潮流能是一种储量大、能量密度高的清洁能源,其开发利用离不开水轮机的发展,而水轮机的获能系数是衡量潮流能利用率的主要指标。半转叶轮水轮机是一种升阻复合的新型垂直轴水轮机,具有启动性能优、获能效率高等优点。由于半转叶轮水轮机运动的不对称性,使得来流方向的变化会对其水动力性能有较大影响。本文重点围绕半转叶轮水轮机的偏航机构进行设计与优化,以保证半转叶轮水轮机在来流方向变化时,能快速以最佳迎流角面向来流,使其稳定高效的运行。论文主要的研究内容和结果如下:首先,介绍半转叶轮水轮机的工作原理以及在不同来流偏角下半转叶轮水轮机的运行分析。通过CFD数值模拟分析半转叶轮水轮机在不同来流偏角下的水动力性能,并通过水下实验验证数值模拟的可信性,从而确定半转叶轮水轮机最佳迎流角。以最佳迎流角为基准,对半转叶轮水轮机偏航工况下的水动力性能进行研究;研究结果表明当偏航角大于30°时,需较高的偏航响应能力;当偏航角在[-3°,3°],满足水轮机的使用要求。其次,建立半转叶轮水轮机偏航机构模型,提出两种设计方案——转臂式偏航机构与尾翼式偏航机构。在方案比较的基础上,确定了半转叶轮水轮机的偏航机构为尾翼式偏航机构。并对尾翼式偏航机构中的偏航轴承以及尾翼安装位置进行研究与分析。再次,对半转叶轮水轮机偏航机构尾翼设计与分析。提出了三角翼、矩形翼和水滴型尾翼等三种尾翼翼型。在尾翼面积S和展弦比λ一致的基础上,采用Fluent对三种翼型尾翼进行数值计算,得到偏航力矩。以三种尾翼在偏航角30°时的偏航力矩系数为基准分析其各尾翼的特性,并结合耗材考量,进一步确定了尾翼的外形结构。最后,为提高半转叶轮水轮机偏航机构的偏航响应能力,对其机构参数进行优化。建立了尾翼的偏航运动方程,得到了偏航响应时间。并通过Fluent采用6-DOF模型对尾翼进行数值计算,将数值计算结果与理论分析结果进行对比,验证理论分析的可行性。采用遗传算法对理论分析模型中的尾翼偏航机构参数进行了优化,得到了最优的尾翼结构参数。