达里厄风力机

阻力型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至0.9左右才能获得较高的功率输出，也就是说叶片速度较低，风轮外沿线速度仅为风速的一半多，若风轮直径较大时，转速会很低。阻力型风力机的受风面积中只有一半被利用，另一半往往还做负功，所以阻力型的垂直轴风力机功率系数较低，一般不超过15%，S型阻力风力机虽可达25%，但其巨大的风叶生产制造、运输、安装都很困难，使其无法在大型风力机中使用，这就限制了阻力型风力机的广泛应用。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，其运行叶尖速比通常在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），达里厄风力机的原始机型是φ形结构，在国外已运行的大中型达里厄风力机是φ形结构，中小型采用H形结构。在国内目前一些小微型升力阻力结合风力机采用φ形结构，大一些的达里厄风力机多采用H形结构，下面就H形结构达里厄风力机的原理进行介绍。

图1是H形达里厄风力机风轮结构图，风轮由两片与转轴平行的叶片阻成，叶片截面为流线型的对称翼型，以相反方向安装在风力机转轴两侧，风轮绕风力机转轴旋转。为较清晰表示其结构，图中将叶片弦长较实际比例进行夸大。

叶片随风轮旋转到不同角度是否都有推动风轮旋转的转矩呢，图3是叶片随风轮旋转到不同角度的受力图，通过该图来看H形达里厄风力机的工作原理，在图中列举了从0度到315度八个位置的叶片，图中角度不是叶片与来风的夹角，角度是按风轮反时针旋转方向，图上部叶片与来风方向平行的位置为0度。来风从左边进入，浅蓝色的矢量v是外来风速、绿色的矢量u是叶片圆周运动的线速度（反向）、深蓝色的矢量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，由于正常工作时的阻力很小，在图中很难标出，故不显示阻力。

我们分析一下叶片在这八个角度的受力情况，除了在0度与180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，在90度与270度能提供最大的的转矩，这些转矩，都朝着同一旋转方向，这就是达里厄风力机能在风力下旋转的道理，所以说达里厄风力机属升力型垂直轴风力机。

图7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，此时叶片的运动速度约为风速的4倍，即叶尖速比为4。升力L与阻力D的合力为F，该力M形成对风轮的转矩，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转矩，仅在两侧（0度与180度）附近升力很小，会有不大的负向转矩。

图7中间图是风速增加了，风轮转速没有增加，即叶片运动的速度未变，此时叶片的运动速度约为速风的3倍，即叶尖速比为3，叶片的攻角α约为18.3度。此时风速增加了，但升力不但没有增加还会降低，因为叶片已进入失速状态，进入失速状态的叶片受到的阻力大大增加，升力L与阻力D的合力为F，该力形成风轮转矩的力为M，此时的M已很小了。只有叶片在离开90度或270度一定距离的范围时转矩的减小才没那么明显。

图7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，风速的增加使升力L略增加，但阻力D却大幅度上升，合力F相对风轮产生的转矩变为负向，是阻止风轮旋转的。在叶尖速比为2时叶片运行在大多数位置均产生负向转矩。

对于大多数普通翼型当叶尖速比小于3.5时叶片在0度与180度附近基本上不产生推动风轮旋转的力。在叶尖速比小于2时即使在某个角度能产生一点正向转矩也被其他角度产生的负向转矩给抵消了。

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以上才可能正常带动负荷运转，在尖速比为4-6可获较高的功率系数。图8是达里厄风力机的一个重要的动力特性曲线，即功率系数与叶尖速比的关系曲线。   

图10--H型叶片的达里厄风力机

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；达里厄风力机将发电机安装在地面时可减轻头重脚轻的状况，对塔架要求较低，适合用拉索固定，检修较方便；达里厄风力机的风能利用系数高于30%，远高于阻力型风力机，叶片面积也比阻力型风力机小得多，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把发电机作电动机运转带动风力机旋转，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，在气流不平稳与湍流较大时都难以高效率运行，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。