下风式自由偏航设计及优化

下风式风力机不需要任何机动驱动偏航系统，可自行成功偏航，因此而节省更多的制造成本。自由偏航系统如图6-36所示。

图6-36　自由偏航系统

如果风轮为下风式设置，风轮轴向力与风轮轴之间，形成了偏转力矩。随着风的横向推力增加，气动力使风轮在非常宽的偏航角范围内产生偏转力矩。但是，需要确定此回转力矩是否足够强，能否保证机舱随风向自由偏航，并保持合适位置。

风轮偏航力矩必须克服多种不同的阻力力矩，包括有惯性力矩、塔架顶部轴承的摩擦阻力力矩。这些力矩影响了偏航中动力距和阻力矩的平衡。而且，气动力在扫风面内的不均匀性随高度增加和风力增加，变得更加明显，在风轮轴产生交替力矩，特别是对两叶片风轮影响更大。在这个复杂的力和力矩平衡系统中，影响偏航的重要设计参数之一是风轮叶片锥角。(www.xing528.com)

采用摇摆式轮毂的风轮中的叶片锥角对偏航有积极作用，能帮助风轮迅速找到偏航平衡位置。

风轮主轴与水平方向的仰角也是一个重要参数。许多风轮有仰角设计，目的是在叶片与塔架之间留有足够的空间，避免叶片碰到塔架。然而，这在风力机轴的周围产生了偏转力矩，可将风轮转到特定的位置。

综上所述，风轮自由偏航的前提条件是，风轮为下风式风轮，或者是有仰角设计，或者是叶片有锥角设计。且风轮应该采用摇摆式毂链连接轮毂的两叶片风轮，或者三叶片风轮。

下风式自由偏航也有不足之处。风向快速变化导致风轮偏航率增加，产生非常高的回转力矩，叶片会产生高的弯曲力矩，容易使风轮叶片产生疲劳负载。为了减少损坏，对于自由偏航的下风式风力机而言，精心匹配的偏航阻尼设备是非常必要的。

在一些早期的中小型美国风力机上，自由偏航系统已经成功应用，如US-windpower、CARTER、ESI等。ESI风力机采用摇摆式轮毂的下风式两叶片风轮，叶片具有明显的锥角，如图6-36所示。当安装了额外的阻尼器后，偏航系统运行结果明显令人满意。其他风力机，如CARTER，在强风下采用自由偏航系统，在低风速下采用小型机动偏航系统。但是，到目前为止，还未成功将顺风自由偏航系统引入大型风力机。