Колонени платна: Магнус ефект

Фондация Кусто се сдобива с Алкиону през 1985 г. и този кораб се счита не толкова за изследователски, колкото за база за изучаване на ефективността на турбопаруса - оригиналното корабно задвижване. И когато след единадесет години легендарният Калипсо потъна, Алкиона зае мястото си като основен кораб на експедицията (между другото, днес Калипсо е издигнат и е в състояние на вретище в пристанището на Конкарно).

Всъщност турбопаркът е измислил Кусто. Както и подводни съоръжения, подводна чиния и много други устройства за изследване на морските дълбини и повърхността на океаните. Идеята се заражда в началото на осемдесетте години и беше да се създаде най-екологичния, но в същото време удобен и модерен двигател за водолюбиви птици. Използването на вятърната енергия беше най-обещаващата област на изследванията. Но това е лош късмет: човечеството е измислило платно преди няколко хиляди години и какво може да бъде по-просто и по-логично?

Разбира се, Кусто и компанията разбраха, че е невъзможно да се построи кораб, задвижван изключително от платно. По-точно е възможно, но шофьорските му показатели ще бъдат много посредствени и ще зависят от капризите на времето и посоката на вятъра. Следователно първоначално се планираше новото „платно“ да бъде само спомагателна сила, приложима за подпомагане на конвенционалните дизелови двигатели. В същото време турбо платно би намалило значително разхода на дизелово гориво и при силен вятър може да се превърне в единствения двигател на кораба.

А погледът на изследователския екип се насочи към миналото - към изобретяването на немския инженер Антон Флетнер, известния самолетен конструктор, който направи сериозен принос в корабостроенето.

Патриарх на малката авиация: Ан-2 "царевица"

Flettner Rotor и Magnus Effect

16 септември 1922 г. Антон Флетнер получава немски патент за така наречения „ротационен съд“. И през октомври 1924 г. експерименталният ротационен кораб Buckau слязъл от плъзгачите на корабостроителната компания Friedrich Krupp в Кил. Вярно е, че шхуната не е построена от нулата: преди монтажа на ролерите на Flettner, това беше обикновен ветроходен кораб.

„Вятърната мелница на Флеттнер е на устните на всички благодарение на изключително ревностна вестникарска пропаганда“, пише Луис Прандл в статията си за развитието на немски инженер.

Идеята на Флеттнер е била да използва така наречения ефект на Магнус, чиято същност е следната: Когато въздушен (или течен) поток тече около въртящо се тяло, се образува сила, перпендикулярна на посоката на потока и действаща върху тялото. Факт е, че въртящ се обект създава вихрово движение около себе си. От страната на обекта, където посоката на вихъра съвпада с посоката на потока на течност или газ, скоростта на средата се увеличава, но от обратното - намалява. Разликата в налягането създава напречна сила, насочена от страната, където посоката на въртене и посоката на потока са противоположни, към страната, където те съвпадат.

Този ефект е открит през 1852 г. от берлинския физик Хайнрих Магнус. Един от класическите му експерименти беше следният: „Месингов цилиндър може да се върти между две точки; отчетено е бързо въртене на цилиндъра, както в горната част, с шнур. Въртящият се цилиндър беше поставен в рамка, която от своя страна можеше лесно да се върти. Силна струя въздух се издуха върху тази система с помощта на малка центробежна помпа. Цилиндърът се отклонява в посоката, перпендикулярна на въздушния поток и към оста на цилиндъра, докато в посоката, в която посоките на въртене и струята са еднакви ”(Л. Прандтл, “ Ефект на Магнус и ветрови кораб ”, 1925 г.).

Всъщност Флетнер направи доста просто нещо. Той инсталира хартиен цилиндър-ротор с височина около метър и диаметър 15 сантиметра на метрова тестова лодка и адаптира механизъм на часовника за неговото въртене. И лодката отплува. След като доказа на практика възможността за използване на страничната сила, произтичаща от ефекта Магнус, Флетнер реши да преобразува тримачтовия Букау в ротационен кораб.

Днес Алкиона е единственият кораб в света с турбо платно на системата Кусто. Смъртта на великия океанограф през 1997 г. сложи край на изграждането на втория подобен кораб, Калипсо II, и други корабостроители се страхуват от необичаен дизайн ...

Рокарите Bukau се въртят от електрически двигатели. Всъщност нямаше разлика от класическите експерименти на Магнус в дизайна. От страната, където роторът се върти към вятъра, се създаде зона на повишено налягане, от противоположната - намалена. Получената сила премести кораба. Освен това тази сила беше многократно по-голяма от силата на налягането на вятъра върху неподвижен ротор - около 50 пъти! Това отвори големи перспективи за Flettner. Освен всичко друго, площта на ротора и неговата маса бяха няколко пъти по-малки от площта на ветроходните оръжия, което би дало равна движеща сила. Роторът беше много по-лесен за управление и при производството беше доста евтин. Отгоре Флеттнер покрива роторите с плоскости - това увеличава задвижващата сила с около две поради правилната ориентация на въздушните потоци спрямо ротора. Оптималната височина и диаметър на ротора за Bukau се изчислява чрез издухване на модел на бъдещия съд във вятърен тунел.

Роторът на Flettner се оказа отличен. За разлика от обикновен ветроход, ротационният кораб практически не се страхуваше от времето и силните странични ветрове, лесно можеше да се движи с променливи кранове под ъгъл от 25 ° спрямо предния вятър (за нормално плаване границата е около 45 °). Два цилиндрични ротора (височина - 13, 1 м, диаметър - 1, 5 м) направиха възможно перфектното балансиране на кораба - оказа се по-стабилен от ветроходния кораб, на който Букау беше преди перестройката. Изпитванията на плавателния съд се извършват както в спокойствие, така и в буря и с умишлено претоварване - и не бяха разкрити сериозни недостатъци. Най-благоприятното за движението на съда беше посоката на вятъра точно перпендикулярна на оста на съда, а посоката на движение (напред или назад) се определяше от посоката на въртене на роторите.

Още през февруари 1925 г. Букау успешно пътува от Данциг до Шотландия през Северно море, а година по-късно корабът (преименуван на Баден Баден) пътува от Европа до Америка през Атлантическия океан. През същата година в корабостроителницата е положен втори ротационен кораб - мощният товарен лайнер Barbara, задвижван от три 17-метрови ротора. В същото време за всеки ротор беше достатъчен един малък мотор с мощност само 35 к.с. (при максимална скорост на въртене на всеки ротор 160 об / мин)! Тягата на роторите беше еквивалентна на тягата на витлото, съчетано с конвенционален корабен дизелов двигател с мощност около 1000 к.с. Въпреки това, дизеловият двигател присъства и на кораба: освен роторите, той задейства витло (което остава единственото задвижване в случай на спокойно време).

Но в края на двадесетте години Голямата депресия удари. През 1929 г. чартърната компания отказва да наеме допълнително Барбара и тя е продадена. Новият собственик свали роторите и преобразува кораба по традиционната схема. Все пак ротационният двигател загуби от витлови двигатели в комбинация с конвенционална дизелова електроцентрала поради зависимостта си от вятъра и определени ограничения на мощността и скоростта. Флеттнер се насочи към по-обещаващи изследвания и Баден Баден в крайна сметка потъва по време на буря в Карибите през 1931 година. И отдавна забравиха за въртящите се платна ...

Turboparus Cousteau

Платноходци са строени през целия 20 век. В съвременните кораби от този тип, ветроходното въоръжение е сведено до минимум с помощта на електродвигатели, новите материали могат значително да опростят дизайна. Но една платноходка е платноходка и идеята за използване на вятърна енергия е коренно нова във въздуха още от дните на Флетнер. И тя бе вдигната от неуморен авантюрист и изследовател Жак-Ив Кусто.

Яхтата Mariales Cloudia е ремонтиран тримаран Searunner 34. Яхтата премина първите си тестове през февруари 2008 г. във Форт Пиърс, Флорида, САЩ, и е създадена от Discovery. „Клавдия“ се оказа невероятно маневрена - спря и премина в обратна посока за секунди, като свободно се движеше под ъгъл около 15 ° спрямо вятъра. Забележимо подобрение на производителността по отношение на традиционния ротор Flettner се дължи на допълнителни напречни дискове, монтирани на предните и задните тримарански ротори.

23 декември 1986 г., вече след като стартира споменатият Алкиона в началото на статията, Кусто и неговите колеги Люсиен Малавар и Бертран Чарие получават съвместен патент US4630997 за „Устройство, което създава сила чрез използването на движеща се течност или газ“. Общото описание на патентованото устройство е следното: „Устройството е поставено в среда, движеща се в определена посока; в този случай възниква сила в посока, перпендикулярна на първата. Устройството избягва използването на масивни платна, при които движещата сила е пропорционална на площта на платното. " Каква е разликата между турбо-ветрилото Cousteau и въртящото се платно Flettner?

В напречно сечение турбопарът е нещо като удължен и заоблен спад от острия край. Отстрани на „капката“ са решетките за всмукване на въздух, през едната от които (в зависимост от необходимостта от движение напред или назад) се изсмуква въздух. За най-ефективно всмукване на вятъра във всмукателния въздух, на вентилатора е монтиран малък вентилатор, задвижван от електродвигател. Той изкуствено увеличава скоростта на въздуха от подветрената страна на платното, всмуквайки въздушен поток в момента на отделянето му от равнината на турбопарата. Това създава разреждане от едната страна на турбопарата, като същевременно предотвратява образуването на турбулентни вихри. И тогава ефектът на Магнус действа: разреждане от една страна, в резултат на това - напречна сила, която може да настрои съда в движение. Всъщност турбопарусът е вертикално поставено самолетно крило; поне принципът за създаване на движеща сила е подобен на принципа за създаване на повдигаща сила на самолет. За да може турбо ветрилото винаги да е насочено към вятъра с най-изгодната страна, той е оборудван със специални сензори и монтиран на грамофон.

Колкото и да е странно, а в наше време в индустрията се използват доста познати платна. Корабостроителните компании често поставят възможността за инсталиране на такелажни и плаващи оръжия в големи проекти за танкери и камиони. Най-известният проект е германският транспортен кораб MS Beluga SkySails, стартиран на 1 януари 2008 г. Корабът развива приблизително 15-20% от мощността си благодарение на гигантски хвърчил с площ от 160 м2, компанията планира да го увеличи до 320 м2. Змията е монтирана на носа на кораба на въже, поведението му се контролира от компютър. Обикновено той лети на височина около 100 м и на разстояние около 500 м от кораба, като същевременно дърпа съда заедно с него. До 2013 г. специалисти в SkySails GmbH & Co. KG планира да оборудва около 400 кораба със своята система - всяка такава „настройка“ значително ще намали разхода на гориво и количеството вредни емисии в атмосферата.

Всъщност за първи път Кусто изпробва прототипа на турбо платно на катамарана Moulin à Vent през 1981 година. Най-голямото успешно плаване на катамарана беше пътуване от Танжер (Мароко) до Ню Йорк - под „надзора“ на по-голям експедиционен кораб.

И през април 1985 г. в пристанището на Ла Рошел, Алкиона, първият пълноценен кораб, оборудван с турбо-платна, беше пуснат на вода. Днес тя все още е в движение и днес е водещият (и всъщност единственият голям кораб) на екипа на Кусто. Turboparus на него не са единственият двигател, но те помагат на обичайния съединител от два дизела и няколко винта (което позволява, между другото, да намали разхода на гориво с около една трета). Ако великият океанограф беше жив, той вероятно би построил още няколко от тези кораби, но ентусиазмът на неговите сътрудници след заминаването на Кусто забележимо утихна. Малко преди смъртта си през 1997 г. Кусто активно работи върху дизайна на кораба Калипсо II с турбопар, но не успява да го завърши. Според последните данни през зимата 2011 г. Алкиона стоеше в пристанището на Кан и чакаше нова експедиция.

И отново Флетнер

Днес се правят опити за възраждане на идеята на Флетнер и превръщането на въртящите се платна в масивни. Например известната хамбургска компания Blohm & Voss започва активно разработване на ротационен танкер след петролната криза от 1973 г. - но до 1986 г. икономическите фактори са обхванали този проект. Тогава имаше поредица от любителски дизайни; например през 2007 г. студенти от университета във Фленсбург изградиха катамаран с въртящо се платно (Uni-cat Flensburg).

И едва през 2010 г. видя светлината на третия в историята кораб с въртящи се платна - тежкотоварният камион E-Ship 1, построен по поръчка на Enercon, един от най-големите производители на ветрогенератори в света. 6 юли 2010 г. корабът е пуснат за първи път и направи кратко пътуване от Емден до Бремерхафен. И вече през август той замина на първото си работно пътуване до Ирландия с товар от девет вятърни генератора.

Съдът е оборудван с четири ротора Flettner и, разбира се, традиционна електроцентрала в случай на спокойствие и за получаване на допълнителна мощност. Все пак въртящите се платна служат само като спомагателни двигатели - за 130-метров камион капацитетът им не е достатъчен, за да развият правилна скорост. Двигателите са девет електроцентрали Mitsubishi, а роторите се въртят с помощта на парна турбина на Siemens, която работи на изгорелите газове. Роторните платна могат да спестят от 30 до 40% гориво със скорост 16 възела.

Но турбо платно на Кусто за известно време остава в забвение: Алкиона днес е единственият кораб с пълен размер с този тип задвижване. Опитът на германските корабостроители ще покаже дали има смисъл да се доразвие темата за платна, действащи върху ефекта Магнус. Основното е да се намери икономическа обосновка за това и да се докаже ефективността. И там, видите ли, и цялото световно корабоплаване ще премине към принципа, който талантливият немски учен описа преди повече от 150 години.

Статията „Или мачтата, или платното“ е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 3, март 2011 г.). Чудя се как работи ядрен реактор и могат ли роботите да построят къща?

Всичко за новите технологии и изобретения! добре Съгласен съм с правилата на сайта Благодаря. Изпратихме потвърждение на вашия имейл.

Препоръчано

Кои са биохакери
2019
Днес Земята преминава афелий!
2019
Двигател на космически кораби: какви хора ще летят в дълбокото пространство
2019