垂直轴风力机具有无需对风装置、结构简单、易于维护、运行噪声低和安全性高等优点。根据其叶片做功方式不同可以分为升力型和阻力型两种。阻力型垂直轴风力机具有起动力矩大、起动风速低的优点,但存在转速低和风能利用率低的问题,而升力型垂直轴风力机则具有转速高和风能利用系数高的优势,但存在低风速下起动性差的问题。升阻复合型垂直轴风力机正是将这两者进行结合的一种新型风力机,具有较好起动性和较高风能利用率的特点。目前,很多学者通过数值计算和风洞实验的方法对垂直轴风力机的性能(起动性、风能利用率)进行了深入的研究,取得了一定的研究成果。然而对垂直轴风力机结构的研究较少,要想让使垂直轴风力机在现实生活中得到广泛应用,发挥其价值,还需要对其整机结构进行进一步的研究。该研究以3KW升阻复合型垂直轴风力机为研究对象进行了以下三部分的研究:(1)风力机结构设计。根据风力机的结构组成,将风力机分为风轮、机舱、塔架三部分进行设计。风轮部分的设计首先通过风力机空气动力学理论分析,选取了 NACA0018作为升力型叶片翼型,其次对升力型和阻力型叶片的弦长、翼展、回转半径进行了设计计算。基于风轮气动参数设计结果,最后对横梁的结构截面选择和尺寸参数进行了设计。机舱的结构设计部分根据所设计风力机的结构和气动特性,选择了盘式永磁无铁芯发电机和电磁制动器。接下来对主轴的结构进行了设计,并完成了轴承的选型。塔架的设计对风力机的安全运行起着重要的作用。通过对钢混、桁架、钢筒塔架优缺点的分析,选择钢筒结构塔架作为3 KW升阻复合型垂直轴风力机塔架。(2)风力机主要结构静动力学分析。首先分别对叶片、横梁、主轴、塔架在额定工况下的载荷进行计算,应用ANSYS有限元软件对其应力和位移大小进行计算求解,在此基础上进行结构的强度、刚度校核和改进设计。在静力学分析基础上对结构进行模态分析,计算结构的低阶固有频率和振型,分析结果表明,叶片、主轴和塔架的固有频率均小于其一阶固有频率,不会发生共振现象。对风力机的主要结构静动力学分析保障了风机的安全可靠运行。(3)制作样机和野外运行测试。基于理论分析结果,对所设计的风力机进行加工图纸的绘制和零部件的制作,完成风力机安装和调试工作。通过观测风力机在野外工作环境下的空转运行情况,发现该风力机能够在2 m/s的低风速下顺利起动,起动性能较好。在13 m/s的风速下,风力机运行正常,各零部件没有发生明显的变形和振动现象。该研究基于解析计算和有限元分析相结合的设计方法,对升阻复合型垂直轴风力机进行了设计和制作。样机野外运行实验研究表明理论计算结果与实际实验结果相符,该设计方法满足风力机的设计要求,为同类型风力机的设计提供了参考。