• 小知识大学问!为什么常见的风机只有3个叶片?

    2023-04-07

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    一叶风机看不见

    两叶风机很少见

    三叶风机到处见

    ......

    为什么常见的风机只有3个叶片呢?


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    Q

    那2个、4个、6个叶片的风机

    有没有呢??

    A

    答案当然是有的。

    “扬郡以风帆数扇,俟风转车,风息则止。”——宋应星《天工开物》“用风帆六幅,车水灌田,淮阳海皆为之。”——方以智《物理小识》

    人类利用风能作为能源已经有数千年的历史,在蒸汽机发明之前,风能是重要的动力来源,通过风帆、风车等形式借助风能实现船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面、锯木等。郑和和他庞大的风帆船队七下西洋,明代以后风车广泛应用在农田灌溉、排水等方面,都说明了中国早就掌握了风帆、风车技术的制造和运用。

    模拟用于灌溉农田的中国古代风车

    但我们最熟知的风车还是来自发达国家荷兰的大风车,这些大风车利用风能转化为动力起到排水、碾压农作物、加工各种原材料等作用,也形成了荷兰专属的文化标志。

    荷兰风车

    但无论是我们对荷兰大风车的印象,还是根据中国的史料记载,利用风能的风车可以是4个叶片、6个叶片甚至更多,为什么现代利用风力发电的风机基本上都只有3个叶片呢?

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    来来来,一起探讨其中的奥秘吧

    我们知道设计制造和运行风力发电机组,其目的是在同等风资源条件下,以最小的投资获取最大的收益,说白了就是要尽可能降低风机的成本、最大限度提高发电量。

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    那我们是选择高转矩还是低转矩比较好??

    风机结构图

    因此我们要尽可能降低转矩、提高叶尖速比,取得更大的风能利用系数,获取更大的发电量。

    转矩是随着叶片数量的增加而增加。在实际应用中,3个叶片与4个叶片或更多叶片相比,3个叶片的转矩是最低的。叶片越少,转速越高,叶尖速比就越高。

    那2个叶片的风机

    不是转速越高、叶尖速比越高?

    2个叶片的风机

    当然。但我们需要考虑的是:虽然使用2个叶片可以获取最大的叶尖速比,但是发电效率却下降了,因为使用2个叶片的转矩较低,而在低风速下,较低的转矩达不到发电的转速,就没有功率输出。其次,叶片越少,额定转速越高,转速高到一定程度,叶尖的圆周线速度很大,引起风阻也大,阻力矩限制了发电功率和转速的进一步提高。

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    另外,2个叶片的风机又由于叶片间空隙大,所以捕风效率不如3个叶片的风机。为了提高捕风效率,2个叶片风机的转子转速通常比3个叶片高,也会使风机噪音增大、视觉影响放大。

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    所以,叶片太少也不好。那4个叶片甚至更多叶片的风机呢?

    3个叶片便于风机保持平衡,当叶片数目过多,风机平衡起来较困难,而且造价高。多叶风机由于阻力较大,会产生干扰叶片旋转的不利因素,降低能量的转化率。

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    所以,使用3个叶片的风机可以获得最佳叶尖速比,进而实现最大限度的能量获取,实现最大发电效率,同时具有好平衡、低成本的优点,经过长时间的验证,3个叶片的风机便成了如今最普遍的风机形式。

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    来源:上海国际自然保护周
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