实度不同的风轮的流线图 |
叶片多时叶片的尾流（包含湍流）会影响后面叶片的运行；叶片过宽时叶片不能以正常气动状态运行，所以大型Φ型垂直轴风力机风轮实度一般在0.2至0.1。 图3是不同实度的风轮在不同叶尖速比时的功率系数曲线图，显示了实度从0.1到0.4时的功率系数随尖速比的变化。实度大的适应风速变化范围窄，实度小的适应风速变化范围大。 |
图3 不同实度的风轮在不同叶尖速比时的功率系数曲线 |
目前国内生产的小型H型垂直轴风力机的实度普遍要大一些，不少的风力机实度大于0.4，实际运行效果如何目前都没有具体数据。 |
