垂直轴风力发电机的气动特性研究

差的缺点，将阻力型的萨窝纽斯型风轮置于Φ 形直叶片中间，利用萨窝纽斯型风轮启动力矩大的特点来弥补Φ 形直叶片启动性能差的缺点。从气动性能上分析，这种布局方式确实能极大地改善风力发电机的启动性能，但是当风力发电机高速旋转时，阻力型风轮会产生与旋转方向相反的负力矩，减小整个风轮的力矩；同时，由于阻力型风轮的存在，会对其中的流场形成阻塞效应，极大地破坏整个Φ 形直叶片内部的流场，从而使得叶片产生的升力大大减小，降低风轮的效率。因此，这种布局方式除了能改善风力发电机的启动性能外，反而会大大降低整个风轮的效率，是舍本逐末的方法。
　　H 形直叶片：这种叶片形式需要单独地支持翼与旋转主轴相连，如图6 所示，相对于Φ 形直叶片来说结构要复杂，但是这种形式带来的好处是显而易见的：叶片主要承受正压力，基本不受剪切力，受力状况大大改善。同时，由于叶片不需要考虑弯曲，实度比可以做的比较大，安装角度也很好控制，这样启动性能要比采用Φ 形直叶片的风力发电机好的多。采用H 形直叶片还有一个好处，那就是对于相同扫风面积来说，采用H形直叶片的风力发电机要比采用Φ 形直叶片的旋转主轴短40% 以上，这样能极大提高整个风轮的稳定性。
　　S 形直叶片：这种叶片形式是在H 形直叶片基础上发展而来的，将H 形直叶片在叶片展长方向进行了弯曲。这样能够改善小实度比H 形直叶片的启动性能。但是这种叶片形式会在叶片的展长方向形成径向流动，从而造成压力损失降低风力发电机效率，并且由于叶片呈S 形扭曲，对于叶片的制造，成本控制以及大型化都是非常不利的。
　　总之，仅仅从气动性能考虑，H 形直叶片具有良好的启动性能，S 形直叶片次之，Φ 形直叶片最差；H 形直叶片和Φ 形直叶片的效率较高，S 形直叶片的要稍微差一些。如果综合结构，造价等多方面因素考虑，H 形直叶片和S 形直叶片将是未来垂直轴风力发电机叶片的发展方向。
　　5. 叶片个数
　　垂直轴风力发电机的叶片个数以2~6个为主，像Φ 形直叶片基本上为2 个或者3 个，H 形直叶片以3~6 个为主，S 形直叶片以3 个为主。叶片个数少，尖速比相对来说高，但是启动力矩太小，存在很多“死点”，不符合现代风力发电机发展的要求；叶片个数太多，启动力矩相应会增大，但是会降低整个风轮的效率，也是不合适的。从启动性能和效率两方面综合考虑，对于直叶片来说，叶片个数应该在4~6 个之间比较合适；对于S形叶片来说，叶片个数应该在3~4 个比较合适。
　　6. 结论
　　本文从多方面对影响垂直轴风力发电机气动性能的因素进行了讨论。从讨论结果来看，采用H 型直叶片，4~6 个叶片的升力型风轮，将具有良好的启动性能和发电效率，是垂直轴风力发电机的主要发展方向。

参考文献
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