风力机wind mill

将风能转换为机械能的动力装置。传统的风力机称为风车，其发明和应用有悠久的历史。早在1800年前的中国汉代就用以提水灌溉农田，6世纪中期波斯、阿富汗也有用风车抽水、磨面，19世纪中期荷兰使用的风车达到9000台。在传统风车的基础上，经过改进设计，产生了各种型号的低速、高速现代风力机。
类型 风力机通常分为水平轴和垂直轴两大类。水平轴类型有传统风车、低速风力机(图1)和高速风力机(图2)三种。传统风车笨重、效率低，已不采用。垂直轴风力机的类型有风杯式（用于风速表）拉仿特(Lafond)风轮、S形风轮、屏障式风力机、平板翼片风轮、旋转翼片风力机和达里厄风力机(亦称Φ型)等。其他类型还有手动或滚带式风力机和摆动式风力机。使用最多的是水平轴低速风力机和高速风力机。达里厄垂直轴风力机结构简单，成本低，但起动困难，现为各国所重视，正在研究开发中。

图1 低速风力机

图2 高速风力机

工作原理 风力机是利用风的动能而工作的。一定速度的风在通过一定的风轮截面时，风轮后的风速降低，但不可能降为零；若为零，表示风已无法通过风轮。根据理论推导，在稳定的风速下，风轮后的风速是来风的1/3时，风轮吸取风能可产生最大功率为：

式中 P_max为风轮可产生的最大功率（瓦）;ρ为空气密度(千克/米³);A为风轮截面积(米²);v为风速(米/秒);C_p为功率系数，最大值C_p(max)=0.593，实际风力机的功率系数都低于此值。
风轮是吸收风能后旋转产生功的部件。它是由一定数量和一定长度的风翼组成的。风轮旋转是由于气流通过翼面时，翼上部的风速比下部快，因而上部压力低于下部压力，产生了力F(图3)。F可分解为垂直于气流的分力F_e和平行于气流的分力F_do F_e为升力，使风翼旋转运动。F_d为阻力。因此，风翼的断面形状和迎角i（翼弦与风向的夹角）对风轮的运动有很大影响。

图3 翼面

风力机的动力特性 每台风力机在风能作用下，风翼旋转便产生功率(P)和扭矩(Q)。功率、扭矩和风翼转速(Ω)的关系示为风力机的动力特性。对于各个不同的稳定风速，经试验绘制成特定风机的动力特性曲线，如图4和图5所示。

图4 不同风速时，风力机的功率特性曲线

图5 不同风速时，风力机的扭矩特性曲线

由图可知：❶最大功率随风速增加而增加，如图5上的虚线3所示。
❷最大扭矩随风速增加而增加，如图6上的虚线2所示。
❸同一风速下风机最大扭矩时的风翼转速将低于最大功率时风翼的转速， 如图5上风速为v4时的3点和2点。2点为最大扭矩的点， 即此曲线上所得最大斜率的点。功率、扭矩和转速之间将有如下的关系：

不同风力机的动力特性曲线必将随着风速(v)、风轮半径(R)，甚至空气密度(ρ)的不同而变化。为了解不同尺寸的风轮在不同风速下的变化特性。人们将功率、扭矩和速度都化为下列无量网表达式：

功率系数：

扭矩系数：

翼尖速比：

式中 A是风翼的掠过面积，A=πR₂。
λ是确定各类风力机的一个重要参数。计算出不同风力机在不同风速下的λ值和功率系数C_P值和扭矩系数C_Q值，便可绘制成C_P-λ关系的特性曲线，和C_Q-λ的关系的特性曲线。图6是一台低速风力机(设计λ_d＝1)和一台高速风力机(设计λ_d＝8) C_P和C_Q随λ的变化的特性曲线。图上清楚表明，它们最大功率系数相差不大，但无论起动扭矩，还是最大扭矩都有明显差别。
在实践中，根据翼尖速比，风力机可采用的翼片数目如下：

λ	1	2	3	4	>5
翼片数	8～24	6～12	3～6	2～4	2～3

低速风力机的风翼一般为12～24片，直径为5～8米。适用于平均风速为4～5米/秒的地区。适合与活塞水泵、磨面机等需起动力矩大的机具匹配。低速风力机翼片多，笨重，要安装更大直径的风翼是相当困难的。

图6 CP-λ与CQ-λ曲线

高速风力机仅有2～4个风翼，在同样直径和风速下比低速风力机的转速高得多， 因此在输出相同功率时， 风轮要轻得多； 它能承受较大离心力； 在风轮静止时所受轴向推力小； 其成本和重量均比低速风力机小。但起动力矩小， 无特殊装置时， 至少要有5米/秒的风速才能转动。多适用于发电机， 离心水泵等机具。
风力机的一般结构 一台水平轴型风力机由风翼、调向装置、调速装置、变速器和固定机架组成，垂直型风力机可简化或不用调向装置。
风翼是受力运动的部件，低速风力机大都采用薄金属片制成略凹的翼型，这些翼片固定在环形支架上构成一个动轮；高速风力机则都采用流线型翼片，用铝合金、玻璃纤维和不锈钢等材料制成。它们可直接固定在机轴的轮圈上。
调向装置是当风向改变时，能自动调节风轮方向的装置。这类装置有尾舵、侧风轮、伺服电机系统等。尾舵主要用于风轮直径不超过6米的低速风力机。侧风轮则是将一个小风轮安装在机舱的侧面，其转轴与风轮主轴垂直，通过蜗轮蜗杆机构使机舱因风向改变而旋转。与尾舵相比，其优点是转动平稳柔和。伺服电机系统是调向伺服电机由风向标和风轮驱动的测速电机控制，可在风轮转速改变时，测速电机的电压也随之改变，然后驱动伺服电机旋转使风轮恢复到迎风方向。
调速装置是为保持风轮转速恒定的装置。这类装置的结构有多种多样。一类是固定叶片的调速器，如采用绞接尾舵和空气制动器等。另一类为可变桨距调速器，如利用飞球等配重和弹簧改变翼片的桨距调整风轮转速。
变速器是改变风轮轴转速的装置。一般都采用速比不等的齿轮组完成。
机架是支持风轮和其他装置的部件。较大型的风力机，其机架下大上小，称为塔架。由于机架还承受风轮旋转时产生的不同频率的振动，因此对机架要求具有较高的刚性，以免发生共振。小型风力机的机架较为简单，常以钢管和钢索稳固在地基上。

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风力机windmill

将风能转变为机械能的动力机。风能是一种无污染可再生的能源，当风通过风力机的风轮时，风的动能就转变为风轮旋转的机械能。可用于驱动提水机、发电机和一些固定作业机械如农产品加工机械等。中国东南沿海及内蒙古、甘肃、新疆等边远地区，风力资源比较丰富，适宜发展0.1～3千瓦级的风力发电机、风轮直径5～8米的风力提水机等。国际上80年代致力于发展50～100千瓦级的风力发电机，并且采用群体式的“风力田”形式，把几十以至几百台风力机集中安装在一个地区。
类型 按风轮叶片的数量分为多叶式(6～36叶)和少叶式(1～4叶)；按风轮的转速分为低速型和高速型；按风轮轴的位置分为水平轴式和垂直轴式；按叶片受力的形式分为升力型和阻力型；按功率大小分为大、中、小型，中国的划分范围是10千瓦以下为小型，10～100千瓦为中型，100千瓦以上属大型。80年代，世界上风力机最大功率已达3 000千瓦，其风轮直径达到100米。
基本结构 通常由风轮、机头、尾翼、塔架、传动机构、调速机构以及制动等装置组成。风轮是风能的收集器，风轮叶片与风轮旋转面成一定角度，叶片安装在轮毂上。一般低速风轮叶片由镀锌薄钢板制成，高速风轮叶片采用玻璃钢复合材料。机头是支承风轮及上部传动机构、尾翼等部件的支座，可以绕塔架作水平转动。尾翼使风轮迎风，以获取最大能量。塔架能使风轮架设在必要的高度上，以减少周围障碍物的不利影响，通常由金属桁架或支柱构成。传动机构包括变速装置和传动轴。变速装置一般为增速箱，风力发电机变速装置的增速比较大；风力提水机变速装置的增速比较小，以适应龙骨水车、管链式水车或螺旋泵低转速的需要。对于100瓦以下的微型风力机多不设增速器。有的风力提水机采用曲柄连杆机构带动往复式活塞泵作业。
调速机构用以防止因风速过高造成的风轮超速现象，保证风力机安全运转。调速方式主要有三种： ❶通过在风轮一侧或上方设置迎风板，高速时风轮处于不对称的受力状态而偏离风向，当风速减小时，则利用弹簧或配重使风轮复位；
❷在高风速时通过叶片的偏转改变其安装角；
❸在叶片上安装阻风翼，当风速达到一定值时，自动打开阻风翼使风轮减速。在特大风速下为确保安全，风力机设有制动机构，小型风力机多采用蹄式制动器，直接制动风轮轴，有的采用人工操纵使风轮顺风而停止运转；中型风力机则采用机械或液压操作使叶片顺风而制动风轮。
输出功率 可按下式计算：

式中 P为输出功率；ρ为空气密度(千克/米³); D为风轮直径（米）;V为风速(米/秒);CP为风轮功率系数。为获得大的功率，风力机安装地点的选择至关重要。根据贝茨千克/米³; D为风轮直径（米）;V为风速(米/秒);CP为风轮功率系数。为获得大的功率，风力机安装地点的选择至关重要。根据贝茨(Betz)理论，理想风轮可以把风能的59.3%转变为机械能。在实际使用中，传统风车的功率系数为0.2左右；多叶式风力机的达0.3以上；现代旋桨式风力机可达0.47。

风力机

将风能转换成机械功的动力机械。又称风车。在15世纪，欧洲已广泛使用风车。中国已研制出30余种现代风车。20世纪60年代达到输出功率3 kW、叶轮直径6 m的水平。风力机一般分为水平轴结构和垂直轴结构两类，风力机主要由风力接收装置、控制机构、传动和支承部件等4部分组成。目前，世界上有数万台风力机在运行。

风力机

即“风力发动机”。