本文针对大型水平轴风力机的结构和运行特点,应用空气动力学理论和现代较为精确的风力机片条理论,对大型水平轴风力机的气动优化设计、气动阻尼、载荷计算、动态失速等方面进行了研究。论文主要内容如下:研究风轮气动总体优化设计方法,采用较精确的片条理论(Strip Theory)计算风力机气动性能,以桨叶各截面弦长和扭角为设计变量,综合考虑了桨叶截面翼型气动特性、桨叶截面之间的约束和风场风速的年分布情况,以风力机的年能量输出最大为设计目标,用复合形法进行全局寻优,对风力机桨叶外形进行优化。通过设计实例,使用该方法设计的桨叶,对比商业化桨叶,外型结构合理且具有良好的气动性能。根据风力机空气动力学、材料力学、振动力学基本原理,在已有的紊流风场模型、风力机气动计算模型上,引入气动阻尼模型、动态失速模型,分析和计算风力机叶片截面处的气动阻尼和叶片模态阻尼。采用英国GH公司的“Bladed for Windows”软件,对1.5MW水平轴风力机叶片的稳态载荷和动态载荷进行了计算。得到了叶片关键截面处的载荷,并找出了根部的最大载荷。在Beddoes-Leishman模型的基础上建立了动态失速模型。Beddoes-Leishman模型是一种“半经验”模型,其参数可根据不同情况进行调整。本文在确立了计算方法和过程后,通过对计算结果的对比,确定了风力机动态失速情况下模型中参数的数值。模型把失速过程中流经叶片的气流按其状态分为吸附流和分离流,通过分析这两种气流对叶片的影响来建立新模型。由新模型确定的算法较简便,计算得到的叶片动态性能参数与实验数据有较好的吻合。