定槳距

定槳矩是指風輪的槳葉與輪轂是剛性連線，葉片的槳距角不變。定槳距失速功率調節的原理是，風力機的槳葉角為固定不變的，而是利用槳葉本身的氣動特性，即在額定風速以內，葉片的升力係數較高，風能利用係數(C_P值)也較高，而在風速超過額定值時，葉片則進入失速狀態，致使升力不再增加，風輪轉速將不隨風速的增大而上升，從而達到了限制風力機功率的目的

基本介紹

• 中文名：定槳距
• 外文名：fixed-pitch
• 運行原理：利用葉片氣動特性控制功率
• 控制方法：調整安裝角，葉片貼條

簡介

當空氣流流經上下翼面形狀不同的葉片時，葉片彎曲面的氣流加速，壓力下降，凹面的氣流減速，壓力升高，壓差在葉片上產生由凹面指向彎曲面的升力。如果槳距角β不變，隨著風速u的增加，攻角α相應增大，開始升力會增大，到一定攻角後，尾緣氣流分離區增大形成大的渦流，上下翼面壓力差減小，升力迅速減小，造成葉片失速（與飛機的機翼失速機理一樣），自動限制了功率的增加。

因此，定槳距失速控制沒有功率反饋系統和槳距角伺服執行機構，整機結構簡單、部件少、造價低，並具有較高的安全係數。缺點是這種失速控制方式依賴於葉片獨特的翼型結構，葉片本身結構較複雜，成型工藝難度也較大。隨著功率增大，葉片加長，所承受的氣動推力大，使得葉片的剛度減弱，失速動態特性不易控制，所以很少套用在兆瓦級以上的大型風力發電機組的功率控制上。

失速調節原理

定槳距葉片運行是將翼剖面氣動失速原理成功地套用到葉片。 即利用葉片的氣動外形來實現功率控制的，在低風速區( 額定功率前) 受葉片逆流現象的控制, 在高風速區受葉片失速性能的限制。

當氣流流經上下翼面形狀不同的葉片時，因上翼面的突出而使氣流加速，壓力較低；下翼面較平緩使氣流緩慢，因而壓力較高，升力產生。 失速性能是指它在最大升力係數 C_Lmax 附近的性能，失速調節葉型的升阻曲線說明，隨功角 α增大，升力係數 C_L 線性增大，在 C_Lmax附近時增加遲緩,到達 C_Lmax 後開始減小。 另外, 阻力係數 C_d 的急劇增大是由於氣流在葉片上的分離隨攻角增大, 分離區形成大的渦流, 流動失去翼型效應，與未分離時相比，上下翼面壓力差減少，致使阻力激增，升力減小，造成葉片失速而達到葉片功率控制的目的。失速調節葉片的攻角沿軸向分布，由根部向葉尖逐漸減小，因而根部剖面先進入失速，隨風速增大失速剖面向葉尖處擴展，原來已失速的剖面。失速程度加深，未失速的剖面逐漸進入失速，失速剖面使功率減小，未失去速剖面仍有功率增加。

所謂失速系指風力機葉片相對於氣流的攻角超過某一臨界值後，葉片升力係數發生突然變化，隨攻角的增加，升力係數反而減小的現象。影響失速的主要因素包括葉片平面形狀、葉型及來流的雷諾數等。概括地說，定槳距失速功率調節即是利用葉片氣動失速特性來限制風力機葉片吸收風能，達到防止風力機輸出功率過大，從而達到維持風力機轉速恆定。這種功率調節方式的優點，是沒有複雜的變槳距調節機構，運行可靠性較高;缺點是失速調節會導致能量損失， 風力機的起動性能較差， 葉片上所承受的氣動推力較大。

定槳距葉片特點

與變槳距葉片相比，定槳距葉片的最大優點是取消了變距監控服伺系統後結構簡便、故障率少、運行可靠，同時在高風速區工作時動載荷小，特別是在湍流較多的地區，有較好的適應能力。該葉片的缺點是葉片結構工藝複雜、成本高、啟動性能差、葉片承受氣動推力大隨著機型功率的增大葉片加長，使葉片的剛度減弱，失速動態性能不易控制。

改善功率控制

定槳距葉片的安裝角是可調的，為了達到高、低風速區最佳的功率輸出曲線，可以調整葉片的安裝角來適應風場的風況特性。 近幾年在風電技術中出現的葉片貼條方法也可以改善葉片的氣動性能。

葉片安裝角的調整

利用失速調節升阻比的特性, 可以進行葉片功率控制。 由葉素理論可知，來流角φ=arctg( v/rω) ，當轉速恆定，來流角隨風速增大而增大，而葉片安裝角不變則攻角必然增大，使失速加深，因而可以適當地調整攻角位置，保證滿意的功率輸出。 如公式 C_L=C_L( α) 所示，攻角的變化決定了升力係數的變化，而攻角與安裝角 β的關係則是：α=φ- β，安裝角增大則攻角減小，反之安裝角減小則攻角增大。 因此可以通過增減葉片安裝角來達到增減攻角的目的。安裝角的改變會對葉片高、 低風速區氣動性能產生不同的影響，高風速區輸出功率隨安裝角增大而增大，而低風速區功率卻會降低，因此需用風力機功率曲線與現場風速的機率密度分布對年輸出功率計算比較後，最佳安裝角要兼顧高、低風速區性能，使功率曲線幅度變化( 縱坐標) 和位移變化( 橫坐標) 與年內風況相匹配，獲取最高發電量。安裝角調整後，需細心觀測，既能滿足功率要求，又不使風力機各項運行參數突破原設計最大指標，保證安全運行。

葉片貼條

氣流繞翼面流動時，由於黏滯性的作用, 在翼面附近的氣流流速將小於主流區的流速，這層流速小於主流區流速的氣層稱為邊界層，邊界層分離是在翼面由突出變成平緩之後產生的，此時邊界層內部的流動是擴壓減速，在靠近壁面處的流體要克服相當大的摩擦力而消耗較多的動能, 在這種雙重的阻滯作用下，靠近壁面附近的流體速度很快減小至停止前進，在正壓梯度的作用下，壁面附近的流體做逆向流動，從而形成了邊界層的分離，分離使流動失去翼型效應，翼型上側氣流速度下降、壓力上升，上下表面壓力差減小，升力下降，葉片進入失速。 葉片貼條通過改變葉片貼條區翼型和改變貼條區葉片表面粗糙的方法來改變葉片的氣動性能。 如欲改善並提高高風速區葉片氣動性能，貼條位置在葉片前緣部分迎風面方向：如果高風速區超發功率過大，可在葉片前緣的背風面貼條。 此外, 對貼條的材料、表面粗糙度、幾何形狀尺寸也要進行研究，這需要對現場貼條效果的試驗對比後決定。

與貼條相比，葉片安裝角的調整用於葉片功率控制，其方法更為簡單快捷一些，但在某些特定的風場，由於受到地形及風況條件的限制，單純的葉片安裝角的調整仍不能取得令人滿意的效果，則可以採用兩種方法共同調整的方式。

性能提升方法

槳葉加裝加長節

由於風能的吸收和風輪掃略面積成正比， 通過增加風輪面積可有效地提高風能捕獲， 通過加裝槳葉加長節增加風輪掃略面積，從而提升發電性能，該項技術具有可操作性較強、風能效率提升顯著和經濟性好等優點。槳葉加長技術的關鍵是合理的槳葉長度選擇， 理論上，槳葉越長，風能吸收量將越大， 但加長槳葉勢必導致機組實際載荷的增加， 需要評估載荷的增量與原設計裕量的關係，以滿足安全運行，獲取最優的加長節長度。

更換長槳葉

更換長槳葉的技術原理與加長節技術類似， 通過增大風輪掃略面積來提升發電性能。該項技術操作簡單，但主要部件載荷增量較大， 易引起載荷超標現象，需重點評估機組主要結構件安全餘量， 且一次性投入的成本較高，更換下來的原有葉片除作為備件外沒有新的用途，形成資源浪費。

槳葉表面加裝渦流發生器

風電機組大風運行時，隨著攻角變大，槳葉表面出現氣流分離，形成渦流剝離現象， 造成阻力增大、升力降低，引起槳葉提前失速等不良後果， 且隨著槳葉老化，加劇惡化，導致發電性能大幅下降。該技術通過在槳葉表面加裝渦流發生器， 延緩槳葉表面氣流過早的渦流剝離，從而提升發電性能。該技術具有實施成本低、周期短、安全風險小、便捷等特點，但也存在老化、脫落等缺點。該項技術主要難點在於渦流發生器的設計涉及因素較多， 如翼型差異、渦流發生器安裝位置、渦流發生器形狀尺寸、夾角、安裝長度等因素，且渦流發生器的增益效果與風電機組所處外界環境也有關，需進行定製化設計，難以形成標準化設計。

研究現狀

隨著我國風電行業的快速發展， 風電行業朝著大型化發展，而風電發展初期的定槳距風力發電機型實際運行情況關注度越來越低，據不完全統計，定槳距風電機組國記憶體量約萬台 ，大部分定槳距風電項目地處高原地區，高原地區年空氣密度普遍較低，遠低於標準空氣密度 1． 225 kg /m3，加之槳葉表面老化引起發電性能下降，導致多數高原地區定槳距機組長期處於欠髮狀態 ，遠低於設計要求。為充分利用風資源， 提出定槳距風電機組發電性能提升技術研究， 提高機組發電效率，實現經濟效益的提升。

國際知名整機製造商 Gamesa、Vestas、Suzlon、Siemens 和 Clipper 對風力發電機組的發電性能提升技術
( 槳葉加裝加長節、加裝渦流發生器等) 進行了技術研究 ，國內研究現狀主要是哈爾濱工業大學對槳葉加長節技術的可行性研究 ， 曹瑞對加裝渦流發生器技術進行了深入研究。目前，國內外對定槳距發電機組發電性能提升技術僅停留在理論計算和實驗室階段， 還未系統地開展技術論證和效果驗證。