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为什么风力发电机的扇叶那么窄?会不会漏掉很

作者:下载ag娱乐 发布时间:2020-05-16 17:31 点击:

  风力机不是封闭轨道中的涡轮机. 所以, 不能做到涡轮机, 燃气轮机的轮机部分的90%以上的机械输出效率,

  一个极端, 完全堵死. 一面墙, 那么所有的风都绕路走了, 发出的能量为0.

  另一个极端, 是全放开, 所有的风都从风力机扫过的区域走, 但是一点没有留给机组, 也还是0.

  高级税收官Betz(贝兹)通过理论计算, 算出, 12m/s的风速(大约40km/小时), 如果通过风力机降到8m/s (即风速降低1/3) 时, 吸收的能量最大, 可以达到59.3%(所谓贝茨极限), 目前国内外宣传做到45~55%的都有.

  第二点, 风力机是升力型原理 --- 这一点, 恐怕自己推导一遍动量叶素理论BEMT, 才会有更深刻的理解. 这个对于窄叶片的解释不全对, 甚至说完全不对.

  更正的方式是: 亚音速的气体, 能量传递的速度是音速,叶片通过的区域更像割韭菜,不仅可以割到当时一秒钟瞬间通过的气体的能量 , 而且可以割到前后大约1秒钟范围的通过的气体的能量(也就是说说气体的压力与速度根据伯努利方程相互转化)叶片通过的瞬间, 把前后1秒钟的能量都吸收走了, 然后这一片风的整体降速.(还是用税收来理解, 叶片经过的瞬间把这一家的税收收走, 他家形成压力低地, 就把周围各家的钱都借来交税了, 而且各家说好了, 谁被收税大家都互相支援, 或者说各家通过压力梯度和速度梯度用橡皮筋绑在了一起, 这家不交, 其他家也走不快,所以大家愿意交点税)

  --- 第二个设定, 亚音速气体能量传递速度高于气体运动速度, 所以这些气体是一个集体, 针对任何集体中的个体收税, 都可以把合理的税收部分都收上来, 而不必挨家挨户的拜访每一个气体分子.

  第三点, 风力机运行的时候, 扫风面积很大, 在被收税的气体分子眼中, 和整个圆形区域没本质区别;

  但是在风力机停机的时候, 在台风的眼中和破坏性的大风眼中, 风力机希望自己越小越好, 所以叶片要窄, 要细, 而且可以通过顺桨再细一点.

  还拿税收说事: 当气体分子出现怒气, 无法交税的时候, 比如叙利亚, 收税部门希望自己越小越好, 最好大家找不到自己头上, 于是觉得窄叶片, 高转速, 这种割韭菜方法才是最好的,

  ---- 第三个设定: 为了自身安全考虑,窄叶片, 高转速, 在大风速下, 更安全.

  最后一点, 为什么不更窄一点? 结构受不了. 结构工程师的20年疲劳寿命扛不住, 不能学习林黛玉弱不禁风,

  首先申明,本人不是段子手,只是最近段子看多了,发下感慨。那些心态不正点赞的,请收回你们的赞。

  提一下,有些同学对风吹动风力机旋转有些误解,叶片不是靠风正面吹板子提供动力的,有疑惑的同学可以先了解下阻力型风机和升力型风机。下次更新带来详细解答。

  现在才用的三页片和低宽度(实度),在旋转起来的情况下,能够最大限度的吸收风能。叶片设置的宽了,反而影响气流通过叶片旋转平面,不利于风能的吸收,通过风轮旋转平面前风速v1与平面后风速v2以一定比例时,其效率最高,为59.3%。

  相比较而言,所谓的节省材料,费用啊,载荷问题都不是主要问题。关键还是采用这种形式吸收效率较高。有兴趣可以搜索下贝茨理论,叶素理论。

  甚谁回答的内容是对的,但引用的原文里有个小错误,“气流通过叶轮做功后速度减慢,气流体积有所增大”,这是不对的,Betz’s Elementary Momentum Theory就是根据质量守恒推出来的,应为低速情况下等效的cross section变大。补充一些个人理解。

  如果风机是停机状态的,那自然是大多数的风从叶片中间漏过去了;但在正常工作的情况下,从相对运动的角度看,取一个特定的时间

  ,不妨就是1秒,这个时间内吹过叶轮扫掠圆盘的风可以看成一个圆柱,风机叶片是在绕轴旋转的,叶尖在这个空气圆柱的表面上划过了一条螺旋线。

  纯粹理论上讲,叶片越多扫掠过的空气体积越多,效率越接近Betz理论上限;但由于密实度增加带来的问题,不光是绕流阻力,还有tip loss等,到了一定数目后增加叶片反而会导致效率降低。

  下边是我查到的资料。由于不是自己写的,就直接贴上来吧。我想这个才是主要原因。

  先介绍一个有关风力发电机叶片数目的概念——风轮实度。风力机叶片(在风向投影)的总面积与风通过风轮的面积(风轮扫掠面积)之比称为实度(或称实度比、容积比)。图2是单叶片、双叶片、三叶片、12叶片四种风轮的示意图,风轮实度的计算方法如下: S为每个叶片对风向的投影面积,R为风轮半径,B为叶片个数,σ为实度 σ=BS/πR2。图1是我们常见的风力发电机外观图。

  图2中从单叶片到三叶片的风轮实度比小,是低实度风轮,12叶片的风轮实度比高,是高实度风轮。从图中看三个细细的叶片似乎让大多数风都漏掉了,为什么不采用多叶片风轮以便接受更多风能呢。图3左图是风通过普通三叶片的气流示意图,气流通过叶轮做功后速度减慢,气流体积有所增大。图3右图是风通过多叶片的气流示意图,多叶片大大增加了气体通过的阻力,气流会分开绕过叶轮流向后方,只有部分气流通过叶轮做功。由于阻力大,通过叶片的风速也会降低,所以叶轮实际得到的风功率减少了,这就是多叶片风力机得不到更多风能的重要原因。

  实际上并不窄,出差拍的现场照片,地上是叶片,两个同事都是180以上身高,每个叶片的迎风面积其实很不得了的,做再宽的话,风力利用率不会上去太多,反而会因为风阻等原因给风电塔筒带来很大的结构上的压力,增加建筑成本和运营风险。

  再增加一张吧,这是我在叶片边上拍的,同事都成小蚂蚁了,这台风电机叶片长度大概是45米左右,宽度有四米(目测值,我不是做风机的,不知道具体数字),而且!这不是国内最大的风电机!这个只是2MW的,国内现在最大的已经有6MW的了,欧洲已经提出了10MW等级风机的解决方案,可惜我还没有这个运气见到。

  新能源技术发展的越来越成熟,受到的关注度也越来越高了,作为在这个行当搬砖的普通人,也是很自豪啊!(歪题了勿怪)

  如果大家对风电感兴趣的话,旅游去南通的风电场看看吧,大海上的风车,美丽的如诗如画。

  贝滋极限那个0.593咋来的很多人说了,我就不啰嗦了,这个数字的来龙去脉搞风电的没有不知道的。

  1,加实度也是增加叶片数量,而不是加大叶片面积,3叶片还有个优势是震动可以很好的被过滤掉。

  2,叶片设计也要按照基本法,早期基本都是NACA翼型做些优化改进,现在的主流不太清楚。叶片大了摩擦力大,湍流,分层什么的,浪费能量。流体力学很深奥,我不是搞叶片设计的,就不乱讲了。

  3,不加实度还有个原因是要配合发电侧,现代的电控技术和成本要求对发电机的工作转速有要求,所以风轮侧不能转太快,也不能太慢。兆瓦级风机主轴需要承受的能量密度很大,实度搞高了扭矩过大不好控制,主轴轴和变速箱也贵。

  4,风机是个工程产物,讲究取舍,性价比和效率,还有一个很关键的是标准,一套工业标准下来,基本上全世界的风机都长差不多样子。

  5,明阳有两叶片的海上风机,2兆瓦还是3兆瓦,很有意思,叶片比三叶片的要肥一些些,转的挺快,齿轮箱应该省了一大笔,就是整个结构设计到后方监控的数据模型与三叶片的完全不一样,成本很高。蛮佩服他们的,只有私人老板的公司,才敢这么勇敢尝试。

  叶片越多,效率不会越高。水平轴风机的极限风能利用效率是59.3%,叫贝茨极限。现在三叶片外形设计已经优化到50%了,这已经很了不起了。剩下大概的9%就靠诸位努力了。

  看我的看我的!!!看了热评,感觉都说了但又抓不住重点。所谓的大小是跟电扇比吗?扇页有两种,具体理论忘记了,但风扇是为了产生更大的风,风力发电是为了更多的利用风能,产生的一个让他旋转的力,也就是通过扇页的弧度产生的向侧面的力。但是风能有一个问题,他吹的面积很大,如果你扇页面积大了,一是向后推的力太大,风力发电机会倒,二是风能利用率太低了(扇页面积大了大部分风能都无法被转换成侧面的推力),具体怎么算可以去读一个文献,这方面的知识是每一篇文献必备的。去年做了一个小型的风力发电机,这部分算是theory一部分,但实在记不太清了。用的电扇风叶,然而效率只有12%。

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  首先感谢@泰姆雷,扇页分为两种,一种是升力型也就是直升飞机螺旋桨和风力发电机使用的扇页。另一种是阻力型,见风扇使用的。

  从图片可以看出来,风大部分直接流过扇页并没有对扇页产生一个垂直的力,但有一部分会对侧面有一个压力,就是这个力让扇页开始旋转继而发电。

  很大有没有,他的侧向压力跟垂直压力比较实在是太小了。而且风扇就是为了产生更大面积的风,因为嫌弃面积不够还增加了摆头的功能,把这玩意换在风力发电机上,不讨论能否立起来(这个是可以通过打深地基,换支架材料,减小风扇面积-整个大的圆面积来做到的,科学就是牺牲某一部分性能来换取你最希望的结果),但实在是效率太低,就像我前面说的,我做的小风力发电机效率只有12%左右,跟最高的50+差距太大了!!

  快毕业时,和一个很熟的老师聊天,说到我们的专业。老师抽了口烟,说道:我要是有孩子,我就让他学点艺术或者学点计算机什么的,管他大学怎么活过来,毕竟他也能学到点东西。像你们这专业搞风电,四年下来学到啥了?还不就知道个59.3?

  狙击手效率高,但是人家一吹冲锋号,wap就不如一把mg42突突突效果好。

  从效果上看,当然是叶片越多面积越大越好。很多所谓的专业人士讲究的效率,有其极限,但是,注意了,是“效率”,单纯从“效果”上来算,你三个叶片产生的风能转化怎么都不如一面风帆。

  叶片表面不能做到极致的光滑,气流划过叶片经过不平整的部分就会产生不可计算的紊乱的力。

  如果叶片像家用电扇那样,感觉上效率会变大,但实际上设备会承受不可计算的震动从而导致损坏。细长结构可以承受较大弹性形变导致这样紊乱的力不能持续冲击设备。

  呵呵,那是你没见到被风吹倒的风机,比起漏掉的风能,能在任何风速下保证安全才是最重要的......

  闲来无聊,刚好看到这个问题,也来凑凑热闹,好多回复都有提到风机的建造工艺(风塔的强度啊,由于叶桨转动带来的周期性的震动啊 等等)所以我就不再这方面再做解释了。

  楼主所问其实是两个问题,我稍微转述一下楼主的问题:(1)为什么风机叶片从基部到顶部叶片宽度越来越窄?;(2)叶片间距这么大,会不会漏风?

  我先回答第二个问题,一般来说现在的风机都是3个叶片,肯定存在风从叶片之间吹过,没有利用到其能量。 按照Betz理论风机的最大风能利用效率CP是16/27 ≈0.59,不过按照Schmitz理论的来说,其风能利用效率在叶片数量无限多,最佳叶尖风速比λD 无穷大时,才近乎与0.59。叶片数量越少,其风能利用率就越低。请看图 ^^ :

  由此可见从能量利用的角度讲风机组叶片的数量,或者说是叶片的迎风总面积的确会影响到风能利用率的。

  好的,回到问题(1),这个问题其实是我们专业课上的一个练习作业,从能量角度推导叶片宽度。我用电脑画了简略的示意图,帮助理解。请看图 ^^

  又因为叶片是由于T的存在,形成了一个力矩M,从而推动叶片旋转做功。所以有

  其中叶尖风速比λD= 根据公式(3)可以画出叶片宽度随长度的变化曲线,如下图所示

  然后又按照Schmitz理论(考虑到气流经过叶片的偏转,所以更加接近于现实条件),下图是Schmitz理论的叶片截面受力分析:

  知乎首答,敲了好久的公式。。。。大部分计算公式无法上传,就只能发插图了。。。

  例如现在一个风力发电机,三叶片直径100米。为了提高效率,我们造一个四叶片直径100米的。(通过优化四叶片效率更高应该可以达到)

  但是你造100米直径四叶片,甚至五叶片的成本,已经可以造120米直径的三叶片了。。。

  虽然四叶片100米直径的风机效率稍高一点。。。但是三风叶120米直径的风机受风面积大,发电量更多呀。

  风电项目绝对不是追求效率最高,而是造价最低,例如我效率低,但是造价100元每千瓦。。。你效率顶天,造价180元每千瓦。有什么用?

  问题中提出的“漏风”在我看来可以理解成能量损失,而叶片窄小换成术语就是“当地实度”过低。

  明确了回答目标后,我们分析,在问题中存在两个风机方向的术语——叶片实度和风机功率。既然涉及到两个名词,那么就必须要对这两个名词做出解释。对于此类科研学型问题,最好的解释就是数学推导,但是数学推导无论对是业内还是对业外的人士来说都是一件相对枯燥的事情,所以,我的回答会在数学推导的基础上,尽量的简化过程,在满足各位读者求知欲的同时,也让这篇回答相对的具有一定科学性。

  首先,我们来介绍风机功率吸收的问题,工程问题往往需要建立简化的模型以供理解,那么根据下图,我们先建立一个理想的单元流管。

  这个理想流管的建立前提有许多假设条件,在这里不再赘述,有深度求知欲的可以翻看任意一本风机空气动力学教材,但必须要了解的是,假设条件中有一条规定,入口压力与出口压力相同,在图中表示为P无穷,受限于答题环境,就不改图了,文字说明一下,左侧为P1右侧为P2。

  在叶轮前后应用伯努利方程,也就是流体力学中最基本的方程,可以得到如下关系,

  式中,Pa和Pb为风轮前后的实际压力,因为空气流经风轮后会发生速率、方向等一系列的变化,所以必须要将这两个参数单独写出。

  上面的推导应用的公式全部都是基本公式和著名定理,不存在理解困难,除了部分没有学过流体力学的人可能对伯努利方程比较陌生,但是这并不影响接下来的阅读。

  那么为什么我们要求出流经风轮的风速呢?这是为了导出一个重要的变量,轴向诱导因子a。

  由于叶的存在片会使迎面来流受阻,那么轴向(即垂直风轮方向)的风速势必减小,那么我们假设这个轴向风速为Va,即可获得定义如下,

  通过这个定义,我们可以知道,轴向风速的大小不仅取决于迎面来流,同时还取决于诱导因子a,而诱导因子a主要取决于叶片的几何形状,或者说叶片的空气动力学性能。

  虽然没有几个公式,但是部分读者看到这里可能就丧失了继续探索的兴趣,不过我要告诉你的是,即便你对上述简单的公式推导不感冒,那么你离最终答案又进了一大步,马上就要揭晓了。

  根据高中学过的能量方程,风轮吸收的能量等于风轮前后气流动能变化量,那么就有下面这个式子了,

  我们将风轮吸收的能量理解为理想状态下风机能够发出的功率,再将往上数第二个式子代入其中,就可以得到下来这种最终的式子,

  好了,我们得出了风机吸收能量,也就是轴功率的表达式,在这个函数中,只有a为变量,其他已知,那么整个函数的趋势就取决于含有a的表达式,它的趋势如图,

  从图中我们看到,功率存在一个极限,它不能无穷增大,a越大,它反而越小了。

  接下来对这个函数进行求导就可以获得函数的极值位置,函数中仅有a为变量,那么对其求导可得,

  上图为1-4a+3a^2的函数图像,利用matlab我们得到结果导函数为0时,a=1和1/3,根据前面的讲解

  到这里我们就求出了风机吸收功率的最大值,这个极值告诉我们,在忽略其他一切环境因素的影响下,风机吸收功率的最大值仅取决于风轮面积和入口风速,如果我们继续往下推导可以推出贝兹极限中的功率系数,不过推到这里已经足够说明问题了,但是我们只是从单方面解决了风机最大轴功率的问题,还是没有将其与实度(叶片宽窄)进行联系,所以我们要继续了解第二个名词——实度。

  在介绍实度之前要简单的说一下叶片空气动力学的计算方法,目前存在几个主流的算法,升力面法、CFD仿真法与叶素动量理论(BEM)等,其中最为简单也是较为常用的是BEM。

  BEM是动量理论和叶素理论的联合应用,这里会涉及到翼型叶片空气动力力学,相关几何推导并不难理解,但是较为枯燥冗长,不适合在这里详细的为大家展开,有兴趣的可以看看相关教材和论文。

  动量定理在高中我们就学习过,很简单,叶素理论也不难。简而言之,叶素理论就是将叶片沿着长度方向切成多段,分别利用翼型空气动力学计算每一段的升力与推力,进而获得整个叶片的推力与转矩,从而求得实际功率。

  ,式中B为叶片数量,c为各段叶素翼型的弦长,r是叶素长度,题主所谓的窄小,就是B小或者c小,理论上如果风轮是满的,那么各段当地实度就是1。那么当地实度与功率是如何联系的呢?

  式中我们知道V1是入口风速,而V0和Cn究竟是什么在本题中不重要,但是实际上非常重要。

  我们可以看到,决定风机吸收功率的轴向诱导因子a取决于当地实度(实际上还取决于其他参数,但是对于本题来说,不必要展开那么详细),从方程我们能看出,在其他变量恒定时,当地实度越大,a越大,通过前面的介绍,我们已知a=1/3时,风机吸收功率就已经达到了极值。

  在这里必须要说明的是,因为我们没有详细的推导BEM,也没有具体展开叶片翼型空气动力学,所以对于V0和Cn这两个重要变量的性质不够了解,但是以上推导已经足以解决题主所问的问题,那就是风机叶片看似窄小,是否会因“漏风”导致能量吸收不足,我给出的结论是,合理的当地实度,会使风机功率上升,但并非越大越好。

  其他影响风机功率的参数有很多,如叶尖损失、叶根损失、桩基与塔架的结构振动、发电机组齿轮箱功率损失、湍流影响、控制策略等,具体的风机研究是一个大方向,不可能仅用几篇文章就说清楚如何让风机获得最大的功率。

  除此之外,在风机叶片的设计制造环节也会考虑其他因素,如安全、成本等,假若实度过大,那么必然会导致风机所受空气轴向载荷升高,这势必引起塔架或叶片的强度破坏,不合理的叶片几何形状同样会导致疲劳破坏等严重问题,同时也会影响发电机组的工作以及实际发电并网的效果,过大的转矩也会造成机组过载和叶片横向折断的严重事故。

  所以,现阶段风机叶片设计并非存在如题主所说的缺陷,同时风机叶片优化设计也是一项重要的工程。

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