一種具有低流體動力阻力的高強(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
【專利說明】一種具有低流體動力阻力的高強(qiáng)度可卷繞機(jī)電系鏈及使用該系鏈的系統(tǒng)
[0001]本申請是申請日為2011年7月19日、申請?zhí)枮?01180045064.8的發(fā)明專利申請“一種具有低流體動力阻力的高強(qiáng)度可卷繞機(jī)電系鏈及使用該系鏈的系統(tǒng)”的分案申請。
[0002]相關(guān)申請的交叉參考
[0003]本申請要求Vander Lind等人于2010年7月19日遞交的美國臨時專利申請第61/365,655的優(yōu)先權(quán)。本申請要求Vander Lind于2010年11月3日遞交的美國臨時專利申請第61/409，894的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本申請涉及高強(qiáng)度低阻力系鏈以及使用該系鏈的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0005]一些機(jī)載風(fēng)能系統(tǒng)、動力風(fēng)箏、系鏈系住的潮汝能系統(tǒng)(tethered tidal powersystem)、停泊平臺、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，有效的系鏈動力傳輸，并且對流體動力阻力效果敏感。
[0006]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)臺會支撐一批渦輪發(fā)電機(jī)。利用提供將系鏈系住的平臺與地面的物理聯(lián)接并且電聯(lián)接的系鏈將平臺連接至地面。在這種情況中，由渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力可以沿著系鏈從空中平臺傳遞至地面。在渦輪發(fā)電機(jī)也用作電動機(jī)驅(qū)動螺旋槳的情況中，例如當(dāng)平臺從地面升起時可以被用到，系鏈可以為空中平臺提供電力。而且，系鏈可以為用作與平臺上的控制功能相關(guān)的遙測技術(shù)的通道。
[0007]另外，系鏈提供平臺至地面的機(jī)械連接。在側(cè)風(fēng)飛行情況中，例如當(dāng)空中平臺以平臺中視風(fēng)比名義實(shí)際風(fēng)速高得多的模式飛行時，系鏈的拖拽在整個系統(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的機(jī)械絞盤部分的存儲。
[0008]被提及的是系鏈，以及使用系鏈的系統(tǒng)，其為空中平臺提供從地面的高強(qiáng)度支撐。還被提及的是在阻力上很低以使其適于機(jī)載平臺支撐的系鏈。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]—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。
【附圖說明】
[0010]圖1為說明高抗拉強(qiáng)度機(jī)電系鏈的實(shí)施例的圖解；
[0011]圖2為說明具有束合電導(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。
[0012]圖3為說明在系鏈中包括導(dǎo)體元件的次級應(yīng)力消除的機(jī)電系鏈的實(shí)施例的圖解。
[0013]圖4為說明包括兩個導(dǎo)體元件和一個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。
[0014]圖5為說明包括交替橫截面構(gòu)造的強(qiáng)度構(gòu)件和電導(dǎo)體的機(jī)電系鏈的實(shí)施例的圖解。
[0015]圖6為根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的系鏈性能的圖表。
[0016]圖7為根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的系鏈的橫截面視圖。
[0017]圖8說明了根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的幾種外部構(gòu)造。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明一個或多個實(shí)施例的詳細(xì)描述附隨說明了本發(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)利要求書的限定，并且本發(fā)明范圍包括各種替代、修改和等價物。各種具體細(xì)節(jié)在如下說明中被提出從而提供對本發(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)中一些或全部地根據(jù)權(quán)利要求書而被實(shí)施。為了簡明的目的，在與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域中已知的技術(shù)材料沒有詳細(xì)描述，以使得本發(fā)明不會非必要的晦澀。
[0019]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單獨(dú)或同軸絕緣電導(dǎo)體。電導(dǎo)體可以承受導(dǎo)電時的熱量，并且在系鏈外徑上或靠近系鏈外徑的電導(dǎo)體的布置可能在一些方面提高電導(dǎo)體冷卻并降低高強(qiáng)度核心的溫度。
[0020]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滑動，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，這對于系鏈存儲來說是所期望的性能。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)考慮會表明該憂慮。電導(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樣擴(kuò)張，以取代使電導(dǎo)體自身發(fā)生的應(yīng)變。而且，電導(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度、降低重量并熱量消耗。
[0021]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增加，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力系數(shù)降低時的關(guān)鍵雷諾茲數(shù)值。在一些實(shí)施例中，沿著系鏈外部直徑的電導(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。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，在機(jī)載風(fēng)能系統(tǒng)、系鏈系住的潮汐能系統(tǒng)(tetheredtidal power system)、動力風(fēng)箏、停泊平臺、或需要高強(qiáng)度、長壽命以及低流體動力阻力的其它應(yīng)用中為必要的使用的機(jī)電系鏈可被設(shè)計(jì)為包括被動降低系鏈上流體動力阻力的元件，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輪上。這種要求通過系鏈內(nèi)股的螺旋卷繞而實(shí)現(xiàn)，使得每個股的平均直徑接近彎曲中的系鏈中心軸的平均直徑，使得每個股經(jīng)歷交替的壓縮和拉伸載荷，該載荷通過相鄰股之間的滑動而平衡。然后，連續(xù)層可以以相對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伸長其自由長度的I %，并且許多優(yōu)良電導(dǎo)體在屈服或斷裂時伸長小于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)電元件拉力下壓縮，允許導(dǎo)電元件一些向內(nèi)的徑向移動，并因此降低導(dǎo)電元件的所需自由長度。為了降低系鏈直徑對流體動力阻力的影響，可以對系鏈的外表面交錯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)系鏈直徑最小增加的方式被設(shè)置在相鄰電導(dǎo)體之間。在一些實(shí)施例中，在相似電壓電平操作的電導(dǎo)體組可以允許降低相鄰電導(dǎo)體之間所需的絕緣量。
[0023]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，電導(dǎo)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)氧樹脂基體或乙烯基酯基體。高強(qiáng)度核心102的外層的螺旋卷繞允許在操作時整個系鏈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)共軸層以相對螺旋方向卷繞從而部分或完全平衡由系鏈在拉力下產(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，單個元件涂覆有適于便于元件之間滑動的涂層。該涂層可以是聚四氟乙烯涂層，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的涂層或?qū)?。例如?dāng)系鏈卷繞在滾筒上時，當(dāng)元件和/或?qū)酉鄬τ诒舜艘苿訒r，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)度核心的每個連續(xù)螺旋層之間。
[0024]在一些實(shí)施例中，使用轂強(qiáng)度或周張力層108纏繞高強(qiáng)度核心102的每個螺旋卷繞層。盡管在圖1中示出僅作為單一周張力層，但是存在多個不同直徑的周張力層，其每一個在一些方面圍繞單個