水平轴风轮的结构发展历程1．引言风轮是将风能转换为机械功的动力机械，又称风力机。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。许多世纪以来，它同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。近代机电动力的广泛应用以及20世纪50年代中东油田的发现,使风力机的发展缓慢下来。70年代初期,由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。2．水平轴风轮的结构水平轴风轮是指轴线的安装位置与水平面平行的风轮，多用于水平轴风力发电机上，是现代水平轴风力发电机的重要组成部件，起着将风能转化为机械能的作用。风轮机主要组成部件有：叶轮，将风能转化为机械能；传动系统，将叶轮的转速提升到发电机额定的转速；发电机，将叶轮获得的机械能在转化为电能；偏航系统，使叶轮可靠的迎风转动并解缆；其它部件，如塔架，机舱等。水平轴风轮按风轮位置可分上风向和下风向风轮。上风向风轮安装在塔架前面，有利于避免塔架背后塔影效应的影响。上风向风轮需要有调向装置以便使风平行流过旋转轴方向。下风向风轮安装在塔架的后面，其最大的缺点是叶片通过它应会造成风力波动，引起更大的疲劳载荷。理论上，下风向风轮可以不安装调向装置，风轮和机舱将被动的随着风向变化而变化。然而这会引起陀螺载荷，且当风轮在一个方向上偏航很长时间时，会妨碍电缆的解缆而造成绞缆。而根据风轮的变速方式可讲风轮分为定桨风力机，变桨风力机。定桨型风力机主要是为了解决风力机并网问题和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、偏航与自动解缆技术等。变桨距风力机具有可良好的启动和启动刹车性能，并网后可将功率极限限制在额定的范围内。主动失速型风力机是针对变桨风力机的发展，通过变桨控制让叶片主动进入失速攻角，使风轮随着风速增大而效率下降，从而使风轮保持在一定的额定转速下。在不同时期水平轴风力机的结构上发展多是在如上结构上的增减或改进，使用材料上的变化，逐步形成了现代风力机的结构样式。3．水平轴风轮的发展风车最早出现在波斯，起初是立轴翼板式风车，用于研磨谷物，后又发明了水平轴风车。13世纪左右，风车由西亚传入欧洲。风车传入欧洲后，15世纪在欧洲已得到广泛应用。在荷兰，风车先用于莱茵河三角洲湖地汲水，以后用于榨油和锯木。荷兰人发明了水平轴风车。荷兰风车有着不同的设计，从原先的杆形风车到后期只有顶端旋转并保持叶片与风向垂直的风车，也就是早起的水平轴风车。这种可以泵抽大量水的大型机械直径达25m，几乎全用木头制造，甚至螺旋桨、阿基米德螺钉也是用木头制作的，在空气动力学方面叶片也是非常精细的。依靠一根系在木梁顶端的绳子，绞车能够将风车的顶部从地面旋转上来，所以转子能与风向垂直。1759年，英国人JohnSmeaton在著名的荷兰风力磨坊上把效率提高到Cp=0.28。这种风力磨坊一般有四只转动的叶片，有些风力磨坊设计选用五只、六只或八只叶片。叶片用衡量和板条制成，上面绷紧一块帆布，帆布能够根据风力大小或多或少的展开。帆布随风力的大小伸展，改变了对能量转换起决定作用的受风面积的大小，并且有效的保护了设备，避免了过高的功率消耗。在18世纪中期，为了更好地进行功率限制，人们认识到了旋转叶片的重要性，发明了“合页”式叶片叶轮。合叶式叶片的运动部件像百叶窗，在弹簧的作用下，“合页”停留在有效的动力学位置上，直到风压达到或超过一定值，“合页”推开，起作用的风轮表面积明显减少。在蒸汽机出现之前，风力机械是动力机械的一大支柱。18到19世纪的欧洲，有数十万台风力机在运行，主要用于谷物磨坊和提水灌溉。当时在美国，成百万的多页片式风力机用于泵水，风轮直径为3-6m，功率为500-1000W，其中的150000台至今仍可见到。由于叶片数量较多（根据直径大小，每个风轮可达到或超过30片叶片），多叶片风轮的转速相对较低，能产生较大的转矩，可以直接驱动活塞泵进行泵水。风轮后安装了尾翼，在尾翼的...