為什麼大多數風力發電或電扇等裝置都是三片葉子? | 知乎問答精選

 

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為什麼大多數風力發電或電扇等裝置都是三片葉子?

2019年05月01日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 5 ℃ 次

【魏晉的回答(25票)】:

工業界主流型號風力發電機的葉片數都是3片,這是多種因素綜合考慮及作用下的最優結果,其中的主要因素即為空氣動力學效率和結構複雜程度之間的優化與平衡,而後者決定了製造與維護成本這一重要指標。

根據Betz的Elementary Momentum Theory,流體機械理論上最多能夠捕獲流過一個截面的氣流所攜帶的16/27約59.3%的動能。這一理論決定了風力發電機葉輪的能量轉化效率上限。

風力發電機葉輪的效率一般標記為

,某一時刻葉輪

的決定因素包括但不限於以下的葉輪參數:

  • 葉片數目;
  • 葉片展向形狀;
  • 葉片翼型(aerofoil);
  • 葉片扭轉角度等。

以及葉輪具體的工作狀態,包括葉尖風速比

(葉片葉尖的線速度與風速的比值)與葉片pitch角

的非線性函數:

,這一函數曲線的具體形狀是由上面所列的幾點決定的。在以下的討論中均假設葉片

角處在最優,略去這個變量。

葉輪的效率存在最優值。從歷史的角度講,現代三葉片風機的最優

達到了最高水平,約為0.48~0.49。下圖來自Erich Hau的Wind Turbines, 2nd Ed.

進一步地,我們可以從下圖中看出葉片數目對進一步地,我們可以從下圖中看出葉片數目對

的影響:

可以看出來,雖然隨著數目增加,最優可以看出來,雖然隨著數目增加,最優

也處於增加趨勢,但相比3葉片之於2葉片的提升,4葉片之於3葉片的提升已經非常有限了,從成本的角度上講,不值得為一點點效率的提升增加一根葉片以及相應的支撐與變槳機構。

多葉片的優勢在於較大的力矩轉化效率,所以可以理解老式的風機都有較多的葉片,從而可以推動沉重的石磨等原始機械。但從能量轉化效率來講,提升非常有限,而且一些現代多葉片風機的效率反而低於3葉片風機,這與葉片繞流的互相干擾等因素有關。

接下來要回答的是,為什麼3葉片相比2葉片是個更好的選擇。這主要由以下因素決定:

  • 3葉片風機速度較低

從第二圖上可以看到,2葉片風機要達到最優

需要較大的最佳葉尖風速比

,3葉片風機在7~8之間,而2葉片風機就需要10~11了。我們可以做一個簡單的計算。如果當地風速為10m/s,葉片長度(包括Hub的半徑)為50米,兩種構型風機的最佳

分別取7.5,10.5,則風機的對應轉速為:

前者為14.32rpm,後者則為20.05rpm。也就是說2葉片構型的轉速要比3葉片構型快很多,這就意味著更強的葉片結構(以承受離心力帶來的載荷),更高的軸系強度要求(力矩載荷相當但速度更快),更高的噪音水平,等等。這會帶來成本的全面上升。

  • 3葉片風機力矩轉化效率更高,適用於各種風速

從下圖可以看出,3葉片風機在較低的葉尖風速比

下即有較好的力矩轉化效率,意味著在低風速的情況下,葉輪即能夠產生足夠的力矩來推動其本身及整個轉動鏈。目前工業界主流風機均能在4m/s的弱風下開始並網發電。而2葉片風機在低

下產生的力矩很小,要在較高風速下才能啟動,這是追求最大化利用小時數的風電工業所不能接受的。

  • 其它因素,如3葉片氣動載荷更加對稱等。視覺上旋轉的3葉片比也2葉片優雅很多,但這只是一個好的附加結果而非決定因素。

綜上分析,可以簡單歸納如下:

  • 低葉片數目即能帶來不低的氣動效率,在大於等於3片時,葉片增加已經很難再提高效率反而會進一步增加成本;
  • 葉片數目少於3片時,雖然節省了葉片,但結構上必需相應增強且可利用小時數下降,同樣增加成本、降低效益。

【溯光的回答(11票)】:

課件上是這麼說的:

簡言之,就是——簡言之,就是——

1、單葉片型式:

  • 同尺寸下,為獲得同樣多的能量,單葉片型式需要更高轉速,與此同時,這意味著更多的噪音、視覺污染,更大的生態影響;
  • 回轉不平衡,需要配重,高轉速帶來的好處——更低變比的齒輪箱、更輕的質量被削弱了;
  • 效率低。

故而,並無成本優勢。

2、雙葉片型式:

  • 利弊跟單葉片型式相似;

3、三葉片型式:

  • 能夠實現自身動平衡,轉速較低,噪音低,不容易被鳥撞到。

4、更多葉片:

  • 轉速低,需要高變比齒輪箱,重,給製造、安裝、運行、維護帶來麻煩;容易撞鳥,哦,不,是鳥撞。(葉片尺寸都比較大,直徑可達數十米。)

綜上,三葉最合適。

【子非魚的回答(9票)】:

事實上,也曾出現過一個葉片和兩個葉片的風力發電機。但現代風力機的最普遍葉片數量是三片,是設計過程中各種方面和參數相妥協的結果。這些方面包括,但不僅限於:空氣動力學,能量轉換效率,製造以及維護成本,系統可靠性,噪音,美觀。

從技術參數上簡單的分析,較多的葉片數可以:

(1)增加機械轉矩;

(2)增加輸出功率;

但較多的葉片數同時會:

(3)降低最大旋轉速度;

(4)帶來更沉重的製造成本,維修也更加複雜困難。

因此葉片數量多的電機更適合運行在低轉速的場所,例如:水泵和打磨穀物的電機。

風力發電機則期望葉片能旋轉在相對更高的速度,這樣位於葉片中心(桿塔頂部)的發電機的體積不需要製造的很大就可以滿足電網頻率的要求。

另外,通常在高度越高的地方風速越大。由於風力發電機的桿塔很高,葉片也很長(40m-60m*)。旋轉到高處的葉片和旋轉到低處的葉片所承受的風速有明顯的差距。

如果發電機僅兩片葉片,那麼當葉片旋轉到一個位於高處,一個位於低處時,他們的受力明顯不夠均勻,因而需要設計更加堅強穩固的桿塔來托起發電機和葉片。而三片葉片的發電機則能在一定程度上緩解這種不平衡,因此運行起來較為平穩平滑。平穩平滑意味著較少的噪聲,較低的磨損。

* 數據來源:Why Are Wind Turbines Getting Bigger? | Terra Magnetica

【石夢珂的回答(2票)】:

可以參考一下這個搜搜 wenwen.soso.com/z/q2171

現在三片的多主要是從經濟上考慮的,三片設計和平衡都比較簡單

實際上以性能為主的風扇(比如電腦機箱風扇)葉片數目都遠大於三

【李松澤的回答(3票)】:

其實三葉的風電機有很多缺陷,效率不高,另外葉片可能會導致導致扭力不增加反倒使正面推力增加,使支柱受力大。現在有 垂直軸風力發電機,可以解決上述問題,還可以方便解決風向不同問題,而不用像扇葉發電機那樣像直升機槳似的調節漿距,結構簡單。

【旅人的回答(0票)】:

美觀,載荷均衡

【頂風的回答(0票)】:

成本和效率的完美契合點。就如同人有五根手指一樣。最終都要服從基本的物理和數學法則。

標籤:-物理學 -風能及風力發電 -電器


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