2.1　风力机的型式

风力机的种类和式样虽然很多，但按风轮结构和其在气流中的位置，大体可分为两大类：

水平轴式风力机和垂直轴式风力机。

水平轴式风轮机有双叶、三叶、多叶式，顺风式和迎风式，扩散器式和集中器式（图2-1～图2-3）。垂直轴式风轮机有S形单叶片式、S形多叶片式、Darrieus透平、太阳能风力透平、偏导器式（图2-4）。目前主要用水平轴式风轮机。

2.1.1　水平轴式风力发电装置

水平轴式风力机的风轮围绕一根水平轴旋转，工作时，风轮的旋转平面与风向垂直，如图2-5所示。

风轮上的叶片是径向安置的，垂直于旋转轴，与风轮的旋转平面成一角度ф（安装角）。风轮叶片数目的多少视风力机的用途而定，用于风力发电的大型风力机叶片数一般取1～4片（大多为2片或3片），而用于风力提水的小型、微型风力机叶片数一般取12～24片。这是与风轮的高速特性数λ曲线有关。

叶片数多的风力机通常称为低速风力机，它在低速运行时，有较高的风能利用系数和较大的转矩。它的启动力矩大，启动风速低，因而适用于提水。

叶片数少的风力机通常称为高速风力机，它在高速运行时有较高的风能利用系数，但启动风速较高。由于其叶片数很少，在输出同样功率的条件下，比低速风轮要轻得多，因此适用于发电。

水平轴式风力机随风轮与塔架相对位置的不同而有逆风向式与顺风向式两种。风轮在塔架的前面迎风旋转，叫做逆风向风力机；风轮安装在塔架的下风位置则称为顺风向风力机。逆风向风力机必须有某种调向装置来保持风轮总是迎风向，而顺风向风力机则能够自动对准风向，不需要调向装置。缺点是顺风向风力机的部分空气先通过塔架，后吹向风轮，塔架会干扰流向叶片的空气流，造成塔影效应，使风力机性能降低。

水平轴式风力发电机的塔架主要分为管柱型和桁架型两类。管柱型塔架可用木杆、大型钢管和混凝土管柱。小型风力机塔架为了增加抗风压弯矩的能力，可以用缆线来加强；中、大型风力机塔架为了运输方便，可以将钢管分成几段。一般圆柱形塔架对风的阻力较小，特别是对于顺风向风力机，产生紊流的影响要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中、小型风力机上，其优点是造价不高，运输也方便，但这种塔架会对顺风向风力机的桨叶片产生很大的紊流，影响经济性。

2.1.2　垂直轴式风力机

垂直轴式风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转，如图2-6所示。其主要优点是可以接受来自任何方向的风，因而当风向改变时，无需对风。由于不需要调向装置，它们的结构设计得以简化。垂直轴式风力机的另一个突出优点是齿轮箱和发电机可以安装在地面上，运行维修简便。

垂直轴式风力机可有两个主要类别，一类是利用空气动力的阻力做功，典型的结构是S形风轮。它由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，其优点是启动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力。对于较大型的风力机，因为受偏转与安全极限应力的限制，采用这种结构形式比较困难。S形风力机风能利用系数低于高速垂直轴式风力机或水平轴式风力机，在风轮尺寸、质量和成本一定的情况下，提供的功率较低，因而不宜用于发电。

另一类是利用翼形的升力做功，最典型的是达里厄（Darrieus）型风力机。它是法国人Darrieus 1925年发明的，1931年取得专利权。当时这种风力机并没有受到注意，直到20世纪70年代石油危机后，才得到加拿大国家科学研究委员会和美国圣地亚国家实验室的重视，进行了大量的研究。现在是水平轴式风力机的主要竞争者。达里厄风力机有多种形式，如图2-7所示的H形、△形、菱形、Y形和Φ形等。基本上是直叶片和弯叶片两种，以H形风轮和Φ形风轮为典型。叶片具翼形剖面，空气绕叶片流动产生的合力形成转矩。

H形风轮结构简单，但这种结构造成的离心力使叶片在其连接点处产生严重的弯曲应力。另外，直叶片需要采用横杆或拉索支撑，这些支撑将产生气动阻力，降低效率。

Φ形风轮所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力载荷，从而使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力要强，所以对于相同的总强度，Φ形叶片比较轻，运行速度比直叶片高。但Φ形叶片不便采用变桨距方法实现自启动和控制转速。另外，对于高度和直径相同的风轮，Φ形转子比H形转子的扫掠面积要小一些。

目前，主要的两种类型发电风力机中，水平轴式高速风力机占绝大多数，国外还提出了一些新概念型的风能转换装置，还在研究试验阶段。