如何對升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片攻角進(jìn)行簡單而有效的控制，是大家在努力解決的課題，在葉片角度可變的垂直軸風(fēng)力機(jī)一節(jié)中，已介紹了一種離心滑塊控制葉片擺動角度的風(fēng)力機(jī)，這里再介紹一種采用離心力與風(fēng)力直接控制葉片偏擺的垂直軸風(fēng)力機(jī)，是本站推出的葉片攻角控制技術(shù)，供大家參考。

風(fēng)力機(jī)葉片采用直葉片，也就是所謂H型風(fēng)輪。在葉片上有葉片轉(zhuǎn)軸，葉片轉(zhuǎn)軸位置在葉片的氣動中心附近，設(shè)在氣動中心前側(cè)是基本方案（對稱翼型的氣動中心與壓力中心均在離葉片前緣1/4葉片弦長位置），葉片轉(zhuǎn)軸在葉片中弧線上（對稱翼型中弧線與弦線重合），見圖1。

葉片通過葉片轉(zhuǎn)軸安裝在風(fēng)輪的葉片支架上，葉片可繞軸轉(zhuǎn)動，在風(fēng)輪支架上有兩個檔桿，用來限制葉片擺動角度，見圖2。

壓力中心是風(fēng)對葉片作用力的合力作用點，對稱翼型在不失速狀態(tài)下運行時，壓力中心在離葉片前緣1/4葉片弦長位置；運行在不失速狀態(tài)下的非對稱翼型，在較大攻角時壓力中心也在離葉片前緣1/4葉片弦長位置，在小攻角時壓力中心會沿葉片弦長向后移。無論對稱翼型或非對稱翼型，在失速時風(fēng)對葉片作用力的合力作用點也均在1/4葉片弦長之后，所以葉片在任何風(fēng)向下均能隨風(fēng)擺動。 葉片的重心必須在葉片轉(zhuǎn)軸上,由于葉片轉(zhuǎn)軸在葉片弦線前部不到1/4的地方，較難做到前后平衡。可在葉片的前方固定平衡桿，平衡桿的軸線在葉片弦線的延長線上，在平衡桿上有位置可調(diào)節(jié)的平衡錘，通過調(diào)節(jié)平衡錘的位置使葉片的重心在葉片轉(zhuǎn)軸上，見圖3。

把葉片的原始機(jī)械位置稱為無偏擺位置，其定義是：在無風(fēng)時風(fēng)輪在外力作用下正向旋轉(zhuǎn)時，風(fēng)輪受空氣阻力最小時的葉片位置為葉片無偏擺位置。

在葉片處在無偏擺位置時，在葉片朝向風(fēng)輪外側(cè)一面固定有離心擺桿，離心擺桿指向風(fēng)輪外側(cè)，其軸線通過葉片轉(zhuǎn)軸與風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸，離心擺桿上有位置可調(diào)節(jié)的離心錘。圖4左圖是該葉片控制擺動機(jī)構(gòu)的頂視圖，圖4右圖是透視圖。

為表示清晰，本課件的一些圖片中的離心擺桿與平衡桿都比較長，實際要短些。

葉片、平衡桿、平衡錘、離心擺桿、離心錘是固定聯(lián)接在一起的機(jī)械構(gòu)件，稱之為控擺構(gòu)件，把控擺構(gòu)件安裝在風(fēng)輪支架上組成風(fēng)輪，圖5是有二個葉片的風(fēng)輪。

在圖6與圖7中將分析風(fēng)輪在風(fēng)力作用下旋轉(zhuǎn)時葉片受控偏擺時的受力情況，圖6是風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪向風(fēng)側(cè)位置，圖7是風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪背風(fēng)側(cè)位置，圖中僅顯示葉片、離心錘與主要力矢。箭頭W代表風(fēng)力的方向，葉片正以線速度ｕ正常運行，葉片受到以升力為主的空氣動力F2，力作用點為葉片的壓力中心；由于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，離心錘受到離心力F1作用，F(xiàn)1與F2相對于葉片轉(zhuǎn)軸的矩轉(zhuǎn)向相反，在兩力矩作用下葉片擺向兩力矩平衡的位置，該位置就是葉片隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)至該點的被控偏擺角度。下圖是風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪向風(fēng)側(cè)時風(fēng)葉向風(fēng)輪內(nèi)側(cè)偏擺的受力狀態(tài)；

葉片在繞風(fēng)輪軸旋轉(zhuǎn)的其他位置偏擺姿態(tài)見圖8，圖中選擇了8個位置，并有短線顯示該點的切線方向。該圖的葉片運行狀態(tài)約為葉尖速比1.5至2，是還未進(jìn)入額定運行狀態(tài)的示意圖。

在“葉片可擺動的升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的組裝與試驗”課件中有“高速攝像下的風(fēng)力機(jī)葉片擺動”的高速攝像，可去看看。

轉(zhuǎn)速越高離心力越大，風(fēng)葉偏擺角度越小，在較高風(fēng)速時可達(dá)較高的葉尖速比。改變離心錘的質(zhì)量大小或改變離心錘在離心擺桿上的位置均可調(diào)整離心力的大小，使葉片運行在較合適的狀態(tài)。

在風(fēng)輪支架上安裝有限位擋桿，設(shè)置擋桿僅僅是限止風(fēng)力機(jī)起動時的葉片擺動角度，限止范圍在正負(fù)25度左右。在無風(fēng)時風(fēng)輪靜止，葉片停在擋桿限止范圍內(nèi)的隨機(jī)位置；起風(fēng)時有的葉片被風(fēng)推向擋桿限止位置，有的葉片可能在順風(fēng)位置，受風(fēng)阻力不同，風(fēng)輪會因阻力差旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力矩由阻力產(chǎn)生，葉片對擋桿有撞擊；隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的提高，離心力加大使葉片偏擺角度減小，葉片對擋桿的撞擊結(jié)束，使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力矩由阻力轉(zhuǎn)向升力產(chǎn)生，風(fēng)速達(dá)到工作風(fēng)速后，風(fēng)輪工作在升力狀態(tài)，葉片僅有很小角度偏擺。

在正常使用時，平衡桿、平衡錘、離心擺桿、離心錘的位置調(diào)好后，一般不再更改，對于批量生產(chǎn)的定型產(chǎn)品可把平衡錘與離心錘合而為一，使結(jié)構(gòu)更簡單，兩錘合一在力學(xué)上計算是非常簡單的。圖9便是只有單一擺桿與重錘的控擺構(gòu)件，重錘是平衡錘與離心錘的合成體。

圖10是裝有單一擺桿離心錘的葉片構(gòu)成的風(fēng)輪。

圖11是離心力直接調(diào)節(jié)葉片攻角的垂直軸風(fēng)力機(jī)效果圖。

下面是這個離心力直接調(diào)節(jié)葉片攻角的垂直軸風(fēng)力機(jī)動畫。動畫格式： .mp4，分辨率：800x600。

優(yōu)點：從機(jī)械性能上講，采用離心力與風(fēng)力直接調(diào)節(jié)葉片攻角的垂直軸風(fēng)力機(jī)運動副最少、制造安裝與維護(hù)簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。

能自起動，迅速進(jìn)入正常的運行狀態(tài)。

重要的是離心控擺方式改善了風(fēng)力機(jī)的氣動性能，由于葉片的擺動角度是風(fēng)力與離心力動態(tài)平衡的位置，可以實時應(yīng)對風(fēng)速與負(fù)荷的突變，應(yīng)對脈動風(fēng)；在風(fēng)速突然增加或風(fēng)力機(jī)負(fù)荷突然增加（風(fēng)輪轉(zhuǎn)速大幅下降）時，葉片能實時調(diào)整角度避免在失速狀態(tài)下工作。

缺點：要求葉片與控擺機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量盡量小，對于重錘與擺桿的選擇很重要，目前主要采用實驗方式選擇。

離心力直接控制葉片擺動的方法適用于中小型升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)。