1薄板叶片的玩具风车

水平轴风力机的风轮旋转轴是水平方向的，和地面与风向基本平行。

图1是一个玩具风车，在风车杆上固定有轴座，轴座前方有轮毂，两者通过风车轴相连，轮毂可绕风车轴自由旋转。风车有6个叶片，叶片固定在轮毂上，叶片与风车轴垂直，叶片之间的夹角是60度，6个叶片与轮毂组成风轮，每个叶片相对于风轮平面有25度（或相近角度）的倾斜角度。当风车轴与来风平行时，风轮就会旋转起来。

图1--玩具风车

下面讲一下小风车旋转的原理，图2是风车的薄板叶片在不同转速下的受力示意图，图中薄板是叶片在风轮某圆周上的截面，图中风轮转轴相对画面是垂直方向，所以叶片的运动方向相对画面是水平方向，来风的方向相对画面是向上，风速为v。

图2左图是风车还未转动时的气流状态，此时气流从薄板叶片两边绕过，并在叶片后方形成涡流，叶片前方（相对画面是下方）与后方会有较大的压差，由于叶片并非垂直于风向，气流在叶片上产生的压差合力F与风轮转轴间有一个角度，该角度使F在叶片运动方向产生分力Ft，Ft与此处风轮圆周相切，推动叶片向左方转动，于是风车开始转动，Ft也称为切向力。

图2中图是风车以中等速度转动时的气流状态，此时的风速仍为v，由于风车已经转动，薄板叶片该截面处的线速度为u，方向向左，于是叶片受到的来风除了v外还有来自左方的气流u，v与u的合成风速为w，见下方矢量合成图，相对风速w是薄板叶片受到的真正来风方向。图的上方表示叶片此时的气流状态，由于来风w的方向与叶片还有较大夹角，见下方矢量图中的w与上方叶片的夹角，气流流经叶片时在叶片后方产生有涡流，叶片工作在失速状态，虽有一定的升力但阻力也较大，其合成力为F，F在叶片运动方向产生分力Ft，Ft推动叶片向左方运动。

图2--风车薄板叶片在不同转速下的受力示意图

图2右图是风车高速度转动时的气流状态，此时的风速仍为v，由于速度u高，合成气流w与叶片之间的夹角（攻角）很小，见下方矢量图中的w与上方叶片的夹角。此时叶片得到较大的升力，阻力很小，其合力F的分力Ft较大，推动叶片高速旋转。

2采用薄板叶片的荷兰风车

像小风车这样采用薄板叶片的风力机很早就得到应用，典型的是荷兰风车，早在13世纪荷兰人就广泛使用风力机进行抽水、辗磨谷物、加工大麦等工作。十八世纪末，荷兰全国的风车约有一万二千座，高高耸立的抽水风车，使荷兰从大海中取得近乎国土三分之一的土地，这是古代风力机应用创造的伟大奇迹，当然这也得益于荷兰一年四季盛吹西风，才有如此动力。后来蒸汽机、内燃机和电动机的发明与应用逐渐淘汰了大部分风车，目前荷兰还有两千余架各式各样的风车，由于利用的是自然风力，没有污染，其中许多仍在发挥作用。图3是网络上荷兰风车的照片。

图3--荷兰风车

玩具风车的叶片是薄板，荷兰风车的叶片是绷紧的帆布（图3中风车叶片骨架上还未绷帆布），这些叶片都是平面的。该风车的转轴与地面基本平行，所以也是水平轴风力机。

据说在中国汉代就有水平轴风力机，在明代有文字描写“用风帆六幅车水灌田者”，这种风车称为卧轴风车或斜杆式风车，40年代拍摄的电影“一江春水向东流”有这种风车的场景，直到上世纪90年代在连云港某盐场还有10多台卧轴风车提取盐水。图4是2台卧轴风车。

图4--国内早期的卧轴风车

3翼型叶片

薄板叶片失速角小，容易进入失速状态，现代实际应用的叶片是流线型的，叶片截面如同机翼截面，称为翼型。翼型有一定厚度，强度大、升力大、阻力小。有关翼型的介绍见叶片的空气动力学基础课件。

图5是翼型叶片在不同转速下的受力示意图，图中翼型是叶片在风轮某圆周上的截面，图中风轮转轴相对画面是垂直方向，所以叶片的运动方向相对画面是水平方向，来风的方向相对画面是向上，风速为v。

图中有3个工作状态，左图是风轮静止时的状态，中图是风轮转速较低时的状态，右图是风轮以额定转速旋转时的状态。三个状态的气流与受力分析状况与图2薄板叶片基本相同，这里就不再重复介绍了。

图5--翼型叶片在不同转速下的受力示意图

看一个风力机的工作效率不是单看叶片受到的切向力Ft大小，在图4中右图的Ft约为中图Ft的2倍，是不是输出功率大2倍呢，我们还要看他们的转速，右图的切向速度u约为中图u的2.5倍，也就是转速大了2.5倍，所以说右图叶片做功是中图叶片的5倍（2×2.5=5）。这只是个大约数，因为风轮不同处的截面与角度不同，所受来风也不同。

这种风力机是靠叶片受到的升力推动风轮旋转做攻的，也称为升力型风力机。

4水平轴风力机的组成与形式

现代的风力机大多数是水平轴风力机，水平轴风力机主要由叶片与轮毂、机舱与塔架构成。常见的风力机有三个叶片，叶片安装在轮毂上构成风轮，风吹风轮旋转带动机舱内的发电机发电，塔架是整个风力机的支撑，见图6。

图6--水平轴风力机组成图        

5风力机的叶片数目

风轮除了三叶片的还有双叶片的，甚至单叶片的，见图7。

图7--双叶片风轮与三叶片风轮

图8--多叶片风轮

也有4叶、5叶、6叶的，在许多农用风力机中采用多叶片结构的风轮，见图8。

6风力机的对风形式

风轮要正面对着来风方向才能最好的接受风能，面对风向，风轮在塔架前方的称为迎风式风力机，风轮在塔架背风方向的称为顺风式风力机，见图9。

图9--迎风式风力机与顺风式风力机

使风力机自动朝向风向称为对风（偏航）功能。小型风力机普遍采用尾舵对风，风把尾舵吹向风力机后方使风轮面向风，图8中的迎风式风力机就是带尾舵的风力机。顺风式风力机勿需任何装置即可自动对风，称之为自由偏航。大中型风力机采用专门的偏航装置对风，在后面的章节有相关介绍。

7机舱内的主要设备

在风力机的机舱底盘上安装有主轴承、齿轮箱、发电机、偏航装置、风向风速测量、控制柜等，发电机是风力机产生电能的设备，由于发电机转速高，风轮转速低，风轮需通过齿轮箱增加转速后才能使发电机以正常转速工作；控制柜控制风力机的对风、风轮转速等；风向标测量风向发出信号给控制柜；偏航装置按控制柜的信号推动风力机进行对风。

图10--机舱主要设备示意图