Роторный ветроход. Часть 4

< Часть 3

В третьей части были рассмотрены некоторые особенности эксплуатации роторов Флетнера на реальных судах.

Теперь сравним ротор Флетнера с привычным типом ветряного движителя – парусом.

Чтобы сравнивать эти два движителя (или, например, два разных паруса), нужно найти их общие характеристики. Такими характеристиками стали коэффициенты подъемной силы Cy и лобового сопротивления Cx. Грубо можно сказать, что эти коэффициенты показывают какую подъемную силу и силу лобового сопротивления развивает 1 м2 площади паруса или характерной площади ротора Флетнера (для цилиндра характерная площадь – это произведение его диаметра на высоту).

Казалось бы, все просто – самый эффективный движитель тот, у которого максимальный Cy и минимальный Cx. Но даже у одного и того же паруса величины этих коэффициентов сильно различаются в зависимости от курса относительно ветра. У парусов разного типа эти отличия еще больше. А уж у ротора соотношение этих коэффициентов совсем другое.

Поэтому появилось понятие аэродинамическое качество K = Cy / Cx. И более эффективным движителем на заданном курсе является тот, у которого K выше.

Чтобы можно было быстро определять K конкретного движителя на разных курсах стали строить поляры – графики зависимости Cy от Cx на разных курсах.

На рис. 11 на одной координатной сетке построены поляры ротора Флетнера и гафельного паруса. Хорошо заметно, что Cy ротора практически на всех курсах намного выше, чем Cy гафельного паруса. Значит 1 м2 ротора развивает значительно большую тягу, чем 1 м2 паруса. Для бермудского паруса картина принципиально не меняется – он лучше гафельного работает на острых курсах, но пиковое значение Cy для него примерно такое же (1,3 — 1,4).

Поляры ротора Флетнера (1) и гафельного паруса (2)
Рис. 11. Поляры ротора Флетнера (1) и гафельного паруса (2). Источник: “Катера и яхты” №104

Но максимальному значению Cy ротора (9) соответствует значение Cx равное 4,7. Значит K ротора равно 9/4,7 = 1,9. Тогда как для паруса максимальный Cy = 1,4, а соответствующий ему Cx = 0,4. Следовательно K паруса равно 1,4/0,4 = 3,5.

Аэродинамическое качество ротора существенно ниже, чем паруса. И значительная часть тяги ротора будет потрачена на преодоление его собственного сопротивления, а не на перемещение судна. Кроме того, ротор зависим от дополнительного источника энергии.

Впрочем, эксперименты на судах, построенных Флетнером, показали, что затраты мощности на вращение роторов примерно равны 10% от мощности, полученной в виде силы тяги.

Направление силы тяги, создаваемой ротором Флетнера, всегда примерно перпендикулярно направлению потока воздуха, обдувающего ротор. И только на курсе бакшаг относительно истинного ветра (галфвинд относительно вымпельного) это направление примерно совпадает с курсом судна. На других курсах появляется весьма значительная сила дрейфа. Кроме того, суда, оснащенные роторами Флетнера, вообще неспособны ходить фордевиндом (прямо по ветру). Им приходится лавировать не только на встречном, но и на попутном курсе.

В чем ротор Флетнера однозначно побеждает парус, так это в удобстве и простоте управления – поворот (смена галса) выполняется простым изменением направления вращения на противоположное, величина силы тяги легко изменяется частотой вращения (у парусов тягу приходится регулировать изменением площади, что долго, сложно, а иногда и опасно). Эти операции в случае ротора легко автоматизировать.

При конструировании своих судов Флетнер всячески подчеркивал достоинства ротора и старался не замечать его недостатки. Возможно поэтому его идея была так быстро забыта.

Еще в начале ХХ века Жуковский доказал, что с точки зрения аэродинамики вращающийся вокруг своей оси цилиндр ничем не отличается от лопасти пропеллера. И в одно время с Флетнером изучением эффекта Магнуса занялся профессор Геттингенского университета Гюмбель. Он решил наглядно показать сходство ротора с пропеллером и построил небольшую демонстрационную турбинку, в которой вместо лопастей использовались вращающиеся в противоположных направлениях цилиндры (рис. 12).

Вертушка профессора Гюмбеля
Рис. 12. Вертушка профессора Гюмбеля

При помещении этой турбины в поток воздуха, она начинает вращаться. Но лобовое сопротивление цилиндров настолько превышает сопротивление обычных лопастей, что сам профессор Гюмбель посчитал свою модель просто игрушкой.

И Флетнера и Гюмбеля подвела прямолинейность мышления. Они считали, что для создания подъемной силы на цилиндре, его необходимо вращать.

На самом деле, подъемная сила создается при нарушении симметричности потока, обтекающего какую-либо, не обязательно цилиндрическую, поверхность. Сравните, например рис. 2 и рис. 5 в части 1 этой статьи. А каким образом нарушена симметричность потока не очень-то важно.

Например, можно приварить к цилиндру вертикально ребро. При обдувании воздухом такого цилиндра ребро будет затормаживать поток с одной стороны и создавать таким образом эффект Магнуса. Правда, коэффициент лобового сопротивления этой конструкции будет колоссальным, а коэффициент подъемной силы мизерным, то есть практически ее применить не получится. Хотя, не все так однозначно.

Если “облагородить” такую конструкцию с точки зрения аэродинамики, то в результате получим привычный профиль крыла или паруса (рис. 13). Плоская сторона профиля крыла выполняет роль ребра, замедляющего поток и создающего зону повышенного давления, а выпуклая сторона представляет собой часть поверхности цилиндра, на которой возникает зона разрежения (пониженного давления).

Рис. 13

В середине ХХ века изучением эффекта Магнуса занялись англичане (ох уж эти “Британские ученые” 😉 ). Они рассматривали возможность применить этот эффект для создания летательных аппаратов с вертикальным взлетом. В результате их исследований появилось оригинальное устройство, создающее эффект Магнуса на неподвижном цилиндре.

Если вдоль цилиндра просверлить ряд отверстий, и подавать в них сжатый воздух, то вырывающиеся струи создадут нечто вроде воздушной завесы, которая будет нарушать симметрию обтекающего потока. Получается подъемная сила без вращения цилиндра и при приемлемой величине лобового сопротивления (рис. 14).

Рис. 14

Большим преимуществом подобной конструкции перед ротором Флетнера является следующее: если разместить ее на судне и снабдить механизмом, позволяющим разворачивать относительно вертикальной оси, то независимо от направления ветра, можно  добиться направления силы тяги, максимально совпадающим с курсом судна.

Для такого устройства уже нельзя применять термин “ротор”, ведь теперь цилиндр не вращается. Жаком Кусто было придумано новое название – “турбопарус”.

Уже с начала ХХ века, после многочисленных продувок различных профилей в аэродинамических трубах, было известно, что для создания подъемной силы большее значение имеет зона пониженного давления, чем зона повышенного. Поэтому гораздо более эффективно построить турбопарус по “обратному принципу” – расположить сопла со стороны пониженного давления и отсасывать через них воздух. Это повышает коэффициент подъемной силы и снижает лобовое сопротивление благодаря уменьшению вредных вихрей при отрыве потока от поверхности. Аэродинамическое качество такого турбопаруса резко повышается.

В 1985 году построена “Алкиона” – второе судно Жака Кусто (рис. 15). Она имела два турбопаруса, разработанных специалистами “Фонда Кусто”. Конструкция этих турбопарусов настолько совершенна, что позволяет получать тягу даже при движении судна прямо против ветра. Тем не менее, турбопаруса на “Алкионе” используются только в качестве вспомогательных движителей, позволяющих экономить примерно треть топлива.

Рис. 15. «Алкиона»

В заставке к этой статье приведена фотография судна “E-Ship 1”, построенного в 2010 году. Оно снабжено четырьмя роторами Флетнера, в качестве вспомогательных движителей. Вероятно, конструкторы решили, что недостатки роторов Флетнера компенсируются их простотой. Интересно, но применение простых роторов на этом судне позволяет сэкономить так же примерно треть топлива, как и весьма совершенные и высокотехнологичные турбопаруса “Алкионы”.

В наше время интерес к использованию возобновляемых источников энергии, в частности к энергии ветра, постоянно растет. Возможно, в ближайшем будущем роторы Флетнера и турбопаруса Кусто станут привычными и даже основными движителями на водном транспорте.

© Максим Мурадян, 02.10.2017

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:

One thought on “Роторный ветроход. Часть 4

Оставьте комментарий

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