定桨距

定桨矩是指风轮的桨叶与轮毂是刚性连接，叶片的桨距角不变。定桨距失速功率调节的原理是，风力机的桨叶角为固定不变的，而是利用桨叶本身的气动特性，即在额定风速以内，叶片的升力系数较高，风能利用系数(CP值)也较高，而在风速超过额定值时，叶片则进入失速状态，致使升力不再增加，风轮转速将不随风速的增大而上升，从而达到了限制风力机功率的目的

简介

当空气流流经上下翼面形状不同的叶片时，叶片弯曲面的气流加速，压力下降，凹面的气流减速，压力升高，压差在叶片上产生由凹面指向弯曲面的升力。如果桨距角β不变，随着风速u的增加，攻角α相应增大，开始升力会增大，到一定攻角后，尾缘气流分离区增大形成大的涡流，上下翼面压力差减小，升力迅速减小，造成叶片失速（与飞机的机翼失速机理一样），自动限制了功率的增加。

因此，定桨距失速控制没有功率反馈系统和桨距角伺服执行机构，整机结构简单、部件少、造价低，并具有较高的安全系数。缺点是这种失速控制方式依赖于叶片独特的翼型结构，叶片本身结构较复杂，成型工艺难度也较大。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力大，使得叶片的刚度减弱，失速动态特性不易控制，所以很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机组的功率控制上。

失速调节原理

定桨距叶片运行是将翼剖面气动失速原理成功地应用到叶片。即利用叶片的气动外形来实现功率控制的，在低风速区( 额定功率前) 受叶片逆流现象的控制, 在高风速区受叶片失速性能的限制。

当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因上翼面的突出而使气流加速，压力较低；下翼面较平缓使气流缓慢，因而压力较高，升力产生。失速性能是指它在最大升力系数 CLmax 附近的性能，失速调节叶型的升阻曲线说明，随功角 α增大，升力系数 CL 线性增大，在 CLmax附近时增加迟缓,到达 CLmax 后开始减小。另外, 阻力系数 Cd 的急剧增大是由于气流在叶片上的分离随攻角增大, 分离区形成大的涡流, 流动失去翼型效应，与未分离时相比，上下翼面压力差减少，致使阻力激增，升力减小，造成叶片失速而达到叶片功率控制的目的。失速调节叶片的攻角沿轴向分布，由根部向叶尖逐渐减小，因而根部剖面先进入失速，随风速增大失速剖面向叶尖处扩展，原来已失速的剖面。失速程度加深，未失速的剖面逐渐进入失速，失速剖面使功率减小，未失去速剖面仍有功率增加。

所谓失速系指风力机叶片相对于气流的攻角超过某一临界值后，叶片升力系数发生突然变化，随攻角的增加，升力系数反而减小的现象。影响失速的主要因素包括叶片平面形状、叶型及来流的雷诺数等。概括地说，定桨距失速功率调节即是利用叶片气动失速特性来限制风力机叶片吸收风能，达到防止风力机输出功率过大，从而达到维持风力机转速恒定。这种功率调节方式的优点，是没有复杂的变桨距调节机构，运行可靠性较高;缺点是失速调节会导致能量损失，风力机的起动性能较差，叶片上所承受的气动推力较大。

定桨距叶片特点

与变桨距叶片相比，定桨距叶片的最大优点是取消了变距监控服伺系统后结构简便、故障率少、运行可靠，同时在高风速区工作时动载荷小，特别是在湍流较多的地区，有较好的适应能力。该叶片的缺点是叶片结构工艺复杂、成本高、启动性能差、叶片承受气动推力大随着机型功率的增大叶片加长，使叶片的刚度减弱，失速动态性能不易控制。

改善功率控制

定桨距叶片的安装角是可调的，为了达到高、低风速区最佳的功率输出曲线，可以调整叶片的安装角来适应风场的风况特性。近几年在风电技术中出现的叶片贴条方法也可以改善叶片的气动性能。

叶片安装角的调整

利用失速调节升阻比的特性, 可以进行叶片功率控制。由叶素理论可知，来流角φ=arctg( v/rω) ，当转速恒定，来流角随风速增大而增大，而叶片安装角不变则攻角必然增大，使失速加深，因而可以适当地调整攻角位置，保证满意的功率输出。如公式 CL=CL( α) 所示，攻角的变化决定了升力系数的变化，而攻角与安装角 β的关系则是：α=φ- β，安装角增大则攻角减小，反之安装角减小则攻角增大。因此可以通过增减叶片安装角来达到增减攻角的目的。安装角的改变会对叶片高、低风速区气动性能产生不同的影响，高风速区输出功率随安装角增大而增大，而低风速区功率却会降低，因此需用风力机功率曲线与现场风速的概率密度分布对年输出功率计算比较后，最佳安装角要兼顾高、低风速区性能，使功率曲线幅度变化( 纵坐标) 和位移变化( 横坐标) 与年内风况相匹配，获取最高发电量。安装角调整后，需细心观测，既能满足功率要求，又不使风力机各项运行参数突破原设计最大指标，保证安全运行。

叶片贴条

气流绕翼面流动时，由于黏滞性的作用, 在翼面附近的气流流速将小于主流区的流速，这层流速小于主流区流速的气层称为边界层，边界层分离是在翼面由突出变成平缓之后产生的，此时边界层内部的流动是扩压减速，在靠近壁面处的流体要克服相当大的摩擦力而消耗较多的动能, 在这种双重的阻滞作用下，靠近壁面附近的流体速度很快减小至停止前进，在正压梯度的作用下，壁面附近的流体做逆向流动，从而形成了边界层的分离，分离使流动失去翼型效应，翼型上侧气流速度下降、压力上升，上下表面压力差减小，升力下降，叶片进入失速。叶片贴条通过改变叶片贴条区翼型和改变贴条区叶片表面粗糙的方法来改变叶片的气动性能。如欲改善并提高高风速区叶片气动性能，贴条位置在叶片前缘部分迎风面方向：如果高风速区超发功率过大，可在叶片前缘的背风面贴条。此外, 对贴条的材料、表面粗糙度、几何形状尺寸也要进行研究，这需要对现场贴条效果的试验对比后决定。

与贴条相比，叶片安装角的调整用于叶片功率控制，其方法更为简单快捷一些，但在某些特定的风场，由于受到地形及风况条件的限制，单纯的叶片安装角的调整仍不能取得令人满意的效果，则可以采用两种方法共同调整的方式。

性能提升方法

桨叶加装加长节

由于风能的吸收和风轮扫略面积成正比，通过增加风轮面积可有效地提高风能捕获，通过加装桨叶加长节增加风轮扫略面积，从而提升发电性能，该项技术具有可操作性较强、风能效率提升显著和经济性好等优点。桨叶加长技术的关键是合理的桨叶长度选择，理论上，桨叶越长，风能吸收量将越大，但加长桨叶势必导致机组实际载荷的增加，需要评估载荷的增量与原设计裕量的关系，以满足安全运行，获取最优的加长节长度。

更换长桨叶

更换长桨叶的技术原理与加长节技术类似，通过增大风轮扫略面积来提升发电性能。该项技术操作简单，但主要部件载荷增量较大，易引起载荷超标现象，需重点评估机组主要结构件安全余量，且一次性投入的成本较高，更换下来的原有叶片除作为备件外没有新的用途，形成资源浪费。

桨叶表面加装涡流发生器

风电机组大风运行时，随着攻角变大，桨叶表面出现气流分离，形成涡流剥离现象，造成阻力增大、升力降低，引起桨叶提前失速等不良后果，且随着桨叶老化，加剧恶化，导致发电性能大幅下降。该技术通过在桨叶表面加装涡流发生器，延缓桨叶表面气流过早的涡流剥离，从而提升发电性能。该技术具有实施成本低、周期短、安全风险小、便捷等特点，但也存在老化、脱落等缺点。该项技术主要难点在于涡流发生器的设计涉及因素较多，如翼型差异、涡流发生器安装位置、涡流发生器形状尺寸、夹角、安装长度等因素，且涡流发生器的增益效果与风电机组所处外界环境也有关，需进行定制化设计，难以形成标准化设计。

研究现状

随着我国风电行业的快速发展，风电行业朝着大型化发展，而风电发展初期的定桨距风力发电机型实际运行情况关注度越来越低，据不完全统计，定桨距风电机组国内存量约万台，大部分定桨距风电项目地处高原地区，高原地区年空气密度普遍较低，远低于标准空气密度 1． 225 kg /m3，加之桨叶表面老化引起发电性能下降，导致多数高原地区定桨距机组长期处于欠发状态，远低于设计要求。为充分利用风资源，提出定桨距风电机组发电性能提升技术研究，提高机组发电效率，实现经济效益的提升。

国际知名整机制造商 Gamesa、Vestas、Suzlon、Siemens 和 Clipper 对风力发电机组的发电性能提升技术

( 桨叶加装加长节、加装涡流发生器等) 进行了技术研究，国内研究现状主要是哈尔滨工业大学对桨叶加长节技术的可行性研究，曹瑞对加装涡流发生器技术进行了深入研究。目前，国内外对定桨距发电机组发电性能提升技术仅停留在理论计算和实验室阶段，还未系统地开展技术论证和效果验证。

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