为什么风力涡轮机有三个窄叶片,而吊扇有五个宽叶片?

桑迪亚国家实验室风能技术部门技术人员 Dale E. Berg 回答

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风力涡轮机叶片和吊扇叶片之间的差异源于对比鲜明的设计标准:风力涡轮机旨在捕获高速风以高效发电;吊扇需要以低速移动空气,并使用廉价的组件。

为了降低传动系统的成本,风力涡轮机必须捕获快速移动空气中的能量,并以相对较高的速度旋转——在限制范围内,以避免产生过度的噪音。(缓慢的旋转会增加扭矩,并需要更重且更昂贵的传动系统组件。)这种高效的能量转换决定了使用升力型涡轮机叶片,类似于飞机机翼,具有扭曲和锥形的翼型形状。叶片设计在风中产生压力差——一侧高压,另一侧低压——从而导致叶片转动。结构和经济因素的结合推动了大多数风力涡轮机上使用三个细长叶片——使用一个或两个叶片意味着更复杂的结构动力学,而更多叶片意味着叶片和叶片与涡轮机的连接件的费用更高。

另一方面,吊扇的制造目的是通过轻柔地移动空气来保持房间内人员的舒适度。其工程师致力于在风扇以低速旋转(出于安全原因)时最大限度地减少噪音,并保持较低的建造成本,从而降低购买价格。能源效率不是首要考虑因素,因为运行成本不高——一个典型的吊扇每天运行 24 小时,每月消耗约 60 千瓦时,平均电费约为 6 美元。因此,大多数吊扇都采用了效率相对较低的阻力装置叶片;旋转倾斜的叶片将空气垂直推出。宽而扁平的叶片制造成本低廉,并且作为阻力装置效果良好。叶片越多越好,但要适可而止,通常四到五个叶片的布局是权衡效率和成本的结果。


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2001 年《机械工程》杂志上的一篇文章记录了一个名叫丹尼·帕克的人为创造更高效的吊扇而进行的探索。帕克最初的叶片原型看起来很像风力涡轮机叶片,但最终结果(由于制造、安全和运行方面的考虑)是标准吊扇叶片和风力涡轮机叶片之间的混合体。

注意:此问题由宾夕法尼亚州斯特劳兹堡的 J. Lester 提交,并刊登在 2009 年 2 月的《大众科学》杂志上。

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