风力涡轮机有很多种，但它们可以简单地分为两类：
1、水平轴风力机，即风轮的旋转轴线平行于风向；
2、垂直轴风力机，即风轮的旋转轴线垂直于地面或气流方向。
垂直轴风力涡轮机vawt
本文主要介绍垂直轴风力发电机。垂直轴风力涡轮机VAWT可分为阻力型和升力型。
阻力型垂直轴风力机主要是利用空气流经叶片产生的阻力作为驱动力，而升力型是利用空气流经叶片产生的升力作为驱动力。当叶片旋转时，阻力随着转速的增加而急剧减小，而升力则增加，因此有升力的垂直轴风力机的效率远高于阻力型。
利用阻力旋转的垂直轴风力机有几种类型，其中有一种是由平板和杯子制成的风轮，这是一种纯阻力装置；s型风车有部分升力，但主要是阻力装置。这些装置具有大的起动转矩，但是叶尖速比低，并且当风力涡轮机的尺寸、重量和成本固定时，提供的功率输出低。
达里厄风力涡轮机是法国G.J.M .达里厄在20世纪30年代发明的。70年代加拿大国家科学院对此做了大量研究，是水平轴风力发电机的主要竞争对手。达里厄型风力发电机是一种升力装置，其弯曲叶片的截面为翼型，在给定风力发电机重量和成本的情况下，具有较低的起动转矩、较高的叶尖速比和较高的功率输出。世界上达里厄风力发电机的种类很多，有型、型、Y型、H型等。这些风力涡轮机可以设计成单叶片、双叶片、三叶片或多叶片。
从Darieu发明升力式垂直轴风力发电机到现在已经有180多年了，但是一直没有得到广泛的应用，主要是因为它自身的缺点。不能自启动是一个重要的缺点，但主要缺点是风力和负载的变化范围太窄，还涉及到不能调速的缺点。
1、固定叶片升力垂直轴风力机图1升力垂直轴风力机的风力机叶片布局传统的达里厄风力机采用形叶片，但目前多采用直叶片(H形)结构。Darieu风力涡轮机的叶片相对于风力涡轮机是固定的，也就是说，叶片的弦角是不可调节的。图1是风力涡轮机的叶片分布图。
升力型风力发电机利用叶片的升力推动风轮旋转做功。对于大多数常见的翼型叶片来说，在理想状态下，在0-15度攻角时可以产生升力，但在8-13度时可以产生较大的升力，阻力较小。图2示出了当风力涡轮机的叶片旋转到风轮的迎风侧(0度位置)时的气流和应力图。
图2正常和失速状态下叶片升力和阻力对比图。
在图2的左图中，叶片受到相对风速w的影响，产生升力L和阻力d。相对风速w与叶片弦线之间的角度，即叶片的攻角，约为14度。相对风速w由风速v和叶片的移动速度u组成。此时叶片的移动速度约为风速的4倍，即叶尖速比为4。升力L和阻力D的合力为f，这个力对风轮的力矩为m，这是推动风轮旋转的力。当叶尖速比为4时，运行在迎风面或背风面的叶片能产生一个力矩推动旋翼旋转，只有在两侧附近(90度和180度)，升力很小，会有一个很小的负力矩。
在图2右图中，风速增加了一倍，叶片运动速度没有变化，叶尖速比约为2，叶片攻角约为27度，叶片工作在失速状态。此时，叶片产生的升力L减小，阻力D大大增加。叶片产生的扭力M为负，阻止转子转动。在这种风速和速度下，叶片很有可能产生负扭矩。
事实上，当叶尖速比为4(为14度)时，叶片已经处于失速边缘。当低于4时，升力L不再增加，阻力D已明显增加，叶片产生的力矩M可能为零或负值。好在叶片在0-90度中间运行时，叶片攻角较小，可以产生正扭矩，90-180度、180-270度、270-360度中间也有这样的区域。然而，当叶尖速比小于3.5(大于16度)时，这样的区域变得越来越小。
图3示出了升力垂直轴风力涡轮机的功率系数Cp和叶尖速比tsr之间的关系。可以看出叶尖速比在4-6之间，气流处于理想状态。
图3固定叶片垂直轴风力机功率系数与叶尖速比的关系曲线
但是，风力不可能是稳定的，风力发电机的负载也不会是恒定的。当风速迅速增大时，风力机的速度无法立即跟上，叶尖速比可能会降到3.5以下，风力机可能会遭受反扭矩的冲击，运行不稳定。这种情况也会发生在风机负荷增大，转速降低，导致叶尖速比降低的时候。当风速下降时，由于负载的原因，风力发电机的速度会下降得更快，这种情况也可能发生。固定叶片升力垂直轴风力发电机的主要问题是对风力或负载范围要求较窄，自身无法启动也是固定叶片升力垂直轴风力发电机的重要缺点，给其应用带来诸多限制。
2、升力垂直轴风力机调节翼型的方法采用改变桨距角的方法来适应风速的变化，调节风速与载荷的关系。在垂直轴风力涡轮机中，也可以通过改变翼型来改善运行性能。控制翼型的几种方法的优缺点分析如下：
1)根据程序指定的角度改变刀片的角度。
用微处理器控制叶片的角度是最好的方法，但本文不讨论用微处理器控制叶片的方法，只讨论控制叶片角度的最简单的机械方法。
采用凸轮推杆或偏心轮来调节叶片的攻角，在叶片长度方向设置叶片转轴，叶片通过叶片转轴安装在风轮的叶片支架上，连杆拉动叶片转动，连杆由凸轮或偏心轮控制，还安装有风力装置通过风向控制凸轮， 凸轮按照设定的控制规则设计，使叶片能够运行到不同的位置并转向预定的角度。
这种风力可以自启动，工作风速范围很宽。
缺点：由于叶片在各个位置的旋转角度相对于风向是固定的，所以与风速无关，只对设计风速有较高的转换效率。在其他风速下，叶片的攻角不一定是最佳的，正常运行时叶片应该基本不摆动，所以这种固定摆动规律在更宽的风速下并不能获得很大的转换效率。
结构缺点：结构复杂，机械磨损大，不适合在恶劣环境下运行，噪音大。
2)叶片的角度由风力和止动器控制。
风直接驱动叶片摆动，摆动角度受挡杆限制。在叶片长度方向有一个叶片转轴，叶片转轴的位置在叶片压力中心的前方(标准常用翼型正常工作时，压力中心距叶片前缘1/4叶片弦长)，叶片通过叶片转轴安装在风力机的叶片支架上，叶片可以绕轴旋转。叶片的转轴设置在距叶片前缘1/4叶片弦长的位置，可以保证风在任意角度对叶片的合力作用点都在转轴后面，使叶片随风摆动。支架上还有一个挡杆，用来限制刀片摆动的角度，图4是它的结构示意图。
图4利用风力和制动器控制叶片的摆动角度。
图5是一个s
这种方法的优点是风力发电机可以自启动，可以在低风速到高风速下工作。
缺点是当叶片运行到90度或270度附近的区域时，叶片摆动到两个侧杆之间的位置，处于顺风位置，没有升力只有阻力。而且随着叶尖速比的增大，叶片顺风的面积增大；如果叶片的摆动范围是15度，那么叶片的最大叶尖速比不会超过4，因为当叶尖速比超过4时，叶片在风轮的整个旋转过程中处于顺风位置，只有阻力没有升力，即使没有载荷，速度也不会增加。因此，如果叶片的摆动幅度超过15度，风力机的风能利用效率就会明显降低，如果叶片的摆动幅度小于15度，风力机的自启动能力就会很差。
从结构上看，它具有结构简单、运动副数量最少、易于加工、安装和维修的优点。缺点是频繁撞击挡块容易造成部件损坏，噪音也大。
3)利用风力和离心停止控制叶片角度的方案1。
转速增大时减小叶片的摆角，可以适应更宽的风速范围，运行到更高的叶尖速比。以下是控制偏航角的方法：
旋转轴和叶片的安装与第2节相同。摆杆固定在叶片上，离心滑挡可沿支架的轴线滑动，并通过弹簧与支架连接。图6左图是其结构示意图。当叶片摆动时，摆杆在离心滑块的V形开口内摆动，V形开口的边缘会限制叶片的摆动角度。
风轮转动时，离心滑块在离心力的作用下向风轮外侧移动，移动量随着转速的增加而增加。风轮转速较低时，变速杆在V型口的上端，叶片摆动幅度较大，如图6中间所示；当风轮转速增加时，变速杆处于V型开口的底部，叶片可以轻微摆动，如图6右部所示。
图6用V形离心滑动挡块控制叶片的摆角。
这种摇摆控制方式的优点是风力机可以自行启动，在没有达到额定转速时，比如叶尖速比为2，就会有功率输出。当达到额定速度时，叶片将不会摆动，可以运行到更高的叶尖速比。
缺点是叶片仍然在有限的区间内摆动，随着转速的增加而减小，也就是说，当转速不变时，叶片可以摆动的角度是不变的。当叶片运行到90度或270度附近的区段时，叶片在有限的区间内随风摆动，没有升力只有阻力。
从结构上看，比较复杂。滑动部分对机械加工要求高，密封润滑麻烦。而且当转速低于额定转速时，限制时仍有冲击，对结构强度和噪声有影响。
4)利用风力和离心停止来控制叶片的角度(方案2)
图7使用离心滑动挡块来控制叶片的摆动角度。
图7是通过使用离心滑块来控制偏航角的另一种方式。风轮支架上有一个带挡轮的离心滑块，滑块在叶片端自由滑动。风轮转动时，滑块被离心力压在叶片上，风推动叶片摆动，摆动的叶片将滑块推向支架内侧，叶片就会摆动到风力和离心力平衡的位置。风轮转动时，滑块的止动轮始终靠近叶片，滑块对叶片的作用是连续的，叶片的摆动也是连续的，消除了顺风摆动的间歇。
在图7中，左图显示当风轮不转动时，叶片和止动器处于任意位置；图7表示风轮尚未进入额定转速，叶片处于迎风位置，摆角较大；右边的图7显示了叶片在两侧，或输入额定速度，以及摆动角度
旋转轴和叶片的安装与第2节相同。叶片朝向风轮外侧的一侧固定有摆杆，摆杆指向风轮外侧，其轴线穿过叶片转轴和风轮转轴。摆杆的外端有一个离心锤，与叶片一起绕叶片转轴旋转。图8是结构和摆动的示意图。
图9受离心摆力和风力作用的叶片示意图。
在图9的两幅图中，分析了风轮在风力作用下旋转时叶片的受力情况，图中只示出了叶片、离心锤和主要力矢量。箭头w代表风向，叶片以线速度u正常运行，叶片受到以升力为主的气动力F2，力的作用点为叶片的压力中心；由于风轮的旋转，离心锤受到离心力F1，F1和F2相对于叶片旋转轴的力矩转向相反。在两个力矩的作用下，叶片摆动到两个力矩平衡的位置，这是叶片随风轮旋转到这个点的受控偏转角。左图为叶片旋转到风轮迎风面时叶片向风轮内侧摆动的受力状态，右图为叶片旋转到风轮背风面时叶片向风轮外侧摆动的受力状态。转速越高，离心力越大，叶片摆角越小，在更高的风速下可以达到更高的叶尖速比。
可以通过改变离心锤的质量或者改变离心锤在离心摆杆上的位置来调节离心力，使叶片在更合适的状态下运行。
限位挡杆仍安装在风轮支架上，挡杆仅用于限制风机启动时叶片的摆动角度。风轮启动后，随着转速的增加，离心力增大使叶片摆角减小，叶片不会碰到挡杆。风速达到额定风速后，风轮工作在升力状态，叶片只做小角度摆动。
采用这种摇摆控制方式的风力机可以自动启动，叶尖速比在1以下，运行在阻力状态，叶尖速比从1以上进入升力阻力混合状态，叶尖速比在1.5以上进入升力工作状态。叶片摆动是连续的，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，只有运动副的叶片通过轴承与风轮支架连接，因此运行可靠，易于加工安装，易于润滑和密封，价格低廉，基本不需要维护。风力机运行后，叶片摆角受风力和离心力平衡控制，不会撞到挡杆，不会有噪音。
但这种方案要求叶片转动惯量小，对选材和结构设计要求高。
总结以上简单的翼型控制方法，提升垂直轴风力机的性能，在低风速下即可启动，叶尖速比超过1时将获得功率输出。利用风力和离心块控制叶片角度的第二种方案比利用风力和离心力直接控制叶片角度的两种方案更合适。前者存在制造复杂、维护量大的问题，后者存在轻型叶片成本高的问题。
然而，这些方法都不能解决在高风速下限制风力涡轮机的速度增加的问题。对于大中型风力发电机来说，最终的出路是通过改变翼型来控制转子的转速。
标签：叶片风力风轮