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简析几种垂直轴风力机叶片攻角调整方法的优缺点
鹏芃
从达里厄发明升力型垂直轴风力机至今已80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,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。
固定叶片升力型垂直轴风力机的主要问题
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度均能产生升力，而在8至14度能产生大的升力且阻力较小。下图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，而且在这种风速与转速下叶片运行在大多数位置均产生负向力矩。
其实叶片在叶尖速比为4（α为14度）时已靠近失速的边沿，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之间才有较大的输出，而且是气流在理想的状态下。

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.升力型垂直轴风力机叶片攻角调节的方式
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叶片攻角也可改善运行性能。下面浅析几种控制叶片攻角的方法及优缺点：
2.1.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，叶片攻角并不一定合适，转换效率可能不高。
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。
2.2.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。

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27