Турбопарус
Турбопарус — судовой движитель, использующий энергию ветра, на основе эффекта Магнуса[1].
Впервые роторные турбопаруса немецкого инженера Антона Флеттнера были успешно испытаны на шхуне «Букау» в 1924 году[2].
Для этого трёхмачтовую шхуну «Букау» переоборудовали в роторное судно с двумя «парусами» высотой в 13 метров. Судно могло двигаться даже под углом в 25 градусов к встречному ветру, что невозможно в случае с классическими парусниками[3]. С этими «парусами» судно пересекла Атлантический океан, доказав, что такая конструкция имеет будущее. Результатом данного конструкторского прорыва стала постройка роторного сухогруза «Барбара», который оснастили уже 3-мя 17-метровыми цилиндрами[3].
В 1980-х годах более сложная форма турбопаруса была разработана французскими инженерами под руководством океанолога Жака-Ива Кусто. Наиболее успешно она применялась на судне «Алсион».
Техническая конструкция править
Концепция править
В начале 1980-х Жак-Ив Кусто задумался над созданием судна с современным движителем, мощность которого хотя бы частично обеспечивал ветер — чистый, бесплатный, возобновляемый источник энергии. За несколько десятилетий до Кусто уже возникала идея использовать для этого вращающийся полый металлический цилиндр, ротор Флеттнера, эффективность которого была проверена и доказана на практике. Кусто и группа инженеров решили возродить проект движителя.
Аэродинамика править
Кусто и его помощники, профессор Люсьен Малавар и доктор Бертран Шарье, использовали цилиндр, похожий на дымовую трубу и действующий по тому же принципу, что и крыло самолёта.
Основу движителя составляет аэродинамический профиль, вертикальная металлическая труба сечения, близкого к яйцевидному, с подвижным щитком, улучшающим аэродинамическое разделение внешней и внутренней поверхностей. Насосная система нагнетает в трубу воздух, создавая с одной стороны паруса необходимое разрежение; движение происходит в направлении, перпендикулярном давлению. Таким образом, парус работает как крыло: с одной стороны его воздух протекает медленнее, чем с другой, создавая движущую силу.
Подвижная заслонка и система нагнетания воздуха, основанная на вентиляторах, повысили эффективность нового паруса. На испытаниях в аэродинамической трубе малогабаритные модели повели себя превосходно, дав тем самым рождение системе Турбопарус.
Главная особенность турбопаруса, обусловленная его конструкцией, в том, что всегда можно получить движущую силу в нужном направлении, независимо от того, куда дует ветер. Судно, оборудованное турбопарусом, может двигаться даже против ветра, получая энергию из разницы давлений, создаваемой завихрениями воздуха внутри паруса и вне его.
Совместно с турбопарусом можно использовать и обычные движители. Турбопарус при этом удобнее передать под управление компьютера, который будет задавать расположение «парусов» в пространстве и давление воздуха в системе.
Инженерный анализ править
В сравнении с лучшими из обычных парусов (теми, например, что используются на Кубке Америки) турбопарус обеспечивает в 3,5-4 раза больший коэффициент тяги. Такой результат был получен в ходе исследований на «Алсионе».
Эффективность системы, однако, до сих пор не подвергалась обстоятельному сравнительному анализу. Система Турбопарус успешно действовала только на двух судах, и группа Кусто — единственная в мире организация, располагающая большим объёмом данных об этом устройстве. Страница, посвящённая «Алсиону» на сайте Команды Кусто, сообщает, что Турбопарус способен обеспечить экономию до 35 % горючего[4].
Раннее развитие (1981—1982): «Moulin à Vent» править
Кусто и его исследовательская команда установили своё изобретение на катамаран под названием «Moulin à Vent» (с фр. — «ветряная мельница») и опробовали систему в плавании из Танжера в Нью-Йорк. Переход подходил к концу, когда недалеко от американского берега судну пришлось столкнуться с ветрами, скорость которых превышала 50 узлов. Сварные швы, удерживавшие турбопарус в вертикальном положении, лопнули, и прототип рухнул в море.
Прототип системы состоял из единственной трубы, выкрашенной в тёмно-синий цвет. Исследовательская программа судна ставила целью определить эффективность тяги системы. Хотя турбопарус и давал тягу и энергию, но в меньших количествах, чем обычные паруса и генераторы, которые он замещал. Конструктивные проблемы системы привели к короблению конструкции и появлению трещин у основания паруса (за счёт усталости металла). Всё это значительно снизило эффективность турбопаруса. После того, как основная идея получила подтверждение, Кусто и его группа прекратили работу над прототипом, полностью сосредоточившись на более крупном судне, «Алсионе».
«Алсион» править
Кусто использовал приобретённый опыт при постройке нового судна. Совместно с инженерами-судостроителями он разработал алюминиевый корпус, прочный и лёгкий. Кормовая часть, аналогичная катамарану, придавала судну стабильность, а одиночный нос был заложен в конструкцию, чтобы разрезать волны и облегчать движение в бурном море. Два турбопаруса были установлены на палубе, а два дизельных двигателя давали питание нагнетателям. Судно было названо по имени Алкионы, дочери древнегреческого бога ветров Эола.
При постройке «Алсиона» (начатой в 1985 году) учитывались результаты работы с «Moulin a Vent». С использованием двух турбопарусов с уменьшенным соотношением сторон нагрузки на металл поверхностей значительно уменьшились. Оба паруса включали также осевые турбины для выработки энергии, а управление системой осуществляли компьютеры, подешевевшие к тому времени. Компьютеры координировали работу турбопарусов и дизелей, запуская последние, когда ветер полностью стихал, и останавливая их при достаточной скорости ветра. Для управления судном достаточно было всего 5 человек.
В 1980-х годах Кусто сделал «Алсион» флагманским судном своей группы и основной плавучей базой для исследований. Судно обошло вокруг света, собирая информацию об использовании турбопаруса в различных погодных условиях, полностью подтверждая при этом замысел создателей.
Дальнейшее развитие править
Предполагалось, что турбопарус можно устанавливать на танкеры, балкеры и другие тяжёлые суда для уменьшения расхода топлива.[5] На «Калипсо II», постройка которой ещё предстоит, также должен быть установлен турбопарус.
С 2010 года в Германии эксплуатируется грузовое судно E-Ship 1 с роторными парусами Флеттнера в качестве вспомогательных движителей.
В марте 2017 года компании Royal Dutch Shell и Maersk объявили о планах по оборудованию роторными парусами нефтяного танкера длиной 245 метров и дедвейтом почти 110 000 тонн. Паруса высотой 30 метров и диаметром 5 метров будут построены из лёгких композитных материалов из углеродного волокна. Предполагается, что паруса будут установлены в первой половине 2018 года и протестированы до конца 2019 года. По оценкам представителей компаний, данная технология позволит экономить в среднем до 10 % топлива на стандартных маршрутах[6].
Примечания править
- ↑ Магнуса эффект // Лилль — Маммалогия. — М. : Советская энциклопедия, 1938. — (Большая советская энциклопедия : [в 66 т.] / гл. ред. О. Ю. Шмидт ; 1926—1947, т. 37).
- ↑ На крыльях белых парусов. Дата обращения: 28 октября 2015. Архивировано 4 марта 2016 года.
- ↑ 1 2 Роторы, крылья, воздушные змеи – необычные паруса на службе у флота. Яхта.ру (31 марта 2021). Дата обращения: 22 октября 2021. Архивировано 22 октября 2021 года.
- ↑ «Алсион» Архивировано 20 июня 2010 года. на сайте Команды Кусто (англ.)
- ↑ Martin G. Brown. F.P.S.O. technology applied to O.T.E.C. (англ.) // The International OTEC/DOWA Association newsletter. — 1998. — Vol. 9, no. 2. Архивировано 20 января 2011 года.
Chen Luyu, Chen Shunhuai, Wang Yigong. Analysis on sail selection and energy conservation of a Panamax bulk carrier (англ.) // International Conference on Advances in Energy Engineering (ICAEE), 2010 : сборник. — Beijing, 2010. — P. 182—185. — ISBN 978-1-4244-7831-6. — doi:10.1109/ICAEE.2010.5557586.
Yasuo Yoshimura. A prospect of sail-assisted fishing boats (англ.) // Fisheries Science. — 2002. — Vol. 68, no. Suppl. 2. — P. 1815—1818. (недоступная ссылка) - ↑ Алексей Невельский. Грузоперевозчики испытают на танкерах роторные паруса Архивная копия от 15 марта 2017 на Wayback Machine // www.vedomosti.ru, 14 марта 2017