随着油气和地质勘探不断向深地深海进军,常用的被动防斜技术已不能满足垂直钻井的要求。现行应用较广的电控式垂钻系统由于包含电子和液压零件,在井下不耐高温、易损坏。机械式垂钻系统虽然避免了这些问题,但由于分流盘阀受到的摩擦扭矩,致使偏重块纠斜转矩小,整套钻具在实际应用中纠斜精度低。改进后的机械式垂直钻具应用水力涡轮结构,使钻具在工作过程中能够减小或抵消分流盘阀受到的摩擦扭矩,从而提高整套钻具的纠斜精度。但此水力涡轮不同于传统涡轮,其在工作时静止,只提供扭矩。且液流入口角恒为90°。首先根据水力涡轮的工作原理确定其设计扭矩,计算出水力涡轮受到的摩擦扭矩为4.46N?m,启动扭矩约为0.363N?m。依据水力涡轮的工作原理和实际工况,水力涡轮的设计扭矩范围应取接近摩擦扭矩的最大值。初步筛选不同涡轮叶片后,确定借鉴五次多项式法构建叶片叶型。通过分析水力涡轮的液流速度三角形,修改了原有涡轮参数公式,重新分析了无因次系数值。在建立了水力涡轮扭矩、无因次系数和叶片结构角三者之间的数量关系后,通过枚举法求出在目标扭矩下涡轮的结构角为₁=90.00°,₁=34.99°。扭矩为2.19N·m,符合设计扭矩范围。对涡轮进行了CFD（Computational Fluid Dynamics）水力仿真。观察和分析了五次叶片涡轮的水力性能,发现明显优于螺旋叶片和直叶片涡轮。在流量为5L/s时,五次叶片水力涡轮的扭矩为2.17N·m。通过计算,安装有水力涡轮结构的垂直钻具纠斜精度有了明显的提升。当水力涡轮达到设计扭矩值范围时,整套钻具的纠斜精度有了明显提升。这种针对特殊水力涡轮叶片的设计方法,能够在有限的设计空间内满足钻具对涡轮的设计要求。其设计过程经验与理论分析结果对以后有类似要求的水力涡轮设计奠定了基础。