科学瞎想系列之七 大风车为什么大多为三个叶片

随着风力发电的火热,众多的大风车如雨后春笋拔地而起,成为一道道靓丽的风景,看风车甚至成了重要的旅游项目。有很多人纳闷,为什么大风车都是三个叶片?叶片之间有那么大的空隙,这不是白白让大风从这巨大的空隙中溜走减小了风能的捕捉吗?如果多加几个叶片或把每个叶片加宽些,岂不能够捕捉到更多的风能? 哈哈,你的担心多余了,风电工程师们没有那么傻!风轮的设计、用几个叶片、叶片宽度多少什么翼型等参数是许多方面因素共同决定的,远不是非专业人员想象的那么简单! 首先,有个叫贝兹的老先生在1919年就证明了风轮从风中捕捉到的风功率占风含功率比值(称为风能利用系数Cp)的理论极限值是16/27,无论你是什么样的风轮,是垂直轴的还是水平轴的、几个叶片的等等都不会超过这个极限值,只能是无限的接近极限值。风轮设计的好坏很大程度上就看这个Cp,越接近16/27越好。 其次,对于一个已经制造好了的风轮,在一定风速下有一个能够捕捉最多风能的最佳转速,不同叶片数目,这个转速不同,通常叶片越多最佳转速越低,但捕捉的最大风能基本与叶片数目无关。因此大风车的叶片数目理论上是可以任意选取的,事实上确实存在两个叶片、四个甚至更多叶片、还有极个别的一个叶片的。由于捕捉的风能基本一样,叶片越多最佳转速越低,所以通常在需要大转矩低转速的场合(如提水风车等)往往设计成多叶片,而高转速小扭矩的场合设计成少叶片。 第三,风力发电机组的风轮之所以设计成三个叶片、以及叶片翼型和宽度等参数是统筹考虑了整个机组及其内部设备所适应的最佳转速配合、固有振动频率、载荷、综合成本、视觉美观等多方面因素综合权衡得到的,是综合性价比决定的结果。

原文发布于微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e)

原文发表时间:2016-12-08

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