叶片可摆动的垂直轴风力机

在达里厄风力机一节中我们说过：为了使达里厄风轮不失速运行，叶尖速比至少要大于3，在风轮启动过程中，叶尖速比是从小增大的，为了使风轮在叶尖速比小于3能运行，就必须使用可调攻角的叶片，也就是说叶片角度要可以改变。

图1是可摆动叶片在不同位置的摆动示意图，表示在叶尖速比仅1.5时的叶片姿态。当叶片在向风侧（90度）时，相对风速与叶片运行方向夹角接近34度，为保证不失速运行，叶片向内摆22度，这样叶片与相对风速的攻角只有12度，不会进入失速状态。叶片在背风侧（270度）时，叶片向外摆22度，也不会进入失速状态。

摆动的叶片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。

垂直轴风力机的攻角控制比水平轴风力机麻烦多了，水平轴风力机仅在风速发生变化时才改变攻角，改变角度也不大；而垂直轴风力机叶片的攻角在风轮旋转时是不断变化的，即使风速不变在不同位置需要的摆角也是不同的，其摆角的变化是连续不间断的，风轮每旋转一周叶片按规律左右来回摆动一次。对于小型风力机风轮转速为每秒数转，叶片每秒就要左右来回摆动数次。

控制叶片摆动的理想方法是采用微处理器根据功率要求、风向与风速调节翼片的摆角，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。但叶片连续不间断的频繁运转要求叶片控转机构有很高的灵活性与可靠性，制造加工的复杂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，而且目前用于控制的数学模型还不成熟，尚无真正的应用案例。

采用机械控制机构来控制叶片角度主要有凸轮控制式与摆线控制式，凸轮控制式可得到较理想的角度变化，但控制变化规律是固定的，每个位置的摆动角度是不变的，对于不同的风速适应性较差，而且需要对风装置。摆线控制式的角度变化不是最佳的，但可以改变控制角度的大小，以适应气流速度与负载的变化，也需要对风装置。

总的说来采用机械连杆、凸轮、滑块的控制方式结构较复杂，用在风力机中显得庞大笨重，高速运转时的噪声也大，一般只用在潮流发电装置中作水轮机使用。

本节不介绍上述类型的风力机，仅介绍靠风力推动叶片摆动的风力机。

叶片采用对称翼型，为长直型，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，图2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3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,见图4。

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5是风轮两侧对称的两个叶片在风作用下的初始状态。

叶片随风摆动可使风力机在较低的尖速比时能较好的工作，以适应较宽的风速范围。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6左方是叶片旋转至风轮向风侧时受力状况，图6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，而且挡块限制的范围越大，顺风位置的范围越大。由于摆动角度的限制范围不变，最大叶尖速比受到限制，如摆动的范围是±15度，叶片的最高叶尖速比就不会超过4。

从机械角度讲，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。

一种靠离心力的V形滑动挡块可以根据风轮转速改变挡块的位置，可实现在不同转速下有不同摆动角度限制，在进入正常运行时叶片几乎不摆动,有较好的效果，但在摆动时仍有撞击现象。这是国内较早推出的叶片摆动控制方法，有兴趣者请阅专利《CN 1009569B》。

使叶片摆动角度连续可调，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，摆动不要有撞击现象。一种利用风轮旋转产生离心力推动挡轮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，图7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图8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。在图9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，以取得较大的升力矩推动风轮旋转。

在图10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，在额定风速正常运行时，摆角基本为0，可使叶片在以较大的叶尖速比运行，以取得较大的风能利用系数推动风轮旋转。

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较好的工作。但为保证叶片摆动的灵活性对滑动机械件加工要求高，滑动机械件的密封与维护都较麻烦。