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为什么大多数风力发电或电扇等装置都是三片叶子？
发布时间：2015-05-18     来源： 知乎每日精选
本文摘要：工业界主流型号风力发电机的叶片数都是3片，这是多种因素综合考虑及作用下的最优结果，其中的主要因素即为空气动力学效率和结构复杂程度之间的优化与平衡，而后者决定了制造与维护成本这一重要指标。

　　工业界主流型号风力发电机的叶片数都是3片，这是多种因素综合考虑及作用下的最优结果，其中的主要因素即为空气动力学效率和结构复杂程度之间的优化与平衡，而后者决定了制造与维护成本这一重要指标。
 
　　根据Betz的ElementaryMomentumTheory，流体机械理论上最多能够捕获流过一个截面的气流所携带的16/27约59.3%的动能。这一理论决定了风力发电机叶轮的能量转化效率上限。
 
　　风力发电机叶轮的效率一般标记为，某一时刻叶轮的决定因素包括但不限于以下的叶轮参数：
 
 
　　叶片数目；
 
　　叶片展向形状；
 
　　叶片翼型(aerofoil)；
 
　　叶片扭转角度等。
 
　　以及叶轮具体的工作状态，包括叶尖风速比（叶片叶尖的线速度与风速的比值）与叶片pitch角。是与的非线性函数：，这一函数曲线的具体形状是由上面所列的几点决定的。在以下的讨论中均假设叶片角处在最优，略去这个变量。
 
　　叶轮的效率存在最优值。从历史的角度讲，现代三叶片风机的最优达到了最高水平，约为0.48~0.49。下图来自ErichHau的WindTurbines,2ndEd.

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　　进一步地，我们可以从下图中看出叶片数目对进一步地，我们可以从下图中看出叶片数目对的影响：

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　　可以看出来，虽然随着数目增加，最优可以看出来，虽然随着数目增加，最优也处于增加趋势，但相比3叶片之于2叶片的提升，4叶片之于3叶片的提升已经非常有限了，从成本的角度上讲，不值得为一点点效率的提升增加一根叶片以及相应的支撑与变桨机构。
 
　　多叶片的优势在于较大的力矩转化效率，所以可以理解老式的风机都有较多的叶片，从而可以推动沉重的石磨等原始机械。但从能量转化效率来讲，提升非常有限，而且一些现代多叶片风机的效率反而低于3叶片风机，这与叶片绕流的互相干扰等因素有关。
 
　　接下来要回答的是，为什么3叶片相比2叶片是个更好的选择。这主要由以下因素决定：
 
　　3叶片风机速度较低
 
　　从第二图上可以看到，2叶片风机要达到最优需要较大的最佳叶尖风速比，3叶片风机在7~8之间，而2叶片风机就需要10~11了。我们可以做一个简单的计算。如果当地风速为10m/s，叶片长度（包括Hub的半径）为50米，两种构型风机的最佳分别取7.5，10.5，则风机的对应转速为：
 
　　前者为14.32rpm，后者则为20.05rpm。也就是说2叶片构型的转速要比3叶片构型快很多，这就意味着更强的叶片结构（以承受离心力带来的载荷），更高的轴系强度要求（力矩载荷相当但速度更快），更高的噪音水平，等等。这会带来成本的全面上升。
 
　　3叶片风机力矩转化效率更高，适用于各种风速
 
　　从下图可以看出，3叶片风机在较低的叶尖风速比下即有较好的力矩转化效率，意味着在低风速的情况下，叶轮即能够产生足够的力矩来推动其本身及整个转动链。目前工业界主流风机均能在4m/s的弱风下开始并网发电。而2叶片风机在低下产生的力矩很小，要在较高风速下才能启动，这是追求最大化利用小时数的风电工业所不能接受的。
 
　　其它因素，如3叶片气动载荷更加对称等。视觉上旋转的3叶片比也2叶片优雅很多，但这只是一个好的附加结果而非决定因素。
 
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　　综上分析，可以简单归纳如下：
 
　　低叶片数目即能带来不低的气动效率，在大于等于3片时，叶片增加已经很难再提高效率反而会进一步增加成本；
 
　　叶片数目少于3片时，虽然节省了叶片，但结构上必需相应增强且可利用小时数下降，同样增加成本、降低效益。


 
关键词：风电技术 风电叶片

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