风能作为一种重要的资源,具有储量巨大、环境友好的特点,其开发和利用受到了全世界的关注。目前,大型水平轴螺旋桨式风力机是并网风力发电的主要组成部分。此外,中小型风力机,如达里厄型、直线翼型等垂直轴风力机,也愈来愈受到广泛重视。为进一步提高直线翼垂直轴风力机的气动性能,包括静态启动特性和输出功率特性,本文将Savonius阻力风轮与其进行组合,既兼顾启动性的同时,又可以提高其风能利用率,使组合后的风力机具有更广阔的应用前景。本研究基于一台三叶片小型直线翼垂直轴风力机,设计了一种与之相匹配的三叶片的Savonius风轮,将两者进行组合。通过数值模拟、统计学试验设计和风洞试验等手段相结合,对其气动特性进行了研究改善。首先,对影响组合型风力机气动特性的三个主要结构参数进行了研究,即阻力风轮占比ε,重叠比OL和相对夹角θ。采用二次正交旋转组合设计制定了数值模拟方案,根据模拟结果建立回归方程,获得了两组具有较优组合参数的组合型垂直轴风力机,而后利用数值模拟和风洞试验验证,并将该结果与无阻力风轮的直线翼垂直轴风力机进行了对比分析。本研究获得的主要结论如下:(1)通过匹配直线翼垂直轴风力机与三叶片Savonius风轮的参数,可以影响具有三叶片Savonius风轮组合型垂直轴风力机的气动性能,且三个参数存在交互影响。通过合理地选取阻力风轮占比,重叠比及相对夹角三个参数,分别以其尖速比λ=1.6和尖速比λ=1.8时的功率系数数值模拟结果为评价指标,利用二次正交旋转组合设计方法建立了归回模型,得到了优选参数组合I型为阻力风轮占比ε=24%,重叠比OL=0.28,相对夹角θ=65°,组合II型为阻力风轮占比ε=24%,重叠比OL=0.22,相对夹角θ=60°。(2)与10m/s风速下的直线翼垂直轴风力机相比,组合I型风力机和组合II型风力机的功率系数曲线更加稳定,整体高于使用三叶片NACA0018翼型的直线翼垂直轴风力机,且区别于前期组合型风力机的研究,两种优化方案的组合型风力机功率系数曲线与周期力矩曲线表现为明显的升力型垂直轴风力机特性。在一个旋转周期内,直线翼垂直轴风力机在较高尖速比下出现了动态失速现象,表现为力矩系数曲线的阶跃,不利于风力机稳定工作,而组合型风力机在一个旋转周期内动态力矩曲线过度较为平稳,但其波动相对于直线翼垂直轴风力机的较大。组合型风力机的力矩系数曲线与直线翼垂直轴风力机的力矩系数曲线最大差值出现在40°和100°附近,最佳工作尖速比分别为λ=1.6和λ=1.8。(3)进行了三种风力机的风洞试验,结果表明,相对于直线翼垂直轴风力机组合I型的平均启动力矩提升了142.3%,组合II型的平均启动力矩比直线翼垂直轴风力机的平均启动力矩提升了137.5%,组合I型风力机的平均启动力矩要高于组合II型风力机,差值为3.5%;在输出功率方面,尖速比λ大于1.0时,两种组合型风力机也要高于直线翼垂直轴风力机,但由于试验条件的影响,差值并不明显;对于启动转速特性而言,在6m/s的低风速下,直线翼垂直轴风力机不能自行启动,而组合I型风力机和组合II型风力机均可启动;组合I型到达稳定转速的时间少于组合II型,组合II型风力机在多数工况下具有更高的转速,该结果表明,在相同负载情况下,组合I型风力机的风速响应特性较好,组合II型风力机更适合在风速较为稳定的工况下工作。该结果表明,组合型风力机的稳定转速较直线翼垂直轴风力机的稳定转速而言提升明显,说明阻力风轮可以产生更大的转矩来克服负载力矩,充分发挥升力叶片的气动特性,驱动风力机旋转。本研究建立了三叶片Savonius风轮与直线翼垂直轴风力机的组合型风力机模型,得到了两组具有优选参数组合。该研究结果可为与三叶片的Savonius风轮研究相关的组合型风力机研究提供理论和试验研究基础。