水平轴风力机的设计与应用

水平轴风力机的叶片围绕水平转轴旋转，旋转平面与风向垂直，如图4-1所示。叶片径向安置于风轮上，与旋转轴垂直或近似垂直。叶片数视风力机用途而定，用于风力发电的风力机叶片数一般取1～3片，用于风力提水的风力机叶片数一般取12～24片。

若按风轮转速的快慢划分，风力机可分为高速风力机和低速风力机。高速风力机叶片数较少，1～3片应用得较多，其最佳转速对应的风轮叶尖线速度为5～15倍风速。在高速运行时，高速风力机有较高的风能利用系数，但启动风速较高。由于叶片数较少，在输出功率相同的条件下，比低速风轮要轻得多，因此适用于发电，结构如图4-1（a）所示。

叶片数较多的风力机最佳转速较低，为高速风力机的一半甚至更低，风能利用率也较高速风力机的低，通常称为低速风力机。但起动力矩大，起动风速低。低速风力机运行产生较高的转矩，因而适用于提水。结构如图4-1（b）所示。

图4-1　水平轴风力机

按照叶片数的多少，风力机可分为单叶、双叶和多叶式风力机，图4-2所示双叶式、三叶式和多叶式的水平轴风轮结构。

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图4-2　不同叶片数的风轮

按照风轮与塔架相对位置的不同，水平轴风力机分为逆风式风力机和顺风式风力机，如图4-3所示。以空气流向作为参考，风轮在塔架前迎风旋转的风力机为逆风式风力机，也称为上风式风力机。风轮在塔架的下风位置旋转的风力机为顺风式风力机，也称为下风式风力机。逆风式风力机需要调风装置，使风轮迎风面正对风向；而顺风式风力机则能够自动对准风向，不需要调向装置，但其缺点为空气流先通过塔架然后再流向风轮，会造成塔影效应，会给风力发电机组造成一定影响。

图4-3　水平轴风力机风轮与塔架的两种关系

图4-4　集中式和扩散式风力机示意图

水平轴风力机也有扩散式风力机和集中式风力机，如图4-4所示。扩散式风力机原理为：在扩散器后面形成负压区，这样在扩散器入口和出口形成压力差，从而造成风速增加，增大风力机处理。集中式风力机利用喷管的原理，逐渐减小流通面积，达到增大风速的作用。