發布日期：2022-04-26 點擊率：585
1薄板葉片的玩具風車
水平軸風力機的風輪旋轉軸是水平方向的，和地面與風向基本平行。
圖1是一個玩具風車，在風車桿上固定有軸座，軸座前方有輪轂，兩者通過風車軸相連，輪轂可繞風車軸自由旋轉。風車有6個葉片，葉片固定在輪轂上，葉片與風車軸垂直，葉片之間的夾角是60度，6個葉片與輪轂組成風輪，每個葉片相對于風輪平面有25度（或相近角度）的傾斜角度。當風車軸與來風平行時，風輪就會旋轉起來。
圖1--玩具風車
下面講一下小風車旋轉的原理，圖2是風車的薄板葉片在不同轉速下的受力示意圖，圖中薄板是葉片在風輪某圓周上的截面，圖中風輪轉軸相對畫面是垂直方向，所以葉片的運動方向相對畫面是水平方向，來風的方向相對畫面是向上，風速為v。
圖2左圖是風車還未轉動時的氣流狀態，此時氣流從薄板葉片兩邊繞過，并在葉片后方形成渦流，葉片前方（相對畫面是下方）與后方會有較大的壓差，由于葉片并非垂直于風向，氣流在葉片上產生的壓差合力F與風輪轉軸間有一個角度，該角度使F在葉片運動方向產生分力Ft，Ft與此處風輪圓周相切，推動葉片向左方轉動，于是風車開始轉動，Ft也稱為切向力。
圖2中圖是風車以中等速度轉動時的氣流狀態，此時的風速仍為v，由于風車已經轉動，薄板葉片該截面處的線速度為u，方向向左，于是葉片受到的來風除了v外還有來自左方的氣流u，v與u的合成風速為w，見下方矢量合成圖，相對風速w是薄板葉片受到的真正來風方向。圖的上方表示葉片此時的氣流狀態，由于來風w的方向與葉片還有較大夾角，見下方矢量圖中的w與上方葉片的夾角，氣流流經葉片時在葉片后方產生有渦流，葉片工作在失速狀態，雖有一定的升力但阻力也較大，其合成力為F，F在葉片運動方向產生分力Ft，Ft推動葉片向左方運動。
圖2--風車薄板葉片在不同轉速下的受力示意圖
圖2右圖是風車高速度轉動時的氣流狀態，此時的風速仍為v，由于速度u高，合成氣流w與葉片之間的夾角（攻角）很小，見下方矢量圖中的w與上方葉片的夾角。此時葉片得到較大的升力，阻力很小，其合力F的分力Ft較大，推動葉片高速旋轉。
2采用薄板葉片的荷蘭風車
像小風車這樣采用薄板葉片的風力機很早就得到應用，典型的是荷蘭風車，早在13世紀荷蘭人就廣泛使用風力機進行抽水、輾磨谷物、加工大麥等工作。十八世紀末，荷蘭全國的風車約有一萬二千座，高高聳立的抽水風車，使荷蘭從大海中取得近乎國土三分之一的土地，這是古代風力機應用創造的偉大奇跡，當然這也得益于荷蘭一年四季盛吹西風，才有如此動力。后來蒸汽機、內燃機和電動機的發明與應用逐漸淘汰了大部分風車，目前荷蘭還有兩千余架各式各樣的風車，由于利用的是自然風力，沒有污染，其中許多仍在發揮作用。圖3是網絡上荷蘭風車的照片。
圖3--荷蘭風車
玩具風車的葉片是薄板，荷蘭風車的葉片是繃緊的帆布（圖3中風車葉片骨架上還未繃帆布），這些葉片都是平面的。該風車的轉軸與地面基本平行，所以也是水平軸風力機。
據說在中國漢代就有水平軸風力機，在明代有文字描寫“用風帆六幅車水灌田者”，這種風車稱為臥軸風車或斜桿式風車，40年代拍攝的電影“一江春水向東流”有這種風車的場景，直到上世紀90年代在連云港某鹽場還有10多臺臥軸風車提取鹽水。圖4是2臺臥軸風車。
圖4--國內早期的臥軸風車
3翼型葉片
薄板葉片失速角小，容易進入失速狀態，現代實際應用的葉片是流線型的，葉片截面如同機翼截面，稱為翼型。翼型有一定厚度，強度大、升力大、阻力小。有關翼型的介紹見葉片的空氣動力學基礎課件。
圖5是翼型葉片在不同轉速下的受力示意圖，圖中翼型是葉片在風輪某圓周上的截面，圖中風輪轉軸相對畫面是垂直方向，所以葉片的運動方向相對畫面是水平方向，來風的方向相對畫面是向上，風速為v。
圖中有3個工作狀態，左圖是風輪靜止時的狀態，中圖是風輪轉速較低時的狀態，右圖是風輪以額定轉速旋轉時的狀態。三個狀態的氣流與受力分析狀況與圖2薄板葉片基本相同，這里就不再重復介紹了。
圖5--翼型葉片在不同轉速下的受力示意圖
看一個風力機的工作效率不是單看葉片受到的切向力Ft大小，在圖4中右圖的Ft約為中圖Ft的2倍，是不是輸出功率大2倍呢，我們還要看他們的轉速，右圖的切向速度u約為中圖u的2.5倍，也就是轉速大了2.5倍，所以說右圖葉片做功是中圖葉片的5倍（2×2.5=5）。這只是個大約數，因為風輪不同處的截面與角度不同，所受來風也不同。
這種風力機是靠葉片受到的升力推動風輪旋轉做攻的，也稱為升力型風力機。
4水平軸風力機的組成與形式
現代的風力機大多數是水平軸風力機，水平軸風力機主要由葉片與輪轂、機艙與塔架構成。常見的風力機有三個葉片，葉片安裝在輪轂上構成風輪，風吹風輪旋轉帶動機艙內的發電機發電，塔架是整個風力機的支撐，見圖6。
圖6--水平軸風力機組成圖
5風力機的葉片數目
風輪除了三葉片的還有雙葉片的，甚至單葉片的，見圖7。
圖7--雙葉片風輪與三葉片風輪
圖8--多葉片風輪
也有4葉、5葉、6葉的，在許多農用風力機中采用多葉片結構的風輪，見圖8。
6風力機的對風形式
風輪要正面對著來風方向才能最好的接受風能，面對風向，風輪在塔架前方的稱為迎風式風力機，風輪在塔架背風方向的稱為順風式風力機，見圖9。
圖9--迎風式風力機與順風式風力機
使風力機自動朝向風向稱為對風（偏航）功能。小型風力機普遍采用尾舵對風，風把尾舵吹向風力機后方使風輪面向風，圖8中的迎風式風力機就是帶尾舵的風力機。順風式風力機勿需任何裝置即可自動對風，稱之為自由偏航。大中型風力機采用專門的偏航裝置對風，在后面的章節有相關介紹。
7機艙內的主要設備
在風力機的機艙底盤上安裝有主軸承、齒輪箱、發電機、偏航裝置、風向風速測量、控制柜等，發電機是風力機產生電能的設備，由于發電機轉速高，風輪轉速低，風輪需通過齒輪箱增加轉速后才能使發電機以正常轉速工作；控制柜控制風力機的對風、風輪轉速等；風向標測量風向發出信號給控制柜；偏航裝置按控制柜的信號推動風力機進行對風。
圖10--機艙主要設備示意圖
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