竖轴水轮机运行不受来流方向限制、结构简单、可靠性高,但相比于水平轴水轮机,其能量利用率一直不高。根据实验及理论研究可知,叶片偏角规律对水轮机的性能有很重要的影响。本文通过研究竖轴水轮机的偏角变化规律,设计出一种直驱式变偏角机构,并研究偏角规律、叶片密实度等对竖轴水轮机性能的影响。本文研究了竖轴水轮机的水动力学性能,通过对叶片、叶轮进行运动和受力分析,推导出水轮机能量利用率的参数表达式。通过分析得到的参数表达式,得到影响能量利用率的因素,即水轮机的叶片密实度、偏角变化规律、展弦比等。为了研究偏角变化规律对水轮机性能的影响,采用基于动量定理的单盘面-多流管模型进行求解。研究竖轴水轮机的设计参数,确定叶片数、叶片翼型、叶片弦长和轮辐直径等基本参数。通过研究叶片翼型的升阻力系数,确定攻角优化的范围,从而得到偏角优化的范围。采用离散优化方法,得到叶片的偏角规律。通过对得到的偏角规律下的流体模型进行CFD仿真,并对比在优化摆线偏角规律和所求得的偏角规律下的能量利用率,验证了所得偏角规律能够进一步提高水轮机的能量利用率。为了研究叶片密实度对水轮机性能的影响,设计了悬臂式结构和可换叶片结构。对不同叶片密实度下的流体模型进行仿真,分析叶片密实度,即轮辐直径、叶片弦长对水轮机性能的影响。通过对CFD仿真结果分析,确定最优轮辐直径和叶片弦长,以此作为设计参数。研究竖轴变偏角水轮机叶片的惯性载荷及惯性矩,根据本文求得的优化偏角规律,推导出叶片的变偏角力矩表达式。运用CFD方法对优化规律下的流体模型进行仿真,得到不同速比下对应的能量利用率。通过对直驱式变偏角系统进行数值模拟,得到在固定偏角和变偏角条件下的静力矩和惯性力矩,以此为依据进行变偏角系统的设计。