本文来源于国家863计划项目“海洋潮流能发电技术示范系统研究”，目的是提出准确可信的垂直轴水轮机设计分析方法来预测水轮机的性能，并设计水轮机的结构型式。因此，本文的主要工作是从试验和数值模拟两方面入手，来分析单层垂直轴H型2叶片固定偏角水轮机、双层垂直轴H型2叶片固定偏角水轮机和2叶螺旋型水轮机三种型式水轮机的水动力性能。水轮机是潮流电站的核心部分，因此水轮机的设计是潮流电站设计的重点。单层垂直轴H型2叶片固定偏角水轮机，具有结构简单、运行可靠、制造成本低等优点，而备受青睐。但单层垂直轴H型水轮机的缺点是运行速比较高，叶片载荷很大；叶片数量少，主轴在一个旋转周期内的受力波动性大；无法实现自启动。因此，本文提出了两种替代的水轮机结构型式——双层H型水轮机和螺旋型水轮机，两种型式都能有效地减小了水轮机的叶片载荷和叶轮受力波动，并具有较高的能量利用率。本文首先对单层和双层垂直轴H型水轮机进行了试验研究，通过与试验结果的对比验证了CFD方法的可靠性，由于模型试验的获得的数据有限，因此，本文通过大量的CFD数值模拟来分析水轮机性能参数的影响，主要有速比、叶片固定轴和偏角、叶片翼型、密实度、来流速度、叶片展长、叶轮相位交错角和叶片螺旋角等参数。最后，比较三种水轮机性能的优劣，为潮流电站水轮机型式的选择提供试验和数值依据。