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作为一种最可能与水平轴风力机处于互补地位占据风电市场的风电转换装置,垂直轴风力机从其概念诞生以来就备受关注。国内外研究学者纷纷对其进行提高风能利用率方面的研究,而其结果往往单方面提高风能利用率却忽略了风力机本身运行的稳定性和可靠性。由此本文从空气动力稳定性的角度切入以研究垂直轴风力机,基于稳定性的概念,设计了一套新的翼型和叶片。主要研究工作包括:引入翼型空气动力学的理论,在稳态求解器下通过速度合成方法计算平板、NACA 0012、NACA 23012翼型的升力、阻力、翻转力矩、空动中心,结果显示翼型的差异并没有造成太大的静力和翻转力矩差异;引入湍流的理论,在稳态求解器下通过速度合成方法计算NACA 0012、NACA 2412、NACA 23012翼型的湍动能、湍流强度、生成速率、耗散速率、湍流粘度,结果显示NACA 0012的TKE和TI特性最稳定,而NACA2412偏离度很大,其绝对值也最高,NACA23012的湍流粘度值最低;采用弦线迎合运动轨迹的思想,提出了基于Joukowski变形法和Trefftz构图法的垂直轴风力机叶片翼型设计方法,并设计出了LJY系列翼型;将新翼型和其他参照翼型置于弧形风洞计算域计算湍流度,从数值模拟的结果来看,新翼型确实表现出色,其TKE、TI、生成速率和耗散速率最低而湍流粘度最高;比较了四种常用叶片的三维构型:矩形、椭圆形、渐变形、后掠形;通过速度合成方法在稳态求解器下计算,结果显示矩形叶片经过适当改进后,可以稳定气流并在很大程度上抑制湍流,尽管它对静力和力矩几乎没有影响;椭圆形叶片在理论上和数值模拟当中产生诱导阻力的最小,但观察到在模拟中椭圆形叶片会产生更多湍流;楔形叶片来水平轴风力机的设计,它也能抑制湍流;后掠叶片的静力矩偏差最大,但它最能有效抑制湍流;结合后掠形的优势和运动轨迹的特点设计了新叶片;计算了风力机的质量和转动惯量;利用UDF和SDOF建立流体驱动仿真条件;仿真比较NACA0012-800、LJY-800、NACA 23012-800、LJY-200四种垂直轴风力机的性能。结果显示新设计翼型和叶片在空气动力稳定性方面具有优势。流体驱动仿真进一步发现:高升阻比系数和功率系数的传统特性有可能不适合于垂直轴风力机。本文提出的垂直轴风力机叶片翼型设计方法,以及从空气动力稳定性的角度研究垂直轴风力机的思路,对构建我国具有自主知识产权的垂直轴风力机专用翼型,以及垂直轴风力机的推广应用具有很好的借鉴意义。