1薄板葉片的玩具風(fēng)車
水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸是水平方向的，和地面與風(fēng)向基本平行。
圖1是一個(gè)玩具風(fēng)車，在風(fēng)車桿上固定有軸座，軸座前方有輪轂，兩者通過風(fēng)車軸相連，輪轂可繞風(fēng)車軸自由旋轉(zhuǎn)。風(fēng)車有6個(gè)葉片，葉片固定在輪轂上，葉片與風(fēng)車軸垂直，葉片之間的夾角是60度，6個(gè)葉片與輪轂組成風(fēng)輪，每個(gè)葉片相對(duì)于風(fēng)輪平面有25度（或相近角度）的傾斜角度。當(dāng)風(fēng)車軸與來風(fēng)平行時(shí)，風(fēng)輪就會(huì)旋轉(zhuǎn)起來。
圖1--玩具風(fēng)車
下面講一下小風(fēng)車旋轉(zhuǎn)的原理，圖2是風(fēng)車的薄板葉片在不同轉(zhuǎn)速下的受力示意圖，圖中薄板是葉片在風(fēng)輪某圓周上的截面，圖中風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸相對(duì)畫面是垂直方向，所以葉片的運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)畫面是水平方向，來風(fēng)的方向相對(duì)畫面是向上，風(fēng)速為v。
圖2左圖是風(fēng)車還未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的氣流狀態(tài)，此時(shí)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(duì)畫面是下方）與后方會(huì)有較大的壓差，由于葉片并非垂直于風(fēng)向，氣流在葉片上產(chǎn)生的壓差合力F與風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸間有一個(gè)角度，該角度使F在葉片運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生分力Ft，F(xiàn)t與此處風(fēng)輪圓周相切，推動(dòng)葉片向左方轉(zhuǎn)動(dòng)，于是風(fēng)車開始轉(zhuǎn)動(dòng)，F(xiàn)t也稱為切向力。
圖2中圖是風(fēng)車以中等速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的氣流狀態(tài)，此時(shí)的風(fēng)速仍為v，由于風(fēng)車已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(fēng)除了v外還有來自左方的氣流u，v與u的合成風(fēng)速為w，見下方矢量合成圖，相對(duì)風(fēng)速w是薄板葉片受到的真正來風(fēng)方向。圖的上方表示葉片此時(shí)的氣流狀態(tài)，由于來風(fēng)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(jīng)葉片時(shí)在葉片后方產(chǎn)生有渦流，葉片工作在失速狀態(tài)，雖有一定的升力但阻力也較大，其合成力為F，F(xiàn)在葉片運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生分力Ft，F(xiàn)t推動(dòng)葉片向左方運(yùn)動(dòng)。
圖2--風(fēng)車薄板葉片在不同轉(zhuǎn)速下的受力示意圖
圖2右圖是風(fēng)車高速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的氣流狀態(tài)，此時(shí)的風(fēng)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(shí)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(dòng)葉片高速旋轉(zhuǎn)。
2采用薄板葉片的荷蘭風(fēng)車
像小風(fēng)車這樣采用薄板葉片的風(fēng)力機(jī)很早就得到應(yīng)用，典型的是荷蘭風(fēng)車，早在13世紀(jì)荷蘭人就廣泛使用風(fēng)力機(jī)進(jìn)行抽水、輾磨谷物、加工大麥等工作。十八世紀(jì)末，荷蘭全國(guó)的風(fēng)車約有一萬二千座，高高聳立的抽水風(fēng)車，使荷蘭從大海中取得近乎國(guó)土三分之一的土地，這是古代風(fēng)力機(jī)應(yīng)用創(chuàng)造的偉大奇跡，當(dāng)然這也得益于荷蘭一年四季盛吹西風(fēng)，才有如此動(dòng)力。后來蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用逐漸淘汰了大部分風(fēng)車，目前荷蘭還有兩千余架各式各樣的風(fēng)車，由于利用的是自然風(fēng)力，沒有污染，其中許多仍在發(fā)揮作用。圖3是網(wǎng)絡(luò)上荷蘭風(fēng)車的照片。
圖3--荷蘭風(fēng)車
玩具風(fēng)車的葉片是薄板，荷蘭風(fēng)車的葉片是繃緊的帆布（圖3中風(fēng)車葉片骨架上還未繃帆布），這些葉片都是平面的。該風(fēng)車的轉(zhuǎn)軸與地面基本平行，所以也是水平軸風(fēng)力機(jī)。
據(jù)說在中國(guó)漢代就有水平軸風(fēng)力機(jī)，在明代有文字描寫“用風(fēng)帆六幅車水灌田者”，這種風(fēng)車稱為臥軸風(fēng)車或斜桿式風(fēng)車，40年代拍攝的電影“一江春水向東流”有這種風(fēng)車的場(chǎng)景，直到上世紀(jì)90年代在連云港某鹽場(chǎng)還有10多臺(tái)臥軸風(fēng)車提取鹽水。圖4是2臺(tái)臥軸風(fēng)車。
圖4--國(guó)內(nèi)早期的臥軸風(fēng)車
3翼型葉片
薄板葉片失速角小，容易進(jìn)入失速狀態(tài)，現(xiàn)代實(shí)際應(yīng)用的葉片是流線型的，葉片截面如同機(jī)翼截面，稱為翼型。翼型有一定厚度，強(qiáng)度大、升力大、阻力小。有關(guān)翼型的介紹見葉片的空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)課件。
圖5是翼型葉片在不同轉(zhuǎn)速下的受力示意圖，圖中翼型是葉片在風(fēng)輪某圓周上的截面，圖中風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸相對(duì)畫面是垂直方向，所以葉片的運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)畫面是水平方向，來風(fēng)的方向相對(duì)畫面是向上，風(fēng)速為v。
圖中有3個(gè)工作狀態(tài)，左圖是風(fēng)輪靜止時(shí)的狀態(tài)，中圖是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)的狀態(tài)，右圖是風(fēng)輪以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài)。三個(gè)狀態(tài)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(fù)介紹了。
圖5--翼型葉片在不同轉(zhuǎn)速下的受力示意圖
看一個(gè)風(fēng)力機(jī)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(zhuǎn)速，右圖的切向速度u約為中圖u的2.5倍，也就是轉(zhuǎn)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(gè)大約數(shù)，因?yàn)轱L(fēng)輪不同處的截面與角度不同，所受來風(fēng)也不同。
這種風(fēng)力機(jī)是靠葉片受到的升力推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)做攻的，也稱為升力型風(fēng)力機(jī)。
4水平軸風(fēng)力機(jī)的組成與形式
現(xiàn)代的風(fēng)力機(jī)大多數(shù)是水平軸風(fēng)力機(jī)，水平軸風(fēng)力機(jī)主要由葉片與輪轂、機(jī)艙與塔架構(gòu)成。常見的風(fēng)力機(jī)有三個(gè)葉片，葉片安裝在輪轂上構(gòu)成風(fēng)輪，風(fēng)吹風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)發(fā)電，塔架是整個(gè)風(fēng)力機(jī)的支撐，見圖6。
圖6--水平軸風(fēng)力機(jī)組成圖
5風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)目
風(fēng)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(fēng)輪與三葉片風(fēng)輪
圖8--多葉片風(fēng)輪
也有4葉、5葉、6葉的，在許多農(nóng)用風(fēng)力機(jī)中采用多葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)輪，見圖8。
6風(fēng)力機(jī)的對(duì)風(fēng)形式
風(fēng)輪要正面對(duì)著來風(fēng)方向才能最好的接受風(fēng)能，面對(duì)風(fēng)向，風(fēng)輪在塔架前方的稱為迎風(fēng)式風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪在塔架背風(fēng)方向的稱為順風(fēng)式風(fēng)力機(jī)，見圖9。
圖9--迎風(fēng)式風(fēng)力機(jī)與順風(fēng)式風(fēng)力機(jī)
使風(fēng)力機(jī)自動(dòng)朝向風(fēng)向稱為對(duì)風(fēng)（偏航）功能。小型風(fēng)力機(jī)普遍采用尾舵對(duì)風(fēng)，風(fēng)把尾舵吹向風(fēng)力機(jī)后方使風(fēng)輪面向風(fēng)，圖8中的迎風(fēng)式風(fēng)力機(jī)就是帶尾舵的風(fēng)力機(jī)。順風(fēng)式風(fēng)力機(jī)勿需任何裝置即可自動(dòng)對(duì)風(fēng)，稱之為自由偏航。大中型風(fēng)力機(jī)采用專門的偏航裝置對(duì)風(fēng)，在后面的章節(jié)有相關(guān)介紹。
7機(jī)艙內(nèi)的主要設(shè)備
在風(fēng)力機(jī)的機(jī)艙底盤上安裝有主軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量、控制柜等，發(fā)電機(jī)是風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生電能的設(shè)備，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低，風(fēng)輪需通過齒輪箱增加轉(zhuǎn)速后才能使發(fā)電機(jī)以正常轉(zhuǎn)速工作；控制柜控制風(fēng)力機(jī)的對(duì)風(fēng)、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等；風(fēng)向標(biāo)測(cè)量風(fēng)向發(fā)出信號(hào)給控制柜；偏航裝置按控制柜的信號(hào)推動(dòng)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行對(duì)風(fēng)。
圖10--機(jī)艙主要設(shè)備示意圖
