垂直轴水轮机作为一种结构简单、无流向选择性、安装维护方便的潮流能发电装置,其能量捕获效率一直有待提高。实验和研究表明:变桨距系统的研究对于提高垂直轴水轮机的能量捕获率具有重要意义。本文在研究和总结垂直轴变偏角水轮机水动力性能优化模型及变桨距系统结构的基础上,对垂直轴水轮机叶片偏角变化规律及其实现机构进行研究。通过对垂直轴水轮机性能参数影响因素的分析,完善翼型升阻力系数与叶轮转速和诱导速度的影响关系;对不同偏角规律下的垂直轴变偏角水轮机的水动力性能参数进行分析。建立一种以瞬时力矩系数为优化目标函数,叶片攻角为优化变量的性能优化模型;求解使得固定叶尖速比时叶片瞬时力矩系数最优的攻角序列和偏角序列,并对所得偏角-位置角序列进行函数拟合;运用CFD方法对所得偏角规律下的叶轮流体模型进行仿真分析。将VSP(Voith Schneider propeller)机构应用于垂直轴水轮机的变偏角机构设计中,利用所得偏角规律对水轮机变偏角机构进行轨迹设计,求解双曲柄六杆式偏角控制机构的最佳尺寸参数组合;分析2自由度机架控制机构的运动关系,对变叶尖速比下机架控制机构的位移调节方案进行设计。建立基于所得偏角规律的VSP变偏角水轮机的叶轮二维流体模型,对不同流速环境和叶轮密实度条件下的流体模型进行CFD仿真,分析水流速度和叶轮密实度对VSP变偏角水轮机的叶轮工作状态和性能参数的影响。