用于绳索的存储的挤制滚筒表面的制作方法
【专利摘要】一种用于存储导电绳索的滚筒，该导电绳索具有固定到飞行器的第一端部和固定到地面站的第二端部，该滚筒包括：围绕滚筒轴线可旋转的滚筒框架；定位在滚筒框架上的滚筒表面，该滚筒表面包括围绕滚筒框架包绕的螺旋挤出部，其中，挤出部具有横截面，该横截面具有上表面，该上表面成形为符合导电绳索的外表面，且其中挤出部适于耗散通过从飞行器经导电绳索向地面站传输电力而产生的热量。
【专利说明】用于绳索的存储的挤制滚筒表面
[0001]与相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年12月30日提交的美国专利申请第14/144,049号的优先权，该在先申请通过引用整体结合于此。
【背景技术】
[0003]除非在此另有所指，在这个部分中描述的材料不是本申请中的权利要求的现有技术，并且也并非由于包括在这个部分中而被承认为现有技术。
[0004]发电系统可以将化学能和/或机械能(例如，动能)转变成电能，以用于各种用途，如公用系统(utility system)。作为一个示例，风能系统可以将风的动能转变成电能。
[0005]风力涡轮机作为用于利用(harnessing)能量的装置的使用已经使用了很多年。传统风力涡轮机典型地包括定位在塔顶部的大涡轮叶片。制造、竖立、保持和维护这种风力涡轮机塔以及风力涡轮机的成本是非常高的。
[0006]作为可以用于获取风能的昂贵的风力涡轮机塔的一种替代方案是使用由导电绳索附连到地面站的飞行器。这种替代方案可以被称作空中风力涡轮机(AWT)。
【发明内容】
[0007]在一个方面，提供了一种用于存储导电绳索的滚筒(drum)，该导电绳索具有固定到飞行器的第一端部和固定到地面站的第二端部。所述滚筒包括围绕滚筒轴线可旋转的滚筒框架以及定位在滚筒框架上的滚筒表面，所述滚筒表面被构造为围绕滚筒框架包绕的螺旋挤出部。所述挤出部具有横截面，该横截面具有上表面，该上表面被成形为符合导电绳索的外表面，以环抱(cradle)和保护绳索。所述横截面被成形为允许空气在螺旋挤出部的相邻包绕部之间流动，用于耗散通过从飞翼经导电绳索向地面站传输电力而产生的热量。
[0008]在另一方面，提供了一种用于存储导电绳索的滚筒，该导电绳索具有固定到飞行器的第一端部和固定到地面站的第二端部，该滚筒包括围绕滚筒轴线可旋转的滚筒框架、定位在滚筒框架之上的滚筒表面，该滚筒表面包括围绕滚筒框架包绕的螺旋挤出部，其中，挤出部具有横截面，该横截面具有上表面，该上表面成形为符合导电绳索的外表面，且其中，挤出部适于耗散通过从飞行器经导电绳索向地面站传输电力而产生的热量。
[0009]在另一方面，提供了一种空中风力涡轮系统，其包括飞行器；导电绳索，该导电绳索具有固定到飞行器的第一端部和固定到地面站的第二端部;围绕滚筒轴线可旋转的滚筒框架，该滚筒框架与地面站一起定位;定位在滚筒框架上的滚筒表面，该滚筒表面包括围绕滚筒框架包绕的螺旋挤出部，其中，挤出部具有横截面，该横截面具有上表面，该上表面被成形为符合导电绳索的外表面，并且其中，挤出部适于耗散通过从飞行器经导电绳索向地面站传输电力而产生的热量。
[0010]在另一方面，提供了一种形成用于存储导电绳索的方法，该方法包括如下步骤:将围绕滚筒轴线可旋转的滚筒框架定位在挤出机的出口前面;将挤出材料挤出到滚筒框架上以形成挤出部;在滚筒框架正旋转时，将挤出部在挤出框架上弯曲，以形成滚筒表面，该滚筒表面是围绕滚筒框架包绕的螺旋挤出部；向挤出部提供横截面，该横截面具有上表面，该上表面被成形为符合导电绳索的外表面;成形所述横截面，以允许空气在螺旋挤出部的相邻包绕部之间流动，用于耗散通过从飞行器经导电绳索向地面站传输电力而产生的热量；以及将螺旋挤出部固定到滚筒框架上。
[0011]在另一方面中，提供了一种装置，该装置用于耗散通过从飞行器经缠绕在滚筒上的导电绳索向地面站传输电力而产生的热量。
[0012]通过按需要参照附图阅读以下的详细描述，这些以及其它方面、优点和替代方案对本领域技术人员而言将变得明显。
【附图说明】
[0013]图1是根据示例性实施方式的空中风力涡轮机10的透视图，该空中风力涡轮机10包括利用导电绳索30附连到地面站50的飞行器20;
[0014]图2是图1中所示的飞行器20的近视透视图；
[0015]图3A是根据示例性实施方式的定位在平坦滚筒表面70上的绳索30的相邻包绕部的横截面侧视图；
[0016]图3B是根据示例性实施方式的定位在滚筒表面70a上的槽73内的绳索30的相邻包绕部的横截面侧视图；
[0017]图4A是根据示例性实施方式的挤出部100的透视横截面图；
[0018]图4B是根据示例性实施方式的挤出部110的透视横截面图；
[0019]图4C是根据示例性实施方式的挤出部120的透视横截面图；
[0020]图5A是根据示例性实施方式的滚筒框架140的侧视图；
[0021]图5B是示出在离开挤出机150之后包绕在滚筒框架140上的挤出部100的侧视图；
[0022]图5C示出根据示例性实施方式的具有挤制滚筒表面(extruded drum surface)70a的滚筒框架140;
[0023]图6示出根据示例性实施方式的在其缠绕到滚筒框架140上时的绳索39;
[0024]图7示出滚筒框架140，该滚筒框架140具有滚筒表面，该滚筒表面具有在用于滚筒的一部分的挤出部的包绕部(wrap)之间的第一间隔和用于滚筒的不同部分的挤出部的包绕部的第二间隔；
[0025]图8示出定位在匀绕件(levelwind)164和挤出部190之间的绳索30的侧横截面图，该挤出部190具有向上延伸的导轨172，该导轨172位于匀绕件164的延伸部174中的狭槽172内；
[0026]图9示出位于匀绕件164和滚筒表面70a之间的绳索30的横截面侧视图，且附连到匀绕件164的延伸导引件180延伸到邻近绳索30的槽73内；以及
[0027]图10是根据示例性实施方式的方法。
【具体实施方式】
[0028]在此描述了示例方法和系统。在此描述的任何示例实施方式或特征不必理解为相比其它实施方式或特征是优选的或有利的。在此描述的示例性实施方式不意味着限制。将轻易理解，所公开的系统和方法的特定方面可以按照多种不同构造来布置和组合，所有这些在此都可以构想到。
[0029]此外，图中所示的特定布置不应视为限制。应该理解的是，其它实施方式可以包括或多或少的给定图中所示的每个元件。此外，一些示出的元件可以被组合或省略。再者，示例实施方式可以包括图中未示出的元件。
[0030]1.概述
[0031]示例实施方式涉及飞行器，它可以用在风能系统中，如空中风力涡轮机(AWT)中。尤其是，图示的实施方式可以涉及或采取使用空中飞行器的方法和系统的形式，该空中飞行器利用导电绳索被系到地面站。
[0032]诸如AWT的风能系统可以用于将风能转变成电能。AWT是基于风的能量产生系统，其可以包括飞行器，该飞行器由安装有涡轮机的刚性翼构造。飞行器可以是可操作的，以在跨过风的路径上飞行，如在地面(或水)之上的基本上圆形路径，以将风动能转变成电能，在这种侧风飞行中，飞行器以类似于风力涡轮机的尖端(tip)的圆形图案跨过风飞行。附连到刚性翼的转子用于通过减慢翼产生动力。跨过涡轮叶片移动的空气迫使叶片旋转，驱动发电机产生电力。飞行器通过导电绳索连接到地面站，该导电绳索将飞行器产生的电力传输到地面站，并传输到电网上。
[0033]当期望飞行器着陆时，导电绳索被缠绕在地面站内的线轴或滚筒(drum)上，并且滚筒被旋转，以朝向地面站上的停留地收回(reel in)飞行器。在着陆在停留地上之前，飞行器从飞行模式转换成悬停模式。滚筒被进一步旋转，以进一步将绳索缠绕在滚筒上，直到飞行器停靠在停留地上为止。
[0034]导电绳索可以由铝导体围绕的碳纤维芯部构成。碳纤维芯部和铝导体可以定位在外部绝缘部之内。如上面指出的，绳索将电力从飞行器通过铝导体传输到地面站，并且必须留意以保护绳索。在实施方式中，绳索具有500米的长度，它必须被仔细地缠绕在滚筒上，而不会压伤或损坏绳索。绳索趋于在拉伸方面非常强，但是由于绝缘部和导线能够被压缩，在存储方面易损伤。因此，期望的是提供一种滚筒表面，随着绳索缠绕在滚筒上，该滚筒表面减小应力集中并保护绳索。
[0035]此外，如上面指出的，绳索将电力从飞行器通过铝导体传输到地面站，这产生大量的热量。在滚筒上的同时冷却绳索是重要的，由于在这个位置处绳索中的导体仍产生热量。在具有连续表面的滚筒上，并尤其是绳索的连续长度的紧卷定位的滚筒上，存在很少的自然对流来冷却绳索，并且确实发生的对流建立热空气的边界层，该热空气的边界层冲击在绳索的其它部分上，将绳索进一步从冷空气隔离。因此，期望的是提供一种能够从绳索存储之处的滚筒的表面上耗散热量的滚筒。
[0036]在所公开的示例性实施方式中，滚筒可以或是竖直的或是水平的(或它们的组合)，并能够将绳索缠绕在滚筒上，且在绳索的连续长度之间具有期望的间隔。此外，尤其是在竖直滚筒的情况下，所公开的示例性实施方式提供一种滚筒表面，该滚筒表面作用为在绳索被存储在滚筒上时，防止绳索在滚筒的表面上向下“滑动”，并保持绳索的连续长度之间的期望间隔。
[0037]在一些实施方式中，绳索在长度方面可以为大约500米，但是也可以使用更短或更长的绳索。绳索缠绕在滚筒上，而绳索的连续长度没有缠绕在彼此之上(不同于鱼线轮，其中鱼线包绕在自身之上)。结果，滚筒可能需要相当长，以容纳绳索的整个长度和重量。滚筒必须还具有足够的强度以承受由绳索的重量和张力所造成的绳索的压缩力。但是，由于多个原因，重的滚筒是不期望的，该原因包括材料成本和需要飞翼在发射时克服被完全缠绕的滚筒的滚筒惯性。于是，示例实施方式提供了一种容易制造的坚固但重量轻的滚筒。
[0038]在示例实施方式中，提供了一种滚筒，绳索缠绕在该滚筒上。滚筒在滚筒表面上包含有一组盘旋或螺旋的圆形槽，使得绳索在绳索和滚筒的表面之间的接触点处不具有压力集中。将绳索缠绕到具有非圆形横截面或具有平坦表面的滚筒上导致在绳索和滚筒表面之间的接触点处的高应力集中，这会损坏绳索。滚筒的表面可以由缠绕在滚筒框架上的挤出部(extrus1n)形成。该挤出部可以设置有具有槽的横截面，该槽符合或环抱绳索。换句话说，挤出部的外表面可以设置有符合绳索的外表面的几何形状。因此，如果绳索的外表面是圆形的，则挤出部的外表面可以具有绳索将停靠在其中的相对应的圆形表面。类似地，如果绳索的表面是椭圆形的，并且更符合空气动力学的，挤出部的相对应表面可以形成为匹配绳索的椭圆形表面。
[0039]挤出部可以由挤制铝形成。铝是坚固、重量轻材料，其易于挤出。但是，在一些实施方式中，可以使用复合材料或塑料材料。实际上，挤出部可以在其使用管状辊(tuberoller)离开挤出机时缠绕在滚筒框架上。由于挤出机的尺寸上的限制，用于滚筒表面的挤出部可以由多个分离长度的挤出部构成，所述多个分离长度的挤出部在它们相应的端部处接合，以形成围绕滚筒的表面的连续螺旋槽。
[0040]用于滚筒的表面的铝挤出部的使用具有多个优点。例如，挤制部分制造成本低，这是因为挤出部与机加工表面相比更快并且材料浪费更少。另外，挤出部可以在挤出部的环抱部分之下具有各种横截面，通过其它制造方法，这将难于或不可能产生。
[0041]例如，可以使用中空盒状梁(beam)形状，以提供在弯曲以及扭转方面的高刚性。盒的内侧是中空的，使所需的材料量最少。可替代的，为了简单，可以使用I形梁布局，可能是成本最低的选项。此外，可以使用M形横截面，并且可以结合闭锁机构，其中，挤出部的每个包绕部能够配合到前一包绕部上的狭槽中。例如，当使用具有M形横截面的挤出部时，闭锁机构在M形的左下部，为槽的形式，挤出部的相邻包绕部的M形状的右下部可以配合到其中。在一些实施方式中，闭锁机构可以包括压配合，其中，M形状的右下部压配合到挤出部的相邻包绕部内的M形状的左下部上，将挤出部的相邻包绕部紧密配合到一起。
[0042]在一些实施方式中，挤出部的侧部可以成扇形(scalloped)或被钻孔，使得空气可以通过挤出部的相邻包绕部之间的间隙移动。由于挤出部的形状在滚筒框架之上延伸，并且热量仅由绳索产生，所以浮力对流将驱动空气在挤出部的相邻包绕部之间的间隙之间流动，并且向上流动到绳索外侧和之上，将新的空气带入到边界层之内，以帮助冷却绳索。在一些实施方式中，挤出部可以具有非对称横截面，以有助于空气向内流动。
[0043]虽然很多滚筒框架是有可能的，但是单个滚筒框架可以由挤出部包绕在其上的钢管或钢板构造。例如，管可以在平行于滚筒的轴线的方向上延伸，并且附连到围绕滚筒的轴线可旋转的辐条。在每个管处，挤出部可以焊接、铆接、螺纹连接、螺栓连接、粘结或通过一些其它手段附连，以将挤出部保持在滚筒框架上的适当位置。挤出部本身可以做得足够厚并且具有高硬度轮廓，使得仅相对少数量的框架管可用于滚筒框架。挤出部实际上提供重量轻的蛋壳状表面，其能够承受相当大的压缩力，消除坚固、重滚筒框架的要求。另外，由于所需要的最小滚筒框架元件和在挤出部的相邻包绕部之间提供间隙的能力，空气可以从一侧通过滚筒框架一直流到另一侧，以冷却挤出部和绳索。
[0044]匀绕件可以用于将绳索导引到挤出部上。在一些实施方式中，匀绕件可以被插入滚筒内。在具有缠绕到恒定螺旋上的匀绕件的设计中，滚筒需要切口以配合匀绕件，由于匀绕件包括大轴承，该大轴承在飞行过程中必须承载绳索负载。但是，在使用用于滚筒表面的挤出部的实施方式中，匀绕件可以定位在滚筒之上。匀绕件在滚筒的大部分之上，且挤出部的端部转变角度(angled)，以在将绳索缠绕在滚筒上的同时在绳索导入部处产生可变螺旋。利用匀绕件定位在滚筒之上的这种构造，滚筒不需要如匀绕件插入滚筒内的情况下它所需要的那么大。这具有使得滚筒卷入和展开更加一致的额外优点，并且实现非常高速度的部署。
[0045]使用用于滚筒表面的挤出部的另一益处在于可以使用不同的挤出部节段来形成挤出部。例如，在一些实施方式中，绳索最靠近飞行器的端部可以平滑(faired)以更符合空气动力学，或者与可以为圆形的绳索的另一端部不同地成形。绳索的空气动力学在飞行器附近远比在地面附近更重要。结果，挤出部的第一节段可以被成形为环抱绳索的最靠近地面的端部，且挤出部的第二节段可以被成形为环抱绳索的最靠近飞行器的不同成形的平滑部分。例外，如果需要，挤出部的第一节段的相邻包绕部之间的间隔可以比挤出部的第二节段的相邻包绕部之间的间隔更靠近到一起。此外，如上面指出的，挤出部的导入部可以在滚筒的端部处向外转变角度，以提供用于匀绕件和绳索的导入部。当使用挤出部时，这容易实现。
[0046]此外，匀绕件可以利用挤出部的形状，以正确地将绳索缠绕在挤出部上。作为示例，在相邻槽之间具有恒定间隔的实施方式中，匀绕件可以包括延伸导引件，该延伸导引件骑在绳索被缠绕处附近的挤出部的相邻槽内或位于前面的槽内，以确保匀绕件将绳索正确缠绕在滚筒上。延伸导引件用于随着绳索被缠绕在滚筒上而导引匀绕件。
[0047]可替代地是，挤出部可以具有向上延伸的导轨，且匀绕件可以包括具有狭槽的延伸部，该狭槽配合在该导轨上，以随着绳索被缠绕在滚筒上而正确导引匀绕件。
[0048]所公开的实施方式允许成本低的构造方法，其用于产生相对复杂的形状，这解决了需要高容差和高载荷承载能力的困难需求。具有挤出表面的滚筒廉价、重量轻、坚固，并且可以被快速构建和设计原型(prototyped)。
[0049]2.说明性的空中风力涡轮机
[0050]如图1-2所公开的，公开了根据示例实施方式的空中风力涡轮机(AWT)113AWT 10是基于风的能量产生装置，其包括飞行器20，该飞行器20由安装有涡轮机40的刚性翼22构成，其跨过风在诸如基本上圆形路径的路径中飞行。在示例实施方式中，飞行器可以在地面(或水)之上250和600米之间飞行，以将风动能转变成电能。但是，飞行器可以在其它高度飞行，而不背离本发明的范围。在侧风飞行中，类似于风力涡轮机的尖端，飞行器20以圆形图案跨过风飞行。附连到刚性翼22的转子40用于通过减慢翼22而产生电能。跨过涡轮叶片移动的空气迫使叶片转动，驱动发电机产生电力。飞行器20通过导电绳索30连接到地面站50，该导电绳索30将由飞行器产生的电力传输到地面站50，并传输到电网上。
[0051]如图1所示，飞行器20可以连接到绳索30，且绳索30可以连接到地面站50。在这个示例中，绳索30可以在地面站50上的一个位置处附连到地面站50，且利用系绳32a、32b和32c在飞行器2上的三个位置处附连到飞行器20。但是，在其它示例中，绳索30可以在多个位置处附连到地面站50和/或飞行器20的任何部分上。
[0052]地面站50可以用于保持和/或支撑飞行器20，直到它处于操作模式。地面站可以包括塔52，该塔52可以是大约15米高。地面站还可以包括绕滚筒轴线53可旋转的滚筒52，其用于通过将绳索30缠绕在可旋转的滚筒52上以收回飞行器20。在这个示例中，滚筒52竖直取向，虽然滚筒也可以水平(或成任何角度)取向。此外，地面站50可以进一步构造成在着陆期间接收飞行器20。例如，支撑元件56可以附连到从地面站50延伸的停留面板58。当绳索30被缠绕在滚筒52上且飞行器20朝向地面站50被收回时，飞行器可以停置在停留面板58上。地面站50可以由能够适当地保持飞行器20的任何材料形成，该飞行器20在悬停飞行、向前飞行或侧风飞行的同时附连和/或锚固到地面上。
[0053]绳索30可以将由飞行器20产生的电能传输到地面站50。另外，绳索30可以将电力传输到飞行器20，以便在起飞、着陆、悬停飞行和/或向前飞行期间给飞行器20供以动力。绳索30可以按照任何形式并利用任何材料构造，该材料可以允许由飞行器20产生的电能的传输、传送和/或利用，和/或允许电力向飞行器20的传输。绳索30也可以被构造成在飞行器处于操作模式时承受飞行器20的一个或多个力。例如，绳索30可以包括芯部，该芯部构造成在飞行器20处于悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行时承受飞行器20的一个或多个力。芯部可以由任何高强度纤维或碳纤维棒构造。在一些示例中，绳索30可以具有固定长度或可变长度。例如，在一个示例中，绳索具有500米的固定长度。
[0054]飞行器20可以包括或采取各种类型装置的形式，诸如风筝、直升机、翼和/或飞机，除了其它可能之外。飞行器130可以由金属、塑料和/或其它聚合物的实心结构形成。飞行器130可以由允许高推重比和电能的产生的任何材料形成，该电能可以用于公用应用中。另夕卜，可以选择材料以允许轻量硬化、冗余和/或容错设计，这可以能够应对风速和风向中的大和/或突然转变。其它材料也是有可能的。
[0055]如图1中所示，并且如图2中更详细示出的，飞行器20可以包括主翼22、转子40a和40b、尾桁或机身24以及尾翼26。这些部件中的任一个可以按照允许部件使用来克服重力提升飞行器和/或向前移动飞行器的任何形式来成形。
[0056]主翼22可以为飞行器20提供主升力。主翼22可以是一个或多个刚性或柔性机翼(airfoil)，并且可以包括各种控制表面，如小翼、襟翼、方向舵、升降舵等。控制表面可以用于在悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行期间稳定飞行器20和/或减小飞行器20上的拖曳力。主翼22可以是用于飞行器20的任何适当的材料，以从事悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行。例如，主翼20可以包括碳纤维和/或无碱玻璃(e-glass)。
[0057]转子连接器43可以用于将上部转子40a连接到主翼22，且转子连接器41可以用于将下部转子40b连接到主翼22ο在一些示例中，转子连接器43和41可以采取一个或多个外挂架(pylon)的形式，或在形式上与一个或多个外挂架类似，在这个示例中，转子连接器43和41布置成使得上部转子40a定位在翼22之上，而下部转子40b定位在翼22之下。
[0058]转子40a和40b可以构造成驱动一个或多个发电机，用于产生电能的目的。在这个示例中，转子40a和40b可以各自包括一个或多个叶片45，如三个叶片。所述一个或多个转子叶片45可以通过与风的相互作用而旋转，并且可以用于驱动一个或多个发电机，另外，转子40a和40b也可以构造成在飞行中向飞行器20提供推力。利用这个布置，转子40a和40b可以作用为一个或多个推进单元，如推进器。虽然在这个示例中转子40a和40b被描绘为四个转子，但是在其它示例中，飞行器20可以包括任何数量的转子，如少于四个转子或多于四个转子，例如六个或八个转子。
[0059]回来参照图1，当期望着陆飞行器20时，滚筒52被旋转以朝向地面站50上的停留面板58收回飞行器20，并且导电绳索30被缠绕在滚筒52上。在着陆在停留面板58上之前，飞行器20从飞行模式转换到悬停模式。滚筒52被进一步旋转，以进一步将绳索30缠绕在滚筒52上，直到飞行器20停靠在停留面板58上为止。
[0060]如图3A和3B中所示，导电绳索30可以由碳纤维芯部34构成，该碳纤维芯部34由铝导体36围绕。碳纤维芯部34和铝导体36可以定位在外部绝缘件38内。如上面指出的，绳索30将电力从飞行器20通过铝导体36传输到地面站50，并且必须留意以在绳索缠绕在滚筒上时保护绳索30。在实施方式中，绳索30具有500米的长度，它必须被仔细缠绕在滚筒上，而不压伤或损坏绳索30。绳索30趋于在拉伸方面非常强，但是在存储中易损伤，由于绝缘件38和铝导体36能够被压缩。在示例性实施方式中，碳纤维芯部24的直径是14毫米，并且绳索的直径是24毫米。
[0061 ]如图3A中所示，当绳索30缠绕在具有平坦表面70的滚筒上时，在绳索30的外表面和平坦滚筒表面30之间的接触点处的压缩导致在绳索30内的不期望的应力集中。如图3B中所示，本实施方式提供了具有槽73的滚筒表面70a，该槽73符合绳索30的外表面的横截面形状，由此扩展绳索30和滚筒表面70a之间的接触，并且减小绳索30中的应力集中。
[0062]3.具有挤制表面的滚筒
[0063]在以下所公开的示例性实施方式并如图所示，提供一种滚筒140，该滚筒或是竖直取向或是水平取向(或它们的组合)，并且能够以绳索30的连续长度之间的期望间隔将绳索30缠绕在滚筒140上。此外，尤其是在竖直滚筒的情况下，所公开的实施方式提供了一种滚筒表面70a，该滚筒表面70a作用为防止绳索30沿滚筒70a的表面向下“滑动”，并在绳索30存储在滚筒140上时保持绳索30的连续长度之间的期望间隔。
[0064]滚筒140在滚筒表面上结合一组螺旋的或盘旋的圆形槽73，使得绳索30在绳索30和滚筒表面70a之间的接触点处没有压力集中。滚筒的表面由挤出部形成，该挤出部缠绕在滚筒框架上，如图4A-4C中所示的挤出部100、110或120。挤出部设置有具有槽7 3的横截面，该槽73符合绳索30并环抱绳索30。从而，挤出部的外表面可以设置有符合绳索30的外表面的几何形状。
[0065]图4A是可以用作围绕滚筒框架包绕的挤出部的具有横截面75的示例挤出部100。尤其是，挤出部100具有中空盒状梁形状，可以用于在弯曲以及扭转方面提供高刚性。盒的内侧具有中空部分77，使得挤出部100所需的材料的量最少。槽73定位在挤出部100的顶表面上，并且还包括侧壁79 ο空气流通道78包括在盒状梁形状之下以允许空气流过，从而耗散由绳索中的铝导体产生的热量。
[0066]图4B是具有横截面115的替代示例挤出部110，该横截面115具有I形梁布局，其可以为了简单而使用，但仍提供充分的压缩强度。此外，I形梁布局的使用也使得挤出部110所需要的材料的量最少。槽73定位在挤出部110的顶表面上，且还包括侧壁119。空气流通道118被包括在I形梁形状的任一侧上，以允许空气流动，以耗散由绳索中的铝导体产生的热量。另外，挤出部IlOa的相邻包绕部被示出定位在挤出部100附近，且在其顶表面上具有相邻槽73a。间隔112可以设置在挤出部100和挤出部IlOa的相邻包绕部之间。间隔112可以被调节，以按需要允许额外空气围绕绳索流过。间隔112可以通过以使得在挤出部的相邻包绕部之间留下间隙这样的方式将螺旋挤出部附连到滚筒表面形成。
[0067]图4C是具有M形布局的横截面125的另一可替代示例挤出部120。槽73定位在挤出部120的顶表面上，也包括侧壁127。空气流通道128定位在槽73之下以允许空气流过，从而耗散绳索内的铝导体产生的热量。M形横截面125是有利的，因为没有底部，使得空气可以在槽73和绳索之下容易地流动。挤出部120的M形横截面可以结合闭锁机构，其中，挤出部的每个包绕部能够配合到前一包绕部上的狭槽内。尤其是，闭锁机构在M形横截面125的左下侧131内，为槽132的形式，挤出部120a的相邻包绕部的M形横截面的右下部分129a配合在其中。在一些实施方式中，闭锁机构可以包括压配合，在此，M形横截面129a的右下部分压配合到挤出部120的相邻包绕部内的M形横截面125的左下侧131上的槽132中，将挤出部120和120a的相邻包绕部紧密配合到一起。在这个示例中，挤出部120a的相邻包绕部包括在挤出部120a的上表面上的槽73a，并且包括左下部分131a，该左下部分131a包括槽132a，挤出部(未示出)的下一个相邻包绕部的右下部分可以定位在该槽132a内。
[0068]在一些实施方式中，挤出部的侧部可以成扇形(scallop)或者被钻有横向孔，使得空气能够通过挤出部的相邻包绕部移动。另外，由于挤出部的形状在滚筒框架之上延伸，并且热量仅由绳索产生，所以浮力对流将驱动空气在挤出部的相邻包绕部之间的间隙之间流动，并且向上流动到绳索的外侧和绳索之上，将新的空气带到边界层中，以帮助冷却绳索。
[0069]挤出部100、110和120可以由挤制铝形成，挤制铝是坚固、重量轻的材料，其容易被挤出。但是，在一些实施方式中，可以使用复合材料或塑料材料。
[0070]虽然很多类型的滚筒框架都是有可能的，如图5A中所示，单个滚筒框架140可以由挤出部包绕在其上的钢管或钢板142构成。例如，管可以在平行于滚筒框架140的轴线146的方向上延伸，并且附连到辐条144。挤出部可以焊接、铆接、螺纹连接、螺栓连接、粘结或通过一些其它手段附连，以将挤出部保持在滚筒框架140的表面142上的适当位置。挤出部本身被制得足够厚并且为高硬度轮廓，使得仅相对少数量的框架管可以用于滚筒框架140。结果，可以在管之间提供间隙，以允许空气通过滚筒框架140流过。
[0071]如图5B中所示，利用管状辊147和148，通过围绕滚筒轴线146旋转滚筒框架140，挤出部100可以在挤出部100离开挤出机150时被缠绕在滚筒框架140上。由于在挤出机的尺寸上的限制，用于滚筒表面的挤出部可以由多个分离长度的挤出部构成，所述多个分离长度的挤出部在它们相应的端部处接合，以在滚筒框架140上形成连续螺旋。
[0072]图5C示出由滚筒框架140构成的滚筒148，该滚筒框架140具有挤制表面70a，该挤制表面具有螺旋槽73，该螺旋槽被示为由已经缠绕在滚筒框架140上的挤出部形成。用于滚筒148的表面70a的铝挤出部的使用具有多个优点。例如，挤制部分制造成本低，由于挤出与机加工表面相比更快并且材料浪费更少。另外，挤出可以在挤出部的环抱部分或槽73之下具有各种横截面，如图4A-4C中描述的那些。如上面指出的，挤出部的相邻包绕部之间的间隔、挤出部的横截面中的气流通道、和/或在挤出部中的横向孔可以用于提供气流，该气流可以从绳索被存放处的滚筒的表面耗散热量。
[0073]滚筒148也必须具有足够的强度以承受由绳索的重量和张力导致的绳索的压缩力。本实施方式可以包括在滚筒框架140上的辐条144，该辐条144向滚筒148提供耐压强度。此外，挤出部本身实际上提供重量轻的蛋壳状表面，其能够承受相当大的压缩力，消除对坚固、重滚筒框架的需要。于是，示例实施方式提供了一种容易制造的坚固但是重量轻的滚筒148。
[0074]另外，由于需要最少的滚筒框架元件以及在挤出部的相邻包绕部之间提供间隙的能力，空气可以通过滚筒框架从一侧一直流动到另一侧，以冷却挤出部和绳索。
[0075]如图6中所示，匀绕件164可以用于利用绳索导引件170将绳索30导引到滚筒148的挤出表面70a上，在一些实施方式中，匀绕件164可以插入到滚筒中。在具有缠绕在恒定螺旋上的匀绕件的设计中，滚筒需要切口以配合匀绕件，由于匀绕件包括大的轴承，该轴承必须在飞行期间承受绳索负载。但是，在利用用于滚筒表面的挤出部的实施方式中，匀绕件164可以定位在滚筒之上，如图6中所示。匀绕件164可以定位在滚筒的大部分之上，且挤出部71的端部转变角度，以在将绳索30缠绕在滚筒148上的同时在绳索30的导入部分处产生可变的螺旋。随着绳索被缠绕在滚筒上，或者借助匀绕件跨过滚筒表面的运动，或者借助滚筒表面在匀绕件之下的运动，匀绕件沿着滚筒的表面移动。在这个示例中，绳索30的端部被示出附连到万向支架166上，以及刺针(stinger) 168，在刺针168处，绳索的端部围绕万向支架轴线162可旋转。
[0076]使用用于滚筒表面的挤出部的另一益处在于不同的挤出部节段可以用于形成挤出部。尤其是，在一些实施方式中，绳索的最靠近飞行器的端部可以被平滑以更符合空气动力学，或者与可以为圆形的绳索的另一端部不同地成形。绳索的空气动力学在飞行器附近远比在地面附近更重要。结果，挤出部的第一节段可以成形为环抱绳索的最靠近地面的端部，而挤出部的第二节段可以成形为环抱绳索的最靠近飞行器的不同成形的平滑部分。另夕卜，如果需要，挤出部的第一段的相邻包绕部之间的间隔可以比挤出部的第二段的相邻包绕部之间的间隔更靠近在一起。
[0077]图7示出滚筒148a，该滚筒148a具有滚筒表面75a上的第一组槽75以及第二组槽75b，该第一组槽75具有在挤出部的相邻包绕部之间的第一间隔，该第二组槽75b具有在挤出部的相邻包绕部之间的第二更大的间隔。此外，槽75可以在形状上与槽75b不同，以容纳绳索的具有与将缠绕在槽75b上的绳索的部分不同横截面的部分。
[0078]如图8中所示，可以使用具有横截面195的替代的挤出部190。横截面195的底部左侧196包括第一水平延伸狭槽196a，而横截面195的底部右侧194包括水平延伸的元件，该水平延伸的元件适于配合在挤出部190的前一相邻的包绕部的狭槽196a之内。另外，横截面195的左上侧197包括第二水平延伸的狭槽196b，且横截面195的右上侧192包括水平延伸的元件，该水平延伸的元件适于配合在挤出部190的前一相邻的包绕部的狭槽196b内。使用狭槽196a和196b，挤出部190的相邻包绕部可以固定到挤出部190的前一包绕部上。
[0079]另外，匀绕件164可以利用挤出部190的其它特征，以将绳索30正确缠绕在挤出部190上。尤其是，由于匀绕件164的绳索导引件170定位在绳索30和槽37之上，所以挤出部190可以被提供有向上延伸的导轨193。匀绕件164可以包括延伸部174，该延伸部174具有形成在延伸部174和延伸部176的内部部分之间的狭槽172，该狭槽172配合在导轨193上，以随着绳索30被缠绕在槽27上而正确导引匀绕件164。也可以提供第二向上延伸的导轨193a，该第二向上延伸的导轨193a适于定位在匀绕件的相对侧上的另一狭槽(未示出)内。
[0080]此外，非圆形绳索本身可以用于将绳索导引到挤制的滚筒表面内的槽上。尤其是，如图8所示，绳索30可以包括延伸部31，该延伸部31适于配合在挤出部190的槽37之内的狭槽199中。从而，与挤出部190的槽37之内的狭槽199相配合，绳索30的延伸部31可以用于将绳索30导引到槽37上。
[0081]可替代的是，如图9中所示，匀绕件164可以包括延伸部180，该延伸部180包括向下延伸的延伸导引件182，该延伸导引件182具有端部183，该端部183骑在绳索30正被缠绕之处附近的挤出部的相邻槽内，以确保匀绕件164将绳索30正确缠绕在槽73上。延伸导引件182用于随着绳索30被缠绕在槽73上而导引匀绕件164。
[0082]4.形成具有挤制表面的滚筒的示例方法
[0083]图10示出方法1000，该方法1000可以用于形成具有挤制表面的滚筒，该方法包括:步骤1002，将围绕滚筒轴线可旋转的滚筒框架定位在挤出机的出口前面;步骤1004，将挤出材料挤出到滚筒框架上；以及步骤1006，随着滚筒框架旋转，将挤出部弯曲到滚筒框架上，以形成滚筒表面，该滚筒表面是围绕滚筒框架包绕的螺旋挤出部。
[0084]方法1000还可以包括:步骤1008，给挤出部提供具有上表面的横截面，该上表面成形为符合导电绳索的外表面;步骤1010，成形该横截面，以允许空气在螺旋挤出部的相邻包绕部之间流动，用于耗散通过电力从飞翼经导电绳索向地面站传输所产生的热量；以及步骤1012，将螺旋挤出部固定到滚筒框架上。
[0085]5.结论
[0086]上面的详细描述参照附图描述了所公开的系统、装置和方法的各种特征和功能。已经在此公开了各个方面和实施方式，其它的方面和实施方式对本领域技术人员而言将是明显的。在此公开的各个方面和实施方式是用于说明的目的，而不意在限制，且真实的范围和精髓由以下权利要求书指示。
【主权项】
1.一种用于存储导电绳索的滚筒，该导电绳索具有固定到飞行器的第一端部和固定到地面站的第二端部，所述滚筒包括: 围绕滚筒轴线可旋转的滚筒框架； 定位在滚筒框架上的滚筒表面，所述滚筒表面包括围绕所述滚筒框架包绕的螺旋挤出部； 其中，所述挤出部具有横截面，该横截面具有上表面，所述上表面成形为符合所述导电绳索的外表面;且 其中，所述挤出部适于耗散通过从所述飞行器经所述导电绳索向所述地面站传输电力而产生的热量。2.如权利要求1所述的滚筒，其中，所述横截面成形为允许空气在所述螺旋挤出部的相邻包绕部之间流动。3.如权利要求1所述的滚筒，其中，在所述螺旋挤出部的相邻包绕部之间提供间隔。4.如权利要求1所述的滚筒，其中，所述横截面具有中空的、盒状横截面。5.如权利要求1所述的滚筒，其中，在所述螺旋挤出部内设置横向孔，以允许空气在所述挤出部的上表面之下流动。6.如权利要求1所述的滚筒，其中，所述横截面具有在所述上表面之下向下延伸的腿部。7.如权利要求1所述的滚筒，其中，所述横截面具有定位在所述横截面的前导边缘上的狭槽，下一个相邻包绕部的尾边缘的一部分配合在该狭槽中，以将所述螺旋挤出部的连续包绕部固定到一起。8.如权利要求7所述的滚筒，其中，所述狭槽包括在所述横截面的前导边缘上的延伸部，该延伸部形成垂直狭槽，下一个相邻包绕部的尾边缘上的向下延伸的腿部配合到该垂直狭槽中。9.如权利要求7所述的滚筒，其中，所述狭槽包括从所述横截面的前导边缘水平延伸的第一狭槽，下一个相邻包绕部的尾边缘上的第一水平延伸部分配合到该第一狭槽内。10.如权利要求9所述的滚筒，还包括位于所述第一狭槽之下的第二狭槽，所述第二狭槽从所述横截面的所述前导边缘水平延伸，所述下一个相邻包绕部的尾边缘上的第二水平延伸部分配合在该第二狭槽中。11.如权利要求1所述的滚筒，其中，所述挤出部包括具有第一横截面的第一部分和具有不同于所述第一横截面的第二横截面的第二部分。12.如权利要求11所述的滚筒，其中，所述第一部分具有上表面，该上表面成形为符合所述绳索的第一部分的外表面，且所述第二部分具有上表面，该上表面成形为符合所述绳索的第二部分的外表面，所述绳索的第二部分的外表面与所述绳索的第一部分的外表面不同地成形。13.如权利要求1所述的滚筒，其中，所述挤出部包括第一部分和第二部分，所述第一部分在所述挤出部的连续包绕部之间具有第一间隔，所述第二部分在挤出部的连续包绕部之间具有第二间隔，所述第二间隔不同于第一间隔。14.如权利要求1所述的滚筒，其中，所述挤出部的导入部分向外转变角度。15.如权利要求1所述的滚筒，其中，匀绕件定位在所述滚筒之上，且所述匀绕件包括绳索导引件和延伸导引件，所述绳索导引件适于定位在所述挤出部的包绕部内的槽之上，所述延伸导引件附连到所述绳索导引件，其适于在所述绳索缠绕在所述滚筒上时骑在所述挤出部的相邻槽内或位于前面的槽内。16.如权利要求15所述的滚筒，其中，所述挤出部的横截面包括邻近绳索槽的第一向上延伸导轨，且所述匀绕件包括绳索导引件和第一延伸部，所述绳索导引件适于定位在所述挤出部的包绕部内的槽之上，所述第一延伸部附连到所述绳索导引件上，适于在所述绳索缠绕在所述滚筒上时骑在所述第一向上延伸导轨上。17.如权利要求16所述的滚筒，其中，所述第一延伸部包括狭槽，当所述绳索缠绕在所述滚筒上时，所述第一向上延伸导轨配合在该狭槽中。18.如权利要求16所述的滚筒，其中，所述挤出部的横截面包括第二向上延伸导轨，该第二向上延伸导轨比所述第一导轨靠近所述绳索槽的相对侧，所述匀绕件还包括第二延伸部，该第二延伸部适于在所述绳索缠绕在所述滚筒上时骑在所述第二向上延伸导轨上。19.如权利要求1所述的滚筒，其中，所述导电绳索的横截面是非圆形的并且包括向外延伸部； 其中所述挤出部的上表面包括向下延伸狭槽，该向下延伸狭槽适于接收所述绳索上的所述向外延伸部；以及 其中，所述向外延伸部和所述向下延伸狭槽配合以在所述绳索缠绕在所述滚筒上时将所述绳索导引到所述滚筒上。20.如权利要求1所述的滚筒，其中，由线性轴承组成的导引件用于导引所述匀绕件离开所述滚筒。21.—种空中风力涡轮系统，包括: 飞行器； 导电绳索，该导电绳索具有固定到所述飞行器的第一端部和固定到地面站的第二端部； 围绕滚筒轴线可旋转的滚筒框架，所述滚筒框架与所述地面站一起定位； 滚筒表面，所述滚筒表面定位在所述滚筒框架上，包括围绕所述滚筒框架包绕的螺旋挤出部， 其中，所述挤出部具有横截面，该横截面具有上表面，该上表面成形为符合所述导电绳索的外表面；以及 其中，所述挤出部适于耗散通过从所述飞行器经所述导电绳索向所述地面站传输电力而产生的热量。22.如权利要求21所述的空中风力涡轮系统，其中，所述横截面成形为允许空气在所述螺旋挤出部的相邻包绕部之间流动。23.—种形成用于存储导电绳索的滚筒的方法，包括如下步骤: 在挤出机的出口前面定位围绕滚筒轴线可旋转的滚筒框架； 将挤出材料挤出到所述滚筒框架上以形成挤出部； 在所述滚筒框架正旋转时，将所述挤出部弯曲到所述滚筒框架上，以形成滚筒表面，该滚筒表面是围绕所述滚筒框架包绕的螺旋挤出部； 为所述挤出部提供横截面，该横截面具有上表面，该上表面成形为符合所述导电绳索的外表面； 成形所述横截面以允许空气在所述螺旋挤出部的相邻包绕部之间流动，用于耗散通过从飞行器经所述导电绳索向地面站传输电力而产生的热量；以及将所述螺旋挤出部固定到所述滚筒框架。
【文档编号】F03D9/25GK105849022SQ201480070891
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年12月12日
【发明人】D.范德林德, B.哈克曼
【申请人】谷歌公司