Slávny dokumentárny seriál Podvodná Odysea tímu Cousteau bol zastrelený veľkým francúzskym oceánografom v 60. - 70. rokoch. Hlavná loď Cousteau bola potom prestavaná z britského minolovstva „Calypso“. Ale v jednom z nasledujúcich filmov - „Opätovné objavenie sveta“- sa objavila ďalšia loď, jachta „Alcyone“.
Pri pohľade na to si mnohí diváci položili otázku: Čo sú tieto podivné rúry inštalované na jachte? Možno sú to rúry kotlov alebo pohonných systémov?
Predstavte si svoje prekvapenie, ak zistíte, že ide o SAILS … turbosails …
Fond Cousteau získal jachtu „Alkiona“v roku 1985 a táto loď sa nepovažovala ani za výskumnú loď, ale za základňu pre štúdium efektívnosti prúdových motorov - pôvodný systém pohonu lodí. A keď sa o 11 rokov neskôr potopila legendárna loď „Calypso“, na jej miesto sa stala hlavnou loďou expedície „Alcyona“(mimochodom, dnes je „Calypso“zdvihnutá a nachádza sa v čiastočne vydrancovanom štáte v prístave Concarneau).
V skutočnosti bol turboventil vynaložený Cousteauom. Rovnako ako potápačský výstroj, podmorský tanierik a mnoho ďalších zariadení na objavovanie hlbín mora a hladiny oceánov. Táto myšlienka sa zrodila na začiatku osemdesiatych rokov a mala vytvoriť najekologickejší, ale zároveň pohodlný a moderný pohonný systém pre vodné vtáctvo. Využitie veternej energie sa javilo ako najsľubnejšia oblasť výskumu. Ale tu je smola: ľudstvo vynašlo plachtu pred niekoľkými tisíckami rokov a čo môže byť jednoduchšie a logickejšie?
Cousteau a jeho spoločnosť samozrejme pochopili, že nie je možné postaviť loď poháňanú výlučne plachtou. Presnejšie, možno, ale jeho jazdný výkon bude veľmi priemerný a bude závisieť od rozmarov počasia a smeru vetra. Preto sa pôvodne plánovalo, že nová „plachta“bude iba pomocnou silou použiteľnou na pomoc konvenčným dieselovým motorom. Súčasne by turbosail významne znížil spotrebu nafty a pri silnom vetre by sa mohol stať jediným pohonom plavidla. A vzhľad výskumného tímu sa obrátil do minulosti - k vynálezu nemeckého inžiniera Antona Flettnera, známeho leteckého dizajnéra, ktorý významne prispel k stavbe lodí.
Propagačné video:
Turbová plachta je dutý valec vybavený špeciálnym čerpadlom. Čerpadlo vytvára vákuum na jednej strane turbovrtuľového lúča, ktoré čerpá vzduch do plachty, vonkajší vzduch začína prúdiť okolo turbovrtuľovej plachty rôznymi rýchlosťami a loď sa začína pohybovať v smere kolmom na tlak vzduchu. Je to veľmi podobné tomu, ako výťah pôsobiaci na krídlo letúna - tlak zo spodnej časti krídla je väčší a letún sa tlačí smerom nahor. Turbová plachta umožňuje lodi pohybovať sa proti akémukoľvek vetru, pokiaľ je k dispozícii dostatok energie čerpadla. Používa sa ako pomocný systém pre konvenčný lodný motor. Dva turboventily nainštalované na lodi tímu Cousteau „Alkion“umožnili ušetriť až 50% paliva.
Flettnerov rotor a Magnusov efekt
16. septembra 1922 dostal Anton Flettner nemecký patent na tzv. Rotačnú loď. A v októbri 1924 experimentálne rotačné plavidlo Buckau opustilo zásoby lodiarskej spoločnosti Friedrich Krupp v Kieli. Pravda, škuner nebol postavený od nuly: pred inštaláciou Flettnerových rotorov to bola obyčajná plachetnica.
Flettnerova myšlienka spočívala v použití takzvaného Magnusovho efektu, ktorého podstata je nasledovná: keď prúd vzduchu (alebo kvapaliny) prúdi okolo rotujúceho telesa, vytvára sa sila, ktorá je kolmá na smer toku a pôsobí na telo. Faktom je, že rotujúci objekt vytvára okolo seba vírivý pohyb. Na strane objektu, kde sa smer vírenia zhoduje so smerom prúdenia kvapaliny alebo plynu, sa rýchlosť média zvyšuje a z opačnej strany sa znižuje. Rozdiel v tlaku a vytvára šmykovú silu nasmerovanú zo strany, kde smer otáčania a smer prúdenia sú opačné, na stranu, kde sa zhodujú.
„Flettnerova loď je na perách každého človeka vďaka mimoriadne horlivej propagande novín,“napísal Louis Prandtl vo svojom článku o vývoji nemeckého inžiniera.
Tento efekt objavil v roku 1852 berlínsky fyzik Heinrich Magnus.
Magnusov efekt
Nemecký letecký inžinier a vynálezca Anton Flettner (1885 - 1961) sa v histórii plavby zapísal ako človek, ktorý sa snažil nahradiť plachty. Mal dlhú dobu možnosť cestovať na plachetnici cez Atlantický oceán a Indické oceány. Na stožiare plachetníc tej doby bolo položených veľa plachiet. Plachetnícke vybavenie bolo drahé, zložité a aerodynamicky málo efektívne. Neustále nebezpečenstvo spočívalo v čakaní na námorníkov, ktorí aj počas búrky museli plávať vo výške 40 - 50 metrov.
Počas plavby mal mladý inžinier myšlienku nahradiť plachty, ktoré si vyžadujú viac úsilia, jednoduchším, ale účinným zariadením, ktorého hlavným pohonom by bol aj vietor. Keď sa nad tým zamyslel, pripomenul si aerodynamické experimenty vedené jeho krajanským fyzikom Heinrichom Gustavom Magnusom (1802 - 1870). Zistili, že keď sa valec otáča v prúde vzduchu, vzniká priečna sila v smere závislom od smeru otáčania valca (Magnusov efekt).
Jeden z jeho klasických experimentov vyzeral takto: „Mosadzný valec sa mohol otáčať medzi dvoma bodmi; rýchla rotácia valca bola, rovnako ako v hornej časti, uskutočnená šnúrou. Rotujúci valec bol umiestnený do rámu, ktorý sa dal ľahko otáčať. Do tohto systému sa pomocou malého odstredivého čerpadla poslal silný prúd vzduchu. Valec sa odklonil v smere kolmom na prúd vzduchu a na os valca, navyše v smere, z ktorého smery rotácie a prúd boli rovnaké "(L. Prandtl" Magnusov efekt a veterná loď ", 1925).
A. Flettner si okamžite myslel, že plachty môžu byť nahradené rotujúcimi valcami inštalovanými na lodi.
Ukazuje sa, že keď sa povrch valca pohybuje proti prúdu vzduchu, rýchlosť vetra sa znižuje a tlak sa zvyšuje. Na druhej strane valca je pravý opak - prietok vzduchu sa zvyšuje a tlak sa znižuje. Tento rozdiel tlaku z rôznych strán valca je hnacou silou, ktorá spôsobuje pohyb plavidla. Toto je základný princíp rotačného zariadenia, ktoré využíva silu vetra na pohyb plavidla. Všetko je veľmi jednoduché, ale iba A. Flettner „neprešiel“, hoci Magnusov efekt je známy už viac ako pol storočia.
Tento plán začal realizovať v roku 1923 na jazere pri Berlíne. Flettner urobil celkom jednoduchú vec. Nainštaloval papierový valec - rotor približne meter vysoký a priemer 15 cm na meter dlhú skúšobnú loď a upravil hodinový mechanizmus na jeho otáčanie. A loď odplávala.
Kapitáni plachetníc sa posmievali vo valcoch A. Flettnera, ktorými chcel nahradiť plachty. Vynálezcovi sa jeho vynálezom podarilo zaujať bohatých patrónov umenia. V roku 1924 boli namiesto 54 stožiarov inštalované dva rotorové valce na 54 metrovej škuneri „Buckau“. Tieto valce boli poháňané naftovým generátorom s výkonom 45 k.
Rotory Bucau boli poháňané elektrickými motormi. V skutočnosti nebol žiadny rozdiel od klasických experimentov Magnusa v dizajne. Na strane, kde sa rotor otáčal proti vetru, bola vytvorená oblasť so zvýšeným tlakom, na opačnej strane bola oblasť s nízkym tlakom. Výsledná sila je to, čo poháňalo loď. Táto sila bola navyše asi 50-krát väčšia ako sila tlaku vetra na stacionárny rotor!
Toto otvorilo Flettnerovi veľké vyhliadky. Plocha rotora a jeho hmotnosť boli okrem iného niekoľkokrát menšie ako plocha plachetnice, čo by poskytlo rovnakú hnaciu silu. Ovládanie rotora bolo omnoho ľahšie a výroba bola pomerne lacná. Zhora Flettner zakryl rotory doskovými rovinami - to zvýšilo hnaciu silu asi dvakrát kvôli správnej orientácii prúdov vzduchu vzhľadom na rotor. Optimálna výška a priemer rotora pre "Bukau" sa vypočítal vyfúknutím modelu budúcej lode do aerodynamického tunela.
Turniketový čln Cousteau - Alkiona je pre rok 2011 jediné plavidlo na svete s turbodúchadlom Cousteau. Smrť veľkého oceánografa v roku 1997 ukončila výstavbu druhej takejto lode Calypso II a ďalší stavitelia lodí sa obávajú neobvyklého dizajnu …
Flettnerov rotor sa ukázal byť vynikajúci. Na rozdiel od obyčajnej plachetnice sa rotačná loď prakticky nebála nepriaznivého počasia a silného bočného vetra, mohla by ľahko plávať striedajú cvočky v uhle 25 ° k čelnému vetra (pri normálnej plachte je limit okolo 45 °). Dva valcové rotory (výška 13,1 m, priemer 1,5 m) umožnili dokonale vyvážiť loď - ukázalo sa, že je stabilnejšia ako plachetnica, ktorú pred reštrukturalizáciou uskutočnila Bukau. Testy sa vykonávali pokojne a v búrke as úmyselným preťažením - nezistili sa žiadne závažné nedostatky. Najvýhodnejším pre pohyb plavidla bol smer vetra presne kolmý na os plavidla a smer pohybu (dopredu alebo dozadu) bol určený smerom rotácie rotorov.
V polovici februára 1925 vyplávala škuner Buckau, ktorý bol namiesto plachiet vybavený Flettnerovými rotormi, z Danzigu (teraz Gdansk) do Škótska. Počasie bolo zlé a väčšina plachetníc sa neodvážila opustiť prístavy. V Severnom mori sa Buckau musel vážne vysporiadať so silnými vetrami a veľkými vlnami, ale škunerová päta sa objavila na palube menej ako iné plachetnice.
Počas tejto plavby nebolo potrebné povolať členov posádky na palubu, aby vymenili plachty v závislosti od sily alebo smeru vetra. Stačil jeden navigátor hodiniek, ktorý bez opustenia kormidlovne mohol riadiť činnosť rotorov. Predtým posádku trojradového škuneru tvorilo najmenej 20 námorníkov, po premene na rotačnú loď stačilo 10 ľudí.
V tom istom roku lodenica položila základy pre druhú rotačnú loď - mohutnú nákladnú parník Barbara poháňanú tromi 17-metrovými rotormi. Zároveň na každý rotor stačil jeden malý motor s kapacitou iba 35 k. (pri maximálnej rýchlosti otáčania každého rotora 160 ot / min)! Ťah rotora bol rovnocenný s ťahom vrtule poháňanej vrtuľou spojenou s konvenčným lodným dieselovým motorom s výkonom asi 1 000 k. Loď však mala aj dieselový motor: okrem rotorov uviedla do pohybu aj vrtuľu (ktorá zostala jediným pohonom v prípade pokojného počasia).
Sľubné experimenty prinútili námornú spoločnosť Rob. M. Sloman z Hamburgu, aby v roku 1926 postavila loď Barbara. Plánovalo sa vopred vybaviť prúdové motory - Flettnerove rotory. Na plavidlo dlhé 90 ma široké 13 m boli namontované tri rotory s výškou asi 17 m.
Barbara už nejaký čas úspešne prepravuje ovocie z Talianska do Hamburgu. Približne 30 - 40% času plavby sa plavilo z dôvodu sily vetra. S vetrom 4-6 bodov vyvinula "Barbara" rýchlosť 13 uzlov.
Plánovalo sa otestovanie rotačnej lode na dlhších cestách v Atlantickom oceáne.
Ale na konci 20. rokov zasiahla Veľká depresia. V roku 1929 charterová spoločnosť odmietla prenajať Barbaru ďalej a bola predaná. Nový majiteľ odstránil rotory a premenil loď podľa tradičnej schémy. Napriek tomu rotor stratil skrutkové vrtule v kombinácii s konvenčnou naftovou elektrárňou kvôli svojej závislosti na vetre a určitým obmedzeniam výkonu a rýchlosti. Flettner sa obrátil na sľubnejšie skúmanie a Baden-Baden nakoniec padol počas búrky v Karibiku v roku 1931.
A na rotujúce plachty zabudli už dlho …
Zdá sa, že začiatok rotačných plavidiel bol celkom úspešný, ale nedostali vývoj a boli zabudnutí na dlhú dobu. Prečo? Po prvé „otec“rotačných plavidiel A. Flettner sa ponoril do tvorby vrtuľníkov a prestal mať záujem o námornú dopravu. Po druhé, napriek všetkým ich výhodám, rotačné plavidlá zostávajú plachetnicami so svojimi prirodzenými nevýhodami, ktorých hlavnou úlohou je závislosť od vetra.
Flettnerove rotory sa opäť zaujímali o 80. roky dvadsiateho storočia, keď vedci začali navrhovať rôzne opatrenia na zmiernenie otepľovania podnebia, zníženie znečistenia a racionálnejšie využívanie paliva. Jedným z prvých, ktorý si ich pamätal, bol francúzsky prieskumník Jacques-Yves Cousteau (1910 - 1997). Aby sa otestovala prevádzka turbovrtuľového systému a znížila sa spotreba paliva, bol dvojstĺpový katamarán „Alcyone“(Alcyone - dcéra boha vetra Aeolus) premenený na rotačnú loď. V roku 1985 odplával, odcestoval do Kanady a Ameriky, obiehal Cape Horn, obišiel Austráliu a Indonéziu, Madagaskar a Južnú Afriku. Bol premiestnený do Kaspického mora, kde sa plavil tri mesiace a robil rôzne štúdie. Alcyone stále používa dva rôzne pohonné systémy - dva dieselové motory a dva turbovrtule.
Turbo-plachtový Cousteau
Plachetnice boli stavané po celé 20. storočie. Na moderných lodiach tohto typu je plachetnica vyzbrojená elektrickými motormi, nové materiály umožňujú výrazné odľahčenie konštrukcie. Plachetnica je plachetnica a myšlienka využívať energiu vetra radikálne novým spôsobom je vo vzduchu už od čias Flettnera. A bola vyzdvihnutá neúnavným dobrodruhom a prieskumníkom Jacquesom-Yvesom Cousteauom.
23. decembra 1986, po uvedení Alcyonu uvedeného na začiatku článku, dostali Cousteau a jeho kolegovia Lucien Malavar a Bertrand Charier spoločný patent č. US4630997 za „zariadenie, ktoré vytvára silu pomocou pohybujúcej sa kvapaliny alebo plynu“. Všeobecný popis je nasledujúci: „Zariadenie je umiestnené v prostredí pohybujúcom sa určitým smerom; to vytvára silu pôsobiacu v smere kolmom na prvú. Zariadenie sa vyhýba použitiu veľkých plachiet, v ktorých je hnacia sila úmerná ploche plachiet. ““Aký je rozdiel medzi Cousteauovou turbovrtuľou a Flettnerovou rotačnou plachtou?
V priečnom reze je turboventil niečo ako pretiahnutá kvapka zaoblená od ostrého konca. Na stranách „kvapky“sú umiestnené mreže na prívod vzduchu, cez ktoré je (v závislosti od potreby pohybu dopredu alebo dozadu) nasávaný vzduch. Pre najúčinnejšie nasávanie vetra je na turbovrtule nainštalovaný malý ventilátor poháňaný elektromotorom.
Umelo zvyšuje rýchlosť pohybu vzduchu z závetrnej strany plachty a nasáva prúd vzduchu v momente jeho oddelenia od roviny turbovrtule. To vytvára vákuum na jednej strane turbovrtuľky, zatiaľ čo zabraňuje tvorbe turbulentných vírov. A potom pôsobí Magnusov efekt: zriedkavosť na jednej strane - priečna sila schopná uviesť loď do pohybu. V skutočnosti je turbínová plachta vertikálne umiestnené krídlo lietadla, prinajmenšom princíp vytvárania hnacej sily je podobný princípu vytvárania zdvihu lietadla. Aby sa zabezpečilo, že sa turboventilátor vždy obráti k vetru v najvýhodnejšom smere, je vybavený špeciálnymi snímačmi a namontovaný na otočný stôl. Mimochodom, z patentu Cousteau vyplýva, že vzduch môže byť nasávaný z vnútra turbovrtule nielen ventilátorom, ale napríklad ajvzduchové čerpadlo - tak Cousteau uzavrel bránu pre nasledujúcich „vynálezcov“.
V skutočnosti prvýkrát Cousteau v roku 1981 otestoval prototyp turbovrtuľky na katamaráne Moulin à Vent. Najväčšou úspešnou plavbou katamaránu bola cesta z Tangeru (Maroko) do New Yorku pod dohľadom väčšej expedičnej lode.
A v apríli 1985, v prístave La Rochelle, bola spustená Alcyone, prvá plnohodnotná loď vybavená turbovrtuľami. Teraz je stále v pohybe a dnes je vlajkovou loďou (a v skutočnosti jedinou veľkou loďou) flotily Cousteau. Turbové plachty na ňom nie sú jediným ťahúňom, ale pomáhajú pri zvyčajnom spájaní dvoch dieselových motorov a niekoľkých vrtúľ (čo mimochodom znižuje spotrebu paliva asi o tretinu). Keby bol veľký oceánograf nažive, pravdepodobne by postavil niekoľko ďalších podobných lodí, ale nadšenie jeho spoločníkov po odchode z Cousteau výrazne ustupovalo.
Krátko pred svojou smrťou v roku 1997 Cousteau aktívne pracoval na projekte lode „Calypso II“s turbovrtuľou, ale nepodarilo sa ju dokončiť. Podľa najnovších údajov bola v zime 2011 „Alkiona“v prístave Caen a čakala na novú výpravu.
Flettner znova
Dnes sa robia pokusy oživiť Flettnerovu myšlienku a uviesť rotujúce plachty do hlavného prúdu. Napríklad slávna hamburská spoločnosť Blohm + Voss po ropnej kríze v roku 1973 začala aktívny vývoj rotačného tankera, ale do roku 1986 tento projekt zakrývali hospodárske faktory. Potom bolo mnoho amatérskych návrhov.
V roku 2007 si študenti na univerzite vo Flensburgu postavili katamarán poháňaný rotačnou plachtou (Uni-cat Flensburg).
V roku 2010 sa objavila tretia loď s rotačnými plachtami - ťažký nákladný automobil E-Ship 1, ktorý bol vyrobený pre spoločnosť Enercon, jedného z najväčších výrobcov veterných turbín na svete. Dňa 6. júla 2010 bola loď prvýkrát spustená a uskutočnila krátku plavbu z Emdenu do Bremerhavenu. A v auguste odcestoval na prvú pracovnú cestu do Írska s nákladom deviatich veterných turbín. Plavidlo je vybavené štyrmi Flettnerovými rotormi a, samozrejme, tradičným pohonným systémom v prípade pokoja a pre dodatočnú silu. Otočné plachty však stále slúžia iba ako pomocné vrtule: v prípade 130 m nákladného automobilu nestačí ich sila na to, aby sa vyvinula správna rýchlosť. Motory sú deväť elektrární Mitsubishi a rotory rotujú parnou turbínou Siemens,s využitím energie výfukových plynov. Rotačné plachty šetria 30 až 40% paliva pri rýchlosti 16 uzlov.
Avšak Cousteauova turbovrtuľová loď je stále v určitom zabudnutí: Alcyone je v súčasnosti jediná loď v plnej veľkosti s týmto typom pohonu. Skúsenosti nemeckých staviteľov lodí ukážu, či má zmysel ďalej rozvíjať tému plachiet pôsobiacich na Magnusov efekt. Hlavnou vecou je nájsť ekonomické opodstatnenie a preukázať jeho účinnosť. A vidíte, všetka svetová lodná doprava sa presunie k zásade, ktorú opísal talentovaný nemecký vedec pred viac ako 150 rokmi.
V Severnom mori v roku 2010 ste mohli vidieť podivnú loď „E-Ship 1“. Na jej hornom podlaží sa nachádzajú štyri vysoké okrúhle komíny, ale z nich sa nikdy nezvíri dym. Sú to takzvané Flettnerove rotory, ktoré nahradili tradičné plachty.
Najväčší výrobca veterných turbín na svete Enercon bol uvedený na trh 2. augusta 2010 na lodenici Lindenau v Kieli, 130 metrovej rotačnej lodi širokej 22 metrov, ktorá bola neskôr pomenovaná „E-Ship 1“. Potom bol úspešne testovaný v Severnom a Stredozemnom mori av súčasnosti prepravuje veterné generátory z Nemecka, kde sa vyrábajú, do iných európskych krajín. Vyvíja rýchlosť 17 uzlov (32 km / h), súčasne prepravuje viac ako 9 tisíc ton nákladu, jeho posádka má 15 osôb.
Singapurská prepravná spoločnosť Wind Again, technológia znižovania spotreby paliva a emisií, ponúka špeciálne navrhnuté rotory Flettner (skladacie) pre tankery a nákladné lode. Znížia spotrebu paliva o 30 - 40% a oplatia sa za 3 až 5 rokov.
Fínska spoločnosť pre námorné inžinierstvo Wartsila už plánuje prispôsobiť svoje turbovrtule trajektom. Dôvodom je snaha fínskeho prevádzkovateľa trajektov Viking Line znížiť spotrebu paliva a znečistenie životného prostredia.
Použitie rotorov Flettner na rekreačné plavidlá študuje Univerzita vo Flensburgu (Nemecko). Rastúce ceny ropy a alarmujúce otepľovanie podnebia sa javia ako priaznivé podmienky na návrat veterných turbín.
Jachta navrhnutá spoločnosťou John Marples "Cloudia" je prestavaný trimaran Searunner 34. Jachta bola prvýkrát testovaná vo februári 2008 vo Fort Pierce na Floride v USA a jej vznik bol financovaný prostredníctvom Discovery Channel. „Claudia“sa ukázala ako neuveriteľne ovládateľná: v priebehu niekoľkých sekúnd sa zastavila a obrátila dozadu, voľne sa pohybovala pod uhlom asi 15 ° k vetru. Výrazné zlepšenie výkonu oproti tradičnému Flettnerovmu rotoru je spôsobené dodatočnými priečnymi kotúčmi namontovanými na predných a zadných trimranových rotoroch.