浅析垂直轴风力机叶片的翼型与展弦比

升力型垂直轴风力机是依靠升力工作的，故叶片设计多参考飞机机翼的形式。设计叶片首先遇到的是选择翼型、决定展弦比，本站就这两个问题谈谈看法。

   采用对称翼型还是有弯度翼型

   对称翼型

由于在垂直轴风力机的风轮旋转一周中每个叶片都要在上风面与下风面各做功一次，在上风面与下风面叶片的攻角是正负变化的，叶片两面各有一次受风机会，见图1，所以垂直轴风力机多采用对称翼型，保证叶片在正攻角与负攻角时升力系数相同、阻力系数相同。H型垂直轴风力机常用的对称翼型是NACA0012与NACA0015。

图1 采用对称翼型的垂直轴风力机示意图

也有些垂直轴风力机产品采用弯度较大的翼型，既有向外弯的也有向内弯的，下面简析一下其理由。

   向外弯的翼型

首先看看向外弯的翼型，见图2，因为风通过垂直轴风力机上风面做功后风速会降低，由于叶片受力与风速二次方成正比，到下风面对叶片作用力要小不少，风轮的上风面是主要做功面，下风面是次要做功面。为尽量发挥叶片在上风面的做功能力，就采用有弯度翼型，而且弦线与切线方向有夹角θ。

图2 采用向外弯曲翼型的垂直轴风力机示意图

这样在相同的风速下能增大叶片在上风面的转矩，不过叶片在下风面转矩会减小，需要综合利弊来选择翼型与角度，该方案可使风轮在小的叶尖速比进入升力状态，但会限制进入大的尖速比，只能运行在低叶尖速比状态。另外阻力会略有增加，故翼型与夹角的选择很重要，选择得好在一定的风速范围可得到较大的风能利用率。在设计时要根据所选择的工作状态与利弊综合考虑。采用这样的翼型可使用比对称翼型宽一些的翼型，而且实度比也可高些。

   向内弯的翼型

也有风力机采用向内弯的翼型，见图3，

图3 采用向内弯曲翼型的垂直轴风力机示意图

对称翼型的气动特性是针对直线运动的平行气流而言的，由于翼型是绕轴做圆周运动，流经翼型的气流不是直线而是弧线的，此时翼型的状态犹如在直线气流中的有弯度翼型。尤其是较宽翼型的升力与阻力特性发生变化，会影响叶片的转矩与效率，故把翼型做成向内弯，这样在做圆周运动时接近对称翼型的效果。采用这样的翼型可使用比对称翼型宽一些的翼型，而且实度比也可高些。

以上是本站的看法，希望大家有更好的解释发往本站。

   叶片展弦比的影响

展弦比是叶片的长度与叶片的弦长之比，展弦比对叶片的气动力学特性有什么影响，在下面作简单介绍。

图4是一个叶片的前视图，当叶片以一定的速度运行时，在叶片下方空气压强较高、在叶片上方空气压强较低，叶片产生向上的升力。由于叶片上下面气压之差，在叶片两端的下方气体会向上方绕动，产生翼尖涡。翼尖涡会扰乱叶片两端气流的正常流动，减小叶片的升力，叶片的升力系数越大则涡的影响越大，并且翼尖涡会在叶端后方形成一串的涡流，产生涡诱导阻力，造成叶片阻力增加。

图4 翼尖涡示意图

如果叶片足够长，翼尖涡造成的升力损失与阻力增加与叶片的升力与阻力相比可忽略不计；如果叶片较短，翼尖涡造成的升力与阻力损失比较明显，这就是选择大展弦比的优点。

但事物经常是两面的，当叶片长度有限时，要想增大展弦比就要减小叶片宽度，其结果是减小了叶片面积，总升力减少，而且叶片弦长减少导致叶片雷诺数减小，雷诺数减小使叶片的失速角减小、最大升力系数减小、阻力增加。

对于较小的风力机，叶片长度本来有限，也要尽量保证叶片的宽度，为了避免展弦比小造成的弊端，有些风力机采用航空技术中的一些措施，在叶片顶端加装端板是较简单的办法，可大大减小绕流的影响，图5是加装有端板的叶片示意图（上图是立体图、下图是前视图），当然端板的设计既要减小绕流也不能明显增加阻力。

图5 安装翼尖端板示意图

   我们的看法

以上从空气动力学上对叶片的的翼型与展弦比进行了粗浅的介绍，对如何选择叶片的的翼型与展弦比我们提供一些看法供大家参考：

由于特殊翼型设计与实验较麻烦，普通垂直轴风力机宜选用对称翼型。

可调攻角的垂直轴风力机采用对称翼型。

小型风力机选用较薄的翼型，大型风力机可选用稍厚的翼型。

高风速运行宜选较薄的翼型，低风速运行可选稍厚的翼型。

固定叶片垂直轴风力机要使叶片弦长与叶轮半径之比小一些，一般来说风轮所有叶片弦长总和不超过风轮直径的20%，在下面提到的宽与窄都以15%作参考值。

对称翼型宜选较窄的叶片，会使叶片运行在较好的状态，在国外运行的大中型垂直轴风力机，其叶片弦长总和不超过风轮直径的10%，见垂直轴风力机的实度。

大型垂直轴风力机叶片可选用选较大的的展弦比，叶片相对窄一些；小型垂直轴风力机可用稍宽一点的叶片。

高风速运行宜选窄一些的叶片，低风速运行可选略寛一些的叶片，通过增加输出力矩来增加输出功率。

可调攻角的垂直轴风力机可用较宽的叶片，所有叶片弦长总和可达风轮直径的20%或更多，并在较宽风速范围有较大输出力矩与功率。

微型风力机由于过窄的叶片雷诺数太小，会影响叶片的工作性能，所以叶片宽度应该大于0.1m。微型风力机的叶片若采用可调攻角方式运行能改善叶片的工作性能，在较宽风速范围较好的运行。

微型与小型风力机在高风速时转速很高，离心力是叶片受到的主要作用力，叶片与支架必须有足够的强度，不可因为小而忽视结构强度。

除此之外叶片的设计还要考虑风力机结构上的要求，由于垂直轴风力机叶片旋转时在不同的位置对主轴的作用力大小与方向是不同的，相差很大，极易产生晃动，故风轮主轴与塔架要有足够的强度，特别是抗疲劳的强度，同时要使风力机塔架与风轮的固有频率远距叶片的交变作用频率。

主轴与塔架的晃动不仅对机械结构有破坏作用，其晃动直接带动叶片晃动，会严重破坏叶片的气动性能，使风力机工作不正常，性能下降，所以必须尽量减小主轴与塔架的晃动，不但Φ型风轮要在主轴顶部加拉索或其它方法固定，H风轮宜用低结构（叶片长度不宜超过风轮直径），特别是大中型风力机中，也可加拉索固定。

当然最后的结构尺寸还是要看实际运行结果。