Роторный ветроход. Часть 3

< Часть 2

В предыдущей части была рассмотрена краткая, но насыщенная история постройки и эксплуатации судов с ротором Флетнера в качестве движителя.

Все эти суда, фактически, были экспериментальными. На них проводились исследования и подбор наилучших режимов работы, выявлялись достоинства и недостатки по сравнению с парусами.

Еще во время экспериментов с моделями ротора выяснилась проблема индуктивного сопротивления. В части 1 на рисунках, объясняющих эффект Магнуса, видно, что с одной стороны ротора давление выше, чем с другой. Этим и объясняется появление тяги Y. Если бы роторы были бесконечной длины, то никаких других эффектов не было бы. Но на концах реального ротора конечной длины воздух из области повышенного давления перетекает в область пониженного. Разность давлений уменьшается, и тяга падает. Это и называется индуктивным сопротивлением. Подобное явление происходит также на парусах и крыльях. Чтобы его минимизировать надо максимально увеличивать удлинение ротора (отношение длины к диаметру) и на торцах устанавливать аэродинамические шайбы, препятствующие свободному перетеканию воздуха. Аэродинамические шайбы хорошо видны на всех фотографиях роторных судов. Часто роль нижней шайбы выполняет палуба судна.

Оптимальное удлинение ротора было установлено экспериментально. Оно равно приблизительно 4,7 (ротор, диаметром 1 м, должен иметь высоту около 4,7 м).

Следующий важный момент, связанный с эксплуатацией роторов, — их необходимо вращать. Но с какой скоростью это делать лучше всего? Ведь, чем выше скорость вращения, тем больше затраты мощности, и тем ниже эффективность движителя.

Оказалось, что тяга ротора с повышением окружной скорости растет. Но практически перестает расти при окружной скорости в четыре раза большей скорости ветра. Приблизительно определим, с какой максимальной скоростью в об/мин нужно вращать ротор диаметром D = 1 м при ветре V0 = 10 м/с (36 км/ч, 19 узлов, 5 баллов по Бофорту).

N = 60*V0/(D*pi) = 60*10/(1*3,14) 190 (об/мин)

Как видим, скорость невелика и повышать ее нет смысла. При росте диаметра ротора, оптимальная скорость вращения будет меньше, при уменьшении диаметра — больше.

А можно ли обойтись без двигателя для вращения ротора, вращать его самим ветром? Оказывается — можно.

В 1973 году Евгений Хабарин построил простенький катамаран с ротором Савониуса, который представляет собой цилиндр, разрезанный вдоль пополам, и половины сдвинуты на некоторое расстояние вдоль диаметра (см. рис. 9).

Ротор Савониуса
Рис. 9. Ротор Савониуса

Ротор Савониуса раскручивался потоком воздуха и на его поверхности возникал эффект Магнуса. Таким образом конструкция была вполне работоспособна. Но имела два недостатка по сравнению с ротором Флетнера.

  1. Для выполнения поворота (смены галса) необходимо вращать ротор в противоположном направлении. У ротора Флетнера просто реверсировался двигатель. Ротор Савониуса необходимо было переворачивать, неудобно и долго. Но это не самый большой недостаток.
  2. Физика работы ротора Савониуса такова, что его окружная скорость не более чем в 1,7 раза выше скорости ветра. Из-за этого тяга такого ротора примерно в 3 раза меньше тяги, создаваемой принудительно вращаемым ротором Флетнера.
Катамаран с ротором Савониуса на Красноярском водохранилище
Рис. 10. Катамаран с ротором Савониуса на Красноярском водохранилище (1973 г.). Фотография из журнала «Катера и яхты» №157

Следующий вопрос, который пришлось решать — зависимость тяги ротора от шероховатости его поверхности. Ведь сама его работа основана на силе трения между воздухом и поверхностью цилиндра. Так, может более шероховатые роторы имеют преимущество?

Оказалось, что нет. Гладкие и шероховатые цилиндры развивали одинаковую тягу в одинаковых условиях. Но шероховатые требовали большей мощности для вращения. А, значит, были менее эффективными.

Это явление можно объяснить тем, что для появления эффекта Магнуса необходим пограничный слой воздуха. Но толщина этого слоя не имеет значения.

Пока что все. До свидания 🙂

В следующей части статьи ротор Флетнера будет сравниваться с обычным парусом.

© Максим Мурадян, 18.09.2017

Часть 4 >

Подписывайтесь на Telegram-канал нашего сайта: https://t.me/TaMakSail. И Вы всегда будете в курсе новостей сайта ТаМак Парус, а также получите доступ к тем материалам, которые на сайте не опубликованы.

Интересная статья? Поделитесь ею пожалуйста с другими:

2 thoughts on “Роторный ветроход. Часть 3

    1. Будет :). Постепенно подвожу к недостаткам ротора Флетнера, устранение которых и привело к созданию турбопаруса Кусто.

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *