离心力调节叶片攻角垂直轴风力机

如何对升力型垂直轴风力机叶片攻角进行简单而有效的控制，是大家在努力解决的课题，在叶片角度可变的垂直轴风力机一节中，已介绍了一种离心滑块控制叶片摆动角度的风力机，这里再介绍一种采用离心力与风力直接控制叶片偏摆的垂直轴风力机，是本站推出的叶片攻角控制技术。

风力机叶片采用直叶片，也就是所谓H型风轮。在叶片上有叶片转轴，叶片转轴位置在叶片的气动中心附近，设在气动中心前侧是基本方案（对称翼型的气动中心与压力中心均在离叶片前缘1/4叶片弦长位置），叶片转轴在叶片中弧线上（对称翼型中弧线与弦线重合），见图1。

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，在风轮支架上有两个档杆，用来限制叶片摆动角度，见图2。

压力中心是风对叶片作用力的合力作用点，对称翼型在不失速状态下运行时，压力中心在离叶片前缘1/4叶片弦长位置；运行在不失速状态下的非对称翼型，在较大攻角时压力中心也在离叶片前缘1/4叶片弦长位置，在小攻角时压力中心会沿叶片弦长向后移。无论对称翼型或非对称翼型，在失速时风对叶片作用力的合力作用点也均在1/4叶片弦长之后，所以叶片在任何风向下均能随风摆动。

叶片的重心必须在叶片转轴上,由于叶片转轴在叶片弦线前部不到1/4的地方，较难做到前后平衡。可在叶片的前方固定平衡杆，平衡杆的轴线在叶片弦线的延长线上，在平衡杆上有位置可调节的平衡锤，通过调节平衡锤的位置使叶片的重心在叶片转轴上，见图3。

把叶片的原始机械位置称为无偏摆位置，其定义是：在无风时风轮在外力作用下正向旋转时，风轮受空气阻力最小时的叶片位置为叶片无偏摆位置。

在叶片处在无偏摆位置时，在叶片朝向风轮外侧一面固定有离心摆杆，离心摆杆指向风轮外侧，其轴线通过叶片转轴与风轮转轴，离心摆杆上有位置可调节的离心锤。图4左图是该叶片控制摆动机构的顶视图，图4右图是透视图。

叶片、平衡杆、平衡锤、离心摆杆、离心锤是固定联接在一起的机械构件，称之为控摆构件，把控摆构件安装在风轮支架上组成风轮，图5是有三个叶片的风轮。

在图6与图7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6是风叶旋转至风轮向风侧位置，图7是风叶旋转至风轮背风侧位置，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。下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；

叶片同时受到风力与离心力的作用，叶片的摆动角度是风力与离心力动态平衡的位置，是实时变化的，我们把这种控制方式简称为离心控摆方式。

图7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，限止范围在正负25度左右。在无风时风轮静止，叶片停在挡杆限止范围内的随机位置；起风时有的叶片被风推向挡杆限止位置，有的叶片可能在顺风位置，受风阻力不同，风轮会因阻力差旋转，风轮旋转的力矩由阻力产生，叶片对挡杆有撞击；随风轮转速的提高，离心力加大使叶片偏摆角度减小，叶片对挡杆的撞击结束，使风轮旋转的力矩由阻力转向升力产生，风速达到工作风速后，风轮工作在升力状态，叶片仅有很小角度偏摆。

在正常使用时，平衡杆、平衡锤、离心摆杆、离心锤的位置调好后，一般不再更改，对于批量生产的定型产品可把平衡锤与离心锤合而为一，使结构更简单，两锤合一在力学上计算是非常简单的。图8便是只有单一摆杆与重锤的控摆构件，重锤是平衡锤与离心锤的合成体。

图9是装有单一摆杆离心锤的叶片构成的风轮。

图10是离心力直接调节叶片攻角的垂直轴风力机

从机械性能上讲，采用离心力与风力直接调节叶片攻角的垂直轴风力机运动副最少、制造安装与维护简单、结构稳固，能自起动。

重要的是离心控摆方式改善了风力机的气动性能，由于叶片的摆动角度是风力与离心力动态平衡的位置，可以实时应对风速与负荷的突变，应对脉动风；在风速突然增加或风力机负荷突然增加（风轮转速大幅下降）时，叶片都会实时调整角度避免失速保持正常工作。

对于垂直轴风力机独有的问题，即向风面叶片的尾流引起的湍流会对下风面的叶片的运行有较大影响，对于一些风轮实度较大的固定叶片垂直轴风力机尤其严重，采用离心控摆方式的叶片可实时跟随湍流的变化，有较好的运行特性。

合适的控摆机构设计还可使风力机有一定的变桨速调速性能，能在较寛风速与较宽的负荷变化范围工作并有较高的风能利用率。