垂直轴风机被认为是城市地区发电的更好选择方式。然而,在高风速下,很难控制垂直轴风机的功率输出,这可能会对发电机或风轮结构造成潜在的破坏。本文提出一种配备有主动偏航系统的树形四转子风机设计,不仅能有效的控制风机的输出功率,而且能提高风机在极端条件下的停机自存能力。首先,依据已有试验数据,进行三维CFD数值模型验证。将不同转速下垂直轴风机的气动扭矩模拟结果与试验结果进行对比分析,两者之间仅存在微小差异,验证了CFD数值模型的有效性。结合树形风机工作原理,对单垂直轴风轮进行了气动性能数值研究,分析出单转子在不同偏航角下气动特性。其次,为选取最适合树形风机的转子型号,探索了不同高宽比下转子偏航气动性能。通过分析各转子工况的平均扭矩和瞬时扭矩数据得出,H810型和H600型转子的气动性能十分相似,且在不同偏航角下均优于H200型转子。综合上述分析选择H600型转子用于树形风机模型设计。为进一步了解H600型转子气动特性,对H600型转子进行不同转速下数值计算,并分析其尾流特性,为树形风机风洞试验及后续研究奠定数据基础。最后,为了评估所提出的设计概念,建立了树形风机和主动偏航系统的试验模型,并在风洞中进行了测试。为模拟真实发电工况,转子随风速和转子偏航角的变化自由旋转,并带动发电机给24v蓄电池充电。在试验中通过测量发电机充电功率作为风机输出功率。研究发现,四转子布局的风能转化效率比单转子布局提高了约23%。通过改变树形风机的偏航角,可以有效地控制转子转速。在不同风速下,树形风机的总输出功率可以稳定在设定值范围内。在极端工况条件下,主动偏航系统能够调整转子工作平面与风向平行,并关闭转子,以最小化转子的气动力矩,防止发电机超速。