傳統(tǒng)達里厄風(fēng)力機采用ф形葉片,目前較多采用直葉片(H型)結(jié)構(gòu),達里厄風(fēng)力機的葉片相對于風(fēng)輪是固定的,也就是葉片弦線角度是不可調(diào)的。
升力型風(fēng)力機是利用葉片的升力推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)做功,對于多數(shù)普通翼型的葉片在理想狀態(tài)下,在攻角為0至15度均能產(chǎn)生升力,而在8至14度能產(chǎn)生大的升力且阻力較小。下圖是風(fēng)力機的葉片旋轉(zhuǎn)到風(fēng)輪向風(fēng)側(cè)(0度位置)時的氣流與受力圖。
圖2左側(cè)圖中葉片受到相對風(fēng)速W的作用產(chǎn)生升力L與阻力D,相對風(fēng)速W與葉片弦線的夾角即葉片的攻角α約為14度,相對風(fēng)速W由風(fēng)速V與葉片運動速度u合成,此時的葉片運動的速度約風(fēng)速的4倍,即葉尖速比為4。升力L與阻力D的合力為F,該力對風(fēng)輪的力矩力為M,是推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力。在葉尖速比為4時,葉片運行在向風(fēng)側(cè)或背風(fēng)側(cè)均能產(chǎn)生推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力矩,僅在兩側(cè)(90度與180度)附近升力很小,會有不大的負向力矩。
在圖2右側(cè)圖中風(fēng)速增加了一倍,葉片運動的速度未變,葉尖速比約為2,葉片的攻角α約為27度,葉片工作在失速狀態(tài),此時葉片產(chǎn)生的升力L下降了,阻力D大大上升了,相對風(fēng)輪產(chǎn)生的力矩力M為負向,是阻止風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的,而且在這種風(fēng)速與轉(zhuǎn)速下葉片運行在大多數(shù)位置均產(chǎn)生負向力矩。
其實葉片在葉尖速比為4(α為14度)時已靠近失速的邊沿,低于4時升力L已不再增加,阻力D已明顯上升,風(fēng)葉產(chǎn)生的力矩力M有可能為0或負向。好在葉片運行在0度至90度中間一段區(qū)域葉片攻角較小能產(chǎn)生正向力矩、在90度至180度、180度至270度、270度至360度的中間也有這樣一段區(qū)域。但在在葉尖速比小于3.5(α大于16度)時這樣的區(qū)域就越來越小了。
圖3中是升力型垂直軸風(fēng)力機的功率系數(shù)Cp與葉尖速比tsr的關(guān)系曲線,可見葉尖速比在4至6之間才有較大的輸出,而且是氣流在理想的狀態(tài)下。
然而風(fēng)力大小不可能穩(wěn)定,風(fēng)力機負荷也不會不變,當(dāng)風(fēng)速快速增加,風(fēng)力機轉(zhuǎn)速不能立即同步跟上,葉尖速比可能降至3.5以下,風(fēng)力機可能遭受反向力矩的沖擊而運行不穩(wěn);這種情況在風(fēng)力機負荷增加轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)至葉尖速比下降時同樣會出現(xiàn);在風(fēng)速下降時風(fēng)力機因負荷轉(zhuǎn)速會下降更快,也可能出現(xiàn)這種情況。要求風(fēng)力或負荷的變化范圍窄就是固定葉片升力型垂直軸風(fēng)力機的主要問題,不能自起動也是固定葉片升力型垂直軸風(fēng)力機的重要缺點,這些都給應(yīng)用帶來許多限制。