Den berømte dokumentarserien "The Underwater Odyssey of the Cousteau Team" ble filmet av den store franske oseanografen på 1960- og 1970-tallet. Cousteaus hovedskip ble deretter konvertert fra den britiske minesveiperen Calypso. Men i en av de påfølgende filmene - "Rediscovery of the World" - dukket et annet skip opp, yachten "Halcyone".
Når de så på henne, stilte mange TV-seere seg selv spørsmålet: hva slags merkelige rør er installert på yachten?.. Kanskje dette er rør fra kjeler eller fremdriftssystemer? Se for deg overraskelsen din hvis du finner ut at dette er SEIL... turboseil...
Cousteau Foundation kjøpte yachten Alcyone i 1985, og dette skipet ble ikke så mye ansett som et forskningsskip, men som et grunnlag for å studere effektiviteten til turboseil - det originale skipets fremdriftssystem. Og da, 11 år senere, den legendariske Calypso sank, tok Alkyone plass som hovedskipet til ekspedisjonen (forresten, i dag er Calypso oppvokst og står i en semi-plyndret tilstand i havnen i Concarneau).
Egentlig ble turboseilet oppfunnet av Cousteau. Akkurat som dykkeutstyr, en undervannsfat og mange andre enheter for å utforske dypet av havet og overflaten av verdenshavet. Ideen ble født på begynnelsen av 1980-tallet og var å lage den mest miljøvennlige, men samtidig praktiske og moderne fremdriftsanordningen for vannfugler. Bruken av vindkraft så ut til å være det mest lovende forskningsområdet. Men her er problemet: menneskeheten oppfant seilet for flere tusen år siden, og hva kan være enklere og mer logisk?
Selvfølgelig forsto Cousteau og kompani at det var umulig å bygge et skip drevet kun med seil. Mer presist, kanskje, men kjøreytelsen vil være veldig middelmådig og avhengig av lunkene i været og vindretningen. Derfor var det i utgangspunktet planlagt at det nye "seilet" bare skulle være en hjelpekraft som ble brukt til å hjelpe konvensjonelle dieselmotorer. Samtidig vil et turboseil redusere dieselforbruket betydelig, og i sterk vind kan det bli fartøyets eneste fremdriftsanordning. Og teamet av forskere vendte oppmerksomheten mot fortiden - til oppfinnelsen av den tyske ingeniøren Anton Flettner, en berømt flydesigner som ga et seriøst bidrag til skipsbygging.
Turboseilet er en hul sylinder utstyrt med en spesiell pumpe. Pumpen skaper et vakuum på den ene siden av turboseilet, pumper luft inn i seilet, uteluften begynner å strømme rundt turboseilet med forskjellige hastigheter og skipet begynner å bevege seg i en retning vinkelrett på lufttrykket. Dette minner mye om løftekraften som virker på vingen til et fly – trykket er større fra under vingen og flyet skyves oppover. Turboseilet lar skipet bevege seg mot enhver vind, så lenge det er nok pumpekraft. Brukes som et hjelpesystem for en konvensjonell marinemotor. To turboseil installert på skipet til Cousteaus team "Halcyon" gjorde det mulig å spare opptil 50% drivstoff.
Flettner rotor og Magnus effekt
16. september 1922 fikk Anton Flettner tysk patent på det såkalte roterende fartøyet. Og i oktober 1924 forlot det eksperimentelle rotasjonsskipet Buckau slippene til skipsbyggerfirmaet Friedrich Krupp i Kiel. Riktignok ble ikke skonnerten bygget fra bunnen av: før installasjonen av Flettner-rotorer var det et vanlig seilfartøy.
Flettners idé var å bruke den såkalte Magnus-effekten, hvis essens er som følger: når en luftstrøm (eller væske) strømmer rundt et roterende legeme, genereres en kraft vinkelrett på strømningsretningen og virker på kroppen. . Faktum er at et roterende objekt skaper en virvelbevegelse rundt seg selv. På siden av objektet hvor retningen til virvelen sammenfaller med retningen til væske- eller gassstrømmen, øker hastigheten til mediet, og på motsatt side avtar den. Trykkforskjellen skaper en tverrkraft rettet fra den siden hvor rotasjonsretningen og strømningsretningen er motsatt, til den siden hvor de faller sammen.
"Flettners vindskip er på alles lepper takket være uvanlig nidkjær avispropaganda," skrev Louis Prandtl i sin artikkel om utviklingen av den tyske ingeniøren.
Denne effekten ble oppdaget i 1852 av Berlin-fysikeren Heinrich Magnus.
Magnus effekt
Den tyske luftfartsingeniøren og oppfinneren Anton Flettner (1885–1961) gikk inn i den maritime historien som mannen som forsøkte å erstatte seil. Han hadde muligheten til å reise lenge på en seilbåt over Atlanterhavet og det indiske hav. Mange seil ble installert på mastene til seilskip fra den tiden. Seilutstyr var dyrt, komplekst og aerodynamisk lite effektivt. Konstante farer ventet på sjømennene, som selv under en storm måtte håndtere seil i en høyde på 40–50 meter.
Under reisen fikk den unge ingeniøren ideen om å erstatte seilene, som krevde mye innsats, med et enklere, men effektivt apparat, hvis hovedfremdrift også ville være vinden. Mens han tenkte på dette, husket han de aerodynamiske eksperimentene utført av hans landsmann, fysikeren Heinrich Gustav Magnus (1802–1870). De fant at når sylinderen roterer i luftstrømmen, oppstår det en tverrkraft med en retning avhengig av sylinderens rotasjonsretning (Magnus-effekt).
Et av hans klassiske eksperimenter gikk slik: «En messingsylinder kunne rotere mellom to punkter; rask rotasjon ble gitt til sylinderen, som i en topp, av en snor. Den roterende sylinderen ble plassert i en ramme, som i sin tur lett kunne rotere. Dette systemet ble utsatt for en sterk luftstrøm ved hjelp av en liten sentrifugalpumpe. Sylinderen avvek i en retning vinkelrett på luftstrømmen og på sylinderaksen, dessuten i den retningen rotasjonsretningene og strømmen var like i” (L. Prandtl “The Magnus Effect and the Wind Ship”, 1925 ).
A. Flettner mente umiddelbart at seilene kunne erstattes av roterende sylindre installert på skipet.
Det viser seg at der overflaten på sylinderen beveger seg mot luftstrømmen, avtar vindhastigheten og trykket øker. På den andre siden av sylinderen er det motsatt - luftstrømhastigheten øker, og trykket faller. Denne forskjellen i trykk på forskjellige sider av sylinderen er drivkraften som får skipet til å bevege seg. Dette er det grunnleggende prinsippet for drift av roterende utstyr, som bruker vindens kraft for å drive fartøyet. Alt er veldig enkelt, men bare A. Flettner «gikk ikke forbi», selv om Magnus-effekten har vært kjent i mer enn et halvt århundre.
Han begynte å implementere planen i 1923 på en innsjø nær Berlin. Egentlig gjorde Flettner en ganske enkel ting. Han installerte en papirsylinder-rotor omtrent en meter høy og 15 cm i diameter på en meter lang testbåt, og tilpasset en klokkemekanisme for å rotere den. Og båten seilte.
Kapteinene på seilskutene hånet A. Flettners sylindere, som han ville bytte ut seilene med. Oppfinneren klarte å interessere velstående beskyttere av kunsten i sin oppfinnelse. I 1924, i stedet for tre master, ble to roterende sylindre montert på den 54 meter lange skonnerten Buckau. Disse sylindrene ble rotert av en 45 hk dieselgenerator.
Rotorene til Bukau ble drevet av elektriske motorer. Egentlig var det ingen forskjell i design fra Magnus sine klassiske eksperimenter. På siden der rotoren roterte mot vinden, ble det opprettet et område med høyt trykk, og på motsatt side et område med lavt trykk. Den resulterende styrken flyttet skipet. Dessuten var denne kraften omtrent 50 ganger større enn kraften til vindtrykket på en stasjonær rotor!
Dette åpnet enorme muligheter for Flettner. Blant annet var rotorens areal og massen flere ganger mindre enn seilriggens areal, noe som ville gi lik drivkraft. Rotoren var mye lettere å kontrollere, og den var ganske billig å produsere. Ovenfra dekket Flettner rotorene med platelignende plan - dette doblet tilnærmet drivkraften på grunn av riktig orientering av luftstrømmene i forhold til rotoren. Den optimale høyden og diameteren til rotoren for Bukau ble beregnet ved å blåse en modell av det fremtidige fartøyet i en vindtunnel.
Cousteaus turboseiler - Fra 2011 er Alkyone det eneste skipet i verden med et Cousteau turboseil. Den store oseanografens død i 1997 satte en stopper for byggingen av et annet lignende skip, Calypso II, og andre skipsbyggere er på vakt mot den uvanlige designen ...
Flettner-rotoren presterte utmerket. I motsetning til et konvensjonelt seilskip, var et roterende skip praktisk talt ikke redd for dårlig vær og sterk sidevind. To sylindriske rotorer (høyde 13,1 m, diameter 1,5 m) gjorde det mulig å balansere fartøyet perfekt - det viste seg å være mer stabilt enn seilbåten som Bukau var før perestroika. Tester ble utført under rolige forhold, i storm og med bevisst overbelastning - og ingen alvorlige mangler ble identifisert. Den mest fordelaktige retningen for bevegelsen til skipet var vindretningen nøyaktig vinkelrett på skipets akse, og bevegelsesretningen (forover eller bakover) ble bestemt av rotasjonsretningen til rotorene.
I midten av februar 1925 forlot skonnerten Buckau, utstyrt med Flettner-rotorer i stedet for seil, Danzig (nå Gdansk) til Skottland. Været var dårlig, og de fleste seilskutene turte ikke forlate havnene. I Nordsjøen hadde Buckau en alvorlig kamp med sterk vind og store bølger, men skuta krenget mindre enn andre seilskuter møtte.
Under denne seilasen var det ikke nødvendig å kalle besetningsmedlemmer på dekk for å skifte seil avhengig av vindens styrke eller retning. Alt som skulle til var én vaktnavigatør, som uten å forlate styrehuset kunne kontrollere rotorenes aktiviteter. Tidligere bestod mannskapet på en tremastet skonnert av minst 20 sjømenn etter at den ble ombygd til et roterende skip, var 10 personer nok.
Samme år la verftet ned sitt andre roterende skip - det mektige lasteskipet Barbara, drevet av tre 17-meters rotorer. Samtidig var én liten motor med en effekt på kun 35 hk nok til hver rotor. (ved en maksimal rotasjonshastighet for hver rotor på 160 rpm)! Skyvkraften til rotorene var ekvivalent med skyvekraften til en skruepropell kombinert med en konvensjonell skipsdieselmotor med en effekt på rundt 1000 hk. Imidlertid var diesel også til stede på skipet: i tillegg til rotorene, drev den propellen (som forble den eneste fremdriftsanordningen i tilfelle rolig vær).
Lovende erfaringer fikk rederiet Rob.M.Sloman fra Hamburg til å bygge Barbara i 1926. Det var på forhånd planlagt å utstyre den med turboseil – Flettner-rotorer. Tre rotorer med en høyde på ca 17 m ble montert på et fartøy med en lengde på 90 m og en bredde på 13 m.
"Barbara", som planlagt, fraktet med suksess frukt fra Italia til Hamburg i noen tid. Omtrent 30–40 % av seilasen ble drevet av vinden. Med en vind på 4–6 poeng utviklet «Barbara» en hastighet på 13 knop.
Planen var å teste rotasjonsfartøyet på lengre seilaser i Atlanterhavet.
Men på slutten av 1920-tallet slo den store depresjonen til. I 1929 nektet charterselskapet å fortsette å leie Barbara, og hun ble solgt. Den nye eieren fjernet rotorene og monterte skipet i henhold til tradisjonell design. Likevel var rotoren dårligere enn skruepropeller i kombinasjon med et konvensjonelt dieselkraftverk på grunn av sin avhengighet av vinden og visse begrensninger på kraft og hastighet. Flettner vendte seg til mer avansert forskning, og Baden-Baden sank til slutt under en storm i Karibia i 1931. Og de glemte rotorseil i lang tid...
Begynnelsen av roterende skip så ut til å være ganske vellykket, men de ble ikke utviklet og ble glemt i lang tid. Hvorfor? For det første kastet «faren» til roterende skip, A. Flettner, seg inn i etableringen av helikoptre og sluttet å være interessert i sjøtransport. For det andre, til tross for alle fordelene deres, har roterende skip forblitt seilskip med sine iboende ulemper, hvorav den viktigste er avhengighet av vinden.
Flettner-rotorene ble interessert igjen på 80-tallet av det tjuende århundre, da forskere begynte å foreslå ulike tiltak for å dempe klimaoppvarmingen, redusere forurensning og mer rasjonelt drivstofforbruk. En av de første som husket dem var oppdageren av dypet, franskmannen Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). For å teste driften av turboseilsystemet og redusere forbruket av stadig dyrere drivstoff, ble den to-mastede katamaranen "Alcyone" (Alcyone er datteren til vindguden Aeolus) omgjort til et roterende fartøy. Etter å ha satt seil i 1985, besøkte han Canada og Amerika, rundet Kapp Horn og rundt Australia og Indonesia, Madagaskar og Sør-Afrika. Han ble overført til Det kaspiske hav, hvor han seilte i tre måneder og gjorde forskjellige undersøkelser. Alcyone bruker fortsatt to forskjellige fremdriftssystemer – to dieselmotorer og to turboseil.
Turboseil Cousteau
Seilbåter ble også bygget gjennom hele 1900-tallet. I moderne skip av denne typen rulles seilene ved hjelp av elektriske motorer, og nye materialer gjør designet betydelig lettere. Men en seilbåt er en seilbåt, og ideen om å bruke vindenergi på en radikalt ny måte har vært i luften siden Flettners tid. Og den ble plukket opp av den utrettelige eventyreren og oppdageren Jacques-Yves Cousteau.
Den 23. desember 1986, etter at Halcyone nevnt i begynnelsen av artikkelen ble lansert, mottok Cousteau og hans kolleger Lucien Malavard og Bertrand Charrier felles patent nr. US4630997 for "en enhet som skaper kraft gjennom bruk av en flytende væske eller gass ." Den generelle beskrivelsen er som følger: «Enheten er plassert i et miljø som beveger seg i en bestemt retning; i dette tilfellet oppstår en kraft som virker i en retning vinkelrett på den første. Enheten unngår bruk av massive seil, der drivkraften er proporsjonal med seilarealet." Hva er forskjellen mellom et Cousteau turboseil og et Flettner rotorseil?
I tverrsnitt er turboseilet noe som en langstrakt dråpe, avrundet i den skarpe enden. På sidene av "dråpen" er det luftinntaksgitter, hvorav det ene (avhengig av behovet for å bevege seg fremover eller bakover) suges ut luft. For å sikre maksimalt effektivt sug av vind inn i luftinntaket, er det installert en liten vifte drevet av en elektrisk motor på turboseilet.
Den øker kunstig hastigheten på luftbevegelsen på lesiden av seilet, og suger inn luftstrømmen i øyeblikket den separeres fra turboseilets plan. Dette skaper et vakuum på den ene siden av turboseilet, og forhindrer samtidig dannelsen av turbulente virvler. Og så virker Magnus-effekten: sjeldnere på den ene siden, som et resultat - en sidekraft som er i stand til å få skipet til å bevege seg. Egentlig er et turboseil en flyvinge plassert vertikalt, i det minste er prinsippet om å skape en drivkraft likt prinsippet om å lage et flyløft. For å sikre at turboseilet alltid vender mot vindens mest fordelaktige side, er det utstyrt med spesielle sensorer og installert på en dreieskive. Forresten, Cousteaus patent innebærer at luft kan suges ut fra innsiden av turboseilet, ikke bare av en vifte, men også for eksempel av en luftpumpe - dermed lukket Cousteau porten for påfølgende "oppfinnere".
Faktisk testet Cousteau først en prototype turboseil på katamaranen "Windmill" (Moulin à Vent) i 1981. Katamarans største vellykkede reise var fra Tanger (Marokko) til New York under tilsyn av et større ekspedisjonsskip.
Og i april 1985 ble Halcyone, det første fullverdige skipet utstyrt med turboseil, sjøsatt i havnen i La Rochelle. Nå er hun fortsatt på farten og er i dag flaggskipet (og faktisk det eneste store skipet) til Cousteau-lagets flotilje. Turboseilene på den fungerer ikke som den eneste fremdriften, men de hjelper den vanlige koblingen av to dieselmotorer og
flere skruer (som forresten lar deg redusere drivstofforbruket med omtrent en tredjedel). Hvis den store oseanografen hadde vært i live, ville han sannsynligvis ha bygget flere lignende skip, men entusiasmen til hans medarbeidere avtok merkbart etter at Cousteau dro.
Rett før hans død i 1997 jobbet Cousteau aktivt med prosjektet til Calypso II-fartøyet med turboseil, men hadde ikke tid til å fullføre det. I følge de siste dataene, vinteren 2011, var Alkyone i havnen i Kaen og ventet på en ny ekspedisjon.
Og igjen Flettner
I dag forsøkes det å gjenopplive Flettners idé og få rotorseil til å bli utbredt. For eksempel begynte det berømte Hamburg-selskapet Blohm + Voss aktiv utvikling av et roterende tankskip etter oljekrisen i 1973, men i 1986 stengte økonomiske faktorer dette prosjektet. Så var det en hel serie med amatørdesign.
I 2007 bygde studenter ved Universitetet i Flensburg en katamaran drevet av et rotorseil (Uni-cat Flensburg).
I 2010 dukket det tredje skipet i historien med rotorseil opp - E-Ship1 heavy-duty lastebilen, som ble bygget for Enercon, en av de største produsentene av vindgeneratorer i verden. 6. juli 2010 ble skipet sjøsatt for første gang og foretok en kort reise fra Emden til Bremerhaven. Og allerede i august la han ut på sin første arbeidsreise til Irland med et lass på ni vindgeneratorer. Fartøyet er utstyrt med fire Flettner-rotorer og selvfølgelig et tradisjonelt fremdriftssystem ved stille vær og for ekstra kraft. Likevel tjener rotorseil bare som hjelpefremdrift: for en 130 meter lang lastebil er ikke kraften nok til å utvikle riktig hastighet. Motorene drives av ni Mitsubishi-kraftenheter, og rotorene drives av en Siemens-dampturbin som bruker eksosenergi. Rotorseil kan spare 30 til 40 % drivstoff ved en hastighet på 16 knop.
Men Cousteaus turboseil er fortsatt i glemsel: Alkyone er for øyeblikket det eneste fullstørrelsesskipet med denne typen fremdrift. Erfaringene til tyske skipsbyggere vil vise om det er fornuftig å videreutvikle temaet seil drevet av Magnus-effekten. Det viktigste er å finne en økonomisk begrunnelse for dette og bevise effektiviteten. Og da, skjønner du, vil all verdensfart gå over til prinsippet som en talentfull tysk vitenskapsmann beskrev for mer enn 150 år siden.
I Nordsjøen i 2010 kunne et merkelig skip «E-Ship 1» sees. På øvre dekk er det fire høye runde skorsteiner, men røyk kommer aldri fra dem. Dette er de såkalte Flettner-rotorene, som erstattet tradisjonelle seil.
Verdens største produsent av vindkraftverk, Enercon, lanserte et 130 meter langt og 22 meter bredt roterende fartøy, som senere fikk navnet E-Ship 1, ved Lindenau-verftet i Kiel 2. august 2010. Den ble deretter vellykket testet i Nord- og Middelhavet, og transporterer for tiden vindgeneratorer fra Tyskland, hvor de produseres, til andre europeiske land. Den når en hastighet på 17 knop (32 km/t), transporterer samtidig mer enn 9 tusen tonn last, mannskapet er 15 personer.
Det Singapore-baserte skipsbyggingsselskapet Wind Again, som lager teknologier for å redusere drivstofforbruk og utslipp, foreslår å installere spesialdesignede Flettner-rotorer (folding) på tankskip og lasteskip. De vil redusere drivstofforbruket med 30–40 % og vil betale seg tilbake i løpet av 3–5 år.
Det finske marineingeniørselskapet Wartsila planlegger allerede å installere turboseil på cruiseferger. Dette skyldes det finske fergeselskapet Viking Lines ønske om å redusere drivstofforbruk og miljøforurensning.
Bruken av Flettner-rotorer på fritidsbåter studeres av Universitetet i Flensburg (Tyskland). Økende oljepriser og et alarmerende oppvarmende klima ser ut til å skape gunstige forhold for retur av vindturbiner.
Yachten designet av John Marples, Cloudia, er en ombygd trimaran Searunner 34. Yachten gjennomgikk sine første tester i februar 2008 i Fort Pierce, Florida, USA, og opprettelsen ble finansiert av TV-kanalen Discovery. "Claudia" viste seg å være utrolig manøvrerbar: den stoppet og reverserte i løpet av sekunder, og beveget seg fritt i en vinkel på omtrent 15° mot vinden. Den merkbare ytelsesforbedringen sammenlignet med den tradisjonelle Flettner-rotoren skyldes de ekstra tverrskivene installert på de fremre og bakre rotorene på trimaranen.
Skonnert "Bukau" med rotorseil
For første gang seiler rotorturboseil fra en tysk ingeniør Anton Flettner ble vellykket testet på en skonnert "Bukau" i 1924.
På 1980-tallet ble en mer kompleks form for turboseil utviklet av franske ingeniører ledet av oseanograf Jacques-Yves Cousteau. Den ble mest vellykket brukt på skipet Alsion.
Teknisk design
Konsept
Effektiviteten til systemet har imidlertid ennå ikke blitt gjenstand for en detaljert komparativ analyse. Turbosail-systemet ble vellykket operert på bare to skip, og Cousteau-gruppen er den eneste organisasjonen i verden som har en stor mengde data på denne enheten. Siden dedikert til Halcion på nettstedet til Cousteau Team rapporterer at Turbosail kan gi besparelser på opptil 35 % på drivstoff.
Tidlig utvikling (1981-1982): "Moulin à Vent"
Cousteau og forskerteamet hans installerte oppfinnelsen sin på en katamaran kalt "Moulin à Vent" (med fr.- "vindmølle") og testet systemet på en reise fra Tanger til New York. Passasjen nærmet seg slutten da skipet ikke langt fra den amerikanske kysten måtte møte vinder med fart over 50 knop. Sveisene som holdt turboseilet oppreist brøt og prototypen styrtet i sjøen.
Prototypesystemet besto av et enkelt rør, malt mørkeblått. Fartøyets forskningsprogram hadde som mål å bestemme effektiviteten til systemets skyvekraft. Selv om turboseilet ga skyvekraft og energi, var det i mindre mengder enn de konvensjonelle seilene og generatorene det erstattet. Strukturelle problemer med systemet førte til vridning av strukturen og tilsynekomsten av sprekker i bunnen av seilet (på grunn av metalltretthet). Alt dette reduserte effektiviteten til turboseilet betydelig. Når den grunnleggende ideen var bekreftet, sluttet Cousteau og teamet hans å jobbe med prototypen, og fokuserte helt på det større fartøyet, Alcion.
"Alsion"
Cousteau brukte sin ervervede erfaring til å bygge et nytt skip. Sammen med skipsbyggingsingeniører utviklet han et aluminiumsskrog som var sterkt og lett. En katamaranlignende hekk ga fartøyet stabilitet, og en enkelt baug ble innlemmet i designet for å skjære gjennom bølger og lette bevegelse i grov sjø. To turboseil var montert på dekk, og to dieselmotorer drev superladerne. Skipet ble oppkalt etter Alcyone, datter av den gamle greske vindguden Aeolus.
Under byggingen av Halcyon (startet i 1985) ble resultatene av arbeidet med Moulin a Vent tatt i betraktning. Ved å bruke to turboseil med redusert sideforhold ble belastningen på metalloverflatene betydelig redusert. Begge seilene inkluderte også aksiale turbiner for å generere energi, og systemet ble styrt av datamaskiner, som var blitt billigere på den tiden. Datamaskiner koordinerte driften av turboseilene og dieselmotorene, og startet sistnevnte når vinden stilnet helt og stoppet dem når vindhastigheten var tilstrekkelig. Bare 5 personer var nok til å betjene skipet.
På 1980-tallet gjorde Cousteau Alsion til flaggskipet til gruppen hans og den viktigste flytende basen for forskning. Skipet omringet verden og samlet informasjon om bruken av turboseil under forskjellige værforhold, og bekreftet fullt ut skapernes intensjoner.
Økonomers beregninger viser at i dag kan ikke skip som bruker vind til fremdrift – vindskip – konkurrere med skip som har en konvensjonell mekanisk motor. Blant de mange grunnene til at lastevindskip i dag anses som uegnet for utbredt bruk, vil jeg dvele ved to, fra vårt ståsted, de mest alvorlige. Begge er av grunnleggende karakter.
Dessverre, i forhold til en av dem, er en person praktisk talt hjelpeløs, og til og med tid kan ikke endre noe her. Denne grunnen er objektivt sett relatert til den faktiske fattigdommen til vindenergi-"forekomster". Vind er overalt, men dens potensielle evner er så å si smurt utover overflaten av planeten vår. Områder med stabil vind som soner med konstant passatvind er sjeldne. Vinden varierer i styrke og retning; dens gjennomsnittlige hastighet, som egenskapene til et seil eller annen vindfremdrift er avhengig av, er lav. Følgelig er den kinetiske energien til den lokale luftstrømmen og de trykkfallene som kan realiseres på arbeidselementene til vindturbiner små. Det er ekstremt skuffende at naturen av det enorme antallet boblende tonn atmosfære (5,5X10 15 tonn), tildeler vår andel bare de smulene som faller inn i "korridoren" med en bredde som ikke er mer enn lengden på skipet og en høyde (for å være realistisk) ikke mer enn flere titalls meter. Kort sagt, forekomstene av det dyrebare "fossilet" er enorme, de totale reservene er enorme, men vi kan bare bruke en liten del av dem.
Man kan ikke regne med å endre denne situasjonen naturbestemt. Det er klart at hovedinnsatsen må rettes mot å øke effektiviteten til vindkraftverk (WPP). I tilfelle av skipsbevegelse - for å oppnå maksimal drivkraft med en vind i en gitt retning og styrke.
Eksisterende versjoner av vinddrevne, varierte i design, operasjonsprinsipp, deres fordeler og ulemper, har i de fleste tilfeller arbeidskropper i form av en aerodynamisk vinge. På en full kurs er ethvert seil en vinge som opererer i en ugunstig "superkritisk" modus. På en kurs skarp mot vinden har et godt seil alle hovedfordelene til en ekte vinge. I sportsskipsbygging har stive og halvstive vingeseil lenge vært brukt.
For å evaluere effektiviteten til slike forskjellige enheter, kan to forhold brukes: en - mellom kraften realisert av enheten og strømningshastigheten, den andre - mellom størrelsen på løftekraften og drag.
Det første forholdet presenteres mest praktisk i form av to "dimensjonsløse" egenskaper:
hvor Y er løftekraften; X - frontal motstand; S - karakteristisk område; C y, C x - henholdsvis løfte- og dragkoeffisienter; V er hastigheten på strømmen som kommer inn i enheten.
Det andre forholdet kalles aerodynamisk kvalitet
Etter vår mening, uavhengig av designtypen til en bestemt vindturbin, uavhengig av hvordan vingeelementene er ordnet i dens dimensjoner, kan effektiviteten til fremdriftsenheten i beste fall bare nærme seg effektiviteten til en perfekt vinge med passende dimensjoner . For en slik vinge, selv ved høy K, overstiger ikke maksimalverdiene for Cy verdier i størrelsesorden 1,0-1,1. Disse tallene definerer i hovedsak den øvre grensen for de moderate egenskapene til vindturbiner av klassen som vurderes. Dette er den andre grunnen til dagens mangel på konkurranseevne til vindturbiner.
Å lage spådommer innen teknologi og vitenskap er en verdig oppgave, men også veldig vanskelig. Det vil være veldig bra hvis den pessimistiske konklusjonen uttrykt ovenfor viser seg å være feil. Imidlertid er kompleksiteten til problemet under diskusjon bevist av det faktum at "te"-klipperne trengte et stort antall seil, og selv i design av moderne vindturbiner er seilvingene av enorm høyde.
Tilsynelatende må vi se etter nye typer og design av vindturbiner. Et av de mulige og lovende alternativene er A. Fletner-rotorer - fremdriftsmotorer som opererer med energiforsyning. De er vertikale sylindre montert på dekket og drevet av en liten hjelpemotor. Som eksperimenter og deretter erfaring med drift av rotorfartøy har vist, kan tilførselen av en relativt liten mengde mekanisk energi for å rotere rotorene øke løftekoeffisienten betydelig, og derfor redusere det effektive seilarealet til et vindfartøy betydelig sammenlignet med den klassiske prototypen. .
Effekten av fremveksten av en løftekraft på en roterende sylinder strømlinjeformet av en luftstrøm (Magnus-effekten) ble forklart i 1852 av Berlin-fysikeren G. Magnus, som var engasjert i forskning på ballistikk - lover for prosjektilbevegelser som mottatt rotasjon i riflet løpet av en pistol, under påvirkning av en sidevind, var merkelige endret banen på en måte i strid med den ballistiske kurven beregnet for dem. Dette fenomenet ble senere diskutert i arbeidet til den berømte fysikeren Lord Rayleigh, "The Irregular Flight of a Tennis Ball." Det særegne med en spinnende tennisball (fotball eller volleyball) er at den, under påvirkning av Magnus-effekten, ved et visst forhold mellom flyhastighet og rotasjon, regulert av den angripende siden, kan falle helt ned på spillefeltet på et sted. uventet for "fienden".
For bedre å forstå prinsippet om drift av en roterende fremdriftsinnretning, la oss forestille oss et bilde av en ideell homogen strømning som strømmer rundt en stasjonær sylinder, det vil si en væske uten viskositet (fig. 1, a). La væsken strømme inn på sylinderen med hastighet V 0 . Når væskepartikkelen beveger seg fra punkt A til sylinderens tverrsnitt, øker hastigheten, og i punktene B og B 1 blir lik 2V 0. I henhold til den velkjente Bernoulli-loven skal trykket i strømmen ved disse punktene på sylinderen reduseres tilsvarende sammenlignet med trykket "i det uendelige" (fig. 1, d). I dette tilfellet er trykket fordelt symmetrisk i forhold til xx- og yy-aksene.
Hvis den ikke-roterende sylinderen som før flys rundt en ekte væske eller gass som har viskositet, endres strømningsmønsteret (fig. 1, b). Væskepartiklene, etter å ha passert seksjonen B-B 1, bremses ned som et resultat av påvirkningen av friksjonskrefter, og ved punktene B og C 1 bryter et lag av partikler bort fra overflaten av sylinderen, symmetrien til strømmen er ødelagt, og et område med lavt trykk - sjeldenhet - vises på baksiden av sylinderen. Det forårsaker utseendet av dragkraft X.
Tenk deg nå at en sylinder plassert i en ekte, tyktflytende, generelt stasjonær væske blir gitt rotasjon rundt sin akse (fig. 1, c). Sylinderens overflate vil involvere i bevegelse laget av væskepartikler nærmest den, som ser ut til å feste seg til sylinderen. Det neste laget med partikler vil rotere med lavere hastighet på grunn av at lagene glir i forhold til hverandre - hastigheten vil avta proporsjonalt med avstanden til partiklene fra overflaten av sylinderen. Ved tilstrekkelig stor avstand vil væsken forbli ubevegelig, dvs. V c =0. Dermed vil sylinderen være omgitt av en virvlende flyt av væske, hvis rotasjonsintensitet måles ved sirkulasjon - produktet av hastigheten til partikler og lengden på deres sirkulære bane. På overflaten av sylinderen, sirkulasjon Г=V c ·2πr 0, hvor V c er partikkelhastigheten; r 0 - radius av sylinderen.
For å forestille strømmen rundt en roterende sylinder plassert i en jevn strømning, kan du bruke prinsippet om å legge to av skjemaene diskutert ovenfor oppå hverandre (fig. 2, a). På et hvilket som helst punkt på overflaten av sylinderen kan den totale hastigheten til partikler bestemmes ved å legge til hastighetene som tilsvarer den symmetriske strømmen rundt en ikke-roterende sylinder og de tangentielle hastighetene med sirkulasjonsopprinnelse. For eksempel, ved punkt B, er den første hastigheten 2V0, den andre hastigheten er Vc; total hastighet 2V 0 +V c . Ved punkt B 1 er tangentialhastigheten V c rettet mot strømningshastigheten 2V 0 ; den totale hastigheten vil være 2V 0 -V c. Som et resultat av den resulterende forskjellen i hastigheter (og dermed trykk), oppstår en løftekraft Y på over- og undersiden, som har en tendens til å løfte sylinderen oppover. Dette er Magnus-effekten som brukes i A. Fletners roterende fremdriftsenhet. Størrelsen av løftekraften på rotoren avhenger av forholdet mellom hastigheten til den roterende delen av bevegelsen til rotoroverflatepunktene Vc og hastigheten til luftstrømmen V0 som treffer innretningen.
En person kan ikke kontrollere vinden, men han kan fullstendig kontrollere verdien av V c: ved hjelp av en motor kan du rotere sylinderen raskere og langsommere; Følgelig kan størrelsen på løftekraften kontrolleres.
Når det gjelder strømning rundt en konvensjonell vinge, er en symbolsk oppdeling av den resulterende strømmen tillatt i irrotasjon og "virvel". For det første oppstår sirkulasjon når væskelag som strømmer rundt den øvre og nedre overflaten av vingen skilles fra dens skarpe bakkant i form av en såkalt "startvirvel". I fremtiden er den bevart, og gir en jevn flyt rundt bakkanten; Med konstant vingeometri bestemmes hastigheten til den sirkulerende strømmen av angrepsvinkelen a og hastigheten til hovedstrømmen V 0 . Dermed kan mengden av løft av vingen kontrolleres ved å endre angrepsvinkelen.
Sammenligningen av fordelene med en vinge og en roterende sylinder kan fortsettes basert på resultatene av A. Fletners eksperimenter, men først en omstendighet bør tas i betraktning. Ovenfor betraktet vi strømmen rundt tverrsnittet av en sylinder og en vinge i ett plan - en todimensjonal væskestrøm. Faktisk har både sylinderen og vingen en begrenset lengde, eller spennvidde. Ved endene av sylinderen strømmer væske fra området med høyt trykk til siden av sjeldnere, og ytterligere og uønskede virvelstrømmer oppstår. Følgelig avtar størrelsen på løftekraften, og ytterligere "induktiv" motstand oppstår. Jo større lengde på sylinderen sammenlignet med dens diameter, jo lavere slutttaper og induktiv reaktans. Disse tapene kan reduseres ved å installere aerodynamiske skiver i endene av sylinderen.
I fig. Figur 3a viser resultatene av eksperimentelle målinger av løftekoeffisienten C for en roterende sylinder med en relativ forlengelse L/D = 4,7, utstyrt med og uten aerodynamiske skiver. For en roterende fremdriftsenhet installert på et skip, kan bunnskiven være dekket; å feste en skive med en diameter på 1,7D til den øvre enden av rotoren vil ikke være vanskelig. Derfor kan vi anta at det ikke er vanskelig å oppnå en løftekoeffisient C y =9 for en ekte rotor installert på et skip. Og dette er mye høyere enn løftekoeffisienten til den mest avanserte vingen, og enda mer (10 ganger) høyere enn den samme koeffisienten som bestemmer det beste seilet!
Grafen viser at løftekraften på rotoren øker til V c /V 0 =4. Dette betyr at rotorhastigheten kanskje ikke er for høy. Jo større rotordiameter, jo lavere rotasjonshastighet kreves for å oppnå maksimal løft. Et annet viktig funn; Når f.eks. en ikke-planlagt økning i vindhastighet oppstår, synker løftekoeffisienten automatisk. Dette betyr at under en byge øker ikke krengemomentet på et roterende skip i så stor grad som på en konvensjonell seilbåt.
La oss nå gå til grafen for avhengigheten av rotormotstandskoeffisienten C x av den relative hastigheten V c /V 0 (fig. 3, b). Allerede ved V c /V 0 ≥2 øker rotormotstanden kraftig, noe som gir en reduksjon i rotorens aerodynamiske kvalitet sammenlignet med vingen.
Den aerodynamiske karakteristikken til rotoren som en fremdriftsanordning kan være en polar - en graf over endringer i C y avhengig av verdien av C x og, som antydet, forholdet V c /V 0 (fig. 4). Til sammenligning, i fig. 4 viser polariteten til et gaffeseil, vanligvis brukt til å rigge skonnerter.
Ved å analysere forholdet C y / C x for begge typer fremdrift, kan man legge merke til at kvaliteten på skråseilet er høyere, men per enhet seilareal (husk, for en rotor er dette diameteren multiplisert med høyden) en betydelig høyere løftekraft kan oppnås på rotoren.
La oss nå se hvordan kreftene som virker på rotoren omdannes til en trekkraft som beveger skipet (fig. 5). Det bør tas i betraktning at rotoren er omgitt av en luftstrøm, hvis hastighet og retning (v in) er forskjellig fra hastigheten og retningen til vinden (v og). Siden skipet beveger seg, vises en motstrøm av luft (v til), som må legges til i henhold til regelen om å summere vektorer med den sanne vinden.
Summen av løftekraften Y og draget X på rotoren gir den resulterende aerodynamiske kraften R, som også kan betraktes i koordinatsystemet knyttet til skipet, i form av to komponenter - skyvekraften T og driften D Åpenbart, som ethvert seilskip, vil ikke rotorfartøyet kunne gå direkte mot vinden. Det er viktig at kraften R produserer en komponent T rettet mot baugen på skipet. Jo lavere rotorens kvalitet er, desto større er minimumsverdien av kursvinkelen φ k (for eksempel ved K = 1,4 φ k = 35°; ved K = 3 φ k = 18°, etc.). Tester har vist at roterende fartøyer er i stand til å seile i en vinkel til den sanne vinden φk = 25-30°.
Rotoren gir maksimal skyvekraft på bakstagskursen. I dette tilfellet er den tverrgående komponenten av den aerodynamiske reaksjonen D rettet mot vindsiden, dvs. den motvirker bøyemomentet (se fig. 5, b). På en kurs nær jibbe, er løftekraften til rotoren rettet vinkelrett på kursen, det vil si at den bare bidrar til avdrift og rulling av fartøyet. Trekk er gitt på grunn av drag, så det gir ingen mening å rotere rotoren. Men på denne banen er skyvekraften en liten brøkdel av dens maksimalt mulige verdi.
Grafisk er endringen i skyveverdien til det roterende fremdriftssystemet avhengig av fartøyets kurs vist i fig. 6.
Ved å endre rotasjonsretningen til rotoren kan du endre virkningsretningen til den aerodynamiske kraften R nesten til det motsatte. Hvis et par rotorer er installert på fartøyet, kan det bevege seg fremover, bakover og snu nesten på stedet (fig. 7).
I fig. Figur 8 viser de beregnede kurvene for luftmotstand og aerodynamisk kraft på rotorene til A. Fletners fartøy «Bukkzu». Rotasjonshastigheten til rotorene er konstant, men hastigheten på luftstrømmen endres, det vil si at en økning i vinden simuleres. På en vanlig seilbåt i en slik situasjon fjernes noen av seilene eller skjær tas. Du kan ikke ta skjær på et roterende skip, men når vindhastigheten øker, som kan sees av grafen i fig. 8, øker ikke krengekraften på rotoren. Hvis rotoren stoppes (V c = 0), vil den aerodynamiske reaksjonen være mye mindre enn til og med dragkraften til sparren og riggingen til en konvensjonell seilbåt med seilene tilbaketrukket. Verken et seil, eller (enda mer) en stiv seilvinge har slike egenskaper.
Eksperimenter har vist at strømforbruket for å rotere rotoren ved den optimale frekvensen bokstavelig talt er en prosentandel av kraften realisert av den roterende fremdriftsenheten for å flytte fartøyet.
Data om skip A, Fletner er gitt i tabellen. I løpet av kort tid bygde og testet en driftig oppfinner (eller ressurssterk gründer) fem flytende enheter.
Den første var en tre fots modell av Danzig roterende rover, utstyrt med en rotor limt sammen av tykt papir. En fjærklokkemekanisme ble tilpasset for å rotere den. I dette eksperimentet gjorde Fletner ingen målinger, han sjekket bare det han selv ikke tvilte på og det motstanderne hans nektet å tro: kan en rotor tjene som fremdriftsanordning for et skip?
Det var mange motstandere, først og fremst G. Magnus selv, som etter å ha gjort oppdagelsen anså det som praktisk talt ubrukelig. På den tiden trodde A. Fletner, som var på utkikk etter en mer effektiv erstatning for det tradisjonelle seilet, oppriktig på løftet om stive vingeseil. Han klarte å utvikle et prosjekt for ombygging av en flytende barkentin og inngikk en avtale med verftet og med det aerodynamiske laboratoriet, hvor forsøk med en mekanisert vinge startet. Det måtte skje at det var på dette tidspunktet at oppfinneren hadde ideen om muligheten for å lage et roterende fartøy! Oppfinneren trengte tillit til det endelige resultatet. Den aller første lille modellen ga ham denne selvtilliten.
Laboratorieforsøk fulgte. Fletner nøt konsultasjoner og støtte fra så kjente forskere som A. Betz, I. Ackeret og L. Prandtl. Resultatet av dette arbeidet var omutstyr og testing av rotasjonsversjonen av det tidligere seilskipet "Bukkau" (fig. 9). Dette er det første rotorflyet som går til sjøs. «Bukkau» tålte lett kraftig vind og seilte like skarpt mot vinden som seilskuter utstyrt med skråseil. Rotorfartøyet viste også bemerkelsesverdig manøvrerbarhet. På den første fraktflyvningen fra Danzig (Gdansk) til den skotske havnen Grangemouth var værforholdene svært vanskelige. Som avisene skrev, i slikt vær og vind, kunne ikke et eneste seilskip gå inn i Firth of Forth, der Grangemouth ligger. Et år senere, da rotorfartøyet, som skiftet navn til «Baden-Baden», krysset Atlanterhavet, ble sjømennene sterkt imponert over det faktum at skipet uavhengig nådde nesten selve kaiveggen i havnen i New York.
Inspirert av suksess var oppfinneren overbevist om at han ville bli en reformator innen fraktfart. Men dette var ikke nok for ham: A. Fletner utstyrte to yachter med rotorer. Resultatene av dette eksperimentet var også lovende. Den elleve meter lange yachten (fig. 10) seilte perfekt; i lett vind var den noe dårligere i fart enn prototyper utstyrt med seil, og i sterk vind overtok den dem. Kraften som kreves for å rotere sylinderen var 1-2 liter. Med.; makshastigheten under sjøprøver var ifølge forfatteren 12-13 knop.
A. Fletners siste rotorfartøy og det siste rotorfartøyet som pløyde havet til dags dato var «Barbara» – det første skipet spesielt bygget for roterende fremdrift. Det var ment å installere en rotor med en høyde på 29,9 m og en diameter på 7,04 m Men på den tiden kunne ikke industrien produsere kulelagre i de nødvendige størrelsene, så tre rotorer dukket opp på Barbara. Størrelsene deres var litt større enn de som fungerte pålitelig på Bukkau.
Foreløpig er ikke rotorfly bygget og flyter ikke. Etter å ha dukket opp på 20-tallet, forsvant de umiddelbart. Alt som gjenstår er erfaring, som gjør at vi kan oppsummere fordelene og ulempene med roterende propulatorer.
Rotoren har en høy løftekoeffisient (2,5-10,0) kontra seilkoeffisienten (1,0-1,1).
Fremdriftsenheten er enkel å vedlikeholde (10 seil av Bukkau barquentine eller to rotorer kontrollert fra broen, hva er lettere?).
Rotoren når driftsmodus i løpet av få minutter, mens innsetting og tilbaketrekking av seilene tar svært lang tid. Mannskapet på et roterende skip frigjøres fra hardt og farlig arbeid på verft og master. Det roterende kjøretøyet har god manøvrerbarhet. Når det blåser dårlig, øker de aerodynamiske kreftene på rotoren i mye mindre grad enn på seilene, så et roterende fartøy er mindre utsatt for faren for stor slag eller kantring. Til slutt kan rotoren brukes både som hovedenhet og som hjelpemotor: den vil øke hastigheten med flere knop eller spare drivstoff.
Listen over fordeler er imponerende, men hvorfor er det ingen roterende skip på havruter i dag? Sannsynligvis fordi rotoren ikke bare har fordeler, men også ulemper. Vi nevnte dem bare kort, siden dette ikke er hovedsaken.
Rotorkjøretøyer dukket opp i en periode med menneskets rus av gledene ved teknologiske fremskritt. Kull, etterfulgt av olje - hva kunne motstå dem? Dampbåtrøyk så ut til å være et symbol på menneskelig makt. Og fart, fart, fart...
Og hvis ikke olje, ikke kull og ikke fart? Så - problemer, problemer og - helt nye skip. Kanskje ligner litt på roterende kjøretøy?
Fra redaktøren
Forfatterne av artikkelen "Rotor igjen?" viste oss overbevisende fordelene ved Anton Fletners ufortjent glemte roterende kar. Og de beviste at roterende fartøy, forbedret under hensyntagen til de siste prestasjonene innen vitenskap og teknologi, under visse forhold kan vise seg å være svært effektive og kostnadseffektive.Det er ganske åpenbart at deres viktigste fordel fremfor alle klassiske typer seilvåpen er enkel kontroll. Selv på 20-tallet ble det oppnådd fullstendig mekanisering som forbløffet samtidige - ingen mannskap på gårdene, bare en vaktmann som trykket på knappene! Redusere byggekostnadene med det halve sammenlignet med tradisjonelle seilrigger; høy pålitelighet, relativ enkelhet og holdbarhet av designet; en mindre takvinkel enn windjammers - disse ubestridelige fordelene med rotoren rettferdiggjør å vende seg til opplevelsen for et halvt århundre siden.
Tro ikke at det som er sagt bare er en spekulativ konklusjon fra teoretikere. Her er meningen til kapteinen på Barbara; "Rotorer er en lovende løsning, spesielt for store skip på lange reiser." B. Richter, medeier i selskapet som opererte dette og det eneste roterende fartøyet av spesiell konstruksjon som gjenstår så langt, sa: "Rotorer bidrar til å øke gjennomsnittshastigheten med 2-3 knop," og anbefalte bruk på skip beregnet for transoseaniske reiser.
I våre dager har den stadig økende interessen for alle typer vindkraftverk tvunget ingeniører og kapteiner til å huske oppfinnelsen til A. Fletner. I dag snakker vi om rotorer som først og fremst et hjelpemiddel for fremdrift som sikrer drivstofføkonomi på eksisterende lasteskip.
For eksempel er forslaget til den berømte engelske designeren av mange originale seilskip, Colin Mudie, kjent. Ideen hans er å lansere produksjonen av modulære rotorenheter med innebygde elektriske drivmotorer. Det vil ikke være vanskelig å installere nødvendig antall slike installasjoner på dekk, levere strøm fra skipets kraftverk og bringe styringen av rotorene til kontrollpanelet i loshuset.
En annen engelskmann, Dr. D. J. Wellicum, foreslo å installere rotorer på et 150 meter langt moderne fartøy, hvor kraften til hovedmotoren ble redusert til en verdi som gir en hastighet på 9 knop. I følge beregninger, under gunstige vindforhold, vil hastigheten til et slikt fartøy (når 50 % av den tilgjengelige kraften brukes til å rotere to rotorer med en diameter på 12,5 m og en høyde på 75 m fra den vertikale linjen) være 23 knop. .
En annen engelskmann, Stephen Baron, i 1977, utviklet i detalj ideen om å installere tre rotorer med en høyde på 53 m og en diameter på 12,5 m på et seriell bulkskip (skip for bulklast) med en lengde på 226 m og en bæreevne på 63 800 tonn Det ble foreslått å lage sylindrene sveiset av lettvektslegering Elektrisitet til drivmotorene vil bli levert av en dieselgenerator med en kapasitet på ca 750 hk. Med. Ved seiling i gulfvind og i vind på 8,5 m/s vil forventet fart på fartøyet med avslått hovedmotor være 16 knop. Selv om rotorene bare fungerer 30 % av den totale driftstiden, vil den årlige besparelsen på grunn av redusert drivstofforbruk være minst 400 tusen dollar. (Økende priser i løpet av de siste fem årene har økt dette tallet betydelig!) Til slutt har samme forfatter et design for et katamaranforskningsfartøy med to helt nedsenkede sigarformede 75-meters skrog og en overflateplattform der to rotorer er installert.
I vårt sentrale forskningsinstitutt for marineflåten er det utført evalueringsstudier på et alternativ med installasjon av tre 34,5-meters rotorer på et seriell tankskip med en lastekapasitet på 27 000 tonn (se samlingen av verkene til NCC "Forskning, design og konstruksjon av seilskip", Nikolaev, 1982) viste at bruk av rotorer samtidig med drift av hovedmotoren sikrer at den vanlige hastigheten (15,2 knop) opprettholdes mens strømforbruket, og dermed drivstofforbruket, er redusert med 15-35 %.
Alt dette er imidlertid, som vi ser, bare mer eller mindre utviklede prosjektforslag. På en eller annen måte, etter "Barbara" er det ingen informasjon om konstruksjonen av roterende fartøyer noe sted. Og dette er åpenbart ikke en ulykke.
Hovedargumentet til motstandere av rotoren er behovet for stag både når du seiler skarpe kurs mot vinden, og når du seiler hele kurser - fra et bratt bakstag til en jibbe (tross alt reduserer dette effektiviteten til vindfartøyet betydelig ved bruk de klassiske banene til seilskuter med konstant medvind). Samtidig har det lenge vært kjent at når man seiler med medvind, er direkte våpen som ikke lar seg mekanisere mest effektive. Det er ikke overraskende at en rekke forskningssentre har kommet opp med den samme fristende ideen: å kombinere fordelene med en rotor og et direkteseil.
Som rapportert av G. Alchudzhan og E. Fomina, inkluderer den andre fasen av forskning på bruk av vindfremdrift, utført av US Merchant Marine Administration, en analyse av kombinasjonen av Fletner-rotorer og klassiske våpen av klippere og vindjammere. Amerikanske forskere mener at dette "kan gi tilstrekkelig økonomisk effektivitet selv ved transport av høyt ladet last."
Som leseren kanskje allerede vet (se for eksempel avisen «Pravda» datert 18. oktober 1982), utføres lignende arbeid i vårt land. Det sentrale designbyrået til marinedepartementet har laget et aerodynamisk fremdriftskompleks (ADC), som lar oss snakke om gjenopplivingen av den gamle rotorideen, men i en helt ny - modernisert form: i kombinasjon med en mekanisert myk rett seile. Alternativer for å installere lignende modulære ADC-er på spesifikke serieskip av vår flåte er utarbeidet, og arbeidstegninger av ADC-er blir produsert.
På forespørsel fra redaktørene snakker en av forfatterne av ADK, Georgy Mikhailovich Kudrevaty, om dette. I neste utgave av magasinet er det planlagt å publisere en artikkel om ADC-enheten og vurdere muligheten for å installere den på fortrengningsbåter.
Notater
1. For en rotor er det karakteristiske området S arealet av dens meridionale seksjon, lik produktet av diameteren O og høyden L.2. Dette er beskrevet i en veldig informativ og interessant bok av Yu Kryuchkov og I. Perestyuk "Wings of the Oceans", utgitt av forlaget "Shipbuilding".
3. I det minste for rettferdighetens skyld skal det nevnes at for et par år siden ble et selvgående roterende fartøy sett av mange av de ferierende ved Kavgolovskoye-sjøen nær Leningrad. Det var en vanlig kajakk med en rotor (to skiver på masten og en film mellom dem) rotert av en pedaldrift. I halv vind beveget kajakken seg ganske trygt, men for å snu og navigere andre kurser måtte vi ta opp åra. Oppfinneren-kajakkpadleren besøkte redaksjonen og lovet å beskrive rotasjonssystemet sitt i detalj hvis testene ble fullført,
4. Se «Skipsbygging i utlandet», nr. 1, 1982.
Jeg vil gjerne fortelle leserne av magasinet om en katamaran, hvis bevegelse ble utført ved hjelp av Magnus-effekten. Magnus-effekten er at når luft strømmer rundt et roterende legeme, genereres en kraft vinkelrett på strømningsretningen. Når en sylinder roterer, for eksempel, begynner også luftlag nær veggene å bevege seg i en sirkel, på grunn av at hastigheten på strømmen som strømmer rundt sylinderen øker på den ene siden av det roterende legemet, og på den andre siden øker den. avtar. Som et resultat dannes soner med høyt og lavt trykk nær overflaten av sylinderen, noe som fører til generering av kraft som kan brukes til å flytte skip. Dette er den samme kraften som endrer flyretningen til kuttede baller i tennis og fotball.
For å redusere luftstrømmen fra en høy- til en lavtrykkssone, er det installert skiver med større diameter i endene av sylinderen.
Eksperimenter har vist at Magnus-effekten manifesteres maksimalt i tilfellet når den lineære hastigheten til sylinderens roterende overflate er omtrent fire ganger vindhastigheten. I dette tilfellet er rotorkraften ti ganger større enn seilkraften lik arealet.
På tjuetallet ble to fartøyer med stor kapasitet utstyrt med lignende rotorer. Oka foretok til og med transatlantiske reiser, men ble ikke bygget senere, hovedsakelig på grunn av omfanget av de massive metallrotorene, som kunne få skipet til å kantre i sterk vind.
…En gang, mens jeg slappet av ved Krasnoyarsk-reservoaret, med hjelp av venner, N. Beskrovny og V. Brin, bygde jeg en katamaran med en myk sammenleggbar rotor. Vi hadde bare tre uker, så vi måtte lage en mindre effektiv Savonius-rotor, som ikke krever motor.
Savonius-rotoren består av to halvsylindriske flater, forskjøvet i forhold til hverandre med lengden på radien.
Under påvirkning av vind roterer rotoren, og dens lineære hastighet overstiger ikke 1,7 vindhastigheter. På grunn av dette er Magnus-effekten på Savonius-rotoren 2 - 3 ganger svakere enn på tvangsroterte rotorer.
Rotoren (se figur) består av to rammer - skiver og halvsylindere, sveiset av en Ø 10 mm stang. Stengene som danner rammen til halvsylindrene er forbundet med hverandre med paneler av tett stoff. Endene av rammen til begge skivene er bundet med tau. Sekskantene som er dannet på toppen og bunnen er dekket med lerret. Rotoraksen fungerer også som et tau, som gjør at seilet kan brettes.
To stoffstrimler er sydd til hvert av panelene, under hvilke medisinske gummibandasjer 6 cm brede og 80 cm lange føres; endene deres er bundet til stenger. Til panelene er det festet en avstivningsramme av Ø 4 mm stålstang.
Den fleksible akselen og tauene som gir spenning til rotoren, er bundet til monteringsbraketter koblet til støttelagrene. Vi brukte konvensjonelle kulelager; de rettferdiggjorde seg fullt ut - rotoren roterte ved det minste vindpust.
1, 2 - toppen av halvrammen, 3 - rotorskiveramme, 4 - rotorpanel, 5 - skivepanel, 6 - tau rotorakse, 7 - stoffstrimler, 8 - myk ramme (medisinsk gummibandasje), 9 - hard halvramme, 10 - taufester, 11 - U-formet mastestøtte, 12 - katamaran tverrbjelke, 13 - nedre strekkkabel, 14 - bjelkebrakett, 15 - spennkabelspak, 16 - rotoroppheng, 17 - oppheng brakett, 18 - lagerhus , 19 - lager, 20 - opphengskrok, 21 - blokk. Rattet vises ikke.
Flottørene til katamaranen er lerretsdeksler. Hver inneholder tre sylindre laget av gummiert stoff (kulekammer kan også brukes). Vi bandt flottørene til en ramme laget av drivved (det er mye av det ved bredden av Krasnoyarsk-reservoaret). Konstruksjonen av katamaranskroget er ikke inkludert i detalj, siden almanakken "Båter og yachter" snakket mer enn en gang om oppblåsbare katamaraner av bedre design enn vår.
Rotoren monteres som følger. Først blir han bundet med gummibandasjer og, ved hjelp av et tau som føres gjennom blokkene til en U-formet støtte, stiger han til toppen. Deretter strammes den manuelt med et tau som føres gjennom en ring festet i katamaranens bjelke. De siste 15 - 20 cm av tauet må trekkes ut med en spak.
Vi testet katamaranen i 10 dager i veldig lett vind. Vi betraktet vinden som sterk hvis en 30 cm lang tråd avviket med 30-40°.
Med en slik vind drev katamaranen og kunne ikke seile i en vinkel skarpere enn 100-110° i forhold til vinden. For å endre stiften var det nødvendig å snu rotoren, noe som tok oss 5-6 minutter.
Det ble ikke tatt fartsmålinger, men neste sommer seilte den samme katamaranen med et vanlig 6 m2 seil omtrent det samme som med en rotor, men med et seil manøvrerte den seg bedre.
Vi anbefaler ikke vår katamaran som et eksempel på en eksakt kopi, siden en rekke designkomponenter viste seg å være mislykkede. For eksempel burde kantene på endeskivene vært laget av stenger eller plastrør. Vår erfaring vitner bare om muligheten for amatører å bygge et fartøy med en veldig original og, etter vår mening, lovende måte å skape skyvekraft på.
Lesere som er interessert i roterende fartøyer vil helt sikkert kunne bygge bedre design. Det virker for oss mest interessant å bygge en katamaran med en sammenleggbar sylinder, som vil bli rotert av en lett forbrenningsmotor. Sylinderen kan lages i form av en oppblåsbar ballong eller ha en strekkbar design, som rotoren vi laget.
Design testet av amatører vil sannsynligvis finne anvendelse i den nasjonale økonomien.
Etter vår mening kan oppblåsbare eller strekkbare rotorer med elektriske motorer installert ved hjelp av lastebommer brukes som hjelpemotorer på lasteskip.
Kandidat for sjøfartsvitenskap V. DYGALO, professor, kontreadmiral. Tegninger av forfatteren.
Den russiske firmastet barken "Kruzenshtern" er den eneste representanten for den "flygende linjen P" som har overlevd til i dag. Bygget i 1926 i Tyskland og fungerer fortsatt som et treningsskip, og hjelper til med å trene nye generasjoner av russiske marineoffiserer.
Mesteren blant seilskutene er den femmaste kjempen Preussen.
Det raskeste seilskipet, teklipperen "Cutty Sark".
Jeg vil. 1. Magnus effekt.
Det første roterende skipet "Bukau".
Et skip med seilvinge vindfremdrift.
Lasteskip "Dina-Schiff".
Tankskip "Shin Eitoku Maru".
Et fartøy med vertikale luftturbiner av roterende type.
Det er like umulig å svare på spørsmålet om når seilet ble oppfunnet, akkurat som det er umulig å navngi forfatteren av de berømte paleolittiske "Venuses" - primitive kvinnelige skulpturer funnet av arkeologer på forskjellige steder på det eurasiske kontinentet. Kanskje begge to – seilet og «Venus» – dukket opp samtidig, i eldre steinalder? Vi kan bare gjette om dette. Det eneste vi kan si med sikkerhet er at for 6000 år siden eksisterte seilet allerede – egypterne brukte et rett seil når de seilte langs Nilen.
Utviklingen av seilet gikk parallelt med menneskehetens utvikling og nådde sitt høydepunkt ved midten av 1800-tallet, da de berømte "vindpresserne" - teklippere - dukket opp, og ved begynnelsen av 1900-tallet - ikke mindre kjente skip av typen "Flyins P" ("Flying P") fra Hamburg-selskapet "Laesh." Hennes femmastede skip "Preussen" ble på begynnelsen av 1900-tallet ansett som det største seilskipet i verden: registerkapasitet - 5081 tonn, deplasement - 11 000 tonn (30 av dem på fem master var rette). Uansett hvor stor rolle de første jernskipene drevet av en dampmaskin hadde, var det 1800-tallet som med rette kan kalles treseilende lasteskips storhetstid. Designere fortsatte å jobbe for å forbedre kvaliteten på seilskip, og forsøkte å øke hastigheten, noe som ble en av hovedfaktorene i den økende konkurransen til handelsselskaper. To land var i ledelsen i skipsbyggingskonkurransen - USA og England.
Amerikanerne var de første til å bygge veldig lette, slanke og raske skip - klippere. Men britene sakket ikke etter, og veldig snart begynte virkelige konkurranser mellom engelske og amerikanske seilskip.
Gjennomsnittlig forskyvning av skipene var 1000-2000 tonn, men noen av dem hadde en forskyvning på opptil 3500-4000 tonn. Lengden deres var seks ganger større enn bredden. Så dukket det velkjente prinsippet om skipsbygging opp - "lengdeløp." Ved å lage denne typen skip, skapte skipsbyggere et ekte mirakel. Klipperskroget var kompositt: kjølen og rammene var av jern, skroget var av tre, dekket i undervannsdelen med kobberplater for å forhindre begroing av alger. Takket være dette ble lettheten til fartøyets struktur sikret uten at det gikk på bekostning av styrken.
For å redusere mannskapsstørrelsen til 23-28 personer og lette deres arbeid til sjøs på disse seilbåtene, ble teknologiske prestasjoner fra midten av 1800-tallet brukt: skruestyringsdrev, håndvinsjer med girdrift, pumper med svinghjul og andre mekanismer. På "havets skummer" var alt underordnet å oppnå den høyeste hastigheten. Lange og slanke, med et skrog så glatt som en åls kropp, hadde klippeskipene elegant buede, skarpe stengler som skar gjennom bølgene som en kniv. "Skyskraper"-master og superlange baugspryd bar en slik overflod av seil at det ikke lenger var mulig å overgå. De berømte teklipperne ble ansett som de raskeste: hastigheten deres nådde 20 knop (37 km/t). Mer enn ti meter i sekundet - det er hvor fort det tusentonns skarpnede skipet fløy (det stemmer, fløy!) fra bølge til bølge. Hvert år ga handelsselskaper en spesiell bonus til skipet som skulle være det første til å bringe ny høstete fra Kina – derav navnet. Sammenlignet med typene seilrigger fra tidligere århundrer, i stedet for de hittil vanlige tre eller unntaksvis fire lag med rette seil, bar en fullrigget klipper opp til syv rette seil på hver mast. Navnene deres (begynner fra bunnen) blant engelske seilere hørtes slik ut: nedre seil (forseil eller storseil), nedre toppseil, øvre toppseil, toppseil, toppseil, "kongelig" seil, "sky" seil, "måne" seil ( eller "skyskraper"). I tillegg til hovedseilene som er oppført på sidene, ble det i tilfelle medvind installert ekstra reveseil på tynne runde "trær", lisels som strekker seg langs gårdene, og stagseil ble installert mellom mastene. Det totale arealet av alle seilene var 3300 m2 eller mer. Da klipperen seilte for fullt med gunstig vind, virket det fra siden som en hvit sky fløy over havoverflaten. For deres ynde, strømlinjeformede former, overflod av seil og fart, fikk klipperen et annet navn - "windjammers" ("vindklemmere").
Teløp har blitt til reell konkurranse i fart. For eksempel, i 1866, forlot fem klippere med en last med te fra Fuzhou (Kina) nesten samtidig. Dette fartsløpet var en av de mest spennende sjøreisene halvveis rundt i verden. Hver av de fem ambisiøse kapteinene drømte om å komme først til London. I racing sto alt på spill. Et av seilskutene, Ariel, seilte med stor slag i mange timer i strekk under en kraftig storm i Atlanterhavet. Bratte bølger rullet over dekket på klipperen. Men i stedet for å fjerne minst ett seil, lektet mannskapet tett ned lukene og alle andre åpninger med lerret. For å unngå å bli vasket over bord, bandt sjømennene seg på arbeidsplassene sine med spesielle tau. Kampen mot elementene fortsatte i nesten et halvt døgn. Skipet gikk seirende ut. Den 6. september, etter å ha brukt mindre enn 99 dager, ankom «Ariel» England... Etter åpningen av Suez-kanalen i 1869 ble seilskipsflyvninger på «te»-linjen ulønnsomme. "Ariel" gjorde strøjobber, og fraktet kull fra England til Japan og Australia.
Og likevel, for en kort tid, kom klipperskip tilbake på moten. Australia begynte å produsere mye ull, som Europa og Amerika trengte. Det var ikke nok dampskip som var i stand til å seile så lange avstander uten ekstra lasting av kull, så vi måtte ty til seilskutenes tjenester. I oktober 1885 la seks klippere av gårde fra den australske havnen Sydney til England, og blant dem var Cutty Sark, som ble kalt "Queen of the Seas" for sine vakre linjer, enorme seilkapasitet og sjødyktighet. På den sekstisyvende dagen av reisen ankom Cutty Sark London før noen andre. Dette var en enestående rekord for seilskuter. Og ikke bare seiling, men også damp. På vei tilbake overtok klipperen det raskeste passasjerskipet på den tiden, Britannia. De sier at vakthavende offiser, som vekket kapteinen, sa:
Herr! Gå ut på broen, noe ekstraordinært skjer - en seilbåt overkjører oss!
Kapteinen smilte og flyttet seg ikke fra plassen sin.
Hvorfor gå? Tross alt er dette Cutty Sark, og det er ubrukelig å konkurrere med den!
Tiden for klipperskip tok slutt i 1924, da en av de siste skjønnhetene, Hasperus, ble skrotet. Og bare Cutty Sark seilte til 1949.
Men med slutten av militær- og transportseilflåten tok ikke seilet slutt. Som fremdriftsanordning for sportsskip og -båter spiller og vil seilet spille en stor rolle i utdanningen av seilere i lang tid.
Rask teknologisk fremgang har blitt ledsaget av fremveksten av alvorlige miljøproblemer, noen ganger forårsaker uopprettelig skade på naturen. Katastrofer med oljetankere og enorme branner i offshore-felt bekrefter dette. Nye ideer og løsninger skal bidra til at verdens maritime flåte blir miljøvennlig. Og seilet kan bære nyhet.
Heldigvis for menneskeheten er det alltid mennesker som er i stand til å se det andre ikke legger merke til, og som har en uuttømmelig nysgjerrighet - dette er en integrert egenskap hos alle oppfinnere.
En slik person var den tyske ingeniøren Anton Flettner (1885-1961). En gang, mens han seilte på en seilbåt, og så på innsatsen til seilere som jobbet i en storm med seil i en høyde på 40-50 m, tenkte han: er det mulig å erstatte det klassiske seilet med noe ved å bruke samme vindstyrke? Refleksjoner tvang Flettner til å huske sin landsmann-fysiker Heinrich Gustav Magnus (1802-1870), som i 1852 beviste at den resulterende tverrkraften som virker på et legeme som roterer i en strøm av væske eller gass som strømmer rundt det, er rettet i retningen der strømningshastigheten og rotasjon kroppene matcher.
Magnus bekreftet tilstedeværelsen av en slik effekt senere i et forsøk med vekter. En sylinder med en motor koblet til den ble plassert horisontalt på en av bollene deres, og balanserende vekter ble plassert på den andre. Sylinderen ble blåst med luft, men inntil motoren ble slått på, forble den ubevegelig og balansen på vekten ble ikke forstyrret. Man måtte imidlertid bare starte motoren og derved få sylinderen til å rotere, da skålen der den var plassert enten steg eller falt - avhengig av hvilken retning rotasjonen gikk. Med dette eksperimentet fastslo forskeren: hvis en luftstrøm strømmer inn i en roterende sylinder, blir strømnings- og rotasjonshastighetene på den ene siden av sylinderen lagt til, og på den andre trekkes de fra. Og siden høyere hastigheter tilsvarer lavere trykk, oppstår en drivkraft vinkelrett på strømmen på en roterende sylinder plassert i en luftstrøm. Den kan økes eller reduseres hvis sylinderen roteres raskere eller langsommere. Det var Magnus sine eksperimenter som ga Flettner ideen om å bytte ut seilet på skipet med en roterende sylinder. Men tvil oppsto umiddelbart. Faktisk, på et stort skip vil slike rotorer se ut som enorme tårn 20-25 m høye, som i en storm vil skape en kolossal fare for skipet. Disse spørsmålene måtte besvares, og Flettner begynte sin forskning.
I de siste dagene av juni 1923 utførte han sine første eksperimenter med modellen ved innsjøen Wannsee, nær Berlin. Det var en båt under en meter lang med en papirsylinder med en diameter på ca. 15 cm og en høyde på ca. 1 m. En klokkemekanisme ble brukt til å rotere den. Eksperimentene var vellykkede, men mange spørsmål gjensto, blant annet om kreftene som oppstår på rotoren under rotasjon.
Alle videre studier og relaterte målinger ble utført i laboratoriet. Resultatene deres var som følger.
Hvis overflaten til en roterende rotor utsettes for vind, endres hastigheten til sistnevnte. Der overflaten beveger seg mot vinden, avtar hastigheten og trykket øker. På motsatt side av rotoren øker luftstrømhastigheten, tvert imot, og trykket faller. Den resulterende trykkforskjellen skaper en drivkraft som kan brukes til å flytte fartøyet.
Men det mest overraskende med Flettners forskning var noe annet. Det viste seg at den resulterende drivkraften var mange ganger større enn vindtrykket på den stasjonære rotoren. Beregninger viste at vindenergien som ble brukt var omtrent 50 ganger større enn den som ble brukt på å rotere rotoren, og var avhengig av dens rotasjonsfrekvens og vindhastighet. En annen viktig omstendighet ble også klar - muligheten for å seile et roterende fartøy mot vinden med vekslende kurs (tak) nær vindlinjen. For et slikt fartøy forble med andre ord de naturlige navigasjonslovene som vanlige seilskuter brukte. Men samtidig ble dens utsikter vurdert ganske glimrende, siden rotorens areal i forhold til arealet av seilene til en konvensjonell seilbåt, sammenlignbar i forskyvning med et roterende skip, var bare 0,1-0,15 prosent , og dens (rotor) masse var omtrent 5 ganger mindre enn den totale massen av seilvåpen.
Naturligvis brukes en del av innsatsen som oppnås på grunn av rotasjonen av sylinderen på å skape avdrift (forskyvning av det bevegelige skipet fra kurslinjen), og den andre delen brukes på å flytte skipet fremover.
Å blåse i en vindtunnel viste: denne drivkraften kan økes nesten 2 ganger hvis du dekker toppen av sylinderen med en skive (i form av en flat plate), hvis diameter er større enn diameteren på selve sylinderen . I tillegg var det viktig å finne de nødvendige sammenhengene mellom vindhastighet og rotasjonsvinkelhastigheten til rotoren. Størrelsen på kraften forårsaket av rotasjon avhenger av dette; Det er derfor rotorene først ble testet i en vindtunnel og deretter på et modellskip. Forsøket gjorde det mulig å etablere deres optimale dimensjoner for et forsøksfartøy, og navnet «Flettnerrotor» har siden blitt tildelt den uvanlige fremdriftsenheten.
Den forslåtte tre-mastet skonnerten "Bukau" med et slag på 980 tonn ble brukt som første forsøksfartøy for å teste den. I 1924 ble det i stedet for tre master to sylinderrotorer med en høyde på 13,1 m og en diameter på 1,5 m. installert på den De ble drevet av to DC elektriske motorer med en spenning på 220 V. Elektrisitet ble generert av en liten dieselgenerator med en kapasitet på 33 kW (45 hk).
Testene begynte i Baltikum og endte vellykket. I februar 1925 forlot skipet "fribyen Danzig", på vei til England. I Nordsjøen måtte Bukau slite med sterk sjø, men skuta, på grunn av skikkelig reballastering, svaiet mindre enn vanlige skip. Frykt for at tunge rotorer ville påvirke fartøyets stabilitet negativt eller selv ville lide under rulling, ble ikke til virkelighet. Samtidig var været så dårlig at mange skip med samme forskyvning som Bukau søkte tilflukt i nærliggende havner. "Ikke et eneste seilskip kunne ha fullført reisen som en roterende skonnert har gjort," skrev engelske aviser.
Returreisen til Cuxhaven ble også ledsaget av stormer. Denne gangen ble Bukau lastet med kull langs vannlinjen, og hun viste nok en gang sine fordeler fremfor andre seilskuter. Bølgene rullet over dekket og knuste livbåten, men selve rotorene fikk ingen skade. Deretter ble skonnerten omdøpt til Baden-Baden, og hun foretok en annen vanskelig reise: etter å ha utholdt en kraftig storm i Biscayabukta, krysset hun Atlanterhavet og kom trygt til New York.
Det roterende fremdriftssystemet fikk stor ros. Det viste seg å være lettere å vedlikeholde enn konvensjonelle seil og gikk raskt inn i driftsmodus, og derfor bestemte de seg for å fortsette å teste. I 1924 ble det første skipet designet spesielt for seiling med roterende fremdrift lagt ned ved verftet til Weser-aksjeselskapet (Tyskland). Den fikk navnet "Barbara" og var ment å frakte frukt fra havnene i Sør-Amerika til Tyskland. Med en lengde på 85, en bredde på 15,2 og en dypgående på 5,4 m, hadde skipet en lastekapasitet på ca. 3000 tonn og en diameter på 13,1 m, men da, tatt i betraktning opplevelsen av skonnerten "Bukau" , ble den kolossale rotoren erstattet av tre, mindre - 17 m høye og 4 m i diameter. De var laget av aluminiumslegeringer med vegger litt mer enn en millimeter tykk. For hver rotor var det én motor med en effekt på 26 kW (35 hk), som utviklet 150 o/min. Med en vindstyrke 5 (8-11 m/s) i en gunstig retning (kursvinkel på 105-110 grader), tilsvarte drivkraften til de roterende fremdrivningene driften av en motor med en effekt på 780 kW (1060 hk) ). I tillegg kompletterte en 750 kW (1 020 hk) enakslet dieselenhet som drev propellen rotorkraften, slik at skipet kunne seile med en hastighet på 10 knop (18,5 km/t).
Som i hovedsak seilskip, hadde roterende skip enorme fordeler fremfor dem. Det var ikke lenger nødvendig å kalle mannskapet på dekk for å rense og sette seilene; bare en offiser (på broen) kontrollerte bevegelsen til rotorene ved hjelp av flere håndtak. Ved tettsveising (mot vinden) seilte disse skipene opp til 30 grader, mens i de fleste vanlige seilbåter er vinkelen mellom vindretningen og bevegelsesretningen minst 40-50 grader. Kjørehastigheten ble regulert av rotasjonshastigheten til rotorene, og manøvreringen ble kontrollert ved å endre rotasjonsretningen. Rotorskip kunne til og med reversere.
Kompleksiteten i utformingen av roterende fremdrivere, og viktigst av alt det faktum at skipene utstyrt med dem fortsatte å forbli seilskip med alle ulempene, hvorav den første var fullstendig avhengighet av vinden, førte imidlertid ikke til utbredt bruk av dem. .
Ikke desto mindre vendte designere igjen og igjen til ideen om å bruke vindenergi. På midten av 60-tallet av det tjuende århundre ble det opprettet spesielle designbyråer i mange maritime land som tok seg av problemet med vindfremdrift, det vil si bevegelsen av et skip ved hjelp av vindmotorer og vinddrevne. I det første tilfellet skjer omdannelsen av vindenergi til skyvekraft langs kjeden: vindmotor - transmisjon (mekanisk eller elektrisk) - propell. Ved design utmerker seg vindturbiner med en horisontal rotasjonsakse (1-, 2-, 3- eller flerbladsturbin) og med en vertikal akse, for eksempel en turbin av trommeltype; når det gjelder rotasjonshastighet - høy hastighet, med høy rotasjonshastighet (kombinerer godt med elektriske generatorer når det gjelder rotasjonsfrekvens), og lav hastighet, skaper et stort dreiemoment direkte på propellen. Ved bruk av vindmotor er ikke skipet begrenset i å velge kurs i forhold til vindretningen, men vindmotoren har lav virkningsgrad på grunn av gjentatt energiomsetning. Vindmotoren er effektiv ved vindhastigheter fra 3-4 til 12-14 m/s, og fartøyet beveger seg bedre i motvind enn i medvind; ved en vindhastighet på 15-20 m/s må den stoppes, siden det er fare for ødeleggelse.
Eksperimentelle vindturbiner av ulike design har blitt testet med suksess på yachter. På store transportskip brukes de imidlertid ikke engang som drivverk for elektriske generatorer, selv om eksperimenter i denne retningen fortsetter.
I det andre tilfellet oppstår trekkraften som trekker skipet direkte på vindturbinen, men å seile direkte mot vinden og i et visst område av kursvinkler nær denne retningen er umulig; hastighetene til slike fartøyer avhenger av vindhastigheten og er relativt lave - 7-10 knop (13-18,5 km/t). Hovedtypene av vinddrivmotorer inkluderer Flettner-rotoren, som allerede er kjent for oss, vingeseilet og det klassiske seilet, som fortsatt forbedres, og gjennom å lage nye materialer. Rynkebestandig lavsan og varmebestandig nitron, materialer laget av plast og syntetiske fibre, preget av økt styrke og letthet, dukket opp. De brukes til moderne fartøyer med seilfremdrift.
De første fullskalastudiene av vindturbiner ble utført i 1960-1967 ved Hamburg Institute of Shipbuilding, hvor designet av et lasteskip med en dødvekt på 17.000 tonn ble utviklet. Resultatene av påfølgende hardt arbeid, inkludert blåsing 50 modeller i en vindtunnel og testing i et forsøksbasseng, gjorde det mulig å bygge i 1982 skipet "Dina-Schiff", som i lang tid ikke hadde noen analoger i verden. Det er en seilbåt som kan frakte 16.500 tonn last og har imponerende dimensjoner: lengde - 160,5 m, bredde - 21 m sidehøyde - 13 m, dypgående - 9,1 m. Hver av de seks roterende mastene har fem rette seil strukket på profilerte gårdsplasser uten hull og utgjorde som helhet ett effektivt (høyt og smalt) gigantseil med et areal på 1200 m2 (totalt areal på alle seil nådde 7200 m2). De elektriske motorene som hever eller trekker inn noen av de 30 seilene styres av vaktsjefen fra kontrollrommet hvor datamaskinen er installert. I tillegg til seilene var Din-Schiff utstyrt med tre 330 kW (448 hk) dieselmotorer. Skipet utviklet en gjennomsnittshastighet på 12 knop, og med gunstig vind - opp til 16.
Ytterligere forbedring av Dyna-Schiff-prosjektet ble videreført av Friedrich Weiss Research Society fra den tyske byen Ahrensburg. Det skapte et spektakulært seilende lasteskip med automatisk tilbaketrekking av seil, som hver ble viklet på en aksel plassert i et profilert hage. Lengden på bulkskipet er 65 m; den kan ta om bord 1000 tonn last. Hver av de tre vendemastene bærer fem rette seil; I tillegg, i tilfelle rolig vær, ble en hjelpedieselmotor med en effekt på 350 kW (476 hk) installert på skipet. Ved bruk av kun seilfremdrift kan slike fartøyer nå en hastighet på 12-14 knop, og med sterk medvind - opptil 20 (37 km/t). Dette tilsvarer hastigheten til et moderne containerskip.
"Dina-Schiff" og bulkskipet fra Ahrensburg er ikke alene på de nåværende sjøveiene - siden juni 1990 har de vært ledsaget av flaggskipet til Greenpeace-organisasjonen, "Rainbow-Urrior", konvertert i Hamburg på samme måte som " Dina-Schiff". Når vindstyrken er 5, utvikler skipet en hastighet på mer enn 12 knop (22 km/t).
Med tanke på den gode ytelsen til de ovennevnte fartøyene, blir det nå konstruert tørrlastseilskip med en lastekapasitet på 900 til 2000 tonn, men tyske forskere mener at de neppe vil være lønnsomme for Europa på grunn av inkonstansen av. vindene som blåser nær kysten, og foreslår å utstyre vanlige tørrlastskip og containerskip ytterligere seilutstyr, noe som vil føre til drivstoffbesparelser på 10-25 prosent.
Utviklingen av vindturbiner og vindturbiner tas spesielt alvorlig i de landene hvor naturlige oljereserver er begrensede eller ikke-eksisterende. I Japan ble det således bare i perioden 1980-1986 satt i drift 10 fartøyer som i tillegg til mekanisk fremdrift hadde vindfremdrift. En typisk representant for dem er kysttankeren Shin Eitoku Maru med et deplasement på 1600 tonn, lansert i juli 1980 av Imamura Shipbuilding. Dens hoveddimensjoner er: lengde - 66, bredde - 10,6, dypgående - 4,4 m Utstyrt med to seil med et areal på 97 m 2 hver og en motor med en effekt på 1177 kW (1600 hk). Gjennomsnittsfarten til tankskipet er 12 knop (22 km/t). Tiden han bruker på seiling per år er 15 prosent av totalen.
Den høyeste prestasjonen i konstruksjonen av skip ved bruk av "mekanisk motor pluss vindfremdrift" var det japanske skipet "Usiki Pioneer". Med et slagvolum på 26 tusen tonn har den en lengde på 162,4, en bjelke på 25,2 og et dypgående på 10,6 m, to hovedmotorer med en effekt på 2427 kW (3300 hk) og to seil på 320 m 2 hver. Med kombinert bruk av seil og en av motorene kan skipet seile med en gjennomsnittsfart på 13,5 knop (25 km/t). Vindfremdriften styres av datakommandoer.
Japanske ingeniører utviklet også et design for en seilbåt som kan frakte 17 tusen tonn last og 250 passasjerer. Alt arbeid knyttet til setting og rengjøring av seilene vil være fullmekanisert. Dette vil tillate én person, ved hjelp av en datamaskin, å håndtere 1500 m 2 seil plassert på seks master på 20 sekunder. Maksimal hastighet på fartøyet er omtrent 20 knop (37 km/t). Den er i stand til å "fange" den minste bris. Ved fullstendig ro tilbys installasjon av motorer.
Multifunksjonelle og ganske dyre tester av seilingsalternativer ble utført i 1985 av polske forskere og designere. På det 50 meter lange eksperimentelle fartøyet "Oceania" med en forskyvning på 550 tonn ble det installert tre master laget av slitesterk og lett legering med rette seil med et samlet areal på 700 m 2. De ble installert og fjernet ved hjelp av hydrauliske stasjoner og ved bruk av spesialutstyr laget av kraftig syntetisk materiale - Kevlar. Når vinden økte, sank arealet av seilene, og når vinden oversteg 25 m/s, ble de brettet i form av bokser rundt masten.
Denne erfaringen gjorde det mulig for skipsbyggerne ved Gdansk-verftet å bygge cruiseskipet Gwarek i 1986, hvis seilerigg var nesten lik den som ble installert på Oceania. "Gwarek" ble eiendommen til Reisebyrået som et flytende feriehus, hvis passasjerer er innkvartert i 100 doble komfortable lugarer. All kontroll av fartøyet utføres fra broen ved hjelp av en datamaskin og hydrauliske systemer.
Nye seil krevde mer moderne feste og rengjøring. Det er utviklet flere mastedesign, og hver har sine egne "høydepunkter". Dermed er noen master installert på roterende plattformer, og seilene forlenges fra gårdene og trekkes inn i dem, som en filmlerret. Og den polske oppfinneren A. Borowsky fra Szczecin tilbake i 1977 fikk patent på en mast, som består av mange metallrør koblet til ett av et tynt ytre skall laget av kraftig syntetisk materiale. Denne designen er lettere enn den vanlige og er ikke dårligere enn den i styrke.
Det er også utviklet nye typer seil for sportsfartøy. Spesielt har en ny fremdriftsanordning - en seilvinge - allerede funnet anvendelse. Den er laget i form av et stivt seil, lik utformingen av vingen til et seilfly eller fly, men med en symmetrisk tverrsnittsprofil. Den er installert på isbåter og seilkatamaraner som utvikler høye hastigheter, der den opererer ved lave angrepsvinkler. Enda mer effektivt er et vingeseil, som har en konveks-konkav profil som varierer avhengig av angrepsvinkelen og slaget til skipet eller båten. For eksempel, i designet brukt på katamaranen Patient Lady U (USA), består seilvingen av seks deler som installeres automatisk ved hjelp av en datamaskin i visse vinkler mot vinden. Den er laget av kryssfiner, glassfiber, skum og syntetisk stoff, dens vekt med et areal på 28 m 2 er bare 46 kg.
Designere involvert i vinddrift og motorer er mest tiltrukket av de prosjektene som gjør det mulig å øke hastigheten på skip til 20 knop, det vil si å nå hastigheten til teklippere. Det gjøres forsøk på å gjenopplive seilflåten på moderne basis, ved bruk av prinsippet om luftputefartøy og hydrofoil fremdrift.
Det er også en positiv utvikling i utviklingen av nye typer vindturbiner. Dermed foreslo tyske ingeniører en "karusell-type" motor, der seks polyesterplan er plassert på to vertikale akser, snudd til hverandre i en vinkel på 60 grader. Vinden, som virker på slike luftturbiner, får dem til å rotere - og konverterer dermed dens kinetiske energi til mekanisk rotasjonsenergi for skipets propellaksel.
I dag er det ganske mange forskjellige prosjekter av vindturbiner og vindturbiner, både gjennomført og på utviklingsstadiet. Det er nok å velge mellom, men eksperter har kommet til den konklusjon at det mest hensiktsmessige alternativet er å installere en vinddrift på sjø- og elvefartøyer som et tillegg til den mekaniske hovedmotoren. Dette vil gi 25-30 prosent drivstoffbesparelse og gi skip en ganske akseptabel fart på 16 knop, og i tillegg tillate bruk av et relativt lite i stedet for et kraftig kraftverk. Og enda en obligatorisk betingelse: bruk av alle nye typer seilfremdrift krever omfattende introduksjon av datamaskiner. Bare høyhastighets databehandlingsteknologi kan ta hensyn til alle parameterne som påvirker bevegelsen til skipet, og dermed øke sikkerheten til navigasjonen.
Bildetekster for illustrasjoner
Jeg vil. 1. Som det fremgår av figuren, begynner en kraft på tvers av luftstrømmens retning å virke på den roterende sylinderen. Dermed er det åpenbart at den mest gunstige kursen for et roterende fartøy er når vinden blåser direkte om bord. Og bevegelsesretningen avhenger bare av om rotoren roterer med eller mot klokken.
Jeg vil. 2. En tett vind kalles full hvis denne vinkelen er mer enn 66°, og bratt hvis den er mindre. Foroverbevegelsen sikres av den komponenten av vindtrykket (a) som faller sammen med seilbåtens kurs, mens virkningen av sidekomponenten (b) nøytraliseres av skipets kjøl.