Čuvenu dokumentarnu seriju “Podvodna odiseja tima Cousteau” veliki francuski okeanograf snimio je šezdesetih i sedamdesetih godina prošlog vijeka. Cousteauov glavni brod je tada pretvoren iz britanskog minolovca Calypso. Ali u jednom od narednih filmova - "Ponovno otkrivanje svijeta" - pojavio se još jedan brod, jahta "Halcyone".
Gledajući je, mnogi TV gledaoci postavljali su sebi pitanje: kakve su to čudne cijevi postavljene na jahti?.. Možda su to cijevi iz kotlova ili pogonskih sistema? Zamislite svoje iznenađenje ako saznate da su ovo JEDRA...turbojedra...
Fondacija Cousteau nabavila je jahtu Alcyone 1985. godine, a ovaj brod se smatrao ne toliko kao istraživački, već kao osnovom za proučavanje efikasnosti turbojedara - originalnog brodskog pogonskog sistema. A kada je, 11 godina kasnije, legendarni Calypso potonuo, Alkyone je zauzeo svoje mjesto kao glavni brod ekspedicije (inače, danas je Calypso podignut i u poluopljačkanom stanju stoji u luci Concarneau).
Zapravo, turbojedro je izumio Cousteau. Baš kao i oprema za ronjenje, podvodni tanjir i mnogi drugi uređaji za istraživanje morskih dubina i površine Svjetskog okeana. Ideja se rodila ranih 1980-ih i bila je stvoriti ekološki najprihvatljiviji, ali u isto vrijeme pogodan i moderan pogon za ptice vodene ptice. Činilo se da je korištenje energije vjetra najperspektivnije područje istraživanja. Ali evo problema: čovječanstvo je izumilo jedro prije nekoliko hiljada godina, a šta može biti jednostavnije i logičnije?
Naravno, Cousteau i kompanija shvatili su da je nemoguće izgraditi brod koji se pokreće isključivo jedrima. Tačnije, možda, ali njegove vozne performanse će biti vrlo osrednje i zavisiće od vremenskih nepogoda i pravca vetra. Stoga je u početku bilo planirano da novo "jedro" bude samo pomoćna snaga koja se koristi za pomoć konvencionalnim dizel motorima. Istovremeno, turbojedro bi značajno smanjilo potrošnju dizel goriva, a pri jakom vjetru moglo bi postati jedini pogonski uređaj plovila. A tim istraživača je pogledao u prošlost - u izum njemačkog inženjera Antona Flettnera, poznatog konstruktora aviona koji je dao ozbiljan doprinos brodogradnji.
Turbojedro je šuplji cilindar opremljen posebnom pumpom. Pumpa stvara vakuum na jednoj strani turbojedra, pumpajući zrak u jedro, vanjski zrak počinje da struji oko turbojedra različitim brzinama i brod se počinje kretati u smjeru okomitom na tlak zraka. Ovo veoma podseća na silu podizanja koja deluje na krilo aviona - pritisak je veći ispod krila i avion se gura prema gore. Turbojedro omogućava brodu da se kreće protiv bilo kojeg vjetra, sve dok ima dovoljno snage pumpe. Koristi se kao pomoćni sistem za konvencionalni brodski motor. Dva turbojedra postavljena na brodu Cousteauovog tima „Halcyon“ omogućila su uštedu do 50% goriva.
Flettner rotor i Magnusov efekat
Anton Flettner je 16. septembra 1922. godine dobio njemački patent za takozvanu rotirajuću posudu. A u oktobru 1924. eksperimentalni rotacijski brod Buckau napustio je navoz brodograditeljske kompanije Friedrich Krupp u Kielu. Istina, škuna nije izgrađena od nule: prije ugradnje Flettner rotora, bila je obična jedrilica.
Flettnerova ideja je bila da se koristi takozvani Magnusov efekat, čija je suština sljedeća: kada strujanje zraka (ili tekućine) struji oko rotirajućeg tijela, stvara se sila okomita na smjer strujanja i djeluje na tijelo. . Činjenica je da rotirajući objekt stvara vrtložno kretanje oko sebe. Na strani objekta gdje se smjer vrtloga poklapa sa smjerom strujanja tekućine ili plina, brzina medija raste, a na suprotnoj strani opada. Razlika pritiska stvara poprečnu silu usmjerenu sa strane gdje su smjer rotacije i smjer strujanja suprotni, na stranu gdje se poklapaju.
„Fletnerov brod vjetra svima je na usnama zahvaljujući neobično revnoj novinskoj propagandi“, napisao je Louis Prandtl u svom članku o razvoju njemačkog inženjera.
Ovaj efekat je 1852. godine otkrio berlinski fizičar Heinrich Magnus.
Magnus efekat
Njemački aeronautički inženjer i pronalazač Anton Flettner (1885–1961) ušao je u povijest pomorstva kao čovjek koji je pokušao zamijeniti jedra. Imao je priliku da dugo putuje na jedrilici preko Atlantskog i Indijskog okeana. Mnoga jedra postavljena su na jarbolima jedrenjaka tog doba. Oprema za jedrenje bila je skupa, složena i aerodinamički neefikasna. Stalne opasnosti su čekale mornare, koji su i za vrijeme oluje morali da se nose s jedrima na visini od 40-50 metara.
Mladi inženjer je tokom plovidbe došao na ideju da jedra, za šta je bilo potrebno mnogo truda, zamijeni jednostavnijim, ali efikasnijim uređajem, čiji bi glavni pogon bio i vjetar. Razmišljajući o tome, prisjetio se aerodinamičkih eksperimenata koje je izvodio njegov sunarodnik, fizičar Heinrich Gustav Magnus (1802–1870). Otkrili su da kada se cilindar rotira u struji zraka, nastaje poprečna sila čiji smjer ovisi o smjeru rotacije cilindra (Magnusov efekat).
Jedan od njegovih klasičnih eksperimenata je izgledao ovako: „Mesingani cilindar mogao je da se okreće između dve tačke; brza rotacija je data na cilindar, kao u vrhu, pomoću užeta. Rotirajući cilindar bio je postavljen u okvir, koji se, zauzvrat, mogao lako rotirati. Ovaj sistem je bio izložen jakoj struji vazduha pomoću male centrifugalne pumpe. Cilindar je odstupio u smjeru okomitom na struju zraka i na osu cilindra, štoviše, u smjeru u kojem su smjerovi rotacije i strujanja bili isti” (L. Prandtl “The Magnus Effect and the Wind Ship”, 1925. ).
A. Flettner je odmah pomislio da se jedra mogu zamijeniti rotirajućim cilindrima ugrađenim na brod.
Ispostavilo se da tamo gdje se površina cilindra kreće protiv strujanja zraka, brzina vjetra opada, a pritisak raste. S druge strane cilindra je suprotno - brzina strujanja zraka se povećava, a tlak opada. Ova razlika u pritisku na različitim stranama cilindra je pokretačka sila koja pokreće brod. Ovo je osnovni princip rada rotacijske opreme, koja koristi silu vjetra za pokretanje plovila. Sve je vrlo jednostavno, ali samo A. Flettner „nije prošao“, iako je Magnusov efekat poznat već više od pola veka.
On je počeo da sprovodi plan 1923. godine na jezeru u blizini Berlina. Zapravo, Flettner je uradio prilično jednostavnu stvar. Ugradio je papirni cilindar-rotor oko metar visine i 15 cm u prečniku na metar dugačak ispitni čamac i prilagodio satni mehanizam da ga okreće. I čamac je otplovio.
Zapovjednici jedrenjaka ismijavali su cilindre A. Flettnera, kojima je želio zamijeniti jedra. Pronalazač je uspio zainteresirati bogate pokrovitelje umjetnosti za svoj izum. Godine 1924. umjesto tri jarbola, na 54-metarsku škunu Buckau postavljena su dva rotirajuća cilindra. Ove cilindre je rotirao dizel generator od 45 KS.
Rotori Bukaua su pokretani elektromotorima. Zapravo, nije bilo razlike u dizajnu od Magnusovih klasičnih eksperimenata. Na strani gdje je rotor rotirao prema vjetru stvoreno je područje visokog pritiska, a na suprotnoj strani područje niskog pritiska. Nastala sila je pomerila brod. Štaviše, ova sila je bila otprilike 50 puta veća od sile pritiska vjetra na stacionarni rotor!
To je Flettneru otvorilo ogromne izglede. Između ostalog, površina rotora i njegova masa bili su nekoliko puta manji od površine jedrilice, što bi omogućilo jednaku pogonsku snagu. Rotor je bilo mnogo lakše kontrolirati, a bio je prilično jeftin za proizvodnju. Odozgo je Flettner prekrio rotore pločastim ravninama - to je otprilike udvostručilo pogonsku silu zbog pravilne orijentacije strujanja zraka u odnosu na rotor. Optimalna visina i prečnik rotora za Bukau izračunati su puhanjem modela budućeg plovila u aerotunelu.
Cousteauov turbojedrilica - Od 2011. Alkyone je jedini brod na svijetu sa Cousteau turbojedrom. Smrt velikog okeanografa 1997. godine stavila je tačku na izgradnju drugog sličnog broda, Calypso II, a drugi brodograditelji su oprezni zbog neobičnog dizajna...
Flettner rotor se odlično pokazao. Za razliku od konvencionalnog jedrenjaka, rotacioni brod se praktički nije plašio lošeg vremena i jakih bočnih vjetrova, mogao je lako ploviti naizmjeničnim trakama pod uglom od 25º u odnosu na čeoni vjetar (za konvencionalno jedro ograničenje je oko 45º). Dva cilindrična rotora (visine 13,1 m, promjera 1,5 m) omogućila su savršeno balansiranje plovila - pokazalo se da je stabilnije od jedrilice koju je Bukau bio prije perestrojke. Testovi su obavljeni u mirnim uslovima, u olujama i uz namjerno preopterećenje - i nisu utvrđeni ozbiljni nedostaci. Najpovoljniji smjer za kretanje broda bio je smjer vjetra točno okomito na os broda, a smjer kretanja (naprijed ili nazad) određen je smjerom rotacije rotora.
Sredinom februara 1925. godine, škuna Buckau, opremljena Flettner rotorima umjesto jedrima, krenula je iz Danziga (danas Gdanjsk) za Škotsku. Vrijeme je bilo loše, a većina jedrenjaka nije se usudila napustiti luke. U Sjevernom moru, Buckau je imao ozbiljnu bitku sa jakim vjetrovima i velikim valovima, ali je škuna naginjala manje od drugih jedrenjaka na koje su se susreli.
Tokom ovog putovanja nije bilo potrebno zvati članove posade na palubu da mijenjaju jedra ovisno o jačini ili smjeru vjetra. Bio je potreban samo jedan sat navigator, koji je, ne napuštajući kormilarnicu, mogao kontrolirati aktivnosti rotora. Ranije je posada škune sa tri jarbola sastojala od najmanje 20 mornara, nakon što je preuređena u rotacioni brod, bilo je dovoljno 10 ljudi.
Iste godine brodogradilište je položilo svoj drugi rotacioni brod - moćni teretni brod Barbara, koji su pokretala tri rotora od 17 metara. Istovremeno, za svaki rotor bio je dovoljan jedan mali motor snage od samo 35 KS. (pri maksimalnoj brzini rotacije svakog rotora od 160 o/min)! Potisak rotora bio je ekvivalentan potisku vijčanog propelera spojenog s konvencionalnim brodskim dizel motorom snage oko 1000 KS. Međutim, na brodu je bio prisutan i dizel: osim rotora, pokretao je i propeler (koji je ostao jedini pogonski uređaj u slučaju mirnog vremena).
Obećavajuća iskustva potaknula su brodarsku kompaniju Rob.M.Sloman iz Hamburga da napravi Barbaru 1926. godine. Unaprijed je planirano da se opremi turbojedrima - Flettner rotorima. Na plovilo dužine 90 m i širine 13 m postavljena su tri rotora visine oko 17 m.
"Barbara" je, kako je planirano, neko vrijeme uspješno prevozila voće iz Italije u Hamburg. Otprilike 30-40% putovanja pokretano je vjetrom. Uz vjetar od 4-6 bodova, "Barbara" je razvila brzinu od 13 čvorova.
Plan je bio da se rotacioni brod testira na dužim putovanjima u Atlantskom okeanu.
Ali kasnih 1920-ih nastupila je Velika depresija. Godine 1929. čarter kompanija je odbila da nastavi da iznajmljuje Barbaru i ona je prodata. Novi vlasnik je uklonio rotore i remontovao brod prema tradicionalnom dizajnu. Ipak, rotor je bio inferioran u odnosu na vijčane propelere u kombinaciji s konvencionalnom dizel elektranom zbog svoje ovisnosti o vjetru i određenih ograničenja snage i brzine. Flettner se okrenuo naprednijim istraživanjima, a Baden-Baden je na kraju potonuo tokom oluje na Karibima 1931. I dugo su zaboravili na rotorska jedra...
Činilo se da je početak rotacijskih brodova bio prilično uspješan, ali nisu bili razvijeni i dugo su bili zaboravljeni. Zašto? Prvo, "otac" rotacijskih brodova, A. Flettner, ušao je u stvaranje helikoptera i prestao se zanimati za pomorski transport. Drugo, unatoč svim svojim prednostima, rotacijski brodovi su ostali jedrenjaci sa svojim inherentnim nedostacima, od kojih je glavni ovisnost o vjetru.
Flettner rotori su se ponovo zainteresovali 80-ih godina dvadesetog veka, kada su naučnici počeli da predlažu različite mere za ublažavanje zagrevanja klime, smanjenje zagađenja i racionalniju potrošnju goriva. Jedan od prvih koji ih se sjetio bio je istraživač dubina, Francuz Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Kako bi se testirao rad turbojedra i smanjila potrošnja sve skupljeg goriva, katamaran s dva jarbola "Alcyone" (Alcyone je kćer boga vjetra Eola) pretvoren je u rotirajući brod. Otplovivši 1985. godine, posjetio je Kanadu i Ameriku, zaobišao Cape Horn, te oko Australije i Indonezije, Madagaskara i Južne Afrike. Prebačen je na Kaspijsko more, gdje je plovio tri mjeseca radeći razna istraživanja. Alcyone i dalje koristi dva različita pogonska sistema - dva dizel motora i dva turbo jedra.
Turbosail Cousteau
Jedrilice su se takođe gradile tokom 20. veka. U modernim brodovima ovog tipa, jedra se savijaju pomoću elektromotora, novi materijali čine dizajn znatno lakšim. Ali jedrilica je jedrilica, a ideja o korištenju energije vjetra na radikalno nov način je u zraku još od vremena Flettnera. A pokupio ga je neumorni avanturista i istraživač Jacques-Yves Cousteau.
Dana 23. decembra 1986., nakon što je lansiran Halcyone spomenut na početku članka, Cousteau i njegove kolege Lucien Malavard i Bertrand Charrier primili su zajednički patent br. US4630997 za „uređaj koji stvara silu korištenjem pokretne tekućine ili plina .” Opšti opis je sljedeći: „Uređaj je postavljen u okruženje koje se kreće u određenom smjeru; u ovom slučaju nastaje sila koja djeluje u smjeru okomitom na prvi. Uređaj izbjegava korištenje masivnih jedara, u kojima je pokretačka sila proporcionalna površini jedra.” Koja je razlika između Cousteau turbojedra i Flettner rotor jedra?
U poprečnom presjeku, turbojedro je nešto poput izdužene kapljice, zaobljene na oštrom kraju. Na bočnim stranama „kapi“ nalaze se rešetke za usis zraka, kroz jednu od kojih se (u zavisnosti od potrebe za kretanjem naprijed ili nazad) usisava zrak. Kako bi se osiguralo maksimalno efikasno usisavanje vjetra u dovod zraka, na turbo jedro je ugrađen mali ventilator koji pokreće električni motor.
Umjetno povećava brzinu kretanja zraka na zavjetrinoj strani jedra, usisujući struju zraka u trenutku odvajanja od ravnine turbojedra. Ovo stvara vakuum na jednoj strani turbojedra, dok istovremeno sprečava stvaranje turbulentnih vrtloga. I tada djeluje Magnusov efekat: razrjeđivanje na jednoj strani, kao rezultat - bočna sila sposobna da izazove kretanje broda. Zapravo, turbojedro je avionsko krilo postavljeno okomito, barem je princip stvaranja pokretačke sile sličan principu podizanja aviona. Kako bi se osiguralo da je turbojedro uvijek okrenuto najpovoljnijom stranom prema vjetru, opremljeno je posebnim senzorima i ugrađeno na okretnu ploču. Inače, Cousteauov patent implicira da se zrak iz unutrašnjosti turbojedra može usisati ne samo pomoću ventilatora, već i, na primjer, zračne pumpe - tako je Cousteau zatvorio kapiju za naredne "pronalazače".
Zapravo, Cousteau je prvi put testirao prototip turbojedra na katamaranu “Windmill” (Moulin à Vent) 1981. godine. Najveće uspješno putovanje katamarana bilo je od Tangiera (Maroko) do New Yorka pod nadzorom većeg ekspedicionog broda.
A u travnju 1985., Halcyone, prvi punopravni brod opremljen turbojedrima, porinut je u luci La Rochelle. Sada je još uvijek u pokretu i danas je vodeći (i, zapravo, jedini veliki brod) flotile Cousteauovog tima. Turbojedra na njemu ne služe kao jedini pogon, ali pomažu uobičajenom spajanju dva dizel motora i
nekoliko vijaka (što vam, usput rečeno, omogućuje smanjenje potrošnje goriva za oko trećinu). Da je veliki okeanograf bio živ, vjerovatno bi izgradio još nekoliko sličnih brodova, ali je entuzijazam njegovih saradnika osjetno splasnuo nakon što je Cousteau otišao.
Neposredno prije smrti 1997., Cousteau je aktivno radio na projektu broda Calypso II s turbojedrom, ali nije imao vremena da ga dovrši. Prema posljednjim podacima, u zimu 2011. Alkyone je bio u luci Kaen i čekao je novu ekspediciju.
I opet Flettner
Danas se pokušava oživjeti Flettnerova ideja i da se rotorska jedra rašire. Na primjer, poznata hamburška kompanija Blohm + Voss započela je aktivan razvoj rotacionog tankera nakon naftne krize 1973. godine, ali su do 1986. ekonomski faktori zatvorili ovaj projekt. Zatim je postojao čitav niz amaterskih dizajna.
2007. godine studenti Univerziteta Flensburg izgradili su katamaran na rotorsko jedro (Uni-cat Flensburg).
2010. godine pojavio se treći brod u istoriji sa rotorskim jedrima - E-Ship1 teški kamion, koji je napravljen za Enercon, jednog od najvećih proizvođača vetrogeneratora na svetu. 6. jula 2010. godine, brod je po prvi put porinut i obavio kratku plovidbu od Emdena do Bremerhavena. I već u kolovozu je krenuo na svoje prvo radno putovanje u Irsku s teretom od devet vjetrogeneratora. Plovilo je opremljeno sa četiri Flettner rotora i, naravno, tradicionalnim pogonskim sistemom u slučaju mirnog vremena i za dodatnu snagu. Ipak, rotorska jedra služe samo kao pomoćni pogon: za kamion od 130 metara njihova snaga nije dovoljna da razvije odgovarajuću brzinu. Motore pokreće devet Mitsubishi pogonskih jedinica, a rotore pokreće Siemensova parna turbina koja koristi energiju izduvnih gasova. Rotorska jedra mogu uštedjeti 30 do 40% goriva pri brzini od 16 čvorova.
Ali Cousteauovo turbojedro još uvijek ostaje u zaboravu: Alkyone je trenutno jedini brod pune veličine s ovom vrstom pogona. Iskustvo njemačkih brodograditelja pokazat će da li ima smisla dalje razvijati temu jedara pogonjenih Magnusovim efektom. Glavna stvar je pronaći ekonomsko opravdanje za to i dokazati njegovu efikasnost. A onda će, eto, sve svjetsko brodarstvo preći na princip koji je jedan talentirani njemački naučnik opisao prije više od 150 godina.
U Sjevernom moru 2010. godine mogao se vidjeti čudan brod “E-Ship 1”. Na njenoj gornjoj palubi nalaze se četiri visoka okrugla dimnjaka, ali iz njih nikad ne kulja dim. To su takozvani Flettner rotori, koji su zamijenili tradicionalna jedra.
Najveći svjetski proizvođač vjetroelektrana, Enercon, 2. avgusta 2010. u brodogradilištu Lindenau u Kielu porinuo je 130 metara dug i 22 metra širok rotirajući brod, koji je kasnije nazvan E-Ship 1. Potom je uspješno testiran na Sjevernom i Sredozemnom moru, a trenutno transportuje vjetrogeneratore iz Njemačke, gdje se proizvode, u druge evropske zemlje. Dostiže brzinu od 17 čvorova (32 km/h), istovremeno prevozi više od 9 hiljada tona tereta, a posada mu je 15 ljudi.
Brodograditeljska kompanija Wind Again sa sjedištem u Singapuru, koja stvara tehnologije za smanjenje potrošnje goriva i emisija, predlaže ugradnju posebno dizajniranih Flettner rotora (sklopivih) na tankere i teretne brodove. Oni će smanjiti potrošnju goriva za 30-40% i isplatit će se za 3-5 godina.
Finska kompanija za pomorski inženjering Wartsila već planira instalirati turbojedra na trajektima za krstarenje. To je zbog želje finskog trajektnog operatera Viking Line da smanji potrošnju goriva i zagađenje okoliša.
Korištenje Flettner rotora na brodovima za razonodu proučava Univerzitet Flensburg (Njemačka). Čini se da rastuće cijene nafte i alarmantno zagrijavanje klime stvaraju povoljne uslove za povratak vjetroturbina.
Jahta koju je dizajnirao John Marples, Cloudia, je obnovljeni trimaran Searunner 34. Jahta je prošla svoje prve testove u februaru 2008. godine u Fort Pierceu, Florida, SAD, a njenu izradu je finansirao Discovery TV. “Claudia” se pokazala kao neverovatno upravljiva: zaustavila se i preokrenula za nekoliko sekundi, te se slobodno kretala pod uglom od oko 15° prema vjetru. Primetno poboljšanje performansi u odnosu na tradicionalni Flettner rotor je zbog dodatnih poprečnih diskova instaliranih na prednjim i zadnjim rotorima trimarana.
Škuna "Bukau" sa rotorskim jedrima
Po prvi put, rotor turbojedri od njemačkog inženjera Anton Flettner uspješno su testirani na škuni "Bukau" 1924. godine.
Osamdesetih godina prošlog stoljeća francuski inženjeri predvođeni oceanografom Jacques-Yvesom Cousteauom razvili su složeniji oblik turbojedra. Najuspješnije je korišten na brodu Alsion.
Tehnički dizajn
Koncept
Efikasnost sistema, međutim, još nije podvrgnuta detaljnoj komparativnoj analizi. Sistem Turbosail uspješno je radio na samo dva broda, a Cousteau grupa jedina je organizacija na svijetu koja ima veliku količinu podataka o ovom uređaju. Stranica posvećena Halcionu na web stranici Cousteau tima izvještava da Turbosail može osigurati uštedu goriva do 35%.
Rani razvoj (1981-1982): "Moulin à Vent"
Cousteau i njegov istraživački tim instalirali su svoj izum na katamaran pod nazivom "Moulin à Vent" (sa fr.- “vjetrenjača”) i testirao sistem na putovanju od Tangiera do New Yorka. Prolaz se bližio kraju kada je, nedaleko od američke obale, brod morao naići na vjetrove čija je brzina prelazila 50 čvorova. Varovi koji drže turbojedro u uspravnom položaju su pukli i prototip se srušio u more.
Prototip sistema sastojao se od jedne cijevi, obojene tamno plavom bojom. Program istraživanja broda imao je za cilj utvrđivanje efikasnosti potiska sistema. Iako je turbojedro davalo potisak i energiju, bilo je u manjim količinama od konvencionalnih jedara i generatora koje je zamijenilo. Konstruktivni problemi sa sistemom doveli su do savijanja konstrukcije i pojave pukotina u podnožju jedra (zbog zamora metala). Sve to značajno je smanjilo efikasnost turbojedra. Nakon što je osnovna ideja potvrđena, Cousteau i njegov tim prestali su raditi na prototipu, fokusirajući se u potpunosti na veće plovilo, Alcion.
"Alsion"
Cousteau je svoje stečeno iskustvo iskoristio za izgradnju novog broda. Zajedno sa inženjerima brodogradnje razvio je aluminijski trup koji je bio jak i lagan. Krma nalik katamaranu dala je brodu stabilnost, a jedan pramac je ugrađen u dizajn kako bi se probio kroz valove i olakšao kretanje na uzburkanom moru. Na palubi su postavljena dva turbo jedra, a dva dizel motora pokretala su kompresore. Brod je dobio ime po Alkioni, kćeri starogrčkog boga vjetrova Eola.
Prilikom izgradnje Halcyona (započeta 1985. godine) uzeti su u obzir rezultati rada sa Moulin a Vent. Korištenjem dva turbojedra sa smanjenim omjerom širine i visine značajno je smanjeno opterećenje metalnih površina. Oba jedra su uključivala i aksijalne turbine za generiranje energije, a sustavom su upravljali kompjuteri, koji su do tada postali jeftiniji. Kompjuteri su koordinirali rad turbojedara i dizel motora, pokrećući potonje kada je vjetar potpuno utihnuo i zaustavljajući ih kada je brzina vjetra bila dovoljna. Za upravljanje brodom bilo je dovoljno samo 5 ljudi.
Osamdesetih godina prošlog vijeka, Cousteau je napravio Alcion kao vodeći brod svoje grupe i glavnu plutajuću bazu za istraživanje. Brod je oplovio svijet, prikupljajući informacije o korištenju turbojedara u raznim vremenskim uvjetima, u potpunosti potvrđujući namjere kreatora.
Proračuni ekonomista pokazuju da trenutno brodovi koji koriste vjetar za pogon - brodovi na vjetar - ne mogu konkurirati brodovima koji imaju konvencionalni mehanički motor. Među mnogim razlozima zbog kojih se teretni vjetrobrodovi trenutno smatraju neprikladnim za široku upotrebu, želio bih se zadržati na dva, s naše točke gledišta, najozbiljnija. Oba su fundamentalne prirode.
Nažalost, u odnosu na jednog od njih čovjek je praktično bespomoćan, a ni vrijeme tu ništa ne može promijeniti. Ovaj razlog je objektivno povezan sa stvarnim siromaštvom „depozita“ energije vetra. Vjetar je posvuda, ali njegove potencijalne mogućnosti su, takoreći, razbacane po površini naše planete. Područja stabilnih vjetrova kao što su zone stalnih pasata su rijetka. Vjetar je promjenjive jačine i smjera; njegova prosječna brzina, o kojoj zavise mogućnosti jedra ili drugog pogona vjetrom, je niska. Shodno tome, kinetička energija lokalnog strujanja vazduha i padovi pritiska koji se mogu ostvariti na radnim elementima vetroturbina su mali. Izuzetno je razočaravajuće što od ogromnog broja tona atmosfere koja bubri (5,5X10 15 tona), priroda na naš udio izdvaja samo one mrvice koje padaju u „koridor“ širine ne veće od dužine broda i visina (da budemo realni) ne više od nekoliko desetina metara. Jednom riječju, nalazišta dragocjenog “fosila” su ogromna, ukupne rezerve ogromne, ali možemo iskoristiti samo mali dio njih.
Ne može se računati na promjenu ove situacije koju je odredila priroda. Očigledno, glavne napore treba usmjeriti na povećanje efikasnosti vjetroelektrana (VE). U slučaju kretanja broda - postići maksimalnu pogonsku snagu uz vjetar određenog smjera i jačine.
Postojeće verzije vjetropropulzora, različitih dizajna, principa rada, njihovih prednosti i mana, u većini slučajeva imaju radna tijela u obliku aerodinamičkog krila. Na punom kursu, svako jedro je krilo koje radi u nepovoljnom "superkritičnom" načinu. Na kursu oštrom prema vjetru, dobro jedro ima sve glavne prednosti pravog krila. U sportskoj brodogradnji dugo se koriste kruta i polukruta krilna jedra.
Za procjenu učinkovitosti tako različitih uređaja mogu se koristiti dva odnosa: jedan - između sile koju uređaj ostvaruje i brzine protoka, drugi - između veličine sile podizanja i otpora.
Prvi odnos je najpogodnije predstavljen u obliku dvije "bezdimenzionalne" karakteristike:
gdje je Y sila podizanja; X - frontalni otpor; S - karakteristično područje; C y, C x - koeficijenti podizanja i otpora; V je brzina protoka koji ulazi u uređaj.
Drugi omjer se naziva aerodinamički kvalitet
Po našem mišljenju, bez obzira na oblik konstrukcije određene vjetroturbine, bez obzira na to kako su elementi krila raspoređeni u njenim dimenzijama, efikasnost pogonske jedinice, u najboljem slučaju, može se približiti efikasnosti nekog savršenog krila odgovarajućih dimenzija. . Za takvo krilo, čak i pri visokom K, maksimalne vrijednosti Cy ne prelaze vrijednosti reda 1,0-1,1. Ove brojke u suštini određuju gornju granicu umjerenih sposobnosti vjetroagregata razmatrane klase. Ovo je drugi razlog sadašnje nekonkurentnosti vjetroturbina.
Predviđanje u tehnologiji i nauci je dostojan zadatak, ali i veoma težak. Bilo bi jako dobro ako se gore izrečeni pesimistički zaključak pokaže pogrešnim. Međutim, o složenosti problema o kojem se raspravlja svjedoči i činjenica da je "čajnim" kliperima bio potreban veliki broj jedara, a čak i u dizajnu modernih vjetroagregata, jedra-krila su ogromne visine.
Očigledno, moramo tražiti nove tipove i dizajn vjetroturbina. Jedna od mogućih i obećavajućih opcija su rotori A. Fletner - propulzori koji rade sa napajanjem energijom. Oni su vertikalni cilindri postavljeni na palubu i pogonjeni malim pomoćnim motorom. Kao što su eksperimenti, a potom i iskustvo u rukovanju rotorcraftom pokazali, opskrba relativno male količine mehaničke energije za rotiranje rotora može značajno povećati koeficijent uzgona, a samim tim i značajno smanjiti efektivnu površinu jedra vjetroelektrane u odnosu na njen klasični prototip. .
Efekat pojave sile dizanja na rotirajući cilindar strujanjem vazduha (Magnusov efekat) objasnio je 1852. berlinski fizičar G. Magnus, koji se bavio istraživanjem balistike – zakona kretanja projektila primili rotaciju u narezanoj cijevi pištolja, pod utjecajem bočnog vjetra, čudno su promijenili svoju putanju na način suprotan balističkoj krivulji izračunatoj za njih. O ovom fenomenu se kasnije govorilo u djelu poznatog fizičara Lorda Rayleigha, “Nepravilan let teniske loptice”. Posebnost rotirajuće teniske (fudbalske ili odbojkaške) loptice je u tome što pod uticajem Magnusovog efekta, pri određenom omjeru brzine leta i rotacije, koji reguliše napadačka strana, može pasti na teren za igru na mjestu u potpunosti. neočekivano za "neprijatelja".
Da bismo bolje razumjeli princip rada rotacijskog pogonskog uređaja, zamislimo sliku idealnog homogenog strujanja koji teče oko nepokretnog cilindra, odnosno tekućine bez viskoznosti (slika 1, a). Neka tečnost teče u cilindar brzinom V 0 . Kako se čestica tečnosti kreće od tačke A do poprečnog preseka cilindra, njena brzina raste, a u tačkama B i B 1 postaje jednaka 2V 0. Prema dobro poznatom Bernoullijevom zakonu, pritisak u strujanju u ovim tačkama cilindra trebalo bi da se smanji u odnosu na pritisak „u beskonačnosti“ (slika 1, d). U ovom slučaju, pritisak je raspoređen simetrično u odnosu na ose xx i yy.
Ako, kao i ranije, nerotirajući cilindar oblijeće stvarna tečnost ili gas koji ima viskoznost, tada se menja obrazac strujanja (slika 1, b). Čestice tečnosti, prošavši presek B-B 1, usporavaju se kao rezultat dejstva sila trenja, a u tačkama B i C 1 sloj čestica se odvaja od površine cilindra, simetrija strujanja je slomljena, a na stražnjoj strani cilindra pojavljuje se područje niskog tlaka - razrjeđivanje. To uzrokuje pojavu sile otpora X.
Zamislite sada da se cilindar smješten u stvarnu, viskoznu, općenito stacionarnu tekućinu okreće oko svoje ose (slika 1, c). Površina cilindra će uključiti u kretanje sloj tečnih čestica koje su joj najbliže, koje kao da se lijepe za cilindar. Sljedeći sloj čestica će se rotirati manjom brzinom zbog klizanja slojeva jedan u odnosu na drugi - brzina će se smanjiti proporcionalno udaljenosti čestica od površine cilindra. Na dovoljno velikoj udaljenosti tečnost će ostati nepomična, tj. V c =0. Tako će cilindar biti okružen vrtložnim tokom tečnosti, čiji se intenzitet rotacije meri cirkulacijom - proizvodom brzine čestica i dužine njihove kružne putanje. Na površini cilindra, cirkulacija G=V c ·2πr 0, gdje je V c brzina čestice; r 0 - poluprečnik cilindra.
Da biste zamislili tok oko rotirajućeg cilindra postavljenog u jednoličan tok, možete koristiti princip namještanja dvije od gore navedenih shema jedna na drugu (slika 2, a). U bilo kojoj tački na površini cilindra, ukupna brzina čestica može se odrediti dodavanjem brzina koje odgovaraju simetričnom strujanju oko nerotirajućeg cilindra i tangencijalnim brzinama izvora cirkulacije. Na primjer, u tački B, prva brzina je 2V0, druga brzina je Vc; ukupna brzina 2V 0 +V c . U tački B 1 tangencijalna brzina V c je usmjerena protiv brzine strujanja 2V 0 ; ukupna brzina će biti 2V 0 -V c. Kao rezultat rezultujuće razlike u brzinama (a time i pritiscima), na gornjoj i donjoj strani nastaje sila podizanja Y, koja teži da podigne cilindar prema gore. Ovo je Magnusov efekat koji se koristi u A. Fletnerovom rotacionom pogonskom uređaju. Veličina sile dizanja na rotoru zavisi od odnosa brzine rotacionog dela kretanja tačaka površine rotora V c i brzine protoka vazduha V 0 koji nailazi na uređaj.
Osoba ne može kontrolirati vjetar, ali može u potpunosti kontrolirati vrijednost V c: pomoću motora možete rotirati cilindar brže i sporije; Shodno tome, veličina sile podizanja može se kontrolisati.
U slučaju strujanja oko konvencionalnog krila, dozvoljena je simbolička podjela rezultirajućeg toka na nerotacijski i "vorteks". Prvo, do cirkulacije dolazi kada se slojevi tekućine koji teče oko gornje i donje površine krila odvoje od njegove oštre zadnje ivice u obliku takozvanog „početnog vrtloga“. U budućnosti je očuvan, pružajući nesmetan tok oko zadnje ivice; Kod konstantne geometrije krila, brzina cirkulacijskog toka određena je napadnim uglom a i brzinom glavnog toka V 0 . Tako se visina podizanja krila može kontrolisati promjenom napadnog ugla.
Poređenje prednosti krila i rotacionog cilindra može se nastaviti na osnovu rezultata eksperimenata A. Fletnera, ali prvo treba uzeti u obzir jednu okolnost. Iznad smo razmatrali strujanje oko poprečnog presjeka cilindra i krila u jednoj ravni - dvodimenzionalni tok fluida. U stvari, i cilindar i krilo imaju ograničenu dužinu ili raspon. Na krajevima cilindra tekućina iz područja visokog tlaka teče na stranu razrjeđivanja, a nastaju dodatni i neželjeni vrtložni tokovi. U skladu s tim, veličina sile podizanja se smanjuje i javlja se dodatni "induktivni" otpor. Što je dužina cilindra veća u odnosu na njegov prečnik, manji su krajnji gubici i induktivna reaktanca. Ovi gubici se mogu smanjiti ugradnjom aerodinamičkih podložaka na krajeve cilindra.
Na sl. Na slici 3a prikazani su rezultati eksperimentalnih mjerenja koeficijenta uzgona C za rotirajući cilindar s relativnim izduženjem L/D = 4,7, opremljen sa i bez aerodinamičkih podložaka. Za rotirajuću pogonsku jedinicu instaliranu na brodu, donja podloška može biti paluba; pričvršćivanje podloške promjera 1,7D na gornji kraj rotora neće biti teško. Stoga možemo pretpostaviti da nije teško postići koeficijent uzgona C y =9 za pravi rotor instaliran na brodu. I to je mnogo više od koeficijenta uzgona najnaprednijeg krila, a još više (10 puta) više od istog koeficijenta koji određuje najbolje jedro!
Grafik pokazuje da se sila podizanja na rotoru povećava na V c /V 0 =4. To znači da brzina rotora ne mora biti prevelika. Što je veći promjer rotora, to je manja brzina rotacije potrebna za postizanje maksimalnog podizanja. Još jedan važan nalaz; Kada, recimo, dođe do neplaniranog povećanja brzine vjetra, koeficijent uzgona se automatski smanjuje. To znači da se za vrijeme oluje moment nagiba na rotacionom brodu ne povećava u tolikoj mjeri kao na konvencionalnoj jedrilici.
Okrenimo se sada grafu zavisnosti koeficijenta otpora rotora C x od relativne brzine V c /V 0 (slika 3, b). Već pri V c /V 0 ≥2 otpor rotora naglo raste, što uzrokuje smanjenje aerodinamičke kvalitete rotora u odnosu na krilo.
Aerodinamička karakteristika rotora kao pogonskog uređaja može biti polarna - grafik promjena C y u zavisnosti od vrijednosti C x i, kako se podrazumijeva, omjera V c /V 0 (slika 4). Za poređenje, na sl. 4 pokazuje polaritet gaf jedra, koji se obično koristi za postavljanje škuna.
Analizirajući omjer C y / C x za oba tipa propulzora, može se primijetiti da je kvalitet kosog jedra veći, ali po jedinici površine jedra (zapamtite, za rotor je to prečnik pomnožen sa visinom) znatno veći sila dizanja se može dobiti na rotoru.
Pogledajmo sada kako se sile koje djeluju na rotor pretvaraju u vučnu silu koja pokreće brod (slika 5). Treba uzeti u obzir da je rotor okružen strujom zraka čija se brzina i smjer (v in) razlikuju od brzine i smjera vjetra (v i). S obzirom da se brod kreće, pojavljuje se protivtok zraka (v do) koji se mora dodati prema pravilu sabiranja vektora sa pravim vjetrom.
Zbir sile podizanja Y i otpora X na rotoru daje rezultujuću aerodinamičku silu R, koja se također može uzeti u obzir u koordinatnom sistemu povezanom s brodom, u obliku dvije komponente - sile potiska T i zanošenja D Očigledno, kao i svaki jedrenjak, Rotorcraft neće moći ići direktno protiv vjetra. Važno je da sila R proizvodi komponentu T usmjerenu prema pramcu broda. Što je kvalitet rotora niži, to je veća minimalna vrijednost ugla kursa φ k (na primjer, pri K = 1,4 φ k = 35°; pri K = 3 φ k = 18°, itd.). Ispitivanja su pokazala da rotirajuća plovila mogu ploviti pod uglom u odnosu na pravi vjetar φk = 25-30°.
Rotor pruža maksimalni potisak na kursu zaleđa. U ovom slučaju, poprečna komponenta aerodinamičke reakcije D je usmjerena na vjetrobransku stranu, odnosno suprotstavlja se momentu savijanja (vidi sliku 5, b). Na stazi blizu gibe, sila dizanja rotora je usmjerena okomito na kurs, odnosno samo doprinosi zanosu i kotrljanju plovila. Trakcija je osigurana zbog otpora, tako da nema smisla rotirati rotor. Ali na ovom kursu potisak je mali dio njegove maksimalne moguće vrijednosti.
Grafički, promjena vrijednosti potiska rotacionog pogonskog sistema u zavisnosti od kursa plovila prikazana je na Sl. 6.
Promjenom smjera rotacije rotora možete promijeniti smjer djelovanja aerodinamičke sile R gotovo na suprotan. Ako je na plovilu ugrađen par rotora, on se može kretati naprijed, nazad i okretati se gotovo na mjestu (slika 7).
Na sl. Na slici 8 prikazane su izračunate krive otpora i aerodinamičke sile na rotorima broda A. Fletnera “Bukkzu”. Brzina rotacije rotora je konstantna, ali se mijenja brzina strujanja zraka, odnosno simulira se povećanje vjetra. Na običnoj jedrilici u takvoj situaciji neka jedra se skidaju ili se uzimaju grebeni. Ne možete uzeti grebene na rotacionom brodu, ali kada se brzina vjetra poveća, kao što se može vidjeti iz grafikona na sl. 8, sila nagiba na rotoru se ne povećava. Ako je rotor zaustavljen (V c =0), ta će aerodinamička reakcija biti mnogo manja čak i od sile otpora poluge i opreme konvencionalne jedrilice sa uvučenim jedrima. Takva svojstva nemaju ni jedro, ni (još više) kruto jedro-krilo.
Eksperimenti su pokazali da je potrošnja energije za rotaciju rotora na optimalnoj frekvenciji doslovno postotak snage koju ostvaruje rotacijski pogon za pokretanje plovila.
Podaci o brodovima A, Fletner dati su u tabeli. U kratkom vremenskom periodu, preduzimljivi pronalazač (ili snalažljiv preduzetnik) napravio je i testirao pet plutajućih jedinica.
Prvi je bio model rotacionog rovera Danzig od tri stope, opremljen rotorom zalijepljenim od debelog papira. Mehanizam sa oprugom je prilagođen da ga rotira. U ovom eksperimentu Fletner nije vršio nikakva mjerenja, samo je provjerio ono u šta sam nije sumnjao i u šta su njegovi protivnici odbijali vjerovati: može li rotor poslužiti kao pogonski uređaj za brod?
Bilo je mnogo protivnika, počevši od samog G. Magnusa, koji je, nakon što je otkrio, smatrao da je to praktično beskorisno. U to vrijeme, A. Fletner, koji je tražio učinkovitiju zamjenu za tradicionalno jedro, iskreno je vjerovao u obećanje krutih jedara sa krilima. Uspio je izraditi projekt za prenamjenu plutajućeg barquentina i sklopio ugovor sa brodogradilištem i aerodinamičkom laboratorijom, gdje su počeli eksperimenti s mehaniziranim krilom. Moralo se dogoditi da je upravo u to vrijeme izumitelj imao ideju o mogućnosti stvaranja rotacijskog suda! Izumitelju je bilo potrebno povjerenje u konačni rezultat. Već prvi mali model unio mu je ovo samopouzdanje.
Uslijedili su laboratorijski eksperimenti. Fletner je uživao u konsultacijama i podršci poznatih naučnika kao što su A. Betz, I. Ackeret i L. Prandtl. Rezultat ovog rada je preopremanje i testiranje rotacione verzije nekadašnjeg jedrenjaka „Bukkau“ (sl. 9). Ovo je prvi rotorkraft koji je izašao na more. "Bukkau" je lako podnosio jake vjetrove i plovio je jednako oštro prema vjetru kao i jedrenjaci opremljeni kosim jedrima. Rotorkraft je takođe pokazao izuzetnu sposobnost manevrisanja. Na prvom teretnom letu iz Danziga (Gdanjsk) do škotske luke Grangemouth, vremenski uslovi su bili veoma teški. Kako su pisale novine, po ovakvom vremenu i vjetru ni jedan jedrenjak nije mogao ući u Firth of Forth, u kojem se nalazi Grangemouth. Godinu dana kasnije, kada je rotorkraft, koji je promijenio ime u "Baden-Baden", prešao Atlantski okean, mornari su bili jako impresionirani činjenicom da je brod samostalno stigao gotovo do samog zida pristaništa u njujorškoj luci.
Inspiriran uspjehom, pronalazač je bio uvjeren da će postati reformator transporta tereta. Ali to mu nije bilo dovoljno: A. Fletner je opremio dvije jahte rotorima. Rezultati ovog eksperimenta su takođe bili obećavajući. Jahta od jedanaest metara (sl. 10) je savršeno plovila; pri slabom vjetru bio je nešto inferiorniji u brzini od prototipova opremljenih jedrima, a pri jakom vjetru ih je pretekao. Snaga potrebna za okretanje cilindra bila je 1-2 litre. With.; maksimalna brzina tokom morskih ispitivanja, prema autoru, bila je 12-13 čvorova.
A. Fletnerova posljednja rotorkrafta i zadnja rotorkrafta koja je orala more do danas bila je "Barbara" - prvi brod posebno izgrađen za rotacijski pogon. Trebalo je ugraditi jedan rotor visine 29,9 m i prečnika 7,04 m, međutim, u to vrijeme industrija nije mogla proizvoditi kuglične ležajeve potrebnih veličina, pa su se na Barbari pojavila tri rotora. Njihove veličine bile su nešto veće od onih koje su pouzdano radile na Bukkauu.
Trenutno se rotorcraft ne grade i ne plutaju. Pojavivši se 20-ih godina, odmah su nestali. Ostaje samo iskustvo, koje nam omogućava da sumiramo prednosti i nedostatke rotacionih propulzora.
Rotor ima visok koeficijent podizanja (2,5-10,0) u odnosu na jedro (1,0-1,1).
Pogonska jedinica je jednostavna za održavanje (10 jedara Bukkau barquentine ili dva rotora upravljana s mosta, što je lakše?).
Rotor dolazi u radni režim za nekoliko minuta, dok postavljanje i uvlačenje jedara traje jako dugo. Posada rotacionog broda oslobođena je teškog i opasnog rada na dvorištima i jarbolima. Rotaciono vozilo ima dobru upravljivost. Kada je vjetar jak, aerodinamičke sile na rotoru se povećavaju u mnogo manjoj mjeri nego na jedra, pa je rotirajući brod manje podložan opasnosti od velikog lista ili prevrtanja. Konačno, rotor se može koristiti i kao glavna jedinica i kao pomoćni motor: povećat će brzinu za nekoliko čvorova ili uštedjeti gorivo.
Lista prednosti je impresivna, ali zašto danas nema rotacionih brodova na okeanskim rutama? Vjerovatno zato što rotor ima ne samo prednosti, već i nedostatke. Naveli smo ih samo ukratko, jer to nije glavno.
Rotorska vozila pojavila su se u periodu čovjekove opijenosti užicima tehnološkog napretka. Ugalj, a zatim nafta - šta bi im moglo odoljeti? Činilo se da je dim iz parobroda simbol ljudske moći. I brzina, brzina, brzina...
A ako ne nafta, ne ugalj i ne brzina? Zatim - problemi, problemi i - potpuno novi brodovi. Možda donekle slično rotirajućim vozilima?
Od urednika
Autori članka “Opet rotor?” uvjerljivo nam je pokazao zasluge nezasluženo zaboravljenih rotacijskih posuda Antona Fletnera. I dokazali su da rotirajuća plovila, unaprijeđena uzimajući u obzir najnovija dostignuća nauke i tehnologije, pod određenim uvjetima mogu biti vrlo efikasna i isplativa.Sasvim je očito da je njihova glavna prednost u odnosu na sve klasične tipove jedriličarskog oružja jednostavnost upravljanja. Još 20-ih godina postignuta je potpuna mehanizacija koja je zadivila savremenike - nema posade na dvorištima, samo jedan čuvar pritiska dugmad! Smanjenje troškova izgradnje za pola u odnosu na tradicionalne jedrilice; visoka pouzdanost, relativna jednostavnost i izdržljivost dizajna; manji ugao prianjanja od vjetrometača - ove neosporne prednosti rotora opravdavaju okretanje iskustvu od prije pola stoljeća.
Nemojte misliti da je ono što je rečeno samo spekulativni zaključak teoretičara. Evo mišljenja kapetana Barbare; “Rotori su obećavajuće rješenje, posebno za velike brodove na dugim putovanjima.” B. Richter, suvlasnik kompanije koja je upravljala ovim i jedinim rotacionim brodom specijalne konstrukcije koji je ostao do sada, rekao je: “Rotori pomažu povećanju prosječne brzine za 2-3 čvora” i preporučio njihovu upotrebu na brodovima namijenjenim za prekookeanska putovanja.
U današnje vrijeme, sve veće interesovanje za sve vrste vjetroelektrana natjeralo je inženjere i kapetane da se prisjete izuma A. Fletnera. Danas govorimo o rotorima kao prvenstveno o pomoćnom pogonskom sredstvu koje osigurava uštedu goriva na postojećim teretnim brodovima.
Na primjer, poznat je prijedlog poznatog engleskog dizajnera mnogih originalnih jedrenjaka Colina Mudiea. Njegova ideja je pokretanje proizvodnje modularnih rotorskih jedinica sa ugrađenim pogonskim elektromotorima. Neće biti teško postaviti potreban broj ovakvih instalacija na palubu, snabdjeti strujom iz brodske elektrane i dovesti upravljanje rotorima na komandnu ploču u pilotskoj kućici.
Drugi Englez, dr. D. J. Wellicum, predložio je ugradnju rotora na moderno plovilo od 150 metara, čija je snaga glavnog motora smanjena na vrijednost koja osigurava brzinu od 9 čvorova. Prema proračunima, pod povoljnim vjetrom, brzina takvog plovila (kada se 50% raspoložive snage uzme za rotaciju dva rotora prečnika 12,5 m i visine 75 m od okomite linije) bit će 23 čvora. .
Drugi Englez, Stephen Baron, 1977. godine, detaljno je razvio ideju ugradnje tri rotora visine 53 m i prečnika 12,5 m na serijski brod za rasuti teret (brod za rasuti teret) dužine 226 m. m i nosivosti od 63.800 tona Predloženo je da se cilindri izrađuju od lake legure Električnu energiju za pogonske motore obezbjeđivat će dizel agregat snage oko 750 KS. With. Pri plovidbi u zaljevskom vjetru i vjetru od 8,5 m/s, očekivana brzina plovila s isključenim glavnim motorima bit će 16 čvorova. Čak i ako rotori rade samo 30% ukupnog vremena rada, godišnja ušteda zbog smanjene potrošnje goriva bit će najmanje 400 hiljada dolara. (Povećanje cijena u posljednjih pet godina značajno je povećalo ovu cifru!) Konačno, isti autor je dizajnirao istraživački brod katamarana s dva potpuno potopljena trupa u obliku cigare od 75 metara i površinskom platformom na kojoj su ugrađena dva rotora.
U našem Centralnom istraživačkom institutu pomorske flote izvedene su evaluacijske studije na opciji sa ugradnjom tri rotora od 34,5 metara na serijski tanker nosivosti 27.000 tona (vidi Zbornik radova NCC-a „Istraživanje, projektovanje i konstrukcija jedrenjaka“, Nikolaev, 1982) pokazalo je da upotreba rotora istovremeno s radom glavnog motora osigurava održavanje uobičajene brzine (15,2 čvora) dok je potrošnja energije, a time i goriva, smanjen za 15-35%.
Međutim, sve su to, kao što vidimo, samo manje-više razvijeni prijedlozi projekata. Na ovaj ili onaj način, nakon “Barbare” nigdje nema podataka o izgradnji rotacijskih plovila. I ovo očigledno nije nesreća.
Glavni argument protivnika rotora je potreba za navlakom kako pri plovidbi oštrim kursevima protiv vjetra, tako i pri plovidbi punim kursevima - od strmog naslona do šiba (na kraju krajeva, to značajno smanjuje efikasnost vjetroelektrana pri korištenju klasične staze jedrenjaka sa stalnim vjetrom u leđa). Istovremeno, odavno je poznato da je pri plovidbi s vjetrom u leđa najefikasnije direktno oružje koje se ne može mehanizirati. Nije iznenađujuće da su brojni istraživački centri došli na istu primamljivu ideju: spojiti prednosti rotora i direktnog jedra.
Kako su izvijestili G. Alchudzhan i E. Fomina, druga faza istraživanja upotrebe pogona na vjetar, koju je provela Američka uprava za trgovačko more, uključuje analizu kombinacije Fletner rotora i klasičnog oružja klipera i vjetroaparata. Američki istraživači vjeruju da to “može pružiti dovoljnu ekonomsku efikasnost čak i kada se prevozi visoko napunjeni teret”.
Kao što čitalac možda već zna (vidi npr. list „Pravda“ od 18. oktobra 1982.), sličan posao se obavlja i kod nas. Centralni projektantski biro Ministarstva ratne mornarice stvorio je aerodinamički pogonski kompleks (ADC), koji nam omogućava da govorimo o oživljavanju stare ideje rotora, ali u potpuno novom - moderniziranom obliku: u kombinaciji s mehaniziranim mekim ravnim ploviti. Razrađene su opcije za ugradnju sličnih modularnih ADC-a na određene serijske brodove naše flote, a izrađuju se i radni crteži ADC-a.
Na zahtjev urednika, o tome govori jedan od autora ADK, Georgij Mihajlovič Kudrevati. U sljedećem broju časopisa planira se objaviti članak o ADC uređaju i razmotriti mogućnost njegove ugradnje na deplasmanske čamce.
Bilješke
1. Za rotor, karakteristična površina S je površina njegovog meridionalnog presjeka, jednaka proizvodu prečnika O i visine L.2. Ovo je opisano u vrlo informativnoj i zanimljivoj knjizi Yu Kryuchkova i I. Perestyuka „Krila okeana“, koju je objavila izdavačka kuća „Brodogradnja“.
3. Barem radi poštenja, treba napomenuti da su prije nekoliko godina mnogi turista vidjeli samohodni rotirajući brod na jezeru Kavgolovskoye u blizini Lenjingrada. Bio je to običan kajak s rotorom (dva diska na jarbolu i film između njih) koji se okreće pomoću pedala. Na pola vjetra kajak se kretao sasvim sigurno, ali da bismo se okretali i kretali drugim stazama morali smo uzeti veslo. Pronalazač-kajakaš je posetio redakciju i obećao da će detaljno opisati svoj rotacioni sistem ako testovi budu uspešno završeni,
4. Vidi “Brodogradnja u inostranstvu”, br. 1, 1982.
Čitaocima časopisa želim reći o katamaranu, čije je kretanje izvedeno pomoću Magnusovog efekta. Magnusov efekat je da kada zrak struji oko rotirajućeg tijela, stvara se sila okomita na smjer strujanja. Kada se cilindar rotira, na primjer, i slojevi zraka u blizini njegovih zidova počinju se kretati u krug, zbog čega se s jedne strane rotirajućeg tijela povećava brzina strujanja oko cilindra, a s druge strane. smanjuje se. Kao rezultat, u blizini površine cilindra formiraju se zone visokog i niskog tlaka, što dovodi do stvaranja sile koja se može koristiti za pomicanje brodova. To je ista ona sila koja mijenja smjer leta „rezanih“ lopti u tenisu i fudbalu.
Kako bi se smanjio protok zraka iz zone visokog u niski tlak, na krajevima cilindra ugrađuju se diskovi većeg promjera.
Eksperimenti su pokazali da se Magnusov efekat maksimalno manifestira u slučaju kada je linearna brzina rotirajuće površine cilindra približno četiri puta veća od brzine vjetra. U ovom slučaju, potisak rotora je deset puta veći od potiska jedra koji je jednak površini.
Dvadesetih godina dva broda velikog kapaciteta bila su opremljena sličnim rotorima. Oka je čak vršila i transatlantska putovanja, ali nije izgrađena kasnije, uglavnom zbog glomaznosti masivnih metalnih rotora, koji bi mogli uzrokovati prevrtanje broda na jakom vjetru.
…Jednom sam, odmarajući se na akumulaciji Krasnojarsk, uz pomoć prijatelja, N. Beskrovnog i V. Brina, napravio katamaran sa sklopivim mekim rotorom. Imali smo samo tri sedmice, pa smo morali napraviti manje efikasan Savonius rotor, za koji nije potreban motor.
Savonius rotor se sastoji od dvije polucilindrične površine pomaknute jedna u odnosu na drugu dužinom radijusa.
Pod utjecajem vjetra rotor se rotira, a njegova linearna brzina ne prelazi 1,7 brzina vjetra. Zbog toga je Magnusov efekat na Savonius rotor 2-3 puta slabiji nego kod prisilno rotiranih rotora.
Rotor (vidi sliku) se sastoji od dva okvira - diskova i polucilindra, zavarenih od šipke Ø 10 mm. Šipke koje čine okvir polucilindara povezane su jedna s drugom pločama od guste tkanine. Krajevi okvira oba diska vezani su konopcem. Šestokuti formirani na vrhu i na dnu prekriveni su platnom. Osa rotora služi i kao konopac, koji omogućava preklapanje jedra.
Na svaki panel su ušivene dvije trake od tkanine, ispod kojih se provlače gumeni medicinski zavoji širine 6 cm i dužine 80 cm; njihovi krajevi su vezani za šipke. Na panele je pričvršćen okvir za ukrućenje od čelične šipke Ø 4 mm.
Fleksibilna osovina i užad koji osiguravaju napetost rotora vezani su za montažne nosače spojene na noseće ležajeve. Koristili smo konvencionalne kuglične ležajeve; u potpunosti su se opravdali - rotor se rotirao na najmanji dah vjetra.
1, 2 - vrh poluokvira, 3 - okvir diska rotora, 4 - ploča rotora, 5 - ploča diska, 6 - osovina rotora užeta, 7 - trake od tkanine, 8 - mekani okvir (medicinski gumeni zavoj), 9 - tvrdi poluokvir, 10 - užad za užad, 11 - oslonac za jarbol u obliku slova U, 12 - poprečna greda za katamarane, 13 - kabel donjeg zatezanja, 14 - nosač grede, 15 - poluga zateznog kabla, 16 - suspenzija rotora, 17 - ovjes nosač, 18 - kućište ležaja, 19 - ležaj, 20 - kuka za vješanje, 21 - blok. Volan nije prikazan.
Plovi katamarana su platneni pokrivači. Svaki sadrži tri cilindra od gumirane tkanine (mogu se koristiti i kuglaste komore). Plovke smo vezali za okvir od naplavenog drveta (ima ga dosta na obalama akumulacije Krasnojarsk). Konstrukcija trupa katamarana nije detaljno uključena, jer je almanah „Čamci i jahte” više puta govorio o katamaranima na napuhavanje boljeg dizajna od nas.
Rotor se postavlja na sljedeći način. Prvo se veže gumenim zavojima i uz pomoć užeta provučenog kroz blokove nosača u obliku slova U, diže se na vrh. Zatim se ručno zateže užetom provučenim kroz prsten učvršćen u gredi katamarana. Posljednjih 15 - 20 cm užeta potrebno je izvući polugom.
Katamaran smo testirali 10 dana na vrlo slabom vjetru. Smatrali smo da je vjetar jak ako nit dužine 30 cm odstupi za 30-40°.
Uz takav vjetar, katamaran je zanosio i nije mogao ploviti pod uglom oštrijim od 100-110° u odnosu na vjetar. Za promjenu prianjanja bilo je potrebno okrenuti rotor, za što nam je trebalo 5-6 minuta.
Nije bilo mjerenja brzine, ali iduće ljeto isti katamaran je plovio s običnim jedrom od 6 m2 otprilike isto kao i s rotorom, ali je s jedrom bolje manevrirao.
Ne preporučujemo naš katamaran kao primjer točne kopije, jer su se brojne komponente dizajna pokazale neuspjelim. Na primjer, rubovi krajnjih diskova trebali su biti izrađeni od šipki ili plastičnih cijevi. Naše iskustvo samo svjedoči o mogućnosti da amateri grade plovilo sa vrlo originalnim i, po našem mišljenju, perspektivnim načinom stvaranja potiska.
Čitaoci zainteresovani za rotacione posude sigurno će moći da naprave bolje dizajne. Čini nam se najzanimljivijim da napravimo katamaran sa sklopivim cilindrom, koji bi rotirao laki motor sa unutrašnjim sagorevanjem. Cilindar se može napraviti u obliku balona na naduvavanje ili imati rastezljiv dizajn, poput rotora koji smo napravili.
Dizajni koje su testirali amateri vjerovatno će naći primjenu u nacionalnoj ekonomiji.
Po našem mišljenju, kao pomoćni motori na teretnim brodovima mogu se koristiti rotori na napuhavanje ili rastezljivi sa elektromotorima koji se ugrađuju pomoću teretnih nosača.
Kandidat pomorskih nauka V. DYGALO, profesor, kontraadmiral. Crteži autora.
Ruski bark sa četiri jarbola "Kruzenshtern" jedini je predstavnik "leteće linije P" koji je preživio do danas. Izgrađen 1926. u Njemačkoj i još uvijek služi kao brod za obuku, pomažući u obuci novih generacija oficira ruske mornarice.
Šampion među jedrenjacima je div Preussen s pet jarbola.
Najbrži jedrenjak, makaza za čaj "Cutty Sark".
Ill. 1. Magnus efekat.
Prvi rotacioni brod "Bukau".
Brod s pogonom vjetra na jedra.
Teretni brod "Dina-Schiff".
Tanker "Shin Eitoku Maru".
Posuda sa vertikalnim zračnim turbinama rotacionog tipa.
Jednako je nemoguće odgovoriti na pitanje kada je jedro izumljeno, kao što je nemoguće imenovati autora čuvenih paleolitskih "Venera" - primitivnih ženskih skulptura koje su arheolozi pronašli na različitim mjestima euroazijskog kontinenta. Možda su se oboje - jedro i "Venera" - pojavili u isto vrijeme, u starijem kamenom dobu? O ovome možemo samo da nagađamo. Jedino što sa sigurnošću možemo reći je da je prije 6.000 godina jedro već postojalo – Egipćani su koristili pravo jedro kada su plovili Nilom.
Razvoj jedra išao je paralelno sa razvojem čovječanstva i dostigao je vrhunac sredinom 19. stoljeća, kada se pojavljuju čuvene “cijedilice za vjetar” - makaze za čaj, a početkom 20. stoljeća - ništa manje. poznati brodovi tipa "Flyins P" ("Flying P") hamburške kompanije "Laesh". Njen peterojarbolni brod "Preussen" smatran je početkom 20. vijeka najvećim jedrenjakom na svijetu: nosivost registra - 5081 tona, deplasman - 11.000 tona Rekord je ostao sa površinom od 6500 metara od 45 jedara (njih 30 na pet jarbola su bili ravni). Koliko god da je bila velika uloga prvih željeznih brodova pokretanih parnim strojem, 19. stoljeće se s pravom može nazvati procvatom drvenih jedrenjaka. Dizajneri su nastavili raditi na poboljšanju kvalitete jedrenjaka, nastojeći povećati njihovu brzinu, što je postalo jedan od glavnih faktora u sve većoj konkurenciji trgovačkih kompanija. U konkurenciji u brodogradnji prednjačile su dvije zemlje - SAD i Engleska.
Amerikanci su prvi napravili vrlo lagane, vitke i brze brodove - klipere. No Britanci nisu zaostajali i vrlo brzo su počela prava takmičenja između engleskih i američkih jedrenjaka.
Prosječni deplasman brodova bio je 1000-2000 tona, ali su neki od njih imali deplasman i do 3500-4000 tona, dužina im je bila šest puta veća od širine. Tada se pojavio dobro poznati princip brodogradnje - "dužine staze". Stvaranjem ovog tipa broda, brodograditelji su napravili pravo čudo. Trup klipera je bio kompozitni: kobilica i okviri su bili željezni, trup je bio drveni, u podvodnom dijelu obložen bakrenim limovima kako bi se spriječilo zarastanje algi. Zahvaljujući tome, osigurana je lakoća konstrukcije plovila bez ugrožavanja njegove čvrstoće.
Da bi se broj posade smanjio na 23-28 ljudi i olakšao njihov rad na moru na ovim jedrilicama, korištena su tehnološka dostignuća iz sredine 19. stoljeća: vijčani upravljački pogoni, ručna vitla sa zupčastim pogonom, pumpe sa zamašnjakom i drugi mehanizmi. Na “pjenušačima mora” sve je bilo podređeno postizanju najveće brzine. Dugi i vitki, s trupom glatkim kao tijelo jegulje, brodovi za šišanje imali su graciozno zakrivljene, oštre stabljike koje su poput noža sjekle valove. “Neboderi” jarboli i super-dugi pramčanici nosili su toliko jedara da ih više nije bilo moguće nadmašiti. Najbržima su smatrane poznate mašine za šišanje čaja: njihova brzina je dostizala 20 čvorova (37 km/h). Više od deset metara u sekundi - toliko je brzo leteo brod sa oštrim nosom od hiljadu tona (tačno, letio!) od talasa do talasa. Svake godine trgovačke kompanije davale su poseban bonus brodu koji će prvi donijeti novi čaj iz Kine - otuda i naziv. U odnosu na tipove jedrilica iz prethodnih stoljeća, umjesto do sada uobičajenih tri ili, u izuzetnim slučajevima, četiri reda ravnih jedara, potpuno montiran kliper nosio je do sedam ravnih jedara na svakom jarbolu. Njihova imena (počev od dna) među engleskim jedriličarima zvučala su ovako: donje jedro (prednje jedro ili glavno jedro), donje jedro, gornje jedro, vrhunsko jedro, vrhunsko jedro, "kraljevsko" jedro, "nebo" jedro, "mjesečevo" jedro ( ili „neboder"). Osim glavnih jedara navedenih na bočnim stranama, u slučaju vjetra u leđa, na tanka okrugla „drveća“ postavljena su dodatna lisičja jedra, lisele koje se protežu duž dvorišta, a stabla su postavljena između jarbola. Ukupna površina svih jedara bila je 3300 m2 ili više. Kada je kliper plovio pod punim jedrima uz povoljan vjetar, sa strane se činilo da bijeli oblak leti iznad površine okeana. Zbog svoje gracioznosti, aerodinamičnih oblika, obilja jedara i brzine, kliper je dobio još jedno ime - "windjammers" ("stiskači vjetra").
Trke čaja pretvorile su se u pravo takmičenje u brzini. Na primjer, 1866. godine, pet klipera s tovarom čaja napustilo je Fuzhou (Kina) gotovo istovremeno. Ova trka brzine bila je jedno od najuzbudljivijih morskih putovanja oko pola svijeta. Svaki od pet ambicioznih kapetana sanjao je da prvi dođe u London. U trkama je sve bilo na kocki. Jedan od jedrenjaka, Ariel, plovio je sa velikom listom mnogo sati zaredom tokom jake oluje u Atlantskom okeanu. Strmi valovi kotrljali su se po palubi klipera. Ali umjesto da uklone barem jedno jedro, posada je platnom čvrsto zaglavila otvore i sve ostale otvore. Kako bi izbjegli ispiranje u more, mornari su se vezali na radnim mjestima posebnim užadima. Borba protiv stihije trajala je skoro pola dana. Brod je izašao kao pobjednik. Šestog septembra, nakon što je proveo manje od 99 dana, "Arijel" je stigao u Englesku... Nakon otvaranja Sueckog kanala 1869. godine, letovi jedrenjaka na "čajnoj" liniji postali su neisplativi. "Ariel" je radio čudne poslove, prevozeći ugalj iz Engleske do Japana i Australije.
Pa ipak, na kratko su se kliperi vratili u modu. Australija je počela proizvoditi mnogo vune, koja je bila potrebna Evropi i Americi. Nije bilo dovoljno parnih brodova sposobnih da preplove tako velike udaljenosti bez dodatnog utovara uglja, pa smo morali pribjeći uslugama jedrenjaka. Oktobra 1885. iz australske luke Sidnej za Englesku je krenulo šest klipera, a među njima je bio i Cutty Sark, koji je nazvan “Kraljicom mora” zbog svojih prekrasnih linija, ogromnog kapaciteta jedra i sposobnosti za plovidbu. Šezdeset sedmog dana putovanja, Cutty Sark je stigao u London prije svih. Ovo je bio rekord bez presedana za jedrenjake. I ne samo jedrenje, već i paro. U povratku, kliper je pretekao najbrži putnički brod u to vrijeme, Britanniju. Kažu da je stražar, probudivši kapetana, rekao:
Gospodine! Izađite na most, dešava se nešto neobično - pretiče nas jedrilica!
Kapetan se nasmešio i nije se pomerio sa svog mesta.
Zašto ići? Na kraju krajeva, ovo je Cutty Sark, i beskorisno je takmičiti se s njim!
Doba kliperskih brodova završilo se 1924. godine, kada je jedna od posljednjih ljepotica, Hasperus, rashodovana. I samo je Cutty Sark plovio do 1949. godine.
Međutim, prestankom vojne i transportne flote plovidbe nije bilo kraja. Kao pogonski uređaj za sportske brodove i čamce, jedro igra i još dugo će igrati veliku ulogu u obrazovanju pomoraca.
Brzi tehnološki napredak praćen je pojavom ozbiljnih ekoloških problema, koji ponekad uzrokuju nepopravljivu štetu prirodi. Katastrofe s naftnim tankerima i ogromni požari na priobalnim poljima to potvrđuju. Nove ideje i rješenja moraju pomoći svjetskoj pomorskoj floti da postane ekološki prihvatljiva. A jedro može nositi novine.
Na sreću čovječanstva, uvijek postoje ljudi koji su u stanju da vide ono što drugi ne primjećuju i koji imaju neiscrpnu radoznalost - to je sastavni kvalitet svih pronalazača.
Takva osoba bio je njemački inženjer Anton Flettner (1885-1961). Jednom, dok je plovio na jedrilici, gledajući napore mornara koji rade u oluji s jedrima na visini od 40-50 m, pomislio je: je li moguće zamijeniti klasično jedro nečim, koristeći istu snagu vjetra? Refleksije su natjerale Flettnera da se prisjeti svog sunarodnika fizičara Heinricha Gustava Magnusa (1802-1870), koji je 1852. dokazao da je rezultujuća poprečna sila koja djeluje na tijelo koje se rotira u toku tekućine ili plina koji teče oko njega usmjerena u smjeru u kojem je brzina protoka i rotacija tijela se podudaraju.
Magnus je potvrdio prisustvo takvog efekta kasnije u eksperimentu sa vagom. Na jednu od njihovih posuda vodoravno je postavljen cilindar s motorom koji je bio povezan s njim, a na drugu utezi za balansiranje. Cilindar je bio naduvan vazduhom, ali dok se motor nije uključio, ostao je nepomičan i ravnoteža vage nije bila narušena. Međutim, trebalo je samo pokrenuti motor i na taj način natjerati cilindar da se okreće, jer se posuda u kojoj se nalazio dizala ili spuštala - ovisno o smjeru u kojem se rotacija odvijala. Ovim eksperimentom naučnik je ustanovio: ako strujanje vazduha struji na rotirajući cilindar, tada se brzine strujanja i rotacije na jednoj strani cilindra sabiraju, a na drugoj se oduzimaju. A budući da veće brzine odgovaraju nižim pritiscima, pokretačka sila okomita na strujanje nastaje na rotirajućem cilindru smještenom u struji zraka. Može se povećati ili smanjiti ako se cilindar okreće brže ili sporije. Upravo su Magnusovi eksperimenti dali Flettneru ideju da jedro na brodu zamijeni rotirajućim cilindrom. Ali sumnje su se odmah pojavile. Zaista, na velikom brodu takvi će rotori izgledati kao ogromni tornjevi visine 20-25 m, što će u oluji stvoriti kolosalnu opasnost za brod. Trebalo je odgovoriti na ova pitanja i Flettner je započeo svoje istraživanje.
Posljednjih dana juna 1923. izveo je svoje prve eksperimente s modelom na jezeru Wannsee, blizu Berlina. Bio je to čamac dužine manje od metra sa papirnim cilindrom prečnika oko 15 cm i visine oko 1 m za okretanje. Eksperimenti su bili uspješni, ali ostala su mnoga pitanja, uključujući i sile koje nastaju na rotoru tijekom rotacije.
Sve daljnje studije i srodna mjerenja obavljena su u laboratoriji. Njihovi rezultati su bili sljedeći.
Ako je površina rotirajućeg rotora izložena vjetru, brzina potonjeg se mijenja. Tamo gdje se površina kreće prema vjetru, njegova brzina opada, a pritisak raste. Na suprotnoj strani rotora, brzina protoka zraka se, naprotiv, povećava, a tlak opada. Rezultirajuća razlika tlaka stvara pokretačku silu koja se može koristiti za pomicanje posude.
Ali ono što je najviše iznenadilo u Flettnerovom istraživanju bilo je nešto drugo. Pokazalo se da je rezultujuća pogonska sila mnogo puta veća od pritiska vjetra na stacionarni rotor. Proračuni su pokazali da je utrošena energija vjetra otprilike 50 puta veća od one utrošene na rotaciju rotora, a ovisi o frekvenciji njegove rotacije i brzini vjetra. Također je postala jasna još jedna važna okolnost - mogućnost plovidbe rotirajućim plovilom protiv vjetra s naizmjeničnim kursevima (takovima) blizu linije vjetra. Drugim riječima, za takvo plovilo ostali su na snazi prirodni zakoni plovidbe koje su koristili obični jedrenjaci. Ali u isto vrijeme, njegovi izgledi su procijenjeni jednostavno sjajno, budući da je površina rotora u odnosu na površinu jedara konvencionalne jedrilice, uporedive po deplasmanu sa rotacijskim brodom, bila samo 0,1-0,15 posto. , a njegova (rotorska) masa je bila oko 5 puta manja od ukupne mase jedriličarskog oružja.
Naravno, jedan dio napora dobivenog rotacijom cilindra troši se na stvaranje zanošenja (pomicanje broda u pokretu sa linije kursa), a drugi dio na pomicanje broda naprijed.
Puhanje u aerotunelu pokazalo je: ova pokretačka sila može se povećati skoro 2 puta ako vrh cilindra pokrijete diskom (u obliku ravne ploče), čiji je prečnik veći od prečnika samog cilindra . Osim toga, bilo je važno pronaći potrebne odnose između brzine vjetra i ugaone brzine rotacije rotora. Veličina sile uzrokovane rotacijom ovisi o tome; Zato su rotori prvo testirani u aerotunelu, a zatim na modelu broda. Eksperiment je omogućio da se utvrde njihove optimalne dimenzije za eksperimentalni brod, a naziv "Flettner rotor" od tada je dodijeljen neobičnoj pogonskoj jedinici.
Dotrajana trojarbolna škuna "Bukau" deplasmana od 980 tona korišćena je kao prvo eksperimentalno plovilo za njegovo ispitivanje 1924. godine, umesto tri jarbola, postavljena su dva cilindrična rotora visine 13,1 m i prečnika 1,5 m. Na njemu su ugrađena dva elektromotora jednosmerne struje napona 220 V. Struju je proizvodio mali dizel agregat snage 33 kW (45 KS).
Testovi su počeli na Baltiku i uspješno su završeni. U februaru 1925. brod je napustio „slobodni grad Dancig“ i uputio se u Englesku. U Sjevernom moru, Bukau se morao boriti sa jakim morima, ali se škuna, zbog pravilnog ponovnog balastiranja, ljuljala manje od običnih brodova. Strahovi da bi teški rotori negativno utjecali na stabilnost plovila ili da bi sami patili tokom kotrljanja nisu se ostvarili, pritisak vjetra na njihovu površinu nije dostigao velike vrijednosti. U isto vrijeme, vrijeme je bilo toliko loše da su mnogi brodovi istog deplasmana kao i Bukau potražili utočište u obližnjim lukama. „Nijedan jedrenjak nije mogao završiti putovanje koje je obavila rotirajuća škuna“, pišu engleske novine.
Povratak u Kukshaven je takođe bio praćen olujama. Ovoga puta Bukau je bio natovaren ugljenom duž vodene linije, i još jednom je pokazao svoje prednosti u odnosu na ostale jedrenjake. Valovi su se prevrtali preko palube i razbili čamac za spašavanje, ali sami rotori nisu pretrpjeli nikakva oštećenja. Nakon toga, škuna je preimenovana u Baden-Baden i napravila je još jedno teško putovanje: nakon što je izdržala jaku oluju u Biskajskom zaljevu, prešla je Atlantski ocean i sigurno stigla u New York.
Rotacioni pogonski sistem dobio je visoke pohvale. Pokazalo se da je lakši za održavanje od konvencionalnih jedara i brzo je ušao u radni režim, te su stoga odlučili nastaviti testiranje. Godine 1924. u brodogradilištu Weser akcionarskog društva (Njemačka) položen je prvi brod dizajniran posebno za plovidbu s rotacijskim pogonom. Nazvana je "Barbara" i bila je namijenjena za transport voća iz luka Južne Amerike u Njemačku. Sa dužinom od 85, širinom od 15,2 m i gazom od 5,4 m, brod je imao tovarni kapacitet od oko 3000 tona, prema prvobitnom projektu, trebao je biti opremljen jednim divovskim rotorom visine 90 m. i prečnika 13,1 m, ali su tada, uzimajući u obzir iskustvo škune "Bukau", kolosalni rotor zamijenjen sa tri, manja - visine 17 m i prečnika 4 m. Izrađeni su od aluminijskih legura sa zidovima debljine nešto više od milimetra. Za svaki rotor bio je jedan motor snage 26 kW (35 KS), koji razvija 150 o/min. Sa jačinom vjetra od 5 (8-11 m/s) u povoljnom smjeru (ugao smjera od 105-110 stepeni), potisak rotacionih propulzora bio je ekvivalentan radu motora snage 780 kW (1060 ks). ). Osim toga, jednoosovinska dizel jedinica od 750 kW (1.020 KS) koja je pokretala propeler dopunila je potisak rotora, omogućavajući brodu da plovi brzinom od 10 čvorova (18,5 km/h).
Budući da su u suštini jedrenjaci, rotacioni brodovi su imali ogromne prednosti u odnosu na njih. Nije bilo potrebe zvati posadu na palubu da očisti i postavi jedra; samo je jedan oficir (na mostu) kontrolisao kretanje rotora koristeći nekoliko ručki. U bliskoj vuci (protiv vjetra), ovi brodovi su plovili do 30 stepeni, dok je kod većine običnih jedrilica ugao između smjera vjetra i smjera kretanja najmanje 40-50 stupnjeva. Brzina kretanja regulirana je brzinom rotacije rotora, a manevriranje je kontrolirano promjenom smjera njihove rotacije. Rotorski brodovi su se čak mogli i preokrenuti.
Međutim, složenost dizajna rotacijskih propulzora, i što je najvažnije, činjenica da su brodovi opremljeni njima i dalje ostali jedrenjaci sa svim nedostacima, od kojih je prvi bio potpuna ovisnost o vjetru, nisu doveli do njihove široke upotrebe. .
Ipak, dizajneri su se uvijek iznova vraćali ideji korištenja energije vjetra. Sredinom 60-ih godina dvadesetog stoljeća u mnogim pomorskim zemljama stvoreni su posebni projektantski biroi koji su se bavili problemom pogona na vjetar, odnosno kretanjem broda uz pomoć vjetromotora i vjetropropulzora. U prvom slučaju, pretvaranje energije vjetra u potisak odvija se duž lanca: motor vjetra - prijenos (mehanički ili električni) - propeler. Po dizajnu, vjetroturbine se razlikuju s horizontalnom osom rotacije (turbina s 1, 2, 3 ili više lopatica) i s vertikalnom osom, na primjer turbina tipa bubnja; u smislu brzine rotacije - velike brzine, imaju veliku brzinu rotacije (dobro se kombinuju sa električnim generatorima u smislu frekvencije rotacije), i niske brzine, stvarajući veliki obrtni moment direktno na propeleru. Kada se koristi motor na vjetar, brod nije ograničen u odabiru kursa u odnosu na smjer vjetra, međutim vjetromotor ima nisku efikasnost zbog ponovljene konverzije energije. Vjetromotor je efikasan pri brzinama vjetra od 3-4 do 12-14 m/s, a plovilo se bolje kreće na čeonom nego na stražnjem vjetru; pri brzini vjetra od 15-20 m/s mora se zaustaviti, jer postoji opasnost od njegovog uništenja.
Eksperimentalne vjetroturbine različitih dizajna uspješno su testirane na jahtama. Međutim, na velikim transportnim brodovima ne koriste se čak ni kao pogoni za električne generatore, iako se eksperimenti u tom smjeru nastavljaju.
U drugom slučaju, vučna sila koja vuče brod nastaje direktno na vjetroturbini, ali je plovidba direktno protiv vjetra i pod određenim rasponom uglova kursa u blizini ovog smjera nemoguće; brzine takvih plovila zavise od brzine vjetra i relativno su male - 7-10 čvorova (13-18,5 km/h). U glavne tipove vjetropropulzora spadaju nam već poznati Flettner rotor, krilno jedro i klasično jedro, koji se još usavršavaju, te stvaranjem novih materijala. Pojavili su se lavsan otporan na bore i nitron otporan na toplinu, materijali izrađeni od plastike i sintetičkih vlakana, koje karakterizira povećana čvrstoća i lakoća. Koriste se za moderna plovila s pogonom na jedra.
Prve potpune studije vjetroagregata izvedene su 1960-1967 na Institutu za brodogradnju u Hamburgu, gdje je razvijen dizajn teretnog broda nosivosti od 17.000 tona 50 modela u aerotunelu i testiranje u eksperimentalnom bazenu omogućilo je da se 1982. godine izgradi brod "Dina-Schiff", koji dugo nije imao analoge u svijetu. Riječ je o jedrilici koja može nositi 16.500 tona tereta i ima impresivne dimenzije: dužina - 160,5 m, širina - 13 m, gaz - 9,1 m. Svaki od šest rotirajućih jarbola nosi pet ravnih jedara prostirala se na profilisanim dvorištima bez praznina i kao celina činila jedno efektno (visoko i usko) džinovsko jedro površine 1200 m2 (ukupna površina svih jedara dostigla je 7200 m2). Elektromotorima koji podižu ili uvlače bilo koje od 30 jedara upravlja stražar iz kontrolne sobe u kojoj je kompjuter instaliran. Pored jedara, Din-Schiff je bio opremljen sa tri dizel motora od 330 kW (448 KS). Brod je razvijao prosječnu brzinu od 12 čvorova, a uz povoljne vjetrove - do 16.
Dalje unapređenje projekta Dyna-Schiff nastavilo je Istraživačko društvo Friedrich Weiss iz njemačkog grada Ahrensburga. Stvorio je spektakularni jedrenjak s automatskim uvlačenjem jedara, od kojih je svako bilo namotano na okno smješteno u profiliranom dvorištu. Dužina broda za rasuti teret je 65 m; može ukrcati 1000 tona tereta. Svaki od tri okretna jarbola nosi pet ravnih jedara; Dodatno, u slučaju mirnog vremena, na brod je ugrađen pomoćni dizel motor snage 350 kW (476 KS). Koristeći samo pogon na jedra, takva plovila mogu postići brzinu od 12-14 čvorova, a uz jak stražnji vjetar - do 20 (37 km/h). Ovo odgovara brzini modernog kontejnerskog broda.
"Dina-Schiff" i brod za rasute terete iz Ahrensburga nisu sami na sadašnjim pomorskim putevima - od juna 1990. godine prati ih vodeći brod Greenpeace organizacije "Rainbow-Urrior", preuređen u Hamburgu na način " Dina-Schiff". Kada je snaga vjetra 5, brod razvija brzinu veću od 12 čvorova (22 km/h).
Uzimajući u obzir dobre performanse gore navedenih plovila, sada se projektiraju jedrenjaci sa suhim teretom nosivosti od 900 do 2000 tona, međutim, njemački naučnici smatraju da je malo vjerovatno da će biti profitabilni za Evropu zbog nepostojanosti vjetrova koji pušu u blizini njegovih obala, te predlaže opremanje običnih suhih teretnih brodova i kontejnerskih brodova dodatnom opremom za jedrenje, što će dovesti do uštede goriva od 10-25 posto.
Razvoj vjetroagregata i vjetroturbina posebno se ozbiljno shvata u onim zemljama u kojima su prirodne rezerve nafte ograničene ili nepostojeće. Tako je u Japanu samo u periodu 1980-1986 pušteno u rad 10 plovila, koja su osim mehaničkog pogona imala i vjetar. Njihov tipičan predstavnik je obalni tanker Shin Eitoku Maru deplasmana od 1.600 tona, koji je u julu 1980. godine porinula kompanija Imamura Shipbuilding. Njegove glavne dimenzije su: dužina - 66, širina - 10,6, gaz - 4,4 m Opremljen sa dva jedra površine 97 m 2 i motorom snage 1177 kW (1600 KS). Prosječna brzina tankera je 12 čvorova (22 km/h). Vrijeme koje godišnje provede na plovidbi iznosi 15 posto ukupnog.
Najveće dostignuće u izgradnji brodova po shemi "mehanički motor plus pogon na vjetar" bio je japanski brod "Usiki Pioneer". Sa istisninom od 26 hiljada tona, ima dužinu od 162,4, širinu 25,2 i gaz od 10,6 m, dva glavna motora snage 2427 kW (3300 KS) i dva jedra od po 320 m 2. Uz kombiniranu upotrebu jedara i jednog od motora, brod može ploviti prosječnom brzinom od 13,5 čvorova (25 km/h). Pogonom vjetra upravljaju kompjuterske komande.
Japanski inženjeri razvili su i dizajn jedrilice koja može nositi 17 hiljada tona tereta i 250 putnika. Svi radovi oko postavljanja i čišćenja jedara biće u potpunosti mehanizovani. Ovo će omogućiti jednoj osobi, koristeći kompjuter, da za 20 sekundi upravlja 1500 m 2 jedara postavljenih na šest jarbola. Maksimalna brzina plovila je oko 20 čvorova (37 km/h). U stanju je da "uhvati" i najmanji povjetarac. U slučaju potpunog zatišja predviđena je ugradnja motora.
Višenamjenska i prilično skupa testiranja plovidbenih mogućnosti su 1985. godine izvršili poljski znanstvenici i dizajneri. Na 50-metarskom eksperimentalnom brodu "Oceania" deplasmana od 550 tona postavljena su tri jarbola od izdržljive i lake legure s ravnim jedrima ukupne površine 700 m 2. Ugrađeni su i uklonjeni pomoću hidrauličnih pogona i specijalnih zupčanika izrađenih od sintetičkog materijala za teške uvjete rada – kevlara. Kada se vjetar povećao, površina jedara se smanjila, a kada je vjetar prešao 25 m/s, ona su bila presavijena u obliku kutija oko jarbola.
Ovo iskustvo je omogućilo graditeljima brodogradilišta u Gdanjsku da 1986. godine sagrade brod za krstarenje Gwarek, čija je jedrilica bila skoro slična onoj koja je instalirana na Oceaniji. "Gwarek" je prešao u vlasništvo Turističkog biroa kao plutajuća kuća za odmor, čiji su putnici smješteni u 100 dvokrevetnih komfornih kabina. Sva kontrola plovila vrši se sa mosta pomoću kompjutera i hidrauličkih sistema.
Nova jedra zahtijevala su modernije pričvršćivanje i čišćenje. Razvijeno je nekoliko dizajna jarbola, od kojih svaki ima svoje „naglaske“. Tako se neki jarboli postavljaju na rotirajuće platforme, a jedra se izvlače iz dvorišta i uvlače u njih, poput filmskog platna. A poljski izumitelj A. Borowsky iz Szczecina davne 1977. godine dobio je patent za jarbol, koji se sastoji od mnogih metalnih cijevi povezanih u jednu tankom vanjskom ljuskom od sintetičkog materijala za teške uvjete. Ovaj dizajn je lakši od uobičajenog i nije inferioran u snazi.
Razvijene su i nove vrste jedara za sportske čamce. Konkretno, novi pogonski uređaj - jedro-krilo - već je našao primjenu. Izrađen je u obliku krutog jedra, po dizajnu sličnog krilu jedrilice ili aviona, ali ima simetričan profil poprečnog presjeka. Postavlja se na ledene čamce i katamarane koji razvijaju velike brzine, pri čemu djeluje pri malim napadnim uglovima. Još efikasnije je krilo-jedro, koje ima konveksno-konkavni profil koji varira u zavisnosti od napadnog ugla i kuka broda ili čamca. Na primjer, u dizajnu korištenom na katamaranu Patient Lady U (SAD), jedro-krilo se sastoji od šest dijelova koji se automatski instaliraju pomoću računala pod određenim uglovima prema vjetru. Izrađen je od šperploče, stakloplastike, pjene i sintetičke tkanine, njegova težina s površinom od 28 m 2 iznosi samo 46 kg.
Konstruktore koji se bave pogonom na vjetar i motorima najviše privlače oni projekti koji omogućavaju povećanje brzine brodova na 20 čvorova, odnosno dostizanje brzine klipera za čaj. Pokušava se oživljavanje jedriličarske flote na modernim osnovama, korištenjem principa hovercrafta i pogona na hidroglisere.
Postoje i pozitivni pomaci u razvoju novih tipova vjetroturbina. Tako su njemački inženjeri predložili motor tipa "vrtuljak", u kojem je šest poliesterskih ravnina smješteno na dvije vertikalne ose, okrenute jedna prema drugoj pod uglom od 60 stepeni. Vjetar, koji djeluje na takve zračne turbine, uzrokuje njihovu rotaciju - pretvarajući tako svoju kinetičku energiju u mehaničku energiju rotacije brodskog elisnog vratila.
Danas postoji dosta različitih projekata vjetroturbina i vjetroturbina, kako implementiranih tako i u fazi razvoja. Ima mnogo toga za izabrati, ali stručnjaci su došli do zaključka da je najprikladnija opcija ugradnja vjetropropulzije na morska i riječna plovila kao dodatak glavnom mehaničkom motoru. To će omogućiti uštedu goriva od 25-30 posto i osigurati brodovima sasvim prihvatljivu brzinu od 16 čvorova, a uz to će omogućiti korištenje relativno male umjesto moćne elektrane. I još jedan obavezan uslov: upotreba svih novih tipova jedriličarskih pogona zahtijeva široko uvođenje kompjutera. Samo brza računarska tehnologija može uzeti u obzir sve parametre koji utječu na kretanje broda i time povećati sigurnost njegove plovidbe.
Naslovi za ilustracije
Ill. 1. Kao što se može vidjeti sa slike, sila poprečna na smjer strujanja zraka počinje djelovati na rotirajući cilindar. Dakle, očito je da je najpovoljniji kurs za rotirajući brod kada vjetar puše direktno na brod. A smjer kretanja ovisi samo o tome da li se rotor rotira u smjeru kazaljke na satu ili suprotno.
Ill. 2. Bliski vjetar se naziva punim ako je ovaj ugao veći od 66°, a strmim ako je manji. Kretanje naprijed osigurava ona komponenta tlaka vjetra (a) koja se poklapa sa kursom jedrilice, dok je djelovanje bočne komponente (b) neutralizirano kobilicom broda.