随着碳达峰、碳中和战略目标纳入我国生态文明建设整体布局,包括风电在内的可再生能源已成为新时期能源发展的主攻方向。风力发电机组是一种将风动能转化为电能,利用风资源进行人类生产活动的重要装备。近年来,垂直轴风力发电机组以其可接受各向来风、较高的湍流适应度、较低的制造安装成本、发电机可近地面安装等优点备受研究人员的关注。但其运行过程中攻角不固定的特性,导致了风能利用率低、自启动困难等缺点,且传统的主轴和连接臂机构给垂直轴风力机的大型化和变桨距角设计带来了困难。本文围绕倒锥型垂直轴风力发电机组风轮的气动性能展开研究,这是一种新型结构的风力机风轮,去除了庞大的主轴、连接臂机构,提高了结构稳定性和可靠性,且便于安装变桨机构,具有很高的研究价值。首先,通过理论分析方法,研究了倒锥型垂直轴风力机运行过程中的受力情况,计算了2MW倒锥型垂直轴风力机的尺寸参数,并基于流体力学相似原理,推导了不同尺度的风力机满足气动性能相似的判定条件,设计了用小型实验样机模拟大型风力机运行过程的相似化实验方案。然后,参考理论计算的尺寸参数对2MW倒锥型垂直轴风力机进行简化建模,通过CFD方法对九种不同结构参数的倒锥型垂直轴风力机的气动性能进行了仿真分析,研究了结构参数对风轮功率系数、运行稳定性和低风速启动力矩的影响,得到了不同结构参数风轮的最佳尖速比、最佳功率系数、最大输出功率、功率波动幅度、最佳启动方位角度和最大启动力矩系数,并总结了倒锥型垂直轴风力机结构参数的设计准则。最后,基于上述设计的相似化实验方案,搭建了倒锥型风力机实验测试平台,具有风轮结构参数可调、运行转速可控、输出力矩及功率可测的功能,并进行了风洞实验。实验结果验证了倒锥型风力发电机原理的可行性和仿真分析的正确性,且设计了变桨距角功能,为后续研究中对倒锥型变桨风轮的实验验证创造了条件。