风轮的实度

风轮的实度
Rotor Solidity
2012年2月25日修改部分文字
在“风力机基础知识”一节中介绍了风轮实度的概念：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（实度比、容积比），是风力机的一个参考数据。 下图是几种水平轴风力机叶轮，绘有单叶片、双叶片、三叶片、多叶片四种叶轮的示意图，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为实度比，
在图1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。
图1－单叶片至多叶片的风轮实度
目前大多数水平轴风力发电机的风轮采用3叶片形式，只有一些农用抽水风力机采用多叶片的形式。 一些初接触风力发电机的人常发出疑问，认为三个细细的叶片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。也有些人设计一些高实度风力机，甚至前后两级高实度风轮的风力机，认为是风能利用率很高的风力机，其实高实度的风轮不一定能提高风能利用率，结果可能相反。 我们通过图2来作简单的解释：图中上部分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，由于速度变慢气流向四周发散，就有图中所示的气体发散的流动曲线。举个例子，一队人马（按2列排列）沿路跑步，经过某点时的人速度减慢为原来的二分之一，在该点后这些减慢的人群将变为4列才能保持原有间距，将占用更宽的路面。
图2－三叶片与多叶片的气流示意图
图2下部分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，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。 能不能不让气流绕过叶轮呢，那只有将风轮外围的风挡住（图3），设立一个风坝，风坝中开有气流通道,风轮安装在气流通道中,这样气流就不会绕过风轮，由于风坝造成坝前与坝后有较大的压差，进入通道内的气流速度会比原风速提高许多，气流通过实度较大的风轮时也减速不多，若风坝够大，还可再增加一级风轮叶片来提高风能利用率。 如果仅从风坝前来风速度与风轮面积来计算风能利用率肯定超过贝茨极限，实际上应该把整个风坝的面积作为受风面积，这样算来风能利用率就很小了，而且建立风坝会使成本大大增加，没有实际应用价值，除非有现成的物体或建筑物充当风坝，由于这样的风坝不会随风向转动的，也只能应用在风向长期较稳定的地方。
图3－风道内的风涡轮示意图
在风轮外周安装扩散器，可以提高扩散器内的风速，也可适当增加风轮的实度，有关扩散器的应用见扩散放大器风力机一节。 低实度少叶片风轮是不是让绝大部分气流漏掉了呢？如果风轮没有旋转，风叶是静止的，绝大部分气流确实漏掉了，但在风轮高速旋转时，情况就不同了。低实度风力机运转速度较高，叶片线速度较风速高许多倍，在气流通过叶轮厚度这段时间里，叶轮旋转了较大的角度，所有叶片扫过了大部分通过叶轮的气流，也就是说通过叶轮的大部分气流都对叶轮做了功，所以低实度少叶片的风轮在高速旋转时可获得较多的风能。 而实度比过高的风轮，不但阻碍了气流的通过，旋转叶片的尾流还造成叶片间的相互影响、另外叶片失速等问题都会降低风力机的效率。 选取多少叶片合适，国内外做了大量实验，图4是从单叶片到五叶片水平轴风力机的风能利用系数曲线图。横坐标是叶尖速比，叶尖速比是风轮叶片尖端线速度与进风轮前的风速之比；纵坐标是风能利用系数（功率系数），风能利用系数是风力机获得的功率与通过风力机叶片扫掠面积的风功率的比值。
图4－单叶片到五叶片的风能利用系数曲线图
从风能利用系数曲线图中看到5叶片到3叶片都有较高的最大风能利用系数，但5叶片与4叶片在最大风能利用系数时尖速比范围较小（即可用风速范围较小）。由于风力发电机希望转速高（可减小齿轮箱的增速比），还要在较宽的风速范围都能获得高的风能利用系数，也就是要能在较宽的叶尖速比范围工作，而且以合适的高转速运转，所以二、三、四叶片是风力发电机常用的选择，用得最多的是三叶片，这也就是“一根杆子三根针”的结构。当然选择三个叶片还有风力机结构强度、制造成本、噪音、外观等原因。 多叶片风轮的实度大，风能利用率相对低一些，在图5中左侧示意多叶片风轮的风能利用系数曲线，它的叶尖速比范围也小（不超过2）。但多叶片风轮也有优点，同样直径的风轮比少叶片风轮输出力矩大得多，而且低风速起动能力很强，所以在农村抽水、碾磨中用得较多。在风速稳定的地区特别是低风速地区，根据不同用途，采用4至8个叶片的风力机有可能获得较好的风能利用效果。
图5－双叶片到多叶片的风能利用系数示意图
以上只是简单的介绍了风轮的实度与风能利用系数的基本常识，实际情况要复杂些，相同叶片数的风轮也会因叶片弦长（叶片宽度）不同而风轮实度不同，同时叶片的攻角、形状都直接影响风力机的风能利用系数。