随着社会的进步与经济的发展,全球对能源的需求量在逐年急剧增长。由于传统化石能源的过量消耗以及由此产生的环境污染问题也越来越严重,世界上很多国家已经开始对可再生能源如海洋能等相关能源进行研究与应用开发。其中海洋潮流能以其可预估性、节约陆地资源、能量密度高等优点逐渐成为人们的关注热点。本文以15kW新型竖轴潮流能发电装置的海上试验为研究背景,首次提出新型同轴双转子竖轴水轮机。围绕此新型竖轴水轮机,首先对考虑支臂三维效应的单转子水轮机进行数值模拟与实验研究；其次根据单转子水轮机的数值模拟结果提出了改进自启动性能的双转子竖轴水轮机,对该水轮机进行了理论分析、数值模拟以及实海况海上试验研究；由于双转子水轮机是同轴安装两个转子,尽管提高了自启动性能,但同时也增加了主轴的疲劳破坏可能性,因此对主轴的疲劳安全可靠性进行了理论分析与数值仿真研究。论文的主要工作如下：(1)基于直升机旋翼转子固定涡理论对竖轴水轮机支臂的诱导速度产生机理进行了分析研究；分别建立竖轴水轮机在考虑有支臂和无支臂情况下的三维数值模型,研究分析了支臂端板效应对叶片表面压力场随尖速比的变化,并且对有无支臂存在下的切向力系数以及能量转换系数进行了对比分析。基于改进的Realizable κ-ε湍流模型对考虑支臂效应情况下的竖轴水轮机水动力性能进行了三维数值模拟。考虑三种不同翼型NACA0012.NACA0015.NACA4415以及圆形截面支臂,分析不同翼型厚度、不同翼型弯度支臂所产生的三维效应对转矩系数、能量转化系数的影响。针对竖轴水轮机自启动性能较差的问题,本文首次提出了新型同轴双转子水轮机。对新型同轴双转子水轮机水动力性能进行了数值分析研究,重点分析了其自启动性能,主要包括不同相位差安装角度对自启动性能的影响,并通过优选给出了最佳安装角度相位差。(2)为了更加直观地获得考虑支臂效应的竖轴水轮机水动力性能以及验证数值模拟方法的可靠性,根据数值模型制作了不同类型支臂的竖轴水轮机,在波流水槽内进行了模型实验,通过物理模型实验对不同类型支臂的启动性能以及能量转化效率进行了实验研究,总结并给出了不同类型支臂水轮机的启动性能以及稳态转速。根据物理模型实验以及数值模拟的结果,设计制造了15kW竖轴双转子潮流能水轮机并进行实海况的试验研究。在实海况试验之前首先基于改进计算精度的Tidal Flow Development(TFD)潮流场数值模型对大连大小长山岛海域进行潮流场的数值模拟,得到该海域沿水深平均的潮流场分布,结合有效影响因子SIF评估方法对该海域潮流能进行了评估计算;同时针对试验海域潮流为往复流属性,提出以平均获能效率对潮流能进行周期性的能量转换效率评估方法。(3)竖轴水轮机主轴承担着传递荷载、支撑叶片等作用,是潮流能发电装置的重要构件之一。本文首次提出利用应力修正系数方法修正材料的SN曲线,使修正后的SN曲线更符合实际构件的应力寿命时程。利用雨流法统计主轴所受到的周期疲劳载荷,并结合Miner线性累计疲劳损伤理论对主轴在额定工况下进行了疲劳特性分析研究。针对主轴会受到潮流往复运动产生的周期力以及与支撑框架和主轴之间相互作用影响,其荷载复杂、失效模式不能显式表达等问题,作者将基于支持向量机(SVM)的可靠性理论应用到主轴结构的可靠性计算中,对主轴结构体系可靠度的失效概率进行了仿真分析。