技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种发电装置，具体涉及一种带有摩擦
离合器的垂直轴
风力发电装置，属于风力发电装备技术领域。
背景技术
[0002] 与传统
能源相比，
风能是一种能循环利用的可持续能源，蕴藏量大，清洁无污染；风力发电项目建设周期短，装机规模灵活，不占用大量可利用土地，具有较好的经济效益和社会效益。相对于
水平轴风力机而言，垂直轴风力机有无需安装
偏航装置、结构与制造工艺相对简单、便于安装、噪音小、经济实用、适应风力机巨型化要求等特点。
[0003] 风力机有水平轴风力机和垂直轴风力机两种形式。目前对水平轴风力机的
传动系统的研究主要集中在
增速器方面，如授权公告号为CN102734090 B、实用新型创造名称为《用于风力发电设备的传动系统》的实用新型
专利。垂直轴风力机主要有主
轴承、
传动轴、增速器、
制动器、风轮
锁定装置等组成，直驱式机组无增速器。但安装布置方式与水平轴不同，且至今没有较好的支承轴系结构。授权公告号为CN204419452U、名称为《一种微型垂直轴式风轮机》的实用新型专利公开了一种微型垂直轴式风轮机。该专利针对小型垂直轴风力机，传动装置组成比较简单，传动系统部件不完整，因此无法应用于大型垂直轴风力机上。授权公告号为CN101839221B、名称为《新型垂直轴兆瓦级风力发电传动系统》的实用新型专利公开了一种新型垂直轴兆瓦级风力发电传动系统，大齿圈同时带动多个
齿轮轴及增速箱和同步发
电机同时工作，该方案虽然可以同时驱动多台发电机同时工作，但是由于大齿圈及齿轮轴的增加，导致机械效率降低，整机发电效率并不高，而且整机没有风轮锁定装置，因此存在启动困难、故障率较高、安全性较低等问题。除此之外，此方案中虽然有自动变桨功能，可以减轻整机重量，但主要设备均布置在
塔架上方，安装维护不便，成本较高。
[0004] 目前对于大功率垂直轴风力机，普遍存在启动、制动困难等问题。为改善启动性能，通常采用变桨距、或者磁悬浮轴承，或者
超越离合器等，导致结构和机构复杂，不便实际应用。如授权公告号为CN203189197U、名称为《新型自启动式Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力机》的实用新型专利公开了一种新型自启动式Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力机，其中采用了超越离合器。在低风速下,超越离合器处于结合状态,使阻力轮带动升力轮一起旋转。当转速达到超越速度时，离合器实现非
接触工作,这样升力轮与阻力轮断开,虽然阻力轮还在旋转,但是它对升力轮的阻碍作用消失。这种风力机的阻力轮
能量不能充分利用，发电效率不够高。大型垂直轴风力机传动系统组件很多，且升力型风轮很大，增速器增速比大，发电机功率大，启动阻力矩大，导致所需风轮的启动力矩很大，因此，此方案如果用于大型垂直轴风力机，效果不明显，而且整机发电效率不高，风速较高时阻力轮对升力轮没有限速作用。
[0005] 目前，对于大功率垂直轴风力
发电机组，现有轴承支承不成熟，没有较好的支承轴系结构。此外，在制动和启动方面也存在急需解决的问题。实用新型内容
[0006] 本实用新型是为解决现有大功率
垂直轴风力发电机自启动和制动困难，发电效率较低的问题，进而提供一种摩擦离合式垂直轴风力发电装置。
[0007] 本实用新型为解决上述问题采取的技术方案是：一种摩擦离合式垂直轴风力发电装置包括风轮、一号传动轴、风轮锁定装置、二号传动轴、摩擦离合器、增速器、
支架、
联轴器、发电机、塔架和两个制动器；
[0008] 每个制动器为
盘式制动器，风轮为升阻复合型风轮；
[0009] 塔架的顶部转动安装有竖向布置的一号传动轴，其中一个制动器安装在塔架的顶部，其中一个制动器的
制动盘与一号传动轴的
法兰盘连接为一体，风轮锁定装置安装在法兰盘的下方的塔架的顶部，风轮锁定装置用于锁定风轮转动，一号传动轴的上端连接有风轮，一号传动轴的下端连接有二号传动轴，增速器固定在支架上，二号传动轴通过布置在塔架上的调心滚子轴承与上法兰盘连接，上法兰盘与下法兰盘之间布置摩擦离合器，上法兰盘与摩擦离合器的上半离合器连接，
摩擦片粘结在上半离合器上，摩擦离合器的下半离合器的摩擦盘与下法兰盘，下法兰盘与增速器的
输入轴连接，增速器的
输出轴与另一个制动器的制动盘连接，增速器的输出轴通过联轴器与发电机的输入轴连接，另一个制动器布置在发电机
外壳上。
[0010] 进一步地，风轮包括上
轮毂、
主轴、下轮毂、四个上主梁、四个下主梁、四个升力
叶片、八个阻力叶片和
支撑梁架；主轴竖向设置，主轴的两端分别连接有上轮毂和下轮毂；上轮毂上连接有水平交叉布置的四个上主梁，下轮毂上连接有水平交叉布置的四个下主梁；上下布置的上主梁和下主梁两端安装有升力叶片，上下布置的上主梁和下主梁之间布置有支撑梁架，上主梁和下主梁分别与支撑梁架之间安装有阻力叶片；主轴的下端还安装有下轮毂；下轮毂与一号传动轴的法兰盘连接。
[0011] 进一步地，升力叶片为H型直叶片，升力叶片的外形为对称
翼型或非对称翼型；阻力叶片为半圆弧形叶片。
[0012] 进一步地，每个支撑梁架包括支撑梁接头和四个支撑梁；四个支撑梁交叉设置并在交叉部位通过支撑梁接头连接成一体，上主梁和下主梁各自与支撑梁接头之间布置有一个阻力叶片。
[0013] 进一步地，风轮锁定装置包括锁紧销、套筒、导向键、螺杆、
螺母、
密封圈、轴承上端盖、轴承下端盖、
机体、电机及传动组件；机体安装在塔架的顶部，套筒固装在机体上，螺母安装在设置于机体上的轴承内，锁紧销通过导向健布置在套筒内，锁紧销的上端穿出套筒，锁紧销的下端与螺杆连接，螺杆与螺母
螺纹连接，传动组件分别与电机和螺母连接，电机能带动螺母转动。
[0014] 进一步地，传动组件包括大带轮、传动带和小带轮；大带轮安装在螺母上，小带轮安装在电机的输出轴上，大带轮通过传动带与小带轮连接。
[0015] 进一步地，所述一种摩擦离合式垂直轴风力发电装置还包括轴系支撑结构，轴系支撑结构包括转盘轴承、调整垫板、轴承座套筒、轴承座筒、密封圈、导
轴承盖和导轴承；转盘轴承的内孔与法兰盘连接；转盘轴承的外侧面通过调整垫板与轴承座套筒连接，轴承座套筒的下端与一号传动轴之间安装有导轴承；导轴承盖安装在轴承座套筒上且二者通过密封圈密封连接，轴承座套筒插装在轴承座套上，轴承座套安装在塔架上；转盘轴承的内孔顶靠在法兰盘的台阶侧面上。
[0016] 本实用新型的有益效果是：一、本实用新型在传动系统中增加了离合器，可以使风轮在低风速下启动。传动系统采用半直驱传动形式，使风力机风轮在低风速下就可以发电，同时减轻增速器、发电机的设计难度和重量。
[0017] 二、本实用新型采用两级制动器，制动更加可靠，同时保护增速器和离合器不受损害。
[0018] 三、本实用新型主轴承为转盘轴承，可以同时承受横向力、轴向力及倾覆力矩多种
载荷。风轮为升阻复合型风轮，可以提高启动力矩，改善启动性能，增加风轮扫风面积，能集聚更多的风能并转化为
电能，发电效率明显提高，发电效率提高20％，在强风时阻力叶片可以起到一定的制动效果，保护风轮不破坏。
[0019] 四、发电机和增速器近地面布置，方便安装维护。
[0020] 五、锁定装置采用电机驱动螺母带动
丝杠，利用机械力提供锁定力和拔出力，减小了锁定装置的结构尺寸。
附图说明
[0021] 图1为本实用新型的一种摩擦离合式垂直轴风力发电装置的结构示意图；
[0022] 图2为风轮的结构示意图；
[0023] 图3为图2的俯视图；
[0024] 图4为具体实施方式五的风轮锁定装置的结构示意图；
[0025] 图5为具体实施方式七的轴系支撑结构示意图；
[0026] 图6为本实用新型采用
摩擦式离合器的结构示意图；
[0027] 图7为制动器、一号传动轴及风轮锁定装置布置的结构示意图；
[0028] 图8为制动器、增速器与发电机相互连接的结构示意图；
[0029] 图9为制动器与一号传动轴连接中布置有十个制动摩擦片的制动器的结构示意图；
[0030] 图10为制动器与一号传动轴连接中布置有十二个制动摩擦片的制动器的结构示意图；
[0031] 图11为制动器与增速器连接的低速制动中布置有六个制动摩擦片的制动器的结构示意图；
[0032] 图12为制动器与增速器连接的高速制动中布置有八个制动摩擦片的制动器的结构示意图。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
[0034] 参见图1-图12所示，一种立轴离合式风力发电装置包括风轮1、一号传动轴2、风轮锁定装置5、二号传动轴7、摩擦离合器9、增速器11、支架12、联轴器14、发电机15、塔架17和两个制动器4；
[0035] 每个制动器4为盘式制动器，风轮1为升阻复合型风轮；
[0036] 塔架17的顶部转动安装有竖向布置的一号传动轴2，其中一个制动器4安装在塔架17的顶部，其中一个制动器4的制动盘与一号传动轴2的法兰盘2-1连接为一体，风轮锁定装置5安装在法兰盘2-1的下方的塔架17的顶部，风轮锁定装置5用于锁定风轮1转动，一号传动轴2的上端连接有风轮1，一号传动轴2的下端连接有二号传动轴7，增速器11固定在支架
12上，二号传动轴7通过布置在塔架17上的调心滚子轴承8与上法兰盘18连接，上法兰盘18与下法兰盘19之间布置摩擦离合器9，上法兰盘18与摩擦离合器9的上半离合器9-3连接，摩擦片9-2粘结在上半离合器9-3上，摩擦离合器9的下半离合器9-4的摩擦盘与下法兰盘19，下法兰盘19与增速器11的输入轴连接，增速器11的输出轴与另一个制动器4的制动盘连接，增速器11的输出轴通过联轴器14与发电机15的输入轴连接，另一个制动器4布置在发电机
15外壳上。
[0037] 增速器采用低
传动比增速器，使风力机在低风速下就可以发电，降低了发电机设计难度及重量，结构紧凑，具有较高的可靠性。制动器、增速器及发电机等在近地面布置，方便安装维护。采用升阻复合型风轮可以提高启动力矩，改善启动性能，在强风时阻力叶片可以起到一定的制动效果，保护升阻复合型风轮不被破坏。增加离合器可以使风力机在低风速下启动。在低风速启动时离合器处于分离状态，当达到一定转速时，离合器结合，风轮通过离合器等传动装置带动发电机工作。
[0038] 本实用新型设置了两套制动器，制动器优选用液压钳盘常开式制动器，在工作时制动盘随风轮主轴一起转动，制动器相对地面静止。风力机正常工作时，制动器处于松闸状态；当需要停机制动时，制动器在液压系统的驱动下使其紧闸，
制动钳驱动摩擦片压紧制动盘，在
摩擦力矩的作用下使机组停机。与一号传动轴2连接的制动器4安装在塔架17的塔顶上并为低速端制动，在主轴承之前，制动盘4-1与一号传动轴2的法兰盘2-1为一体，随风轮1一起转动；一号传动轴2通过法兰与二号传动轴7连接；与发电机15连接的制动器4为高速端制动，制动盘4-1安装在增速器11的输出轴上，通过联轴器14与发电机15输入轴相连；4-2为制动摩擦片，制动器4可以固定在发电机15壳体上，发电机15固定在发电机固定支座16上。高速端所需制动力矩较小，可以采用压紧力较小的制动器(如上海瑞工BACW100型制动器)；
低速端所需制动力矩较大，可以采用压紧力较大的制动器(如上海瑞工BACW200型制动器)。
正常情况制动时，制动力矩较小，由高速端制动器首先制动；在紧急制动(如强风等)时，制动力矩较大，为了减小对增速器的冲击，由低速端制动器首先制动，然后高速端、低速端制动器同时制动，直至机组停机。为提供足够的制动力矩，低速端可以布置10-12个制动器(如图9和图10所示)，高速端可以布置6-8个制动器(如图11和图12所示)，制动器具体个数及制动盘直径视具体情况而定。
[0039] 参见图1和图6所示，摩擦离合器可选用多盘式摩擦离合器，主要由上半离合器9-3和下半离合器9-4和摩擦片9-2组成，摩擦片9-2通过环
氧树脂胶粘贴到上半离合器9-3上，通过机械驱动力，与摩擦离合器9的下半离合器9-4的摩擦盘结合与分离，实现二号传动轴7与增速器11的输入轴连接与分离；摩擦离合器通过机械力使之分离、结合。离合器的输出轴端或增速器的输入轴也可在对中环中自由转动，以保持离合器的输出轴与增速器的输入轴对中。采用调心滚子轴承主要承受径向载荷，也能承受少量的轴向载荷。钳盘式制动器体积小、重量轻、惯量小、动作灵敏。制动器沿制动盘轴向施力，制动轴不受弯矩，径向尺寸小，
散热性能好，制动性能稳定。两级
制动系统可使制动更可靠，低速端制动可以减小对增速器、离合器的冲击，保护增速器、离合器不被破坏。
[0040] 参见图2和图3所示，风轮1包括上轮毂1-5-1、主轴1-5-2、下轮毂1-5-3、两个上主梁1-3、两个下主梁1-4、四个升力叶片1-1、八个阻力叶片1-2和支撑梁架1-6；主轴1-5-2竖向设置，主轴1-5-2的两端分别连接有上轮毂1-5-1和下轮毂1-5-3；上轮毂1-5-1上连接有水平交叉布置的四个上主梁1-3，下轮毂1-5-3上连接有水平交叉布置的四个下主梁1-4；上下布置的上主梁1-3和下主梁1-4两端安装有升力叶片1-1，上下布置的上主梁1-3和下主梁1-4之间布置有支撑梁架1-6，上主梁1-3和下主梁1-4分别与支撑梁架1-6 之间安装有阻力叶片1-2。
[0041] 风轮整体结构为
单层结构布置，共安装四支升力叶片和八支阻力叶片，布置合理，利于风能的有效利用，节约空间。主轴1-5-2的长度优先选用20m，采用支撑梁架结构形成空间支撑的连接臂结构，阻力叶片安装在支撑梁架上，风轮在强风时阻力叶片可以起到一定的制动效果，保护升阻复合型风轮不被破坏。上主梁和下主梁分别以法兰连接的形式垂直连接在上、下轮毂的法兰上。
[0042] 参见图2和图3所示，升力叶片采用H型直叶片，升力叶片1-1的外形为对称翼型或非对称翼型，阻力叶片1-2为半圆弧形叶片。采用H型直叶片能更好地提高风力，降低叶片加工难度，启动转速加快，提高风轮扫风面积大，能集聚更多的风能并转化为电能，如采用NACA0015翼型或NACA0018翼型，升力叶片长度优选用60m；采用半圆弧形阻力叶片，优先选用壁厚很薄的半圆弧形叶片，半径为2.5m，长度为20m，如此加工简便，使用便捷，同时在强风时能起到一定的制动效果，保护升阻复合型风轮不被破坏。
[0043] 参见图2所示，每个支撑梁架1-6包括支撑梁接头1-6-1和四个支撑梁1-6-2；四个支撑梁1-6-2交叉设置并在交叉部位通过支撑梁接头1-6-1连接成一体，上主梁1-3和下主梁1-4各自与支撑梁接头1-6-1之间布置有一个阻力叶片1-2。如此支撑梁架采用交叉设置的支撑梁1-6-2配合支撑梁接头1-6-1构成空间支撑的
桁架结构，结构稳定可靠。
[0044] 参见图3所示，为了保证两个上主梁1-3和两个下主梁1-4各自连接稳定可靠，交叉布置的两个上主梁1-3和交叉布置的两个下主梁1-4分别通过转动梁架1-9连接固定，提高了两个主梁1-3和两个下主梁1-4连接
稳定性，保证风轮的正常运行，转动梁架1-9为四个连接臂构成的方形
框架结构。
[0045] 参见图4所示，风轮锁定装置5包括锁紧销5-2、套筒5-3、导向键5-4、螺杆5-5、螺母5-6、密封圈5-7、轴承上端盖2-8、轴承下端盖5-10、机体5-12、电机5-15及传动组件；
[0046] 机体5-12安装在塔架17的顶部，套筒5-3固装在机体5-12上，螺母5-6安装在设置于机体5-12上的轴承5-9内，锁紧销5-2通过导向健5-4布置在套筒5-3内，锁紧销5-2的上端穿出套筒5-3，锁紧销5-2的下端与螺杆5-5连接，螺杆5-5与螺母5-6
螺纹连接，传动组件分别与电机5-15和螺母5-6连接，电机5-15能带动螺母5-6转动。
[0047] 采用一号传动轴2的法兰盘2-1与风轮1的下轮毂1-5-3相连接方式，锁定装置工作时随风轮1一起转动的法兰盘2-1上有销孔，锁紧销5-2插入该销孔即可锁定风轮1。锁紧销5-2下端与螺杆5-5为法兰连接，螺母5-6通过轴承上端盖5-8、两个轴承5-9、轴承下端盖5-
10及密封圈5-7固定在机体5-12上，轴承5-9可采用
圆锥滚子轴承。锁紧销5-2 上有导向平键5-4，可在套筒5-3中上下滑动，套筒5-3固定在机体5-12上，锁定时电机5-15驱动传动组件运动，传动组件带动螺母5-6转动，从而使螺杆5-5向上运动，使锁紧销5-2插入销孔内，解锁时电机反转，即可拔出锁紧销。
[0048] 参见图4所示，为了减轻重量，方便使用，传动组件采用带传动机构，具体为：传动组件包括大带轮5-11、传动带5-13和小带轮5-14；大带轮5-11安装在螺母5-6上，小带轮5-14安装在电机5-15的输出轴上，大带轮5-11通过传动带5-13与小带轮5-14连接。锁定时电机5-15驱动小带轮5-14、传动带5-13以及大带轮5-11同步转动，螺母5-6转动，从而使螺杆
5-5向上运动，使锁紧销5-2插入销孔内，解锁时电机反转，即可拔出锁紧销。在保证风轮锁定装置良好稳定运行的情况下，传动组件也可以是
齿轮传动形式。
[0049] 风轮锁定装置采用机械式结构进行锁定、解锁，采用电机驱动的方式，可以实现自动控制，结构紧凑，可靠，且便于安装维护，避免了液压式漏油等隐患。
[0050] 参见图5所示，一种摩擦离合式垂直轴风力发电装置还包括轴系支撑结构3，轴系支撑结构3包括转盘轴承3-1、调整垫板3-2、轴承座套筒3-3、轴承座筒3-4、密封圈3-6、导轴承盖3-7和导轴承3-8；
[0051] 转盘轴承3-1的内孔与法兰盘2-1连接；转盘轴承3-1的外侧面通过调整垫板3-2与轴承座套筒3-3连接，轴承座套筒3-3的下端与一号传动轴2之间安装有导轴承3-8；导轴承盖3-7安装在轴承座套筒3-3上且二者通过密封圈3-6密封连接，轴承座套筒3-3插装在轴承座套3-4上，轴承座套3-4安装在塔架17上，转盘轴承3-1的内孔顶靠在法兰盘2-1的台阶侧面上。
[0052] 一号传动轴2的法兰盘2-1同时与锁紧装置的锁紧盘、制动器的制动盘连接为一体。采用转盘轴承3-1作为主轴承，能够同时承受轴向负荷、径向负荷和倾覆力矩等综合载荷，自身均带有安装孔、
润滑油和密封装置，结构紧凑、安装简便和维护容易。导轴承3-8主要承受径向力，采用
压力角较小的圆锥滚子轴承，也可以采用
圆柱滚子轴承或深沟球轴承。安装时首先通过
外圈安装孔、调整垫板3-2、轴承座套筒3-3及塔架17上的安装孔将转盘轴承3-1的外圈固定。然后将转盘轴承3-1的内孔与一号传动轴2的法兰盘2-1上台阶侧面对准连接。将导轴承6从一号传动轴2的下端装入，然后依次安装密封圈3-6、导轴承盖3-7及轴承座筒3-4。轴承座筒3-4通过
螺栓固定在塔架17的塔顶上。为保证轴承座筒3-4的强度、
刚度，设计加强筋3-5。发电机15和增速器11都在近地面布置。制动器4和风轮锁定装置5安装在主轴承之前，保护风电机组不被破坏，同时为工作人员提供安全保障。
[0053] 本实用新型已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施案例所做的任何简单
修改、等同变化与修饰，均仍属本实用新型技术方案范围。
