不断增加的能源需求推动海上风电向深海发展,垂直轴风力机拥有较高的安装和维修的经济性,使其在海上风电市场具有更大的发展潜力。浮式垂直轴风力的发展受到越来越多的重视,不过垂直轴风力机的研究仍处于初级阶段。本文参考丹麦科技大学(DTU)的DeepWind项目所设计的5MW达里厄型风机叶片及桁架式Spar型浮式基础,概念性地设计了适用于200米水深的Spar型浮式垂直轴风力机系统。基于水动力计算软件SESAM对浮式基础进行了水动力计算,得到浮式基础的水动力系数,包括附加质量、势流阻尼、一阶波浪力传递函数以及不同浪向角下的幅频响应曲线(RAO)。采用谱分析对频域计算结果进行短期预报,证明该浮式基础具有良好的水动力性能。基于考虑可变干扰因子的双致动盘多流管理论(DMSV)以及Gonmont-Berg模型推导了考虑浮式基础运动、动态失速效应以及雷诺数变化的气动载荷计算方程,并编程求解。考虑阻尼力、波浪力、风力、系泊力,建立浮式风机系统垂荡、纵摇两个自由度的耦合运动方程,并采用数值方法进行求解。设计并开展了模型试验采用Spar型垂直轴风机系统的运动响应,选取缩尺比为70:1。通过自由衰减试验,得到了静水中风力机系统的垂荡、纵摇两个自由度的阻尼,计算了各自由度风力机系统运动的固有特性。测试了无风情况风力机系统的垂荡、纵摇响应,分析了风机是否转动对整个风力机系统运动的影响。测试了有风情况下风力机系统运动,分析了气动载荷对整个风力机系统运动的影响。将数值计算与模型试验结果的RAO曲线进行对比,发现无风情况下计算结果与试验结果吻合得较好,而风浪联合作用情况下在垂荡、纵摇固有周期附近差别较大,主要是由于两种方法在运动自由度、系泊系统、阻尼和风力的差别引起的。通过进一步计算研究,发现风载荷对垂荡运动影响很小,但是对纵摇平衡位置作用显著。浮式风机系统运动性能良好,垂荡、纵摇运动均为波浪频率下的运动,纵摇运动的有2P响应,但响应幅值较小。