潮流能发电装置通过水轮机叶轮对周期性往复的海水动能捕获进行发电,其发电功率与入流速度、叶轮结构、叶片翼型有关。现主流的发电装置为带导流管的水平轴式水轮机,但由于导流管与叶轮叶尖存在间隙压力流,旋转轴心轮毂无有效做工面积,在低流速工况下极大的影响水动能捕获效率。为提高水轮机获能效率,本论文提出一种叶根置于导流管管壁滑槽、叶尖指向轴心、无轮毂的无轴式叶轮方案,从结构上扩大叶片有效做功面积,规避间隙压力流产生的背压湍流阻力。为配合无轴叶轮,其叶片的设计和优化围绕在低流速工况下翼型的升力、阻力与动能捕获效率关系开展研究。通过流体动力学的基础理论计算并结合现有商用翼型库,本文选择NACA4415为无轴叶片的基础翼型。通过在翼型表面设置坐标控制点,采用多目标遗传算法对翼型升、阻参数进行优化。利用SST湍流模型,以“参数化扫描”法对翼型在相同流场不同攻角下的速度与压力进行仿真研究。结果表明,优化后的翼型在攻角=1°、4°、13°时,升阻比分别提升了4.5%、10.8%和22%。为满足海水潮流往复冲击的工况,在初期优化翼型的基础上提出中心对称结构的S翼型以实现双向水动能捕获和合理的叶片压力中心布局,利用数值模拟和矢量方程图解法得到12.7°攻角的S翼型优化设计。无轴叶轮采用奇数叶片以保证旋转动平衡性能,依设计要求和工况,对5叶片S翼型无轴叶轮进行三维建模,并对相同直径的有轴叶轮进行对照仿真研究。试验结果显示,在相同叶尖速比下,同尺寸无轴叶轮具有更高的获能系数和更低的轴向推力;且随着轴径比增大,获能系数增大、推力系数减小。叶轮流场流速结果显示,无轴叶轮相对于有轴叶轮,消除了下游低速旋转流域,进一步提高水动能捕获效率。本文提出的基于无轴叶轮的S翼型优化研究方案,对潮流发电装置的能量转换效率和能量转换稳定性提供了新的解决方案,为后续工程实验对无轴结构解决潮流能水轮机间隙压力流等问题提供了新的研究思路,对潮流能发电装置新结构、叶片设计方法具有一定的参考价值,对促进我国海洋能发电的实用化提供了研究基础。