Роторные паруса что это как работает
Роторные паруса
Что такое роторный парус?
Впервые роторные паруса, разработаные немецким инженером Антоном Флеттнером (Anton Flettner), были успешно испытаны на шхуне «Букау» ещё в 1924 году. Идея Флеттнера заключалась в использовании эффекта Магнуса, принцип которого состоит в следующем: когда воздушный (или жидкостный) поток обтекает вращающееся тело, то образуется сила, перпендикулярная направлению потока и воздействующая на тело.
Роторы «Букау» вращались от электродвигателей. Со стороны, где ротор вращался навстречу ветру, создавалась область повышенного давления, с противоположной — пониженного. Результирующая сила и двигала судно. Более того, эта сила во много раз превышала силу давления ветра на неподвижный ротор — примерно в 50 раз! Роторный парус Флеттнера показал себя прекрасно. В отличие от обычного парусного судна, роторный корабль практически не боялся непогоды и сильных боковых ветров, легко мог идти переменными галсами под углом 25° к встречному ветру. В ходе испытаний судна никаких серьёзных недостатков выявлено не было. Наиболее выгодным для движения судна было направление ветра точно по перпендикуляру к оси судна, а направление движения (вперёд или назад) определялось направлением вращения роторов.
Уже в феврале 1925 году шхуна «Букау» успешно прошла путь из Данцига в Шотландию через Северное море, а годом позже это судно (переименованное в «Баден Баден») совершило вояж из Европы в Америку через Атлантический океан. Но в конце двадцатых грянула Великая Депрессия, из-за которой о роторных парусах надолго забыли. Позднее предпринимались попытки возродить идею Флеттнера и сделать роторные паруса массовыми. Например, известная гамбургская компания Blohm & Voss начала активную разработку роторного танкера после нефтяного кризиса 1973 года, но к 1986 экономические факторы прикрыли этот проект. Но в 1980-х годах более сложная форма турбопаруса была разработана французскими инженерами под руководством океанолога Жака-Ива Кусто и успешно применялась на экспедиционном судне «Алкиона».
Лишь в 2010 году появилось третье в истории судно с роторными парусами — тяжёлый грузовик E-Ship 1, построенный по заказу компании Enercon, одного из крупнейших производителей ветрогенераторов в мире. 6 июля 2010 года судно было спущено на воду и совершило короткое плавание из Эмдена в Бремерхафен, а уже в августе оно отправилось в первый рабочий вояж в Ирландию с грузом из девяти ветрогенераторов.
Судно E-Ship 1 оборудовано четырьмя роторными парусами Флеттнера и, конечно, традиционной силовой установкой на случай безветрия и для получения дополнительной мощности. Всё-таки роторные паруса служат лишь вспомогательными движителями. Основными двигателями служат силовые установки Mitsubishi, а роторы вращаются с помощью паровой турбины производства Siemens, работающей от отработавших газов. Роторные паруса позволяют сэкономить от 30 до 40% топлива на скорости 16 узлов.
В 2012 году в Финляндии была основана компания Norsepower, которая занялась разработкой роторных парусов (Norsepower Rotor Sails). На сегодняшний день компания Norsepower является лидером в области разработки и производства таких вспомогательных ветровых двигателей для судов. Роторные системы от Norsepower уже установлены на борту четырёх судов: на Ро-Ро судне Estraden (оператор Bore) дедвейтом 9,7 тыс., круизном пароме на СПГ топливе Viking Grace (Viking Line) и танкере-продуктовозе Maersk Pelican (Maersk Tanker) дедвейтом 110 тыс. тонн, а также на пароме Copenhagen (оператор Scandlines). Использование силы ветра на некоторых этапах эксплуатации судов показало сокращение выбросов диоксида углерода примерно на 5 тыс. тонн.
К концу 2020 года компания Norsepower планирует установить свои крупнейшие (35 метра в высоту) роторные паруса на Ро-Ро судно SC Connector, владельцем которого является компания Sea-Cargo. Благодаря установке двух таких роторных парусов ожидается сокращение выброса парниковых газов на 25 процентов.
Таким образом, роторные паруса являются проверенной, недорогой, простой в использовании и надежной технологией экономии судового топлива. А с ростом природоохранных норм концепция роторного паруса набирает популярность в международном судоходстве.
Как работают турбопаруса и насколько они эффективны
Любители изучения подводного мира вместе с командой Жака-Ива Кусто довольно часто задаются вопросом: а что это за странные колонны на его судне «Алкиона»? Конечно, можно предположить, что это трубы котлов или нечто подобное, вот только выглядят они странно, да и дыма из этих труб что-то никогда не видно.
На самом деле, возвышающиеся над яхтой «Алкиона» колонны имеют отношение к движению судна, вот только это никакие не трубы котлов, а паруса. Если быть более точным, то это турбопаруса, изобретению которых человечество обязано великому исследователю подводного мира (хотя его первенство в изобретении довольно спорно).
В начале 80-х годов специалисты команды Кусто задумались над созданием для корабля вспомогательного экологичного двигателя. Казалось бы, чего проще — под парусами корабли плавают тысячелетиями. Но хотелось создать нечто необычное, вот тут и вспомнился старый проект немца Антона Флеттнера, который в 20-х годах прошлого века создал уникальный движитель на основании эффекта Магнуса.
Сам эффект Магнуса был открыт еще в 1852 году. Хотя берлинец Генрих Магнус весьма детально описал открытое им явление, оно поначалу интересовало (да и то немного) исключительно физиков. Суть открытия была такова — если поток воздуха или жидкости обтекает вращающееся тело, то возникает сила ортогональная потоку движения среды и действующая на это вращающееся тело.
Это явление возникает по причине того, что вращающееся тело создает вокруг себя вихревые потоки. С той стороны, с которой направление движения среды совпадает с направлением вихря, скорость передвижения среды увеличивается, с обратной стороны направление движения среды противоположно направлению вихря, здесь скорость среды уменьшается. А вот за счет разностей скоростей среды с различных сторон вращающегося тела, и появляется нескомпенсированная сила ортогональная направлению движения среды.
Похожее явление, основанное на разности скоростей обтекания воздухом крыла сверху и снизу, вызывает в аэродинамике подъемную силу, которая успешно используется в самолетостроении уже более века.
Слабыми местами для использования эффекта Магнуса в технике виделись 2 момента — вращающийся ротор требовалось на что-то укрепить, а эта вещь, на которой он укреплен начнет движение в направлении, зависящем от ветра. На земле тележка с подобным ротором просто не поедет из-за силы трения, а железные дороги имеют строгое направление, которое вряд ли будет совпадать с силой, появившейся в результате эффекта Магнуса. А во вторых сам по себе ротор вращаться не станет. Но эти слабые места вполне можно обойти, если установить ротор на водное судно — по морю парусные корабли практически никогда не ходили по прямой, но нужной цели достигали. А заставить вращаться ротор можно с помощью небольшого двигателя, сила, появившаяся в результате проявления эффекта Магнуса, даст приличный итоговый выигрыш.
Ротор Флеттнера
Для начала Флеттнер решил проверить возможность использования эффекта Магнуса.
Для этого немецкий изобретатель сделал шлюпку длиной около метра, на которую установил ротор из бумаги метровой высоты. В качестве движителя был приспособлен часовой механизм. И шлюпка реально начала движение под воздействием силы возникшей в результате проявления эффекта Магнуса.
Теперь изобретатель решил установить роторные паруса на бывший трехмачтовик «Букау», для вращения роторов были приспособлены электродвигатели. Установка роторных парусов полностью оправдала себя — результирующая сила прекрасно двигала судно, при этом она примерно в 50 раз превышала силу давления на неподвижный парус. Флеттнер додумался накрыть свои роторные паруса плоскостями-тарелками, что упростило управление и почти в 2 раза увеличило результирующую силу. Судно прекрасно шло в бейдевинд под углом в 25 градусов, что было значительно лучше показаний парусных судов, им было легче управлять, плюс и остойчивость увеличилось.
В 1926 году роторный «Букау» (переименованный в «Баден-Баден») прошел через Атлантику, а вскоре заложили мощный лайнер «Барбара» на который вдобавок к главному дизелю устанавливались 3 роторных паруса высотой 17 м каждый. Эти роторы должны были выдавать суммарную мощность 1 000 л. с., причем для вращения роторов 3 мотора мощностью 35 л. с. каждый. Но грянувшая Великая депрессия нарушила эти планы, новый владелец судна предпочел установить обычное парусное вооружение. Роторные паруса оказались забыты на десятилетия, тем более что «Баден-Баден» пошел на дно в Карибском море в 1931 году во время шторма.
А что же изобрел Жак-Ив Кусто?
Его команда усовершенствовала полый роторный цилиндр Флеттнера, придав тому каплевидную форму. Добавили воздухозаборные решетки и установили вентилятор для лучшего засасывания воздуха. Еще были установлены датчики на поворотной платформе, которые обеспечивают максимально выгодное положение турбопаруса относительно ветра. Внутри турбопаруса можно устанавливать не только вентилятор, но и воздушный насос — принцип работы от этого не изменится. Корабль может двигаться даже против ветра — всегда будет разница давлений из-за завихрений воздуха внутри и снаружи турбопаруса.
Как посчитали специалисты команды Кусто, у них получился вполне приемлемый вспомогательный движитель, сокращающий расход топлива двигателей примерно на треть.
Сейчас планируется установка роторных движителей на некоторые крупные корабли, что даст экономию топлива примерно в 10%.
Эффект Магнуса: зачем на суда ставят паруса в виде колонн?
«Алкиону» фонд Кусто приобрёл в 1985 году, и рассматривался этот корабль не столько как исследовательский, сколько в качестве базы для изучения эффективности турбопарусов – оригинального судового движителя. А когда спустя одиннадцать лет легендарная «Калипсо» затонула, «Алкиона» заняла её место в качестве основного судна экспедиции (к слову, сегодня «Калипсо» поднята и в полуразграбленном состоянии стоит в порту Конкарно).
Собственно, турбопарус изобрёл Кусто. Так же, как акваланг, подводное блюдце и ещё множество приспособлений для исследований морских глубин и поверхности мирового океана. Идея родилась ещё в начале восьмидесятых и заключалась в том, чтобы создать максимально экологичный, но при этом удобный и современный движитель для водоплавающего средства. Использование силы ветра представлялось наиболее перспективным направлением исследований. Но вот незадача: парус человечество придумало несколько тысяч лет назад, а что может быть проще и логичнее?
Конечно, Кусто и компания понимали, что построить судно, приводимое в движение исключительно парусом, невозможно. Точнее, возможно, но его ходовые качества будут весьма посредственны и зависимы от капризов погоды и направления ветра. Поэтому изначально планировалось, что новый «парус» будет лишь вспомогательной силой, применимой в помощь обычным дизельным двигателям. При этом турбопарус заметно снизил бы расход дизельного топлива, а при сильном ветре мог стать единственным движителем судна.
И взгляд команды исследователей обратился в прошлое – к изобретению немецкого инженера Антона Флеттнера, знаменитого авиаконструктора, внесшего серьёзный вклад и в кораблестроение.
Ротор Флеттнера и эффект Магнуса
16 сентября 1922 года Антон Флеттнер получил немецкий патент на так называемое «роторное судно». А в октябре 1924 года экспериментальное роторное судно Buckau сошло со стапелей кораблестроительной компании Friedrich Krupp в Киле. Правда, строилась шхуна не с нуля: до установки роторов Флеттнера она была обычным парусным судном.
Идея Флеттнера заключалась в использовании так называемого эффекта Магнуса, суть которого состоит в следующем Когда воздушный (или жидкостный) поток обтекает вращающееся тело, образуется сила, перпендикулярная направлению потока и воздействующая на тело. Дело в том, что вращающийся объект создаёт вокруг себя вихревое движение. С той стороны объекта, где направление вихря совпадает с направлением потока жидкости или газа, скорость движения среды растёт, а с противоположной – падает. Разница давлений и создаёт поперечную силу, направленную от стороны, где направление вращения и направление потока противоположны, к стороне, где они совпадают.
Открыл этот эффект в 1852 году берлинский физик Генрих Магнус. Один из его классических опытов выглядел следующим образом: «Латунный цилиндр мог вращаться между двумя остриями; быстрое вращение цилиндру сообщалось, как в волчке, шнуром. Вращающийся цилиндр помещался в раме, которая в свою очередь легко могла поворачиваться. На эту систему пускалась сильная струя воздуха при помощи маленького центробежного насоса. Цилиндр отклонялся в направлении, перпендикулярном к воздушной струе и к оси цилиндра, при том в ту сторону, с которой направления вращения и струи были одинаковы» (Л.Прандтль, «Эффект Магнуса и ветряной корабль», 1925 год).
Собственно, Флеттнер сделал довольно простую вещь. Он установил на метровую испытательную шлюпку бумажный цилиндр-ротор высотой около метра и диаметром 15 сантиметров, а для его вращения приспособил часовой механизм. И шлюпка поплыла. Доказав на практике возможность использования боковой силы, возникающей в результате эффекта Магнуса, Флеттнер решился переоборудовать трёхмачтовик «Букау» в роторный корабль.
Роторы «Букау» вращались от электродвигателей. Собственно, никакого отличия от классических опытов Магнуса в конструкции не было. Со стороны, где ротор вращался навстречу ветру, создавалась область повышенного давления, с противоположной – пониженного. Результирующая сила и двигала судно. Более того, эта сила во много раз превышала силу давления ветра на неподвижный ротор – примерно в 50 раз! Это открывало перед Флеттнером огромные перспективы. Помимо всего прочего, площадь ротора и его масса были в несколько раз меньше, чем площадь парусного вооружения, которое бы давало равную движущую силу. Ротором было намного проще управлять, да и в производстве он был достаточно дёшев. Сверху Флеттнер накрыл роторы плоскостями-тарелками – это увеличивало движущую силу примерно в два раза за счёт правильной ориентации потоков воздуха относительно ротора. Оптимальную высоту и диаметр ротора для «Букау» рассчитали, продув модель будущего судна в аэродинамической трубе.
Ротор Флеттнера показал себя прекрасно. В отличие от обычного парусного судна, роторный корабль практически не боялся непогоды и сильных боковых ветров, легко мог идти переменными галсами под углом 25° к встречному ветру (для обычного паруса предел – около 45°). Два цилиндрических ротора (высота – 13,1 м, диаметр – 1,5 м) позволили отлично сбалансировать судно – оно оказалось устойчивее парусника, которым «Букау» был до перестройки. Испытания судна проводили и в штиль, и в шторм, и с намеренной перегрузкой – и никаких серьёзных недостатков выявлено не было. Наиболее выгодным для движения судна было направление ветра точно по перпендикуляру к оси судна, а направление движения (вперёд или назад) определялось направлением вращения роторов.
Уже в феврале 1925 году «Букау» успешно прошла путь из Данцига в Шотландию через Северное море, а годом позже корабль (переименованный в «Баден Баден») совершил вояж из Европы в Америку через Атлантический океан. В том же году на верфи был заложен второй роторный корабль – могучий грузовой лайнер «Барбара», приводимый в движение тремя 17-метровыми роторами. При этом для каждого ротора хватало одного маленького моторчика мощностью всего 35 л.с. (при максимальной скорости вращения каждого ротора 160 об/мин)! Тяга роторов была эквивалентна тяге винтового движителя вкупе с обычным корабельным дизелем мощностью около 1000 л.с.. Впрочем, дизель на судне тоже наличествовал: в дополнение к роторам он приводил в движение винт (который оставался единственным движителем в случае безветренной погоды).
Но в конце двадцатых грянула Великая Депрессия. В 1929 году чартерная компания отказалась от дальнейшей аренды «Барбары», и её продали. Новый владелец снял роторы и переоборудовал корабль по традиционной схеме. Всё-таки роторный движитель проигрывал винтовым движителям в сочетании с обычной дизельной силовой установкой из-за своей зависимости от ветра и определённых ограничений по мощности и скороходности. Флеттнер обратился к более перспективным исследованиям, а «Баден Баден» в итоге затонул во время шторма в Карибском море в 1931 году. И о роторных парусах надолго забыли.
Турбопарус Кусто
Парусники строились и на протяжении XX века. В современных кораблях такого типа парусное вооружение сворачивается с помощью электромоторов, новые материалы позволяют заметно облегчить конструкцию. Но парусник парусником, а идея использовать энергию ветра кардинально новым способом витала в воздухе ещё со времён Флеттнера. И её подхватил неутомимый искатель приключений и исследователь Жак-Ив Кусто.
23 декабря 1986 года, уже после того, как упомянутая в начале статьи «Алкиона» была спущена на воду, Кусто и его коллеги Люсьен Малавар и Бертран Шаррье получили совместный патент US4630997 на «Устройство, создающее силу посредством использования движущейся жидкости или газа». Общее описание патентуемого устройства звучит следующим образом: «Устройство помещается в среду, движущуюся в некотором направлении; при этом возникает сила, действующая в направлении, перпендикулярном первому. Устройство позволяет избежать использования массивных парусов, в которых движущая сила пропорциональная площади паруса». Чем же отличается турбопарус Кусто от роторного паруса Флеттнера?
Собственно, впервые Кусто испытал прототип турбопаруса на катамаране «Ветряная мельница» (Moulin à Vent) в 1981 году. Самым крупным успешным плаванием катамарана было путешествие из Танжера (Марокко) в Нью-Йорк – под «присмотром» более крупного корабля экспедиции.
А в апреле 1985 года в порту Ля Рошель была спущена на воде «Алкиона», первый полноценный корабль, оборудованный турбопарусами. Сегодня она по-прежнему на ходу и на сегодняшний день является флагманом (и, по сути, единственным крупным кораблём) команды Кусто. Турбопаруса на ней служат не единственным движителем, но помогают обычной сцепке из двух дизелей и нескольких винтов (что позволяет сократить расход горючего примерно на треть, кстати). Будь великий океанограф жив, он бы, наверное, построил ещё несколько подобных кораблей, но энтузиазм его соратников после ухода Кусто заметно спал. Незадолго до смерти в 1997 году Кусто активно прорабатывал проект судна «Калипсо II» с турбопарусом, но завершить его не успел. По последним данным зимой 2011 года «Алкиона» стояла в порту Каен и ждала новой экспедиции.
И снова Флеттнер
Сегодня предпринимаются попытки возродить идею Флеттнера и сделать роторные паруса массовыми. Например, знаменитая гамбургская компания Blohm & Voss начала активную разработку роторного танкера после нефтяного кризиса 1973 года – но к 1986 экономические факторы «прикрыли» этот проект. Потом был ряд любительских конструкций; например, в 2007 году студенты Фленсбургского университета построили катамаран, приводимый в движение роторным парусом (Uni-cat Flensburg).
И лишь в 2010 году свет увидел третий в истории корабль с роторными парусами – тяжёлый грузовик E-Ship 1, построенный по заказу компании Enercon, одного из крупнейших производителей ветрогенераторов в мире. 6 июля 2010 года корабль был впервые спущен на воду и совершил короткое плавание из Эмдена в Бремерхафен. А уже в августе он отправился в первый рабочий вояж в Ирландию с грузом из девяти ветрогенераторов.
Судно оборудовано четырьмя роторами Флеттнера и, конечно, традиционной силовой установкой на случай безветрия и для получения дополнительной мощности. Всё-таки роторные паруса служат лишь вспомогательными движителями – для 130-метрового грузовика их мощности маловато, чтобы развивать должную скорость. Двигателями служат девять силовых установок Mitsubishi, а роторы вращаются с помощью паровой турбины производства Siemens, работающей от отработавших газов. Роторные паруса позволяют сэкономить от 30 до 40% топлива на скорости 16 узлов.
А вот турбопарус Кусто пока что остаётся в некотором забвении: «Алкиона» и на сегодняшний день – единственный полноразмерный корабль с таким типом движителя. Опыт немецких кораблестроителей покажет, имеет ли смысл и дальше развивать тему парусов, работающих на эффекте Магнуса. Главное – найти этому экономическое обоснование и доказать эффективность. А там, глядишь, и всё мировое судоходство перейдёт на принцип, который талантливый немецкий учёный описал более 150 лет назад.
uCrazy.ru
