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1.   失速產(chǎn)生的現(xiàn)象和原因

無論是飛行器還是風力機，都是靠翼型升力來工作的空氣動力學設(shè)備。當空氣流過翼型時，會在翼型的上表面形成負壓，下表面形成正壓，上下表面的壓力之差就發(fā)生了升力。

隨著攻角增加，上下面的壓力差不斷增加，如下圖翼型表面沿單位化弦長的壓力系數(shù)的分布，請注意上表面的壓力分布的正負號，順著翼型前緣向尾緣的流動方向，上表面的壓力是不斷增加的，也就是說，沿翼型上表面的流動方向，壓力梯度是正值。

由于流體粘性的影響，離壁面越近，其流體的速度越小，下圖是典型的沿壁面方向的流體的速度分布，在壓力梯度的作用下，這一速度分布會產(chǎn)生變化，想象一個微小的流體單元，在負的壓力梯度下，就像有人在后面在推著流體單元，讓其不斷加速；而在正的壓力梯度下，就像有人在前面擋著流體讓其減速，在壓力梯度足夠大或者作用路程足夠長的時候，流體單元減速至零甚至負的速度，也就是在壁面附近出現(xiàn)反向的回流速度，即發(fā)生了流動分離。

     翼型的上翼面是較大的正的壓力梯度為主，因此在大攻角下容易發(fā)生流動分離或者失速；翼型的下表面前半部分是負的壓力梯度，后半部分是較小的正的壓力梯度，因此通常不會發(fā)生流動分離。從微觀上看，“失速”的確是失去了速度，壁面附近失去了向前的速度。

2.   風力機的失速

飛行器特別是大型客機，是必須要避免失速發(fā)生，比如近年來的B737MAX因控制系統(tǒng)的問題導致攻角過大飛機失速而機毀人亡，多年前法航等航空事故也多和失速有關(guān)。

風力機是否可以工作在失速狀態(tài)下呢？答案是能又不能。早期的失速型風機甚至利用失速來控制載荷，但是機組的零部件必須要有相對變槳型機組更強的零部件設(shè)計。即使對于現(xiàn)代變槳控制的風力機葉片，首先看葉片的根部部分，由于制造的限制，葉根最大的扭角僅在15~20度左右，因而當?shù)氐膩砹鞴ソ峭ǔ：芨?，這一區(qū)域通常處于失速狀態(tài)下，通過安裝渦流發(fā)生器可以減小分離的區(qū)域。但是由于葉根附近區(qū)域的線速度較低，載荷也較小，對葉片和機組的影響也較小，因此不會對安全性產(chǎn)生危害。

由于風力機處在風速變化較為劇烈的大氣邊界層內(nèi)工作，可能由于風速風向的突然變化，控制系統(tǒng)未能及時介入導致葉片暫時處在失速下工作。如果風機葉片，特別是葉片外側(cè)，長期處于失速下運行，雖然從載荷上看并不會超過極限載荷，但是由于流動分離會產(chǎn)生高頻的交變載荷，這對葉片和機組的疲勞壽命產(chǎn)生影響，同時，由于在失速下的翼型的升阻比極低，發(fā)電性能也會大幅下降。因此必須要避免風力機長時間工作在失速狀態(tài)下。

      根據(jù)各個現(xiàn)場項目的反饋，似乎葉片失速和風場的空氣密度、機組的轉(zhuǎn)速、功率、槳距角、葉片表面狀況……諸多因素有關(guān)，實際上總結(jié)一下，只和兩個因素有關(guān)：來流攻角和失速臨界攻角（即最大升力系數(shù)對應(yīng)的攻角）。而葉片上各截面的當?shù)貋砹鞴ソ强梢酝ㄟ^機組運行的尖速比和槳距角計算得到。很容易理解，當風機處在很高的風速下仍沒有達到滿發(fā)變槳，運行尖速比會較低，各截面的當?shù)毓ソ亲兇?，處在較易失速的狀態(tài)；失速攻角是個相對較難得到的數(shù)值，一方面，幾乎所有的數(shù)值計算工具對于失速分離的預測都存在很大的局限性，主要是根據(jù)風洞實驗測試得到，或者根據(jù)實驗得到的經(jīng)驗、半經(jīng)驗的預測模型等等。另一方面，風力機葉片的表面狀況較為復雜，在前緣保護、制造缺陷、雨蝕磨損、昆蟲尸體、雨滴、凝結(jié)水等都會對失速臨界攻角產(chǎn)生影響。

某些翼型對這些前緣粗糙物相對不敏感，對升力以及失速臨界攻角影響較小，但是這類翼型可能升阻比等其他性能略差，在葉片開發(fā)過程中需要進行取舍。

3.   失速控制

目前市面上研究較多的葉片失速控制方式主要有兩大類：基于特定控制策略的主動失速控制；外加渦流發(fā)生器、邊界層吸氣等控制。

通過優(yōu)化控制策略是避免失速的重要手段，主要是通過變槳控制減小葉片沿展向各截面處的當?shù)毓ソ?，進而遠離失速。在變槳的同時，遠離失速，但也會損失升力。如前面所述，風力機和飛行器不同之處在于風力機允許短時間內(nèi)工作在失速下，因此可以通過加裝失速傳感器來判斷是否處于失速狀態(tài)，再進行變槳控制。失速傳感器通常利用失速后產(chǎn)生的流動分離、載荷波動、振動特性、噪聲增加、壓力分布死水區(qū)等對失速進行判斷。

渦流發(fā)生器是一種廣泛應(yīng)用的氣動附件，通過渦流發(fā)生器將壁面附近的速度或者進行一定程度的混合，使近壁面的速度摻混均勻化，可以有效增加失速臨界攻角，但是值得注意的是，雖然渦流發(fā)生器可以提高最大升力、延遲失速，但是同時也會增加10%~30%的阻力，同時如果在葉尖處應(yīng)用VG還會帶來額外的噪聲源。邊界層吸氣是通過改變轉(zhuǎn)捩位置來實現(xiàn)失速延遲，在航空行業(yè)有一定的應(yīng)用，金風科技也曾嘗試將該技術(shù)應(yīng)用于風力機葉片內(nèi)側(cè)厚翼型上，其基本原理是類似的。另外有一些常用的氣動附件如鋸齒尾緣、格尼襟翼等并不能直接起到延遲失速的作用，對失速臨界攻角的影響幾乎沒有。

總的來說，要實現(xiàn)葉片失速控制目前主流研究思路是：在葉片設(shè)計階段使用粗糙度敏感性較低的翼型，葉片取較低的設(shè)計尖速比、足夠的弦長；在葉片生產(chǎn)、制造期間保證工藝的加工精度和表面狀況；最后根據(jù)項目現(xiàn)場情況調(diào)整相關(guān)控制策略，必要時輔以渦流發(fā)生器等氣動附件。