风力发电对于调整能源结构、减少化石能源消耗、缓解环境污染、降低温室气体排放等方面发挥着极为重要的作用。作为一种从自然界中汲取风能的转化装置，风力机逐渐成为研究的热点对象之一。水平轴风力机的技术较为成熟，其风能利用效率较高，适合于大型风场和并网发电系统，而近年来垂直轴风力机以其使用便捷、安全性高、气动噪声小、维护方便等诸多优点，在中小功率发电场合得到重视，拥有更加广阔的市场前景。同时垂直轴风力机在空气动力学特性、结构特征和系统的可靠性等方面研究较少，理论探索尤其缺乏，目前尚未形成一套成熟、可靠的理论设计方法，具体参数的确定仍依靠经验方法和实验数据积累。　　 本文提出由FIN-MP翼型组成的垂直轴螺旋形风力叶轮结构，利用螺旋上升的叶片产生对气流的阻力和叶片截面形状在不同攻角来流条件下产生的升力，使气流的能量被有效截获的同时，产生对叶轮旋转有贡献的动力，保证风力叶轮启动性能好、风能利用率高、力矩输出稳定；同时采用三维非定常模拟和性能实验两种方法，较系统全面地分析了所设计的风力叶轮的运行性能。　　 本文开展的主要工作和得到的结论如下：　　 1、对比分析了NACA0015翼型和FIN-MP翼型在不同攻角时的气动性能，选用具有较好气动特性的FIN-MP翼型作为本文叶片设计的基本翼型，同时根据风力机的具体参数设计了一种新型螺旋形风力叶轮。　　 2、采用CFD方法，选取SST k-ω湍流模型，模拟对比了新型螺旋形风力叶轮和传统直线型风力叶轮的运行特性。螺旋形风力叶轮相比直线型风力叶轮的力矩波动幅度要小，平均力矩系数较大，产生的正力矩远大于负力矩，风力叶轮的作功性能更加稳定；由于螺旋形风力叶轮的叶片是扭曲的，各个截面的攻角、速度分布、压力系数和湍动能存在明显的差异。　　 3、获得了螺旋形风力叶轮周围三维流动特征，优化了新型垂直轴风力叶轮的几何参数。风力叶轮的扭角越大、力矩系数的波动幅度越小，叶片扭角为60°的风力叶轮，力矩波动幅度较小，风力机运行稳定，效率较高；螺旋形风力叶轮弦长越大，最大力矩系数差别不大，但最小力矩系数越小，且叶片翼型间的干扰就越强烈，其影响范围也相对较大；随着风力叶轮叶片数的增加，力矩系数的波动幅度在逐渐减小，且尾流速度的干扰作用和叶片间的湍动能也越强烈；同时螺旋形风力叶轮的空间三维形状，导致各个水平截面的叶片攻角不同，湍动能及涡量分布也有很大差别，部分流线甚至脱离了叶片表面；而直线型风力叶轮不同截面的涡量分布较为一致。　　 4、对风力叶轮进行了车载实验研究，测试了空载、负载条件下风力叶轮的运行特性，并针对风能利用率与计算结果进行对比。实验结果表明：空载时，风力叶轮的时变特征较为显著，随着来流风速的增大，风力叶轮的转动特征与力矩输出相应增加较快；而接入负载后，风力叶轮的输出力矩和扭矩有了明显的减小，同时随着风速的增加，风力叶轮整体结构振动也较为强烈；实验结果与数值计算结果趋势基本相同，验证了模型的可行性和适用性。