專利名稱：一種具有低流體動(dòng)力阻力的高強(qiáng)度可卷繞機(jī)電系鏈及使用該系鏈的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及高強(qiáng)度低阻力系鏈以及使用該系鏈的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
ー些機(jī)載風(fēng)能系統(tǒng)、動(dòng)カ風(fēng)箏、系鏈系住的潮汝能系統(tǒng)(tethered tidal powersystem)、停泊平臺(tái)、系鏈系住的高空氣球以及其它系鏈系住的裝置要求高系鏈強(qiáng)度，有效的系鏈動(dòng)カ傳輸，并且對(duì)流體動(dòng)カ阻カ效果敏感。在一些機(jī)載發(fā)電系統(tǒng)情況中，例如機(jī)翼的空中作業(yè)臺(tái)會(huì)支撐ー批潤(rùn)輪發(fā)電機(jī)。利用提供將系鏈系住的平臺(tái)與地面的物理聯(lián)接并且電聯(lián)接的系鏈將平臺(tái)連接至地面。在這種情況中，由渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電カ可以沿著系鏈從空中平臺(tái)傳遞至地面。在渦輪發(fā)電機(jī)也用作電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳的情況中，例如當(dāng)平臺(tái)從地面升起時(shí)可以被用到，系鏈可以為空中平臺(tái)提供電力。而且，系鏈可以為用作與平臺(tái)上的控制功能相關(guān)的遙測(cè)技術(shù)的通道。另外，系鏈提供平臺(tái)至地面的機(jī)械連接。在側(cè)風(fēng)飛行情況中，例如當(dāng)空中平臺(tái)以平臺(tái)中視風(fēng)比名義實(shí)際風(fēng)速高得多的模式飛行時(shí)，系鏈的拖拽在整個(gè)系統(tǒng)功能中可以扮演重要的角色。典型地，系鏈卷繞在一些類型的卷軸上作為空中平臺(tái)的機(jī)械絞盤(pán)部分的存儲(chǔ)。被提及的是系鏈，以及使用系鏈的系統(tǒng)，其為空中平臺(tái)提供從地面的高強(qiáng)度支撐。還被提及的是在阻力上很低以使其適于機(jī)載平臺(tái)支撐的系鏈。

發(fā)明內(nèi)容
一種系鏈，以及使用這種系鏈的系統(tǒng)，其適于提供機(jī)載飛行平臺(tái)與地面的機(jī)械和電氣聯(lián)接。系鏈可以具有中心結(jié)構(gòu)核心，該結(jié)構(gòu)核心具有在系鏈外徑上或接近外徑處的電導(dǎo)體。該系鏈可以采用適于降低阻力的外部構(gòu)造。


圖1為說(shuō)明高抗拉強(qiáng)度機(jī)電系鏈的實(shí)施例的圖解；圖2為說(shuō)明具有束合導(dǎo)體的機(jī)電系鏈的實(shí)施例的圖解，其為螺旋槽創(chuàng)造空間。圖3為說(shuō)明在系鏈中包括導(dǎo)體元件的次級(jí)應(yīng)カ消除的機(jī)電系鏈的實(shí)施例的圖解。圖4為說(shuō)明包括兩個(gè)導(dǎo)體元件和一個(gè)作為低體積彈性模量材料的夾套的機(jī)電系鏈的特定示例的實(shí)施例的圖解。圖5為說(shuō)明包括交替橫截面構(gòu)造的強(qiáng)度構(gòu)件和導(dǎo)體的機(jī)電系鏈的實(shí)施例的圖解。
圖6為根據(jù)本發(fā)明ー些實(shí)施例的系鏈性能的圖表。圖7為根據(jù)本發(fā)明ー些實(shí)施例的系鏈的橫截面視圖。圖8說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的幾種外部構(gòu)造。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明ー個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)描述附隨說(shuō)明了本發(fā)明原理的附圖一起在下文中被提供。本發(fā)明結(jié)合這些實(shí)施例被描述，但是本發(fā)明不受到任何實(shí)施例的限制。本發(fā)明的范圍僅受到權(quán)利要求書(shū)的限定，并且本發(fā)明范圍包括各種替代、修改和等價(jià)物。各種具體細(xì)節(jié)在如下說(shuō)明中被提出從而提供對(duì)本發(fā)明的徹底理解。這些細(xì)節(jié)被提供用于示例目的并且本發(fā)明可以不帶有這些具體細(xì)節(jié)中ー些或全部地根據(jù)權(quán)利要求書(shū)而被實(shí)施。為了簡(jiǎn)明的目的，在與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域中已知的技術(shù)材料沒(méi)有詳細(xì)描述，以使得本發(fā)明不會(huì)非必要的晦澀。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，高強(qiáng)度低阻力機(jī)電系鏈適于在各種應(yīng)用中使用，例如將機(jī)載發(fā)電平臺(tái)聯(lián)接至地面。在一些實(shí)施例中，系鏈包括以變化螺旋角的同軸層卷繞的單獨(dú)復(fù)合桿體制造的高強(qiáng)度核心、圍繞高強(qiáng)度核心同軸安裝的低體積彈性模量材料以及圍繞低體積彈性模量層螺旋卷繞或同軸安裝的単獨(dú)或同軸絕緣電導(dǎo)體。電導(dǎo)體可以承受導(dǎo)電時(shí)的熱量，并且在系鏈外徑上或靠近系鏈外徑的電導(dǎo)體的布置可能在ー些方面提高導(dǎo)體冷卻并降低高強(qiáng)度核心的溫度。在一些實(shí)施例中，核心高抗拉強(qiáng)度材料的螺旋卷繞允許相鄰股之間的相對(duì)滑動(dòng)，并因此降低了系鏈關(guān)于繩輪、滾筒或滑輪的最小卷繞半徑，這對(duì)于系鏈存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)是所期望的性能。在高強(qiáng)度核心內(nèi)的連續(xù)層可以以相對(duì)螺旋卷繞從而降低或消除由沿著系鏈的拉力產(chǎn)生的圍繞系鏈的扭矩。電導(dǎo)體易于遭受過(guò)量應(yīng)變以及失效的影響，因?yàn)樗鼈兛梢员雀邚?qiáng)度核心具有更低的強(qiáng)度。各種設(shè)計(jì)考慮會(huì)表明該憂慮。導(dǎo)體可以以稍微陡角度的螺旋狀卷繞，以使得螺旋狀可以如同彈簧一祥擴(kuò)張，以取代使導(dǎo)體自身發(fā)生的應(yīng)變。而且，導(dǎo)體和高強(qiáng)度核心之間的低體積彈性模量材料用于消除線材的應(yīng)變，當(dāng)系鏈?zhǔn)芾瓡r(shí)允許電導(dǎo)體的螺旋直徑的某些壓縮和電流變窄。在電導(dǎo)體和高強(qiáng)度核心之間低體積彈性模量材料的使用允許最小線材螺旋角并因此最小化線材的自由長(zhǎng)度、降低重量并熱量消耗。線材的外部位置另外用于降低由于線材中電阻損耗引起的溫度増加，并且允許在系鏈表面中便于螺旋凹槽的放置從而降低系鏈阻カ系數(shù)降低時(shí)的關(guān)鍵雷諾茲數(shù)值。在ー些實(shí)施例中，沿著系鏈外部直徑的導(dǎo)體徑向間隔經(jīng)由相同的設(shè)計(jì)特征而允許增強(qiáng)冷卻并降低阻力。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，在機(jī)載風(fēng)能系統(tǒng)、系鏈系住的潮汝能系統(tǒng)(tetheredtidal power system)、動(dòng)カ風(fēng)箏、停泊平臺(tái)、或需要高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命以及低流體動(dòng)カ阻力的其它應(yīng)用中為必要的使用的機(jī)電系鏈可被設(shè)計(jì)為包括被動(dòng)降低系鏈上流體動(dòng)カ阻力的元件，并且包括了降低導(dǎo)電元件中應(yīng)變的元件。在這些應(yīng)用中使用的系鏈另外要求卷繞在小直徑的滾筒上或卷繞在小直徑的滑車(chē)輪上。這種要求通過(guò)系鏈內(nèi)股的螺旋卷繞而實(shí)現(xiàn)，使得每個(gè)股的平均直徑接近彎曲中的系鏈中心軸的平均直徑，使得每個(gè)股經(jīng)歷交替的壓縮和拉伸載荷，該載荷通過(guò)相鄰股之間的滑動(dòng)而平衡。然后，連續(xù)層可以以相對(duì)方向卷繞以平衡加載狀態(tài)下圍繞系鏈軸線的可能合成扭矩。因?yàn)樵S多高強(qiáng)度材料在屈服或斷裂時(shí)伸長(zhǎng)其自由長(zhǎng)度的1%，并且許多優(yōu)良導(dǎo)體在屈服或斷裂時(shí)伸長(zhǎng)小于0.4%，所以實(shí)質(zhì)上有效的機(jī)電系鏈的導(dǎo)電元件可以被配置為在使用系鏈拴住機(jī)載系統(tǒng)，以及纏繞在滾筒期間，經(jīng)受比高強(qiáng)度元件顯著小的應(yīng)變。通過(guò)以急劇的或原理系鏈軸的螺旋角度卷繞，可以消除導(dǎo)電元件應(yīng)變。通過(guò)在導(dǎo)電元件的卷繞半徑內(nèi)的某處包含低體積彈性模量層可以另外地消除導(dǎo)電元件應(yīng)變，使得低體積彈性模量層在導(dǎo)電元件拉カ下壓縮，允許導(dǎo)電元件ー些向內(nèi)的徑向移動(dòng)，并因此降低導(dǎo)電元件的所需自由長(zhǎng)度。為了降低系鏈直徑對(duì)流體動(dòng)カ阻力的影響，可以對(duì)系鏈的外表面交錯(cuò)或具有凹槽從而降低雷諾數(shù)，在該雷諾系數(shù)，系鏈的圓柱外形具有降低的阻力系數(shù)。在一些實(shí)施例中，阻力降低凹槽能夠以引發(fā)系鏈直徑最小増加的方式被設(shè)置在相鄰導(dǎo)電體之間。在一些實(shí)施例中，在相似電壓電平操作的導(dǎo)電體組可以允許降低相鄰導(dǎo)電體之間所需的絕緣量。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，低阻力輕量機(jī)電系鏈101包括高強(qiáng)度核心102，低體積彈性模量材料103，絕緣材料104，導(dǎo)電體105以及護(hù)套106。在各種實(shí)施例中，高強(qiáng)度核心102包括以變化和交替的螺旋角度層纏繞的多個(gè)復(fù)合棒或擠壓元件。高強(qiáng)度核心102的復(fù)合棒包括纖維元件，例如聚酰胺纖維、碳纖維或玻璃纖維；以及約束基體元件，例如環(huán)氧樹(shù)脂基體或こ烯基酯基體。高強(qiáng)度核心102的外層的螺旋卷繞允許在操作時(shí)整個(gè)系鏈101以某種方式被卷繞到滾筒上，該種方式降低相鄰棒之間的有限滑動(dòng)或剪切。在高強(qiáng)度核心102的各種實(shí)施例中，復(fù)合棒的連續(xù)共軸層以相對(duì)螺旋方向卷繞從而部分或完全平衡由系鏈在拉カ下產(chǎn)生的扭矩，或者以相同螺旋方向卷繞。在各種實(shí)施例中，除了復(fù)合棒，高強(qiáng)度核心102由干纖維、金屬絲或金屬電纜組成。在各種實(shí)施例中，高強(qiáng)度核心102的中心層107由軸向復(fù)合棒、仍提供抗拉強(qiáng)度的低彈性模量材料、低載荷填充材料、通信線路，或任何其它何時(shí)填充物材料組成。在各種實(shí)施例中，高強(qiáng)度核心102由圓形、方形或梯形橫截面棒組成，或者由任何其它合適橫截面形狀的棒組成，或者由不同橫截面形狀的棒組成。在一些實(shí)施例中，單個(gè)元件涂覆有適于便于元件之間滑動(dòng)的涂層。該涂層可以是聚四氟こ烯涂層，PEEK涂層，或者任何其它合適的低摩擦涂層。在一些實(shí)施例中，所述層可以涂覆由適于便于層之間滑動(dòng)的涂層或?qū)?。例如?dāng)系鏈卷繞在滾筒上時(shí)，當(dāng)元件和/或?qū)酉鄬?duì)于彼此移動(dòng)時(shí)，這些低摩擦涂層降低摩擦。在一些實(shí)施例中，低摩擦材料的徑向纏繞被放置在高強(qiáng)度核心的每個(gè)連續(xù)螺旋層之間。在一些實(shí)施例中，使用轂強(qiáng)度或周張カ層108纏繞高強(qiáng)度核心102的每個(gè)螺旋卷繞層。盡管在圖1中示出僅作為單一周張カ層，但是存在多個(gè)不同直徑的周張カ層，其每一個(gè)在ー些方面圍繞單個(gè)層被卷繞。在各種實(shí)施例中，轂強(qiáng)度或周張カ層108包括高強(qiáng)度剛性材料，或者拉カ加載層，例如用來(lái)阻止高強(qiáng)度核心102層不圓或從核心打開(kāi)的聚酷薄膜或高強(qiáng)度纖維纏繞。在一些實(shí)施例中，進(jìn)ー步使用周張カ層108來(lái)降低高強(qiáng)度核心102的連續(xù)同中心層中復(fù)合棒之間的摩擦。在一些實(shí)施例中，高強(qiáng)度核心102不是由同中心層制造，而是相反地包括多個(gè)徑向?qū)ΨQ模式的元件，每ー個(gè)元件通過(guò)周張カ層108的元件約束或壓縮，例如系鏈高強(qiáng)度核心102內(nèi)的每個(gè)棒是由ー捆較小棒組成。在一些實(shí)施例中，在核心102各種層內(nèi)的每個(gè)元件，除了中心層107，具有相同直徑和構(gòu)造。在一些實(shí)施例中，核心102的所有層具有相同直徑。在一些實(shí)施例中，從系鏈中心向外觀察，每個(gè)連續(xù)層的螺旋卷繞角度是增加的。在一些實(shí)施例中，系鏈101的高強(qiáng)度核心102包含在同中心的低體積彈性模量層103內(nèi)，或者部分包含在低體積彈性模量層103內(nèi)，具有位于低體積彈性模量層103內(nèi)的高強(qiáng)度核心102的ー些同中心螺旋向卷繞的外層110，以及位于低體積彈性模量層103內(nèi)的高強(qiáng)度核心102的一些外層110。在一些實(shí)施例中，當(dāng)高強(qiáng)度核心102伸展或當(dāng)沿著導(dǎo)體105施加應(yīng)カ時(shí),低體積彈性模量層103用于允許導(dǎo)體105位于系鏈101內(nèi)的較小半徑殼體上，從而當(dāng)最大容許導(dǎo)體應(yīng)變明顯低于最大允許核心材料應(yīng)變時(shí)，限制導(dǎo)體應(yīng)變?cè)谠试S界限內(nèi)。在高強(qiáng)度核心102的外層110內(nèi)同中心設(shè)置低體積彈性模量材料103的實(shí)施例中，高強(qiáng)度核心102的外層110有助于壓縮層103，以高強(qiáng)度核心102的外層110卸載系鏈101上較小比例的總拉伸載荷為代價(jià)。在一些實(shí)施例中，作為應(yīng)變降低機(jī)制，以螺旋角度或沿著系鏈101長(zhǎng)度變化直徑而纏繞導(dǎo)體105。因此，除了考慮到導(dǎo)體的一些應(yīng)變消除的導(dǎo)體105的螺旋角度(當(dāng)核心102在載荷下應(yīng)變時(shí))，如軸向螺旋彈簧的線性延伸，體積彈性模量層103的相對(duì)柔軟度考慮到了當(dāng)在加載時(shí)導(dǎo)體螺旋狀直徑的降低，從而考慮到了通過(guò)第二機(jī)制的應(yīng)變消除。當(dāng)在支撐機(jī)載飛行平臺(tái)的載荷下或當(dāng)圍繞滾筒卷繞時(shí)，因此降低的導(dǎo)體中的應(yīng)變是伸展系鏈的結(jié)果。在一些實(shí)施例中，低體積彈性模量層103不包含在系鏈101中。在一些實(shí)施例中，其它元件可以存在于系鏈101中。例如，指令信號(hào)線路，無(wú)論是電傳導(dǎo)或光線，可以位于系鏈101內(nèi)。在一些實(shí)施例中，絕緣材料104機(jī)電地絕緣導(dǎo)體105的分離股。在一些實(shí)施例中，絕緣材料104的分離元件絕緣導(dǎo)體105內(nèi)的每個(gè)股或金屬絲，使得當(dāng)纏繞在滑車(chē)輪或滾筒上時(shí)每個(gè)被絕緣導(dǎo)體可以相對(duì)于其相鄰導(dǎo)體滑動(dòng)。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)體105的多個(gè)元件被嵌入在絕緣材料104的單個(gè)元件內(nèi)，并且當(dāng)系鏈101卷繞在滑車(chē)輪上時(shí)，絕緣材料104承擔(dān)剪切應(yīng)變。在各種實(shí)施例中，導(dǎo)體105包括各種鋁、銅或任何其它導(dǎo)體材料的金屬絲，其中的每ー個(gè)包括單個(gè)或多個(gè)股。在各種實(shí)施例中，導(dǎo)體105是由任何數(shù)量的単獨(dú)金屬絲組成或包括圍繞高強(qiáng)度核心102纏繞的、通過(guò)絕緣分開(kāi)的ー個(gè)或多個(gè)同中心或共軸層。在一些實(shí)施例中，包括導(dǎo)體105的每個(gè)元件包括圍繞中空或低體積彈性模量材料纏繞的、用于増加沿著導(dǎo)體105単獨(dú)元件的應(yīng)變的多個(gè)單獨(dú)金屬絲，在単獨(dú)元件處，損傷積聚或者發(fā)生材料屈服。在一些實(shí)施例中，絕緣元件104和低體積彈性模量103是相同元件。在各種實(shí)施例中，護(hù)套106包括金屬、橡膠、塑料、纖維和基體的混合物、編線、或任何其它合適的材料或材料集合從而包含并保護(hù)系鏈101的其它元件。在一些實(shí)施例中，護(hù)套106是與絕緣材料104相同的元件。在一些實(shí)施例中，護(hù)套106具有降低阻力的表面特征或形狀。在一些實(shí)施例中，護(hù)套106具有例如機(jī)翼外形的用于降低阻力的航空動(dòng)力學(xué)輪廓。在一些實(shí)施例中，護(hù)套106具有與導(dǎo)體的螺旋盤(pán)繞分組之間的間隙一致的螺旋凹槽109。螺旋凹槽109會(huì)降低系鏈阻力，例如當(dāng)在支撐機(jī)載飛行平臺(tái)支撐中使用吋。圖2是說(shuō)明具有捆綁導(dǎo)體的機(jī)電系鏈實(shí)施例的圖解，為螺旋凹槽創(chuàng)造空間。在所顯示的示例中，低阻力輕量機(jī)電系鏈結(jié)合導(dǎo)體205束從而為護(hù)套206表面上的邊界層脫扣元件209留下空間。在其它實(shí)施例中，脫扣元件可以包括鐵箍、鋸齒狀的邊緣凹槽、或者脫扣圍繞系鏈的流體流動(dòng)中的邊界層的任何其它裝置，從而在自然過(guò)渡之前湍動(dòng)或引入流動(dòng)漩渦，并因此增加系鏈表面上附著的流動(dòng)區(qū)域，以及因此降低阻力系數(shù)。在一些實(shí)施例中，元件209包括在護(hù)套206表面上的單獨(dú)的鐵箍或凹ロ，例如高爾夫球中的凹ロ或齊平表面漩渦發(fā)生器，例如三角形凹ロ。在一個(gè)實(shí)施例中，元件209不與護(hù)套206表面齊平，而是在壓力下與護(hù)套206表面按壓齊平從而允許卷繞在滾筒上。在一些實(shí)施例中，根據(jù)系鏈201的操作雷諾數(shù)選擇元件209的尺寸和間隔從而最小化在系鏈ー種操作條件或操作條件范圍時(shí)的阻力、噪音、不穩(wěn)定的動(dòng)力、或其ー些組合。邊界層脫扣元件209被放置在具有相對(duì)于外部流動(dòng)已知方位的位置處。在一些實(shí)施例中，系鏈201表面是平滑的或具有一致粗糙度。在一些實(shí)施例中，在導(dǎo)體組內(nèi)的每個(gè)導(dǎo)體在相同電壓操作，從而最小化所需的絕緣厚度。圖3是說(shuō)明了在系鏈中結(jié)合導(dǎo)體元件輔助應(yīng)變消除的低阻力輕量機(jī)電系鏈301實(shí)施例的圖解。在所示的示例中，系鏈301包括高強(qiáng)度復(fù)合棒311，其被低體積彈性模量材料303，導(dǎo)體305以及絕緣材料304同中心圍繞。在一些實(shí)施例中，棒311與導(dǎo)體305電絕緣。在一些實(shí)施例中，棒311不與導(dǎo)體305絕緣，而是與系鏈終端內(nèi)的其它導(dǎo)體元件絕緣。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)體305包括多個(gè)圍繞高強(qiáng)度復(fù)合棒311纏繞的單獨(dú)絕緣金屬絲。圖4是說(shuō)明了低阻カ輕量機(jī)電系鏈實(shí)施例的圖解。在所示的示例中，系鏈401具有100米的長(zhǎng)度，包括高強(qiáng)度核心402，該核心可以是編制的芳組聚酰胺纖維。該示例進(jìn)ー步包括導(dǎo)體405，以及護(hù)套406。導(dǎo)體405包括兩個(gè)單獨(dú)絕緣的編制16AWG銅金屬絲。護(hù)套406包括壓縮偏置的こ烯包皮層，其用于定位和壓縮導(dǎo)體405。當(dāng)系鏈401不受拉カ時(shí)，導(dǎo)體405中的壓縮荷載以及護(hù)套406中的順應(yīng)性的組合用作低體積彈性模量層102，103以及在其它實(shí)施例中可見(jiàn)的303的等價(jià)物，通過(guò)在一定拉カ范圍內(nèi)高強(qiáng)度核心402的長(zhǎng)度變化，降低導(dǎo)體405層長(zhǎng)度變化。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，如圖5所示，顯示了低阻力輕量機(jī)電系鏈501，其中層是矩形橫截面。在該實(shí)施例中，具有500米長(zhǎng)度的系鏈501，包括多層高強(qiáng)度核心502。每層高強(qiáng)度核心502，例如層510，可以包括多個(gè)方形或矩形橫截面的単獨(dú)碳纖維擠壓成型，其被設(shè)計(jì)成使高強(qiáng)度核心502具有比圓柱棒構(gòu)成的等價(jià)高強(qiáng)度核心更小的直徑，因?yàn)榕c圓柱元件層相比，包裝因數(shù)更高。在一些實(shí)施例中，在高強(qiáng)度核心502中的每個(gè)碳纖維擠壓成型沿著螺旋路徑伸出從而消除當(dāng)組裝成系鏈501時(shí)的潛應(yīng)力。在一個(gè)示例中，每個(gè)擠壓成型具有在3和5微米之間的主橫截面尺寸。因?yàn)閷?10的螺旋角度小，所以単獨(dú)碳纖維擠壓成型中因在長(zhǎng)度上扭曲產(chǎn)生的應(yīng)力小。在一些實(shí)施例中，高強(qiáng)度核心502中每個(gè)碳纖維擠壓成型沿著螺旋路徑伸出從而進(jìn)ー步降低系鏈501中的潛應(yīng)力。在這個(gè)示例中，每個(gè)擠壓成型具有在3和5微米之間的主橫截面尺寸。系鏈501進(jìn)ー步包括周張カ層508，其防止在處理、彎曲或低拉カ中的高強(qiáng)度核心502內(nèi)的単獨(dú)擠壓成型錯(cuò)位。系鏈501可以具有周張カ層508，其可以是浸透在こ烯橡膠中的芳組聚酰胺編織物。利用低體積彈性模量層503纏繞周張カ層508，其包括剛性結(jié)合到周張カ層508和絕緣504上的低堅(jiān)度泡沫橡膠。導(dǎo)體505可以包括多個(gè)相同的方形橫截面的實(shí)體銅金屬絲，每ー個(gè)與絕緣材料504単獨(dú)絕緣。絕緣材料504可以包括圍繞導(dǎo)體505的每ー個(gè)導(dǎo)體元件的PVC擠壓層。導(dǎo)體505可以被分成兩組，每ー組具有5000伏的操作電壓，并且另ー組具有0伏的操作電壓。導(dǎo)體505被護(hù)套506約束，其可以包括螺旋凹槽509。護(hù)套506可以包括在芳組聚酰胺編織物上的擠壓こ烯橡膠。在一些實(shí)施例中，螺旋凹槽509被切成護(hù)套506，并具有適合系鏈501典型操作雷諾數(shù)的幾何尺寸。例如，螺旋凹槽509可以是I微米深和2微米寬的半圓形橫截面,沿著系鏈501圓周姆10微米間隔開(kāi)。在一些實(shí)施例中，系鏈適于利用渦輪發(fā)電機(jī)支撐機(jī)載動(dòng)カ生成系統(tǒng)。在強(qiáng)度和電傳導(dǎo)性要求的限制內(nèi)，相對(duì)于栓系的機(jī)載系統(tǒng)阻力，系鏈的阻力被最小化。參考機(jī)翼面積，系鏈的總阻力系數(shù)范圍從約0.03至0.15。在這種情況中，系鏈作用如同機(jī)翼具有高的多的阻力系數(shù)。參考其自身的橫截面，對(duì)于平滑圓柱體，系鏈具有約1.2的阻力系數(shù)，然而對(duì)于大范圍的雷諾數(shù)，凹槽或者凹陷使該數(shù)降低至近似0.6，對(duì)于窄范圍的雷諾數(shù)，降低至
0.45。在ー些方面，較大的凹槽會(huì)促使在較低雷諾數(shù)處的阻力降低，但是僅相對(duì)小的降低。較小的凹槽會(huì)促使在較高雷諾數(shù)處的阻力系數(shù)降低，并且可以引起更明顯的降低。圖6是描述了各種系鏈實(shí)施例阻力系數(shù)的圖解，在軸601上繪出，作為系鏈雷諾數(shù)的函數(shù)，其沿著軸602繪出。第一曲線603描繪具有相對(duì)大表面凹槽的系鏈實(shí)施例的阻力系數(shù)。第二曲線604描繪具有較小表面凹槽的系鏈實(shí)施例的阻力系數(shù)。第三曲線605描繪具有平滑表面的系鏈實(shí)施例的阻力系數(shù)。當(dāng)本發(fā)明被用于停泊機(jī)載風(fēng)カ渦輪機(jī)時(shí)，機(jī)載風(fēng)力渦輪機(jī)的速度必須保持低于狂風(fēng)情況中的最大級(jí)別。例如在圖1中護(hù)套106上描繪的螺旋凹槽的表面形狀，該表面形狀導(dǎo)致例如第一曲線603和第二曲線604的阻力曲線系數(shù)，增加在高速時(shí)的阻力系數(shù)并因此有助于維持機(jī)載風(fēng)カ渦輪機(jī)低于最大速度。如第一和第二曲線603，604所示，低系數(shù)阻力在較高的雷諾數(shù)(在該示例中其表示較高的速度)開(kāi)始上升。因此，系鏈配備有表面，例如螺旋凹槽，在優(yōu)選操作的表觀風(fēng)速時(shí)，其引起期望的阻力降低，但是在高于優(yōu)選速度的表觀風(fēng)速時(shí)，其也會(huì)引起期望的阻力増加。通過(guò)在高于期望速度的表觀風(fēng)速時(shí)增加阻力，該效果適合本設(shè)計(jì)。許多護(hù)套表面處理，再次例如在護(hù)套106中描繪的螺旋凹槽，在中速阻力下降之前也顯示了在低速時(shí)增加阻力。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，護(hù)套106上的螺旋凹槽被間隔開(kāi)并具有一定尺寸，使得在低速時(shí)阻カ系數(shù)的増加低于機(jī)載風(fēng)カ渦輪機(jī)的最小優(yōu)選操作表觀飛行速度。在側(cè)風(fēng)飛行體制情況中，表觀風(fēng)速可以顯著高于環(huán)境風(fēng)速。在一些實(shí)施例中，在沿著系鏈長(zhǎng)度的不同位置處使用不同的表面形狀，例如接近底部和接近系鏈頂部的位置，從而在每個(gè)位置匹配表觀風(fēng)速。在一些實(shí)施例中，只有最接近空中平臺(tái)的系鏈部分被成形未降低阻力。在一些實(shí)施例中，螺旋凹槽不被切成系鏈表面，相反地利用螺旋鐵箍、線形鐵箍、凹陷或其它邊界層脫扣機(jī)構(gòu)來(lái)獲取作業(yè)范圍中的低阻力。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，如圖7所示，系鏈可以被用作400kW機(jī)載風(fēng)渦輪機(jī)的系鏈。該系鏈701可以被設(shè)計(jì)成以安全系數(shù)2承受300kN的力。在交替螺旋角的層702內(nèi)，系鏈701可以具有370股的碳纖維Imm擠壓成型711。內(nèi)股(第371)核心707具有2mm直徑。在每個(gè)連續(xù)層上的螺旋角在離核心707最近的第一層以I度開(kāi)始增加并在最外層上增加至5度。擠壓成型是中等弾性模量碳纖維。在核心外存在10層702。所有層被涂覆聚四氟こ烯從而降低卷繞時(shí)的摩擦。最外層711具有I度的螺旋角，并且最外層710具有5度的螺旋角。中間層具有從最內(nèi)層711粗略線形增加至最外層710的螺旋角，稍為調(diào)整該螺旋角從而最小化因拉カ產(chǎn)生的圍繞系鏈底部的扭矩。最外層710以大于零扭矩設(shè)計(jì)近似I度的螺旋角纏繞，從而當(dāng)機(jī)載風(fēng)カ渦輪機(jī)以圓形飛行路徑飛行時(shí)，允許系鏈底部的自由旋轉(zhuǎn)。在系鏈底部的軸承阻力在軸承使用壽命期間并不一致，并具有對(duì)系鏈上載荷的非線形依賴，設(shè)置最外層710上増加的螺旋角從而匹配每拉伸載荷的平均扭矩，該拉伸載荷來(lái)自操作壽命期間的軸承。在這些層外部有導(dǎo)體705，其利用兩層絕緣被絕緣:FEP的內(nèi)絕緣層704，以及中等硬度PVC的外絕緣層703。在每個(gè)導(dǎo)體部分是三根金屬絲，每根利用FEP単獨(dú)地絕緣。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)體部分利用最為層710的相對(duì)手征被螺旋纏繞。金屬絲705可以包括鋁導(dǎo)體股并被轉(zhuǎn)動(dòng)成圖所示的橫截面形狀，并在使用FEP絕緣704之前退火。在一些實(shí)施例中，F(xiàn)EP絕緣704近似是0.2mm厚，并被設(shè)計(jì)成為金屬絲705提供主要的電屏障，該金屬絲以近似5000伏傳輸DC電流。通過(guò)沖模擠壓硅樹(shù)脂層，該沖模使邊緣709倒角度，使得當(dāng)所有金屬絲圍繞核心外部被結(jié)合在一起時(shí)，在表面上保留有螺旋凹槽。螺旋凹槽為粗略2mm深并圍繞周長(zhǎng)有16計(jì)數(shù)。盡管為了說(shuō)明了目的在圖7中僅顯示了單個(gè)絕緣導(dǎo)體，但是存在圍繞系鏈外圍的連續(xù)絕緣導(dǎo)體層。因?yàn)橄噜彽牡菇沁吘?09，邊緣結(jié)合從而形成凹槽。該絕緣導(dǎo)體圍繞碳股以螺旋狀卷繞，因此產(chǎn)生圍繞系鏈的螺旋凹槽。在裝配體中，所有16個(gè)護(hù)套16利用加熱被熔融從而產(chǎn)生單個(gè)一致的實(shí)體護(hù)套。圖8說(shuō)明了低阻力輕量機(jī)電系鏈的各種可能實(shí)施例的橫截面形狀，例如圖1的系鏈101，圖2的系鏈201，或者在圖6中表示其被測(cè)量的阻力系數(shù)外形的系鏈。在各種實(shí)施例中，系鏈包括沿著其圓周具有多個(gè)半球形切ロ的表面橫截面形狀801，振蕩半徑的表面橫截面形狀802，具有表面缺點(diǎn)(例如通過(guò)噴沙處理引入的那些)的表面橫截面形狀803，或者任何其它合適的系鏈。在一些實(shí)施例中，系鏈?zhǔn)瞧渌螤?，其?dǎo)致在截至雷諾數(shù)或速度之上増加阻力系數(shù)。在一些實(shí)施例中，系鏈在截至飛行速度或截至拉力之上變形，使得被改變的形狀導(dǎo)致系鏈阻カ系數(shù)増加。在較高風(fēng)速和較高飛行速度中，側(cè)風(fēng)風(fēng)箏系統(tǒng)的系鏈的較大部分經(jīng)受高于任何給定截至速度的表觀風(fēng)速。在一些實(shí)施例中，系鏈包括表面橫截面形狀，該形狀在高于某速度或雷諾數(shù)時(shí)顯示阻力系數(shù)降低(見(jiàn)形狀801或形狀803)。在一些實(shí)施例中，系鏈僅在接近風(fēng)箏形的系鏈部分包括這種橫截面形狀，使得當(dāng)慣性風(fēng)速或風(fēng)箏風(fēng)速(kite speed)增加時(shí)，在接近地面附著點(diǎn)處的系鏈上的増加的表觀風(fēng)不對(duì)系鏈阻力系數(shù)降低產(chǎn)生影響。從上述說(shuō)明顯而易見(jiàn)，在此給出的本說(shuō)明可以配置各種實(shí)施例，并且對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)另外的優(yōu)點(diǎn)和修改是明顯的。本發(fā)明在其廣義上不限于在此顯示和描述的具體細(xì)節(jié)和所示示例。因此，在不偏離申請(qǐng)人一般申請(qǐng)的精神或范圍內(nèi)可以偏離這種細(xì)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種用于電傳導(dǎo)和拉伸載荷的高強(qiáng)度系鏈，所述系鏈包括: 中心核心，所述中心核心包括: 多個(gè)核心層，所述核心層包括多個(gè)單獨(dú)的核心元件，其中所述核心層的核心元件沿著所述系鏈的長(zhǎng)度被螺旋卷繞；和 多個(gè)電導(dǎo)體，所述多個(gè)導(dǎo)體沿著所述中心核心的外部定位。
2.如權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度系鏈，其中，所述多個(gè)電導(dǎo)體沿著所述中心核心的外部被螺旋卷繞。
3.如權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度系鏈，其中，所述系鏈進(jìn)ー步包括位于所述中心核心和所述多個(gè)電導(dǎo)體之間的低體積·彈性模量應(yīng)變消除層。
4.如權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度系鏈，其中，所述多個(gè)電導(dǎo)體被分成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體的多個(gè)螺旋卷繞組，所述組在沿著所述系鏈的外表面的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體的所述螺旋卷繞組之間限定螺旋間隔。
5.如權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度系鏈，進(jìn)一歩包括外部護(hù)套層，所述外部護(hù)套層包括多個(gè)阻隔層脫扣特征。
6.如權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度系鏈，其中，所述多個(gè)核心層中的ー些以順時(shí)針?lè)较蚵菪砝@并且所述多個(gè)核心層中的ー些以逆時(shí)針?lè)较蚵菪砝@。
7.如權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度系鏈，其中，所述核心元件包括復(fù)合棒。
8.如權(quán)利要求4所述的高強(qiáng)度系鏈，其中，所述ー個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體的所述多個(gè)螺旋卷繞組中的每ー個(gè)組都圍繞強(qiáng)度元件被卷繞。
9.如權(quán)利要求8所述的高強(qiáng)度系鏈，其中，所述強(qiáng)度元件是復(fù)合棒。
10.如權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度系鏈，進(jìn)一歩包括位于所述核心層之間的多個(gè)低體積彈性模量應(yīng)變消除層。
11.如權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度系鏈，其中，所述單獨(dú)核心元件是圓柱橫截面。
12.如權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度系鏈，其中，所述單獨(dú)核心元件是矩形橫截面。
13.如權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度系鏈，其中，所述單獨(dú)核心元件是方形橫截面。
14.一種用于電傳導(dǎo)和拉伸載荷的高強(qiáng)度系鏈，所述系鏈包括: 中心核心，以及 多個(gè)電導(dǎo)體，所述多個(gè)導(dǎo)體沿著所述中心核心的外部定位，其中所述多個(gè)電導(dǎo)體沿著所述中心核心的外部螺旋卷繞。
15.如權(quán)利要求14所述的高強(qiáng)度系鏈，其中，所述系鏈進(jìn)ー步包括位于所述中心核心和所述多個(gè)電導(dǎo)體之間的低體積彈性模量應(yīng)變消除層。
16.ー種用系鏈系住的風(fēng)箏發(fā)電的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 地面站； 風(fēng)箏，所述風(fēng)箏包括: 主翼；和 多個(gè)渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；以及 系鏈，所述系鏈在第一端附接到所述地面站上并且在第二端附接到風(fēng)箏上，所述系鏈包括: 中心核心，所述中心核心包括:多個(gè)核心層，所述核心層包括多個(gè)單獨(dú)的核心元件，其中所述核心層的核心元件沿著所述系鏈的長(zhǎng)度被螺旋卷繞；和 多個(gè)電導(dǎo)體，所述多個(gè)導(dǎo)體沿著所述中心核心的外部定位。
17.如權(quán)利要求16所述的高強(qiáng)度系鏈，其中，所述多個(gè)電導(dǎo)體沿著所述中心核心的外部被螺旋卷繞。
18.如權(quán)利要求17所述的高強(qiáng)度系鏈，其中，所述系鏈進(jìn)ー步包括位于所述中心核心和所述多個(gè)電導(dǎo)體之間的低體積彈性模量應(yīng)變消除層。
19.如權(quán)利要求17所述的高強(qiáng)度系鏈，其中，所述多個(gè)電導(dǎo)體被分成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體的多個(gè)螺旋卷繞組，所述組在沿著·所述系鏈的外表面的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體的所述螺旋卷繞組之間限定螺旋間隔。
20.如權(quán)利要求17所述的高·強(qiáng)度系鏈，進(jìn)一歩包括外部護(hù)套層，所述外部護(hù)套層包括多個(gè)阻隔層脫扣特征。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種系鏈以及使用這種系鏈的系統(tǒng)，其適于提供機(jī)載飛行平臺(tái)與地面的機(jī)電聯(lián)接。系鏈具有中心結(jié)構(gòu)核心，該結(jié)構(gòu)核心具有在系鏈外徑上或接近外徑處的電導(dǎo)體。該系鏈采用適于降低阻力的外部構(gòu)造。
文檔編號(hào)B64C31/06GK103118941SQ201180045064
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月19日
發(fā)明者達(dá)蒙·范德·林德, 雅各布·費(fèi)爾澤 申請(qǐng)人:馬卡尼電力有限公司