Słynny serial dokumentalny The Cousteau Team Underwater Odyssey został nakręcony przez wielkiego francuskiego oceanografa w latach 60. - 70. Główny statek Cousteau został następnie przekształcony z brytyjskiego trałowca „Calypso”. Ale w jednym z kolejnych filmów - „Odkrycie świata” - pojawił się inny statek, jacht „Alcyone”.
Patrząc na niego, wielu widzów zadawało sobie pytanie: co to za dziwne rury zainstalowane na jachcie?.. Może są to rury kotłów lub układów napędowych?
Wyobraź sobie swoje zdziwienie, gdy dowiesz się, że to ŻAGLE … turbosprężarki …
Fundacja Cousteau nabyła jacht „Alkiona” w 1985 roku, a statek ten był uważany nie tyle za statek badawczy, co za bazę do badania skuteczności turbosailów - oryginalnego układu napędowego statku. A kiedy 11 lat później legendarny „Calypso” zatonął, „Alcyona” zajęła jej miejsce jako główny statek wyprawy (nawiasem mówiąc, dziś „Calypso” jest podniesiony i jest w stanie częściowo splądrowanym w porcie Concarneau).
Właściwie turbosail został wynaleziony przez Cousteau. Oprócz sprzętu do nurkowania, podwodnego spodka i wielu innych urządzeń do odkrywania głębin morskich i powierzchni oceanów. Pomysł narodził się na początku lat 80-tych XX wieku i polegał na stworzeniu najbardziej przyjaznego środowisku, ale jednocześnie wygodnego i nowoczesnego układu napędowego dla ptactwa wodnego. Najbardziej obiecującym obszarem badań wydawało się wykorzystanie energii wiatru. Ale oto pech: ludzkość wynalazła żagiel kilka tysięcy lat temu, a co mogłoby być prostsze i bardziej logiczne?
Oczywiście Cousteau i jego firma zrozumieli, że niemożliwe jest zbudowanie statku napędzanego wyłącznie żaglami. A dokładniej, być może, ale jego właściwości jezdne będą bardzo mierne i zależne od kaprysów pogody i kierunku wiatru. Dlatego pierwotnie planowano, że nowy „żagiel” będzie jedynie siłą pomocniczą, mającą zastosowanie do wspomagania konwencjonalnych silników wysokoprężnych. Jednocześnie turbosprężarka znacznie zmniejszyłaby zużycie oleju napędowego, a przy silnym wietrze mógłby stać się jedynym napędem statku. A spojrzenie zespołu badawczego skierowało się ku przeszłości - ku wynalazkowi niemieckiego inżyniera Antona Flettnera, słynnego konstruktora samolotów, który wniósł znaczący wkład w budowę statków.
Film promocyjny:
Żagiel turbo to wydrążony cylinder wyposażony w specjalną pompkę. Pompa wytwarza podciśnienie po jednej stronie turbożegla, pompując powietrze do żagla, powietrze z zewnątrz zaczyna przepływać wokół turbożegla z różnymi prędkościami i statek zaczyna poruszać się w kierunku prostopadłym do ciśnienia powietrza. Jest to bardzo podobne do siły nośnej działającej na skrzydło samolotu - ciśnienie od spodu skrzydła jest większe i samolot pcha do góry. Żagiel turbo pozwala statkowi poruszać się pod wiatr, o ile jest wystarczająca moc pompy. Jest używany jako układ pomocniczy w konwencjonalnym silniku okrętowym. Dwie turbosprężarki zainstalowane na statku zespołu Cousteau „Alcyon” pozwoliły zaoszczędzić do 50% paliwa.
Wirnik Flettnera i efekt Magnusa
16 września 1922 roku Anton Flettner otrzymał niemiecki patent na tak zwany statek obrotowy. A w październiku 1924 roku eksperymentalny obrotowy statek Buckau opuścił zapasy firmy stoczniowej Friedrich Krupp w Kilonii. To prawda, że szkuner nie został zbudowany od podstaw: przed montażem wirników Flettnera był to zwykły żaglowiec.
Pomysł Flettnera polegał na wykorzystaniu tzw. Efektu Magnusa, którego istota jest następująca: gdy strumień powietrza (lub cieczy) opływa obracające się ciało, generowana jest siła prostopadła do kierunku przepływu i działająca na organizm. Faktem jest, że obracający się obiekt tworzy wokół siebie ruch wirowy. Po stronie obiektu, gdzie kierunek wiru pokrywa się z kierunkiem przepływu cieczy lub gazu, prędkość ośrodka wzrasta, a od strony przeciwnej maleje. Różnica ciśnień i tworzy siłę ścinającą skierowaną od strony, w której kierunek obrotu i kierunek przepływu są przeciwne, do strony, w której się pokrywają.
„Windship Flettner jest na ustach wszystkich dzięki niezwykle gorliwej propagandzie prasowej” - napisał Louis Prandtl w swoim artykule na temat rozwoju niemieckiego inżyniera.
Efekt ten został odkryty w 1852 roku przez berlińskiego fizyka Heinricha Magnusa.
Efekt Magnusa
Niemiecki inżynier lotniczy i wynalazca Anton Flettner (1885–1961) przeszedł do historii nawigacji jako człowiek próbujący wymienić żagle. Miał okazję długo podróżować na żaglowcu przez Atlantyk i Oceany Indyjskie. Wiele żagli było ustawianych na masztach żaglowców z tamtej epoki. Sprzęt żeglarski był drogi, złożony i aerodynamicznie niezbyt wydajny. Na żeglarzy, którzy nawet w czasie burzy musieli pływać na wysokości 40-50 metrów, czyhały nieustanne niebezpieczeństwa.
Podczas rejsu młody inżynier wpadł na pomysł wymiany żagli, które wymagają większego wysiłku, prostszym, ale skutecznym urządzeniem, którego głównym napędem byłby również wiatr. Zastanawiając się nad tym, przypomniał sobie eksperymenty aerodynamiczne przeprowadzone przez jego rodaka fizyka Heinricha Gustava Magnusa (1802-1870). Odkryli, że kiedy cylinder obraca się w strumieniu powietrza, powstaje siła poprzeczna o kierunku zależnym od kierunku obrotu cylindra (efekt Magnusa).
Jeden z jego klasycznych eksperymentów wyglądał następująco: „Mosiężny cylinder mógł obracać się między dwoma punktami; szybki obrót cylindra był nadawany, jak w górnej części, za pomocą sznurka. Obrotowy cylinder został umieszczony w ramie, którą z kolei można było łatwo obracać. Silny strumień powietrza został przesłany do tego układu za pomocą małej pompy odśrodkowej. Cylinder odchylił się w kierunku prostopadłym do strumienia powietrza i do osi cylindra, ponadto w kierunku, z którego kierunki obrotu i strumienia były takie same "(L. Prandtl" Efekt Magnusa i statek wiatru ", 1925).
A. Flettner od razu pomyślał, że żagle można zastąpić obracającymi się cylindrami zainstalowanymi na statku.
Okazuje się, że tam, gdzie powierzchnia cylindra porusza się w kierunku przeciwnym do przepływu powietrza, prędkość wiatru maleje, a ciśnienie rośnie. Po drugiej stronie cylindra jest odwrotnie - zwiększa się natężenie przepływu powietrza, a ciśnienie spada. Ta różnica ciśnień z różnych stron cylindra jest siłą napędową, która powoduje ruch naczynia. To podstawowa zasada działania sprzętu obrotowego, który wykorzystuje siłę wiatru do poruszania statkiem. Wszystko jest bardzo proste, ale tylko A. Flettner "nie przeszedł", chociaż efekt Magnusa znany jest od ponad pół wieku.
Zaczął wdrażać plan w 1923 roku na jeziorze pod Berlinem. Właściwie Flettner zrobił całkiem prostą rzecz. Zainstalował papierowy cylinder-wirnik o wysokości około metra i średnicy 15 cm na metrowej łodzi testowej i dostosował mechanizm zegara do obracania go. A łódź odpłynęła.
Kapitanowie żaglowców szydzili z cylindrów A. Flettnera, którymi chciał wymienić żagle. Wynalazca zdołał zainteresować swoim wynalazkiem zamożnych mecenasów sztuki. W 1924 roku zamiast trzech masztów zainstalowano dwa cylindry wirnika na 54-metrowym szkunerze „Buckau”. Te cylindry były napędzane przez 45-konny generator diesla.
Wirniki Bucau były napędzane silnikami elektrycznymi. W rzeczywistości projekt nie różnił się od klasycznych eksperymentów Magnusa. Po stronie, po której wirnik obracał się pod wiatr, utworzono obszar podwyższonego ciśnienia, po przeciwnej stronie obszar niskiego ciśnienia. Powstała w ten sposób siła napędzała statek. Co więcej, siła ta była około 50 razy większa niż siła parcia wiatru na nieruchomy wirnik!
Otworzyło to wielkie perspektywy dla Flettnera. Między innymi powierzchnia wirnika i jego masa były kilkakrotnie mniejsze niż powierzchnia platformy żaglowej, co dawałoby taką samą siłę napędową. Wirnik był znacznie łatwiejszy do kontrolowania i dość tani w produkcji. Od góry Flettner pokrył wirniki płaszczyznami płytowymi - co spowodowało około dwukrotne zwiększenie siły napędowej dzięki prawidłowej orientacji przepływów powietrza względem wirnika. Optymalną wysokość i średnicę wirnika dla „Bukau” obliczono, wdmuchując model przyszłego statku w tunelu aerodynamicznym.
Żaglówka typu Cousteau - w 2011 roku Alkiona jest jedynym statkiem na świecie wyposażonym w żaglowiec Cousteau. Śmierć wielkiego oceanografa w 1997 roku położyła kres budowie drugiego takiego statku, Calypso II, a inni stoczniowcy obawiają się niezwykłego projektu …
Wirnik Flettnera okazał się doskonały. W przeciwieństwie do zwykłego żaglowca, statek obrotowy praktycznie nie bał się złej pogody i silnych bocznych wiatrów, mógł swobodnie pływać naprzemiennie halsami pod kątem 25º do wiatru czołowego (dla normalnego żagla granica wynosi około 45º). Dwa cylindryczne wirniki (wysokość 13,1 m, średnica 1,5 m) pozwoliły na doskonałe wyważenie statku - okazał się bardziej stabilny niż żaglówka, jaką Bukau był przed przebudową. Testy zostały przeprowadzone w ciszy, podczas burzy, z celowym przeciążeniem - i nie stwierdzono żadnych poważnych niedociągnięć. Najkorzystniejszy dla ruchu statku był kierunek wiatru dokładnie prostopadły do osi statku, a kierunek ruchu (do przodu lub do tyłu) był determinowany przez kierunek obrotów wirników.
W połowie lutego 1925 r. Szkuner „Buckau”, wyposażony w wirniki Flettnera zamiast żagli, opuścił Gdańsk (obecnie Gdańsk) i udał się do Szkocji. Pogoda była zła i większość żaglówek nie odważyła się opuścić portów. Na Morzu Północnym Buckau musieli poważnie radzić sobie z silnymi wiatrami i dużymi falami, ale szkuner przechylał się na pokładzie mniej niż inne napotkane żaglówki.
Podczas tego rejsu nie było konieczności wzywania członków załogi na pokład w celu zmiany żagli w zależności od siły lub kierunku wiatru. Wystarczył jeden nawigator zegarka, który bez wychodzenia ze sterówki mógł sterować pracą wirników. Wcześniej załoga trzymasztowego szkunera składała się z co najmniej 20 marynarzy, po przebudowie na statek obrotowy wystarczyło 10 osób.
W tym samym roku stocznia położyła podwaliny pod drugi statek obrotowy - potężny liniowiec towarowy „Barbara”, napędzany trzema 17-metrowymi wirnikami. Jednocześnie na każdy wirnik wystarczył jeden mały silnik o mocy zaledwie 35 KM. (przy maksymalnej prędkości obrotowej każdego wirnika 160 obr / min)! Ciąg wirnika był równoważny napięciu śruby napędowej z napędem śrubowym sprzężonym z konwencjonalnym okrętowym silnikiem wysokoprężnym o mocy około 1000 KM. Jednak statek posiadał również silnik wysokoprężny: oprócz wirników wprawiał w ruch śmigło (które pozostało jedynym urządzeniem napędowym w przypadku bezwietrznej pogody).
Obiecujące eksperymenty skłoniły firmę żeglugową Rob. M. Sloman z Hamburga do zbudowania statku Barbara w 1926 roku. Z góry planowano wyposażyć turbosprężarki - wirniki Flettnera. Na statku o długości 90 mi szerokości 13 m zamontowano trzy wirniki o wysokości około 17 m.
Zgodnie z planem Barbara od jakiegoś czasu z powodzeniem przewozi owoce z Włoch do Hamburga. Około 30–40% czasu rejsu, na którym statek płynął z powodu siły wiatru. Przy wietrze 4-6 punktów "Barbara" rozwijała prędkość 13 węzłów.
Planowano przetestować statek obrotowy podczas dłuższych rejsów po Oceanie Atlantyckim.
Ale pod koniec lat dwudziestych XX wieku nastąpił wielki kryzys. W 1929 roku firma czarterowa odmówiła dalszej dzierżawy Barbary i została sprzedana. Nowy właściciel usunął wirniki i przerobił statek zgodnie z tradycyjnym schematem. Mimo to wirnik przegrał ze śrubami napędowymi w połączeniu z konwencjonalną elektrownią wysokoprężną z powodu jego zależności od wiatru oraz pewnych ograniczeń mocy i prędkości. Flettner zwrócił się ku bardziej zaawansowanym badaniom i w końcu Baden-Baden zatonął podczas burzy na Karaibach w 1931 roku.
I długo zapomnieli o żaglach obrotowych …
Wydaje się, że początek statków obrotowych był całkiem udany, ale nie otrzymał rozwoju i został zapomniany na długi czas. Czemu? Najpierw „ojciec” statków obrotowych A. Flettner pogrążył się w tworzeniu helikopterów i przestał interesować się transportem morskim. Po drugie, pomimo wszystkich swoich zalet, statki obrotowe pozostały żaglowcami ze swoimi nieodłącznymi wadami, z których główną jest zależność od wiatru.
Wirniki Flettnera ponownie zainteresowały się w latach 80-tych XX wieku, kiedy naukowcy zaczęli proponować różne środki mające na celu złagodzenie ocieplenia klimatu, zmniejszenie zanieczyszczenia i bardziej racjonalne wykorzystanie paliwa. Jednym z pierwszych, którzy je zapamiętali, był francuski odkrywca Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). Aby przetestować działanie systemu turbosprężarek i zmniejszyć zużycie paliwa, dwumasztowy katamaran „Alcyone” (Alcyone jest córką boga wiatrów Aeolus) został przekształcony w statek obrotowy. Wyruszywszy w rejs morski w 1985 roku, odwiedził Kanadę i Amerykę, okrążył Przylądek Horn, ominął Australię i Indonezję, Madagaskar i Afrykę Południową. Został przeniesiony na Morze Kaspijskie, gdzie pływał przez trzy miesiące, wykonując różne studia. Alcyone nadal wykorzystuje dwa różne układy napędowe - dwa silniki wysokoprężne i dwa turbosprężarki.
Żagiel turbo Cousteau
Żaglówki budowano przez cały XX wiek. W nowoczesnych statkach tego typu uzbrojenie żeglarskie składane jest za pomocą silników elektrycznych, nowe materiały pozwalają na znaczne odciążenie konstrukcji. Ale żaglówka to żaglówka, a idea wykorzystania energii wiatru w radykalnie nowy sposób unosi się w powietrzu od czasów Flettnera. I została zabrana przez niestrudzonego poszukiwacza przygód i odkrywcy Jacques-Yves Cousteau.
23 grudnia 1986 roku, po wypuszczeniu na rynek Alcyone, o którym mowa na początku artykułu, Cousteau i jego koledzy Lucien Malavar i Bertrand Charier otrzymali wspólny patent nr US4630997 na „urządzenie wytwarzające siłę za pomocą poruszającej się cieczy lub gazu”. Ogólny opis jest następujący: „Urządzenie jest umieszczone w środowisku poruszającym się w określonym kierunku; tworzy to siłę działającą w kierunku prostopadłym do pierwszego. Urządzenie unika użycia masywnych żagli, w których siła napędowa jest proporcjonalna do powierzchni żagla”. Jaka jest różnica między żaglem turbosprężarki Cousteau a obrotowym żaglem Flettnera?
W przekroju żagiel turbosprężalny jest czymś w rodzaju wydłużonej kropli zaokrąglonej od ostrego końca. Po bokach „kropli” znajdują się kratki wlotu powietrza, przez jedną z których (w zależności od potrzeby poruszania się do przodu lub do tyłu) zasysane jest powietrze. Aby zapewnić jak najefektywniejsze zasysanie wiatru do wlotu powietrza, na żaglu turbo zainstalowany jest mały wentylator napędzany silnikiem elektrycznym.
Sztucznie zwiększa prędkość ruchu powietrza od zawietrznej strony żagla, zasysając strumień powietrza w momencie jego oddzielenia od płaszczyzny żagla turbo. Tworzy to podciśnienie po jednej stronie turbosprężarki, jednocześnie zapobiegając tworzeniu się turbulentnych wirów. I wtedy działa efekt Magnusa: rozrzedzenie z jednej strony, w rezultacie - siła poprzeczna zdolna wprawić statek w ruch. W rzeczywistości turbosprężarka to pionowo ustawione skrzydło samolotu, przynajmniej zasada wytwarzania siły napędowej jest podobna do zasady tworzenia dźwigu samolotu. Aby zapewnić, że turbosprężarka jest zawsze zwrócona do wiatru w najkorzystniejszym kierunku, jest wyposażona w specjalne czujniki i zainstalowana na obrotnicy. Nawiasem mówiąc, patent Cousteau sugeruje, że powietrze może być wysysane z wnętrza turbosprężarki nie tylko przez wentylator, ale także np.pompa powietrza - w ten sposób Cousteau zamknął furtkę dla kolejnych „wynalazców”.
Właściwie po raz pierwszy Cousteau przetestował prototyp żagla turbosprężarki na katamaranie Moulin à Vent w 1981 roku. Największym udanym rejsem katamaranu był rejs z Tangeru (Maroko) do Nowego Jorku pod okiem większego statku ekspedycyjnego.
A w kwietniu 1985 r. W porcie La Rochelle zwodowano Alcyone, pierwszy pełnoprawny statek wyposażony w turbosprężarki. Teraz nadal jest w ruchu i dziś jest okrętem flagowym (i właściwie jedynym dużym statkiem) flotylli Cousteau. Żagle turbo nie są jedynym napędem, ale pomagają w zwykłym sprzęganiu dwóch diesli i kilku śmigieł (co, nawiasem mówiąc, zmniejsza zużycie paliwa o około jedną trzecią). Gdyby żył wielki oceanograf, prawdopodobnie zbudowałby kilka podobnych statków, ale entuzjazm jego współpracowników po odejściu Cousteau wyraźnie opadł.
Na krótko przed śmiercią w 1997 roku Cousteau aktywnie pracował nad projektem statku „Calypso II” z turbosprężarką, ale nie udało mu się go ukończyć. Według najnowszych informacji zimą 2011 roku „Alcyona” znajdowała się w porcie w Caen i czekała na nową wyprawę.
Flettner Again
Obecnie podejmuje się próby ożywienia pomysłu Flettnera i wprowadzenia żagli obrotowych do głównego nurtu. Na przykład słynna hamburska firma Blohm + Voss, po kryzysie naftowym w 1973 r., Rozpoczęła aktywny rozwój tankowca rotacyjnego, ale do 1986 r. Projekt ten przykryły czynniki ekonomiczne. Potem było kilka projektów amatorskich.
W 2007 roku studenci Uniwersytetu we Flensburgu zbudowali katamaran napędzany obrotowym żaglem (Uni-cat Flensburg).
W 2010 roku pojawił się trzeci w historii statek z obrotowymi żaglami - ciężki samochód ciężarowy E-Ship 1, który został zbudowany dla Enercon, jednego z największych producentów turbin wiatrowych na świecie. 6 lipca 2010 roku statek został po raz pierwszy zwodowany i odbył krótką podróż z Emden do Bremerhaven. W sierpniu wyruszył w swoją pierwszą podróż służbową do Irlandii z ładunkiem dziewięciu turbin wiatrowych. Statek wyposażony jest w cztery wirniki Flettnera i oczywiście tradycyjny układ napędowy na wypadek spokoju i dodatkowej mocy. Żagle obrotowe służą jednak jedynie jako pędniki pomocnicze: dla 130-metrowej ciężarówki ich moc nie wystarcza do uzyskania odpowiedniej prędkości. Silniki to dziewięć elektrowni Mitsubishi, a wirniki są obracane przez turbinę parową Siemens,wykorzystanie energii spalin. Żagle obrotowe oszczędzają od 30 do 40% paliwa przy prędkości 16 węzłów.
Ale turbosprężarka Cousteau wciąż pozostaje w pewnym zapomnieniu: Alcyone jest obecnie jedynym pełnowymiarowym statkiem z tego typu napędem. Doświadczenia niemieckich stoczniowców pokażą, czy sensowne jest dalsze rozwijanie tematu żagli działających na efekcie Magnusa. Najważniejsze jest, aby znaleźć uzasadnienie ekonomiczne i udowodnić jego skuteczność. I tam, jak widzicie, cała światowa żegluga będzie kierować się zasadą, którą utalentowany niemiecki naukowiec opisał ponad 150 lat temu.
Na Morzu Północnym w 2010 roku można było zobaczyć dziwny statek „E-Ship 1”. Na górnym pokładzie znajdują się cztery wysokie, zaokrąglone kominy, ale nigdy nie wydobywa się z nich dym. Są to tzw. Wirniki Flettnera, które zastąpiły tradycyjne żagle.
Największy na świecie producent turbin wiatrowych Enercon zwodował 2 sierpnia 2010 roku w stoczni Lindenau w Kilonii 130-metrowy, 22-metrowy statek obrotowy, który później został nazwany „E-Ship 1”. Następnie pomyślnie przeszedł testy na Morzu Północnym i Śródziemnym, a obecnie transportuje generatory wiatrowe z Niemiec, gdzie są produkowane, do innych krajów europejskich. Rozwija prędkość 17 węzłów (32 km / h), jednocześnie przewozi ponad 9 tysięcy ton ładunku, jego załoga to 15 osób.
Przedsiębiorstwo żeglugowe Wind Again z siedzibą w Singapurze, technologia redukcji paliwa i emisji, oferuje specjalnie zaprojektowane wirniki Flettnera (składane) do tankowców i statków towarowych. Zmniejszą zużycie paliwa o 30-40% i zwrócą się za 3-5 lat.
Wartsila, fińska firma zajmująca się inżynierią morską, już teraz planuje przystosować swoje turbozagle na promy wycieczkowe. Wynika to z chęci fińskiego operatora promowego Viking Line do zmniejszenia zużycia paliwa i zanieczyszczenia środowiska.
Zastosowanie wirników Flettnera na statkach rekreacyjnych jest badane na Uniwersytecie we Flensburgu (Niemcy). Rosnące ceny ropy naftowej i alarmujące ocieplenie klimatu wydają się sprzyjać powrotowi turbin wiatrowych.
Jacht zaprojektowany przez Johna Marplesa "Cloudię" to przebudowany trimaran Searunner 34. Jacht po raz pierwszy przetestowany został w lutym 2008 roku w Fort Pierce na Florydzie w USA, a jego stworzenie zostało sfinansowane przez Discovery Channel. „Claudia” okazała się niesamowicie zwrotna: w ciągu kilku sekund zatrzymała się i włączyła wsteczny, swobodnie poruszając się pod kątem około 15 ° do wiatru. Zauważalna poprawa osiągów w porównaniu z tradycyjnym wirnikiem Flettnera jest spowodowana dodatkowymi poprzecznymi tarczami zamontowanymi na przednich i tylnych wirnikach trimarana.