为什么常见的风机只有3个叶片

提到风车,我们最熟知的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

而中国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,风能是中国古代社会重要的动力来源,在宋应星的《天工开物》和方以智的《物理小识》中,都有“扬郡以风帆数扇,俟风转车,风息则止”、“用风帆六幅,车水灌田,淮阳海皆为之”等相关记载。古人通过风帆、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。

模拟用于灌溉农田的中国古代风车

明代以后风车广泛应用在农田灌溉、排水等方面。当然,随着技术发展,现代农业灌溉已不需要风车,一台水泵就能轻松搞定几十亩地的水田灌溉问题。边锋机械集团凭借在泵行业三十余年的深耕,旗下自吸泵、电动隔膜泵等产品,都在农业灌溉中有着不俗的表现。

说回正题,以上都说明了风车在人类历史存在已久,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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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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首先,从发电功率的角度进行分析:

P(机械功率)=T(转矩)×n(转速)/9.55

也就是说机械功率与两个参数有关,一个是风轮的转矩,另外一个是风轮的转速。

(注:风轮的转矩,是机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形,故又称为“扭矩”。简单的说,就是转动风轮所需要的力量的大小。)

在设计功率确定的情况下,风轮转矩越高,则风轮转速就越低;风轮转矩越低,则风轮转速越高。

那我们是选择高转矩还是低转矩比较好??

在设计功率确定的情况下,获取同样的机械功率,转速越高,叶尖速比就越大,转矩就越低,制造成本就越低。

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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综上,风力发电机组采用3个叶片的形式,实现了机械稳定性、发电效率、制造和安装可行性以及成本和收益的最佳平衡,为实际运用最佳实施方案。

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