6.6.2.1 被动失速控制原理
图6-42所示为叶片的流场图，从图中可看出在风轮旋转速度保持不变的条件下，随着风速增加，不调节桨距角，会有气流分离的现象产生，这就是失速现象。利用这样的原理来进行功率调节，为被动的失速调节系统。因为小型风力机没有变桨调节系统，所以被动失速调节系统对其功率输出的控制十分重要。
图6-42 定桨距叶片发生失速流场示意图
定桨距风力机叶片失速调节是这样运行的：在正常运行情况下，气流紧贴叶片表面流动，风轮的动力源于空气流在翼型面上流过时产生的升力，如图6-43（b）所示；风轮转速保持恒定时，风速增加，叶片翼型上气流攻角随之增加，在达到翼型的升力系数最大值之后，其对应的风速大于额定设计风速，开始发生失速现象，如图6-43（c）所示，此时升力系数迅速减小，而阻力系数迅速增加，直到最后气流无法在叶片翼型的上表面紧贴流过而产生脱落，失速的发生限制了风轮功率的增加。定桨距风轮由于叶片桨距角不变，在起动时转速为零，空气流与风轮之间无相对速度，因此空气流正吹风轮，产生严重的气流被撕裂现象，如图6-43（a）所示，阻力较高而起动困难，因而，独立运行的定桨距风轮需借组其他设备来帮助起动；用于并网发电的风力机，起动时以发电机作为电动机运行，只需从电网获取少许电能，就能使机组很快加速到同步转速，由电动状态转为发电状态。
在风轮气动设计时，将叶片叶素的攻角安排为由根部向叶尖逐渐减小，根部处于临界攻角，叶尖小于临界攻角。因而风速增加时，叶片根部叶素首先进入失速。其后，随风速继续增大，失速部分进一步向叶尖方向的叶素扩展，而早先已失速的根部部分，失速程度加深。由于失速的根部叶素使风力机功率减小，而未失速叶尖部分因攻角的适量加大仍有功率增加，从而使风力机功率保持在其额定值附近。
图6-43 定桨距风力机叶片的气动特性
需要注意的是，静态失速（攻角缓慢并稳定的变化）时的攻角和动态失速时的攻角值不同。阵风条件下，从发生失速到风速降低气流又恢复正常流动之间，存在滞后现象。叶片已失速后，阵风不会对风轮造成功率波动，这是因为失速使叶片升力变化很小。这与变桨距风轮形成鲜明对比，变桨距风轮只有当其变桨距速度很快时才能达到瞬间功率变化很小的目的。
失速风力机的运行和测试结果如图6-44所示，叶尖安装角对风轮的最大功率、失速开始时的风速和失速特性有着重要影响。从图中可以看出，叶尖安装角稍有变化，则风轮的输出功率产生较大的差异，叶尖安装角为2.5°时，该风力机的输出功率最大，且具有较好的功率调节特性。为此，定桨距失速调节风力机的桨距角非常重要，准确度必须较高，才能避免不必要的空气动力损失。
定桨距失速调节风力机有可能在风速超过某一值后，出现功率超过其额定值并进一步上升的现象，如图6-44中桨距角为2.5°所对应的功率性能曲线。为此，失速风力机必须设计配置气动刹车设备，确保某一风速下及时制动，避免风轮飞车。此外，由于风轮巨大的转动惯量，高风速下甩开负载并停车，如风力机脱网停机，也必须先执行叶尖扰流空气动力刹车动作。
图6-44 失速调节风力机叶尖安装角变化的功率特性
当风速增加，叶片发生失速后，定桨距风轮的轴向推力T增大，如图6-43所示，因而其机舱、塔架所受载荷要比变桨距的高。
采用被动失速控制需要小心设计叶片结构和风轮旋转速度。为了保证在某风速下，叶片气流产生分离从而有效控制风轮功率增加，风轮必须在气动最佳转速下运行。
通常，当风速高于15m／s时，此类风力机功率输出减少，如图6-45所示。理论上讲，在更高的风速下，风力机输出功率会再升高，但风力机已不能在此风速下运行。
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图6-45 定桨距风轮的功率性能曲线
为将此设计变成现实，必须满足如下条件：
（1）为了能承受高气动载荷，风轮和整个风力机的强度和承受力必须高。在这种环境下，轻视质量设计将面临许多问题。
（2）发电机功率必须高，以至于在强风条件下，发电机依然与电网频率保持同步。
（3）当风轮桨距角处于非理想位置时，风轮仍具有良好的起动力矩。通常，这仅仅适用于三个和三个以上叶片的风轮。两叶片定桨角风轮必须采用电机起动。
（4）无变桨控制的风力机运行主要受平行运行电网的固定频率限制。对于孤网运行的风力机需要额外的技术设备。
（5）即使发电机力矩消失，也能保证风轮不是空转。为了保证安全，这需要风轮叶片空气动力学的有效刹车，包括机械刹车。
叶片直径不足20m的小型风力机，以及一些大型风力机，常常采用固定叶片的定桨距风轮，在一定风速下其功率输出被气动失速所限制。丹麦制造者将这类设计很好地进行了完善，如图6-46所示。
图6-46 三叶片和定桨距控制的丹麦风轮
6.6.2.2 空气动力刹车
对于定桨距风轮，采用气动刹车来限制超速是强制性措施。空气动力刹车常用于失速机超速保护，此时机械刹车不能或不足以停车，空气动力刹车是机械刹车的补充，关于机械刹车在第4章已进行了讨论。与机械刹车不同，叶片采用空气动力刹车不是使叶片完全静止，而是使转速限定在允许范围内。在风力机中主要采用可调节的风轮叶尖，如图6-47所示。可收缩隐藏在叶片结构内的扰流器现在已经不再使用，其效果较差，且结构相当复杂，如图6-48所示。
原则上讲，其他只要能增加气动阻力的空气刹车都可以采用。有些试验性风力机甚至采用降落伞刹车（NEWECS-45），当事故刹车时，叶尖弹出降落伞进行刹车。此刹车系统因运行困难，因而商业操作不可行。通常，以失速控制运行的风轮，气动刹车通过采用离心式开关进行释放。在最近的风轮类型中，空气动力刹车采用液压驱动，运行时刹车自动收缩，大大简化了运行过程。然而，这也存在结构复杂的问题，违反了定桨距风轮最基本的简单化理念。
图6-47 叶尖可调的空气动力刹车
图6-48 隐藏在叶片中的阻尼板
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