工業(yè)界主流型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片數(shù)都是3片，這是多種因素綜合考慮及作用下的最優(yōu)結(jié)果，其中的主要因素即為空氣動(dòng)力學(xué)效率和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度之間的優(yōu)化與平衡，而后者決定了制造與維護(hù)成本這一重要指標(biāo)。
根據(jù)Betz的Elementary Momentum Theory，流體機(jī)械理論上最多能夠捕獲流過一個(gè)截面的氣流所攜帶的16/27約59.3%的動(dòng)能。這一理論決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪的能量轉(zhuǎn)化效率上限。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪的效率一般標(biāo)記為，某一時(shí)刻葉輪的決定因素包括但不限于以下的葉輪參數(shù)：
葉片數(shù)目;葉片展向形狀;葉片翼型(aerofoil);葉片扭轉(zhuǎn)角度等。以及葉輪具體的工作狀態(tài)，包括葉尖風(fēng)速比(葉片葉尖的線速度與風(fēng)速的比值)與葉片pitch角。是與的非線性函數(shù)：，這一函數(shù)曲線的具體形狀是由上面所列的幾點(diǎn)決定的。在以下的討論中均假設(shè)葉片角處在最優(yōu)，略去這個(gè)變量。
葉輪的效率存在最優(yōu)值。從歷史的角度講，現(xiàn)代三葉片風(fēng)機(jī)的最優(yōu)達(dá)到了最高水平，約為0.48~0.49。下圖來自Erich Hau的Wind Turbines, 2nd Ed.
進(jìn)一步地，我們可以從下圖中看出葉片數(shù)目對(duì)的影響：
可以看出來，雖然隨著數(shù)目增加，最優(yōu)也處于增加趨勢(shì)，但相比3葉片之于2葉片的提升，4葉片之于3葉片的提升已經(jīng)非常有限了，從成本的角度上講，不值得為一點(diǎn)點(diǎn)效率的提升增加一根葉片以及相應(yīng)的支撐與變槳機(jī)構(gòu)。
多葉片的優(yōu)勢(shì)在于較大的力矩轉(zhuǎn)化效率，所以可以理解老式的風(fēng)機(jī)都有較多的葉片，從而可以推動(dòng)沉重的石磨等原始機(jī)械。但從能量轉(zhuǎn)化效率來講，提升非常有限，而且一些現(xiàn)代多葉片風(fēng)機(jī)的效率反而低于3葉片風(fēng)機(jī)，這與葉片繞流的互相干擾等因素有關(guān)。
接下來要回答的是，為什么3葉片相比2葉片是個(gè)更好的選擇。這主要由以下因素決定：
3葉片風(fēng)機(jī)速度較低從第二圖上可以看到，2葉片風(fēng)機(jī)要達(dá)到最優(yōu)需要較大的最佳葉尖風(fēng)速比，3葉片風(fēng)機(jī)在7~8之間，而2葉片風(fēng)機(jī)就需要10~11了。我們可以做一個(gè)簡單的計(jì)算。如果當(dāng)?shù)仫L(fēng)速為10m/s，葉片長度(包括Hub的半徑)為50米，兩種構(gòu)型風(fēng)機(jī)的最佳分別取7.5，10.5，則風(fēng)機(jī)的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為：
前者為14.32rpm，后者則為20.05rpm。也就是說2葉片構(gòu)型的轉(zhuǎn)速要比3葉片構(gòu)型快很多，這就意味著更強(qiáng)的葉片結(jié)構(gòu)(以承受離心力帶來的載荷)，更高的軸系強(qiáng)度要求(力矩載荷相當(dāng)?shù)俣雀?，更高的噪音水平，等等。這會(huì)帶來成本的全面上升。
3葉片風(fēng)機(jī)力矩轉(zhuǎn)化效率更高，適用于各種風(fēng)速從下圖可以看出，3葉片風(fēng)機(jī)在較低的葉尖風(fēng)速比下即有較好的力矩轉(zhuǎn)化效率，意味著在低風(fēng)速的情況下，葉輪即能夠產(chǎn)生足夠的力矩來推動(dòng)其本身及整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鏈。目前工業(yè)界主流風(fēng)機(jī)均能在4m/s的弱風(fēng)下開始并網(wǎng)發(fā)電。而2葉片風(fēng)機(jī)在低下產(chǎn)生的力矩很小，要在較高風(fēng)速下才能啟動(dòng)，這是追求最大化利用小時(shí)數(shù)的風(fēng)電工業(yè)所不能接受的。
其它因素，如3葉片氣動(dòng)載荷更加對(duì)稱等。視覺上旋轉(zhuǎn)的3葉片比也2葉片優(yōu)雅很多，但這只是一個(gè)好的附加結(jié)果而非決定因素。綜上分析，可以簡單歸納如下：
低葉片數(shù)目即能帶來不低的氣動(dòng)效率，在大于等于3片時(shí)，葉片增加已經(jīng)很難再提高效率反而會(huì)進(jìn)一步增加成本;葉片數(shù)目少于3片時(shí)，雖然節(jié)省了葉片，但結(jié)構(gòu)上必需相應(yīng)增強(qiáng)且可利用小時(shí)數(shù)下降，同樣增加成本、降低效益。
