垂直轴自变叶片风轮的原理及应用

【摘 要】本文论述的自变叶片风轮，巧妙地利用风力，使逆风面的自变叶片阻力几可忽略不计，而顺风面却可全额做功。由于垂直轴自变叶片风轮具有制造简单、维护方便、不产生噪音等优点，有替代其他风轮的潜力。

【关键词】水平轴风轮；垂直轴风轮；自变叶片

引言

现在的风轮多种多样，但归纳起来可分为两类：水平轴风轮，风轮的旋转轴与风向平行；垂直轴风轮，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。利用阻力旋转的垂直轴风轮有几种类型，其中有利用平板和被子做成的风轮，这是一种纯阻力装置；S型风轮，具有部分升力，但主要还是阻力装置，现在是水平轴风轮的主要竞争者。其他形式的垂直轴风轮有马格努斯效应风轮等。但这些垂直风轮有一个共同的缺点，那就是逆风面的阻力较大，减低了风能的利用率。本文论述的自变叶片风轮，巧妙地利用风力，使逆风面的自变叶片阻力几可忽略不计，而顺风面却可全额做功。

1、基本结构

自变叶片风轮至少由主轴、框架、子轴和叶片构成。主轴在框架中心，框架和叶片绕主轴旋转。子轴约在叶片三分之一的位置，固定在框架上，叶片绕子轴旋转。离子轴较长的叶片部分分别位于框架的两侧。

2、工作原理

当风吹向如图所示的风轮时，右边叶片紧贴框架，推动框架绕主轴旋转；左边由于没有框架挡住（叶片长边位于框架另一侧），因叶片长边受力大于短边，故叶片会绕子轴旋转到最小迎风面积，风的阻力很小。左右两边受力不同，从而造成压力差推动风车转动。

3、实用自变叶片风轮结构

实用的自变叶片风轮可有两到三组框架，每组框架内可安放多组可变叶片。这样可以用小的叶片组装成大的风轮。

4、垂直轴自变叶片风轮的特点

4.1水平轴三叶型风轮特点

风轮的目的是利用风能发电。现有风力发电机主要是水平轴三叶型，由于该类型在风向转变时须随风摆动造成结构较为复杂，能量损耗大，噪音大，且影响寿命、成本和维修。

4.2现有垂直轴型风轮特点

垂直轴型风轮不需要随着风向摆动，电机位置固定，运作稳定，噪音小等。而现有垂直型发电机虽然不受风向影响，然而风叶有一半时间处于逆风周期。如目前萨伏纽斯风阻型风力机是利用风叶的形状的改变，在顺风周期时迎风面风叶是凹面风压较大，在逆风周期时迎风面是凸面风压较小，从而造成压力差推动风车转动;机翼型固定叶风力机是利用机翼的升力来推动风车转动，但是这两种风车的顺风周期和逆风周期迎风面面积一样，故而在低风速时功率启动扭力低。使得目前垂直轴型风力机比类似尺寸的水平轴型功率小，同功率风电机的造价垂直轴型贵很多，因此现有垂直轴型风力机没有能够得到推广，同时大型的垂直轴型尤其是兆瓦级的难以实现。

4.3垂直轴自变叶片风轮的特点

垂直轴自变叶片风轮继承了现有垂直轴型风轮的优点，克服了其缺点，从而形成独有的特点：风轮不需要随着风向摆动，电机位置固定，能量利用率大，启动风速小；运作稳定，噪音小，安全可靠；结构简单，施工方便，成本和维修费用小等。

5、应用前景

适合小型和大型风力发电，可以安装在在不同地区和部位。

6、结语

通过对这种风轮的结构设计与分析，在理论方面论证了其实际应用的可行性、可靠性，为该类型风力发电机的设计和商品生产提供了理论依据，但其结果需要和实际运行测量结果比较分析，才能更好地进行风轮的设计和改进。由于该种型号风轮尚没有进行过实际使用，所以该设计还需在实践中检验。