立轴式风电机组以其不需要调整风向,发电机、齿轮箱等设备放在地面上等特点,极大克服了水平轴风电机组结构上的固有缺陷,将成为新型高效大型风电机组开发的趋势。立轴式风力机运行时攻角发生大范围的周期性变化,大攻角运行时将产生流动分离和涡旋现象,由此引起的动态失速效应使立轴风力机的气动性能评价变得复杂。由于外激励风载荷的交变性和随机性,风力机的振动是必然的,立轴风力机风轮属于旋转结构,由于旋转产生离心软化效应、应力刚化效应和科氏力效应,使立轴风力机振动特性的获取比较复杂,同时风力机结构运行时处于气流中,空气和结构耦合的气弹效应也将影响风力机结构的动特性,并有可能诱发结构的颤振。究其本质,离心软化效应、应力刚化效应和科氏力效应是由于结构大运动与变形耦合主要是旋转运动与变形耦合造成的,而气弹效应亦是由于结构运动造成流固边界变化从而形成气动力和结构弹性力耦合行为。这些耦合问题涉及到连续介质力学和一般力学以及空气动力学和弹性力学的交叉学科,成为近几十年以来的研究热点和难点。本文回顾了VAWT结构气动性能评价研究现状,考察了VAWT柔性结构动力学建模方法和模态分析研究现状,并对VAWT气动弹性稳定性研究现状进行了综述。论文的主要工作内容和结论如下:①设计了MW级VAWT系统设计的技术路线,对1.2 MW Darrieus型VAWT系统进行了初步设计,结合气动分析和结构分析对风力机各子系统进行了参数设计,并绘制了风力机系统的设计图。②通过采用Gormont动态失速模型、B-L动态失速模型和ONERA动态失速模型等三个半经验动态失速模型,结合双多流管气动评价模型对Sandia 17m VAWT进行了气动评价并结合实验数据进行了对比,选取了Gormont动态失速模型对1.2 MW Darrieus型VAWT进行了气动评价,并综合考虑了雷诺数、风剪效应和有限展弦比效应的影响。③从动力学建模方法出发,得到离心环境下梁结构的动力学方程的有限元格式,数值分析得到VAWT结构动频即Campbell图,并反过来修改结构设计,分析了离心软化效应、科氏力效应和几何刚化效应对Campbell图的影响。④借助ANSYS二次开发技术,在ANSYS二次开发平台上利用用户自定义单元Matrix27,建立了适合于风力机叶片气动弹性分析的有限元矩阵以及考虑气动弹性效应的风力机有限元动力学方程。对1.2 MW Darrieus型立轴风力机进行了气动弹性稳定性分析,研究了在工作风速下风力机发生颤振的失稳转速和颤振频率。⑤离心场中结构的动力学方程出现科氏一阶项为非比例阻尼项,使结构的模态矢量为复模态矢量,然而,在实际结构动力学分析中往往舍弃虚部直接将复模态矢量处理为实矢量。本文发现,复模态矢量蕴含了结构质点的耦合运动即极化运动,而实模态矢量则对应了质点的线运动,以实模态矢量代替复模态矢量的简化处理会掩盖振动系统的运动学本质。科氏一阶阻尼形式并非真实的物理阻尼,不引起系统自由振动的衰减。对于离心场中的双自由度弹簧-质量振动系统,科氏力项使系统的模态矢量为复矢量,复矢量表示系统质量点的运动轨迹为圆周轨迹。同时,对于离心场中的双自由度质量弹簧阻尼振动系统,结构阻尼引起系统自由振动的衰减,使得系统单一复模态质量点的运动轨迹为圆螺旋运动轨迹。⑥建立了离心场中悬臂梁动力学方程的有限元格式,重点关注悬臂梁的前两阶模态,分析比较了科氏力对悬臂梁动频与离心转速关系的影响。本文发现,离心场中悬臂梁关于位移和转角的模态矢量均为复模态矢量,位移的前两阶复模态矢量对应着结构质点的平动椭圆极化运动轨迹,而转角的前两阶复模态矢量表现为叠加在平动椭圆运动轨迹上的转动,且两个转动分量也满足椭圆方程。