简析几种垂直轴风力发电机翼型的调节方式

　　风力发电机多种多样，但简单归纳起来可分为两类：

　　1、水平轴风力发电机，即风轮的旋转轴与风向平行；

　　2、垂直轴风力发电机，即风轮的旋转轴垂直于地面或者气流的方向。

垂直轴风力发电机

　　本文主要描述的是垂直轴风力发电机。垂直轴风力发电机（vertical axis wind turbine VAWT）从分类来说，主要分为阻力型和升力型。

　　阻力型垂直轴风力发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力的，而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力的。由于叶片在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小，而升力反而会增大，所以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。

　　利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有利用平板和杯子做成的风轮，这是一种纯阻力装置；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。

　　达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，是水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。世界上有多种达里厄式风力发电机，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。

　　从达里厄发明升力型垂直轴风力机至今已180多年了，但一直未能广泛应用，主要是自身的一些缺点妨碍了应用。不能自起动是其重要的缺点，但主要的缺点还是对风力的变化范围与负荷的变化范围要求过窄，这也涉及它不能调速的缺点。

　　1、固定叶片升力型垂直轴风力发电机

图1升力型垂直轴风力机风轮叶片布置图

　　传统达里厄风力机采用ф形叶片，目前较多采用直叶片（H型）结构，达里厄风力机的叶片相对于风轮是固定的，也就是叶片弦线角度是不可调的。图1是风轮的叶片分布图。

　　升力型风力机是利用叶片的升力推动风轮旋转做功，对于多数普通翼型的叶片在理想状态下，在攻角为0至15度能产生升力，而在8至13度能产生大的升力且阻力较小。图2是风力机的叶片旋转到风轮向风侧（0度位置）时的气流与受力图。

图2叶片在正常与失速时升力阻力对比图

　　图2左侧图中叶片受到相对风速W的作用产生升力L与阻力D，相对风速W与叶片弦线的夹角即叶片的攻角α约为14度，相对风速W由风速V与叶片运动速度u合成，此时的叶片运动的速度约风速的4倍，即叶尖速比为4。升力L与阻力D的合力为F，该力对风轮的力矩力为M，是推动风轮旋转的力。在叶尖速比为4时，叶片运行在向风侧或背风侧均能产生推动风轮旋转的力矩，仅在两侧（90度与180度）附近升力很小，会有不大的负向力矩。

　　在图2右侧图中风速增加了一倍，叶片运动的速度未变，叶尖速比约为2，叶片的攻角α约为27度，叶片工作在失速状态，此时叶片产生的升力L下降了，阻力D大大上升了，相对风轮产生的力矩力M为负向，是阻止风轮旋转的，在这种风速与转速下叶片产生负向力矩的可能性是很大的。

　　其实叶片在叶尖速比为4（α为14度）时已在失速的边沿，低于4时升力L已不再增加，阻力D已明显上升，风叶产生的力矩力M有可能为0或负向。好在叶片运行在0度至90度中间一段区域叶片攻角较小能产生正向力矩、在90度至180度、180度至270度、270度至360度的中间也有这样一段区域。但在在叶尖速比小于3.5（α大于16度）时这样的区域就越来越小了。

　　图3中是升力型垂直轴风力机的功率系数Cp与叶尖速比tsr的关系曲线，可见叶尖速比在4至6之间才有较高的功率系数，而且气流是在理想的状态下。

图3固定叶片垂直轴风力机功率系数与叶尖速比关系曲线图

　　然而风力大小不可能稳定，风力机负荷也不会不变，当风速快速增加，风力机转速不能立即同步跟上，叶尖速比可能降至3.5以下，风力机可能遭受反向力矩的冲击而运行不稳；这种情况在风力机负荷增加转速下降导至叶尖速比下降时同样会出现；在风速下降时风力机因负荷转速会下降更快，也可能出现这种情况。要求风力或负荷的变化范围较窄就是固定叶片升力型垂直轴风力机的主要问题，不能自起动也是固定叶片升力型垂直轴风力机的重要缺点，这些都给应用带来许多限制。

　　2、升力型垂直轴风力发电机翼型调节的方式

　　在水平轴风力机中采用变浆距角的方法来适应风速的变化、调节风速与负荷间的关系，在垂直轴风力机中通过改变翼型也可改善运行性能。下面浅析几种控制翼型的方法及优缺点：

　　1）按程序指定的角度来改变叶片的角度

　　用微处理机来控制叶片的角度是最好的方法，不过本文不讨论用微处理机控制的方式只讨论用最简单的机械方法控制叶片的角度。

　　采用凸轮推杆或偏心轮调整叶片攻角，在叶片长度方向有叶片转轴，叶片通过叶片转轴安装在风轮的叶片支架上，有连杆拉动叶片转动，连杆受凸轮或偏心轮的控制，还装有对风装置使凸轮受风向控制，凸轮是按设定的控制规律来设计，使叶片运转到不同的位置转向预定的角度。

　　这种风力机能自起动，能在较宽的风速范围内工作。

　　缺点是：由于叶片在各个位置上的转角相对于风向是固定的，与风速无关，故仅对设计的风速有高的转换效率，在其它风速时，叶片攻角并不一定最佳，在正常工作时叶片应基本不摆动，故这种固定的摆动规律是无法在较宽的风速的得到大的转换效率。

　　结构上的缺点：结构复杂、机械磨损大，不适合恶劣环境运行，噪声也大。

　　2）利用风力与挡块控制叶片的角度

　　靠风力直接推动叶片摆动，用挡杆限制摆动角度。在叶片长度方向有叶片转轴，叶片转轴位置在叶片的压力中心前侧（标准的常用翼型正常运行时压力中心在离叶片前缘1/4叶片弦长位置），叶片通过叶片转轴安装在风轮的叶片支架上，叶片可绕轴转动。叶片转轴设在离叶片前缘1/4叶片弦长前的位置，可保证叶片在任何角度风对叶片的作用力合力的作用点在转轴的后方，能使叶片随风摆动。在支架上还有挡杆限制叶片摆动的角度，图4是其结构示意图。

图4利用风力与挡块控制叶片的摆动角度

　　图5是叶片受风力作用下叶片摆动的示意图，叶片随风摆动可使风力机在较低的风速下也能较好的工作，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，图中叶尖速比约为2，左方是叶片旋转至风轮向风侧时受力状况，右方是叶片旋转至风轮背风侧时受力状况。

图5叶片受风力作用摆动示意图

　　这种方式优点是风力机能够自起动，而且在低风速到较高的风速下都能工作。

　　缺点是叶片运行至90度或270度附近的区域时，叶片摆至两侧挡杆间的位置，处于顺风位置，没有升力仅有阻力。而且随叶尖速比的增加，叶片处于顺风的区域加大；如果叶片可摆动的范围是±15度，叶片的最高叶尖速比就不会超过4，因为叶尖速比超过4时，叶片在风轮旋转整周都处于顺风位置，没有升力仅有阻力，即使没有负荷，转速也不会增加。所以叶片可摆动的范围若超过±15度时风力机风能利用效率会明显降低，若叶片可摆动的范围小于±15度时风力机自起动能力会很差。

　　从结构上看优点是：结构简单，运动副最少，加工安装维护容易。缺点是频繁撞击挡块易造成构件损伤、噪声也大。

　　3）利用风力与离心挡块控制叶片的角度方案一

　　在转速增高时减小叶片的摆动角度，可适应较宽的风速范围，运行到较高的叶尖速比，下面是一种控制偏摆角度的方式：

　　叶片的转轴与安装与2小节相同。在叶片上固定有摆杆，离心滑动挡块可沿支架轴线滑动，并通过弹簧与支架连接，图6左图为其结构示意图。叶片摆动时摆杆在离心滑动挡块的V型口内摆动，V型口的边沿将限制叶片的摆动角度。

　　当风轮旋转时，离心滑动挡块受离心力作用向风轮外侧移动，移动量随转速增高加大。在风轮转速低时档杆在V型口上端，叶片有较大的摆动幅度，见图6中部图；在风轮转速升高时档杆在V型口底部，叶片可摆动幅度较小，见图6右部图。

图6利用V形离心滑动挡块控制叶片的摆动角度

　　这种控摆方式的优点是：风力机可自起动，在未达到额定转速时，如叶尖速比在2时也会有功率输出，在达到额定转速时，叶片不摆动，可运行到较高的叶尖速比。

　　缺点是：叶片仍然是在一个限位区间内摆动，该区间随转速增加而减小，也就是说当转速不变时叶片可摆动的角度是不变的，叶片运行至90度或270度附近的一段区域时，叶片在限位区间内顺风摆动，没有升力仅有阻力。

　　从结构上看是复杂了，滑动件对机械加工要求高，密封润滑较麻烦，而且在低于额定转速时仍有限位时的撞击，对结构强度有影响，也会有噪声。

　　4）利用风力与离心挡块控制叶片的角度方案二

图7利用离心滑动挡块控制叶片的摆动角度

　　图7是另一种利用离心滑块控制偏摆角度的方式，在风轮支架上有带挡轮的离心滑块，滑块在靠叶片端自由滑动。风轮旋转时滑块受离心力作用靠紧叶片，风则推动叶片摆动，摆动的叶片又把滑块推向支架内侧，叶片将摆至风力与离心力平衡的位置。风轮旋转时滑块的挡轮始终靠紧叶片，滑块对叶片的作用是连续的，叶片的摆动也是连续的，消除了顺风摆动的区间。

　　图7中左图是风轮不转动时，叶片与挡块都处于任意位置；图7中图是风轮还未进入额定转速，叶片在上风位置，有较大摆角；图7右图是叶片在两侧位置，或进入额定转速的状态，摆角很小。

　　这种控摆方式比上种方式的优点是：连续的控摆，没有顺风摆动区间，有利于进一步提高风力机的运行效率。

　　结构上的优点是没有了冲击，减小了噪声。但滑块的移动非常频繁，仍存在滑动件对机械加工要求高，密封润滑较麻烦等问题，同时小挡轮的防尘也较麻烦。

　　3、利用风力与离心力直接控制叶片的角度

　　不用滑动挡块，利用离心力与风力直接控制叶片摆动的角度，一种新设计的结构使运动副减为最少，其结构如下：

图8利用风力与离心摆控制叶片的摆动角度

　　叶片的转轴与安装与2小节相同。在叶片朝向风轮外侧一面固定一根摆杆，摆杆指向风轮外侧，其轴线通过叶片转轴与风轮转轴，摆杆外端部有一个离心锤，离心锤与叶片一起绕叶片转轴转动，图8是结构与摆动示意图。

图9叶片受离心摆力与风力作用示意图

　　在图9的两图中将分析风轮在风力作用下旋转时叶片受控偏摆时的受力情况，图中仅显示叶片、离心锤与主要力矢。箭头W代表风力的方向，叶片正以线速度ｕ正常运行，叶片受到以升力为主的空气动力F2，力作用点为叶片的压力中心；由于风轮旋转，离心锤受到离心力F1作用，F1与F2相对于叶片转轴的矩转向相反，在两力矩作用下叶片摆向两力矩平衡的位置，该位置就是叶片随风轮旋转至该点的被控偏摆角度。左图是风叶旋转至风轮向风侧时，风叶向风轮内侧偏摆的受力状态，右图是风叶旋转至风轮背风侧时，风叶向风轮外侧偏摆的受力情况，转速越高离心力越大，风叶偏摆角度越小，在较高风速时可达较高的叶尖速比。

　　改变离心锤的质量大小或改变离心锤在离心摆杆上的位置均可调整离心力的大小，使叶片运行在较合适的状态。

　　在风轮支架上仍安装有限位挡杆，设置挡杆仅仅是限止风力机起动时的叶片摆动角度，风轮起动后随转速的提高，离心力加大使叶片偏摆角度减小，叶片不会撞击挡杆，风速达到额定风速后，风轮工作在升力状态，叶片仅有小角度偏摆。

　　采用这种控摆方式的风力机可自起动，叶尖速比在1以下运行在阻力状态，叶尖速比从1以上进入到升力阻力混合状态，叶尖速比在1.5以上即进入升力工作状态，叶片的摆动是连续的，没有顺风摆动区间，有利于风能利用效率的提高。

　　从结构上讲，机构简单，运动副只有叶片与风轮支架间通过轴承联接，运转可靠，加工与安装容易，润滑与密封容易，价格低廉，基本不需要维护。风力机运转后靠风力与离心力的平衡控制叶片摆动角度，不会撞击挡杆，也不会有噪声。

　　但该方案要求叶片有很小的转动惯量，对材料选择与结构设计要求高。

　　总结

　　上述几种简单的翼型控制方法，对升力型垂直轴风力发电机的性能有所改善，较低风速可启动，叶尖速比超过1就有功率输出。利用风力与离心挡块控制叶片的角度方案二与利用风力与离心力直接控制叶片的角度两种方案较适用，前者问题是制作较复杂，维护量大，后者问题是轻质叶片的成本高。

　　但是这些方法都不能解决高风速时限制风力机转速上升的问题，对于大中型风力发电机来说还是要能通过改变翼型来控制风轮转速才是升力型垂直轴风力机的最终出路。