摆线式直叶水轮机的工作原理与叶片角度可变的垂直轴风力机工作原理相类似，只是其叶片摆动控制是基于一种摆线原理，图1是摆线式直叶水轮机控制原理示意图。

叶片绕水轮轴O逆时针旋转，虚线圆圈是叶片运动轨迹，叶片长度方向与轴O平行，叶片有自己的转轴（叶片转轴）与叶片长度方向平行，叶片在绕水轮轴旋转时也可绕叶片转轴转动。P是一个固定点，称为偏心点，过叶片转轴并与叶片弦线垂直的一条点划线称为摆线，无论叶片运动到任何位置，摆线都通过偏心点P，图中表示了每隔45度的8个位置。φ是叶片弦线与所在点的圆周切线的夹角，称为叶片偏角或摆角，叶片运转到0度或180度时叶片与水流方向平行，夹角φ为0；叶片运转到90度附近与270度附近时夹角φ最大。

偏心点P与主轴O间的距离称为偏心距，改变偏心距，就可以改变叶片偏角随叶片位置的变化规律，当偏心距为0 时，叶片在任何位置都不会偏摆。

图3右图是叶片的结构，在叶片轴上固定连接控摆杆，控摆杆与叶片弦线所在平面垂直，控摆杆中间开有滑槽，偏心轴可在滑槽中自由滑动，偏心轴固定在机架上。当叶片绕水轮主轴旋转时控摆杆沿偏心轴滑动，从而实现图1中所示的控摆原理，见图2。

在主轴上装有上叶片支架与下叶片支架，叶片通过叶片转轴安装在上下叶片支架之间，图4左图安装了一个叶片，为看清控摆杆滑槽与偏心轴没有显示下叶片支架，在右图中显示了完整安装一个叶片的结构。

图5显示了完整安装三个叶片的结构。

一个完整的摆线式直叶水轮机模型组装完毕，下面看这个模型的运转动画。