Poznatu dokumentarnu seriju Podvodne odiseje tima Cousteau Team snimio je veliki francuski oceanograf u 1960-im i 1970-ima. Cousteauov glavni brod tada je pretvoren iz britanskog minobacača "Calypso". Ali u jednom od sljedećih filmova - „Ponovno otkriće svijeta“, pojavio se još jedan brod, jahta „Alcyone“.
Gledajući to, mnogi su se gledatelji postavili pitanje: koje su ove neobične cijevi instalirane na jahti?.. Možda su to cijevi kotlova ili pogonski sustavi?
Zamislite svoje čuđenje ako otkrijete da su to SAILS … turbosails …
Fond Cousteau kupio je jahtu "Alkion" 1985. godine, a ovaj se brod smatrao ne toliko istraživačkim brodom, već kao bazom za proučavanje učinkovitosti turbosails - izvornog brodskog pogonskog sustava. A kad je 11 godina kasnije legendarni „Calypso“potonuo, „Alcyona“je zauzela njeno mjesto kao glavni brod ekspedicije (usput, danas je „Calypso“uzdignut i nalazi se u polu opljačkanom stanju u luci Concarneau).
Zapravo, turbosail je izumio Cousteau. Kao i oprema za ronjenje, podvodni tanjur i mnogi drugi uređaji za istraživanje morske dubine i površine oceana. Ideja se rodila početkom 1980-ih i trebala je stvoriti ekološki najprihvatljiviji, ali istodobno prikladan i moderan pogonski sustav za vodene ptice. Činilo se da je korištenje energije vjetra najperspektivnije područje istraživanja. Ali evo loše sreće: čovječanstvo je izumilo jedro prije nekoliko tisuća godina, a što bi moglo biti jednostavnije i logičnije?
Naravno, Cousteau i njegova tvrtka shvatili su da je nemoguće izgraditi brod pogonjen isključivo jedrom. Možda preciznije, ali njegove će vozne performanse biti vrlo osrednje i ovisit će o ćudljivosti vremena i smjera vjetra. Stoga je prvotno bilo planirano da novo "jedro" bude samo pomoćna sila, primjenjiva za pomoć konvencionalnim dizel motorima. Istodobno, turbosail bi značajno smanjio potrošnju dizelskog goriva, a pri jakom vjetru mogao bi postati jedino pogonsko plovilo. A izgled istraživačkog tima okrenuo se prošlosti - izumu njemačkog inženjera Antona Flettnera, poznatog dizajnera zrakoplova, koji je dao značajan doprinos u brodogradnji.
Promotivni video:
Turbo jedro je šuplji cilindar opremljen posebnom pumpom. Crpka stvara vakuum s jedne strane turbo jedrilice, ubacujući zrak u jedro, vanjski zrak počinje teći oko turbo jedrilice različitim brzinama i brod se počinje kretati u smjeru okomitom na tlak zraka. To je vrlo slično dizanju koje djeluje na krilu aviona - pritisak s dna krila je veći i avion se gura prema gore. Turbo jedro omogućuje brodu da se kreće protiv bilo kojeg vjetra, sve dok postoji dovoljno snage crpke. Koristi se kao pomoćni sustav za konvencionalni brodski motor. Dva turbosail postavljena na brod Cousteau tima "Alkion" omogućila su uštedu do 50% goriva.
Flettnerov rotor i Magnusov efekt
16. rujna 1922. Anton Flettner dobio je njemački patent za takozvani rotacijski brod. A u listopadu 1924. eksperimentalni rotacijski brod Buckau napustio je zalihe brodograđevne tvrtke Friedrich Krupp u Kielu. Istina, šunka nije građena ispočetka: prije postavljanja Flettnerovih rotora to je bila obična jedrilica.
Flettnerova ideja bila je korištenje takozvanog Magnusovog efekta, čija je suština sljedeća: kada struja zraka (ili tekućine) struji oko rotirajućeg tijela, stvara se sila koja je okomita na smjer toka i djeluje na tijelo. Činjenica je da rotirajući objekt stvara vrtložni pokret oko sebe. Sa strane objekta, gdje se smjer vrtloga podudara s smjerom toka tekućine ili plina, brzina medija se povećava, a sa suprotne strane smanjuje se. Razlika u tlaku i stvara posmičnu silu usmjerenu sa strane gdje su smjer vrtnje i smjer toka suprotni, u stranu gdje se podudaraju.
"Flettnerov vjetrobran svima je na usnama zahvaljujući izuzetno revnoj novinskoj propagandi", napisao je Louis Prandtl u svom članku o razvoju njemačkog inženjera.
Taj je efekt otkrio 1852. berlinski fizičar Heinrich Magnus.
Magnusni efekt
Njemački zrakoplovni inženjer i izumitelj Anton Flettner (1885-1961) ušao je u povijest plovidbe kao čovjek koji pokušava zamijeniti jedra. Imao je priliku dulje vrijeme putovati na jedrilici preko Atlantskog i Indijskog oceana. Mnoga jedra bila su postavljena na jarbolima jedrenjaka tog doba. Oprema za jedrenje bila je skupa, složena i aerodinamički ne baš učinkovita. Stalne opasnosti čekale su mornare, koji su čak i tijekom oluje morali ploviti na visini od 40-50 metara.
Tijekom plovidbe, mladi je inženjer imao ideju zamijeniti jedra, koja zahtijevaju više napora, jednostavnijim, ali učinkovitim uređajem, čiji će glavni pogon biti i vjetar. Razmišljajući o tome, prisjetio se aerodinamičkih eksperimenata koje je izveo njegov sunarodnjak fizičar Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Otkrili su da kada se cilindar rotira u protoku zraka, pojavljuje se poprečna sila u smjeru ovisno o smjeru vrtnje cilindra (Magnusov efekt).
Jedan od njegovih klasičnih pokusa izgledao je ovako: "Mesingani cilindar mogao bi se rotirati između dviju točaka; brza rotacija cilindra omogućena je, kao na vrhu, žicom. Rotirajući cilindar bio je postavljen u okvir, koji se zauzvrat lako mogao zakretati. Jaki mlaz zraka upućen je u ovaj sustav pomoću male centrifugalne pumpe. Cilindar je odstupio u smjeru okomitom na struju zraka i na os cilindra, štoviše u smjeru iz kojeg su smjerovi rotacije i mlaza bili isti "(L. Prandtl" Magnusov efekt i vjetrovni brod ", 1925.).
A. Flettner je odmah pomislio da se jedra mogu zamijeniti rotirajućim cilindrima ugrađenim na brod.
Ispada da se tamo gdje se površina cilindra kreće protiv protoka zraka, brzina vjetra smanjuje i tlak raste. S druge strane cilindra vrijedi suprotno - brzina protoka zraka raste i tlak se smanjuje. Ova razlika u tlaku s različitih strana cilindra je pokretačka sila koja čini plovilo pomicanje. To je osnovni princip rotacijske opreme koja koristi silu vjetra za pomicanje plovila. Sve je vrlo jednostavno, ali samo A. Flettner "nije prošao pored", iako je Magnusov efekt poznat više od pola stoljeća.
Počeo je provoditi plan 1923. na jezeru u blizini Berlina. Zapravo, Flettner je učinio prilično jednostavnu stvar. Na testni brod dugačak metar stavio je rotor papira s cilindrom visine oko metar i promjera 15 cm i prilagodio satni mehanizam da ga rotira. I brod je otplovio.
Kapetani jedrenjaka podsmjehnuli su se cilindrima A. Flettnera kojim je želio zamijeniti jedra. Izumitelj je svojim izumom uspio zainteresirati bogate pokrovitelje umjetnosti. 1924. godine umjesto tri jarbola postavljena su dva rotorska cilindra na 54-metarskoj školjki "Buckau". Ove je cilindre pokretao dizelski motor od 45 KS.
Bucauovi rotori pokretali su se električnim motorima. Zapravo nije bilo razlike od klasičnih eksperimenata Magnusa u dizajnu. Na strani, gdje se rotor okretao protiv vjetra, stvoreno je područje povišenog tlaka, na suprotnoj strani smanjeno. Snaga koja proizlazi je ono što pokreće brod. Štoviše, ta je sila bila oko 50 puta veća od sile pritiska vjetra na nepomičnom rotoru!
Ovo je otvorilo velike izglede za Flettnera. Između ostalog, područje rotora i njegova masa bili su nekoliko puta manji od područja jedrilice, što bi davalo jednaku pokretačku silu. Rotorom je bilo puno lakše upravljati, a bilo ih je i prilično jeftino za izradu. Odozgo je Flettner prekrivao rotore pločicama - to je povećalo pokretačku silu za oko dva puta zbog ispravne orijentacije strujanja zraka u odnosu na rotor. Optimalna visina i promjer rotora za "Bukau" izračunali su se puhanjem modela budućeg plovila u vjetroelektrani.
Cousteau turbo jedrilica - Alkiona je za 2011. jedina plovila na svijetu s Cousteau turbosail. Smrt velikog oceanografa 1997. godine okončala je izgradnju drugog takvog broda, Calypso II, a ostali se brodograditelji plaše neobičnog dizajna …
Flettnerov rotor pokazao se izvrsnim. Za razliku od običnog jedrenjaka, rotacijski se brod praktički nije bojao lošeg vremena i jakih bočnih vjetrova, lako je mogao ploviti naizmjeničnim naborima pod kutom od 25 ° prema prednjem vjetru (za normalno jedro granica je oko 45 °). Dva cilindrična rotora (visine 13,1 m, promjera 1,5 m) omogućila su savršeno balansiranje broda - pokazalo se da je stabilnija od jedrilice koju je Bukau imao prije restrukturiranja. Ispitivanja su provedena u tišini, oluji i s namjernim preopterećenjem - a nisu utvrđeni ozbiljni nedostaci. Najpovoljniji za kretanje plovila bio je smjer vjetra točno okomit na os broda, a smjer kretanja (naprijed ili nazad) određen je smjerom vrtnje rotora.
Sredinom veljače 1925. godine, škof "Buckau", opremljen Flettnerovim rotorima umjesto jedra, napustio je Danzig (danas Gdansk) za Škotsku. Vrijeme je bilo loše i većina jedrilica se nije usudila napustiti luke. U Sjevernom moru Buckau se morao ozbiljno pozabaviti jakim vjetrovima i velikim valovima, ali španjolar je na brodu čuo manje nego kod drugih jedrenjaka.
Tijekom ovog plovidbe nije bilo potrebno pozvati članove posade na palubu kako bi promijenili jedra ovisno o jačini i smjeru vjetra. Dosta je bio jedan navigacijski sat koji je, bez napuštanja kormilarnice, mogao kontrolirati aktivnost rotora. Prije toga, posada tročlanog špijuna sastojala se od najmanje 20 mornara, nakon pretvorbe u rotacijski brod bilo je dovoljno 10 ljudi.
Iste godine brodogradilište je postavilo temelje za drugi rotacijski brod - moćnu teretnu liniju "Barbara", koju su pokretala tri rotora od 17 metara. U isto vrijeme, jedan mali motor s kapacitetom od samo 35 KS bio je dovoljan za svaki rotor. (pri maksimalnoj brzini vrtnje svakog rotora 160 o / min)! Potisak rotora bio je jednak propeleru s pogonom na propelere u kombinaciji s uobičajenim brodskim dizelskim motorom snage oko 1000 KS. No, brod je imao i dizelski motor: osim rotora, pokrenuo je propeler (koji je ostao jedini pogonski uređaj u slučaju mirnog vremena).
Obećavajući eksperimenti potaknuli su brodarsku kompaniju Rob. M. Sloman iz Hamburga da izgradi brod Barbara 1926. godine. Unaprijed je bilo planirano opremiti turbosails - Flettnerove rotore. Na plovilo duljine 90 m i širine 13 m postavljena su tri rotora visine oko 17 m.
Barbara već neko vrijeme uspješno prevozi voće iz Italije u Hamburg, kako je i planirano. Otprilike 30–40% vremena plovidbe plovilo je zbog snage vjetra. S vjetrom od 4-6 bodova "Barbara" je razvila brzinu od 13 čvorova.
Planirano je testirati rotacijski brod na duljim putovanjima u Atlantskom oceanu.
Ali u kasnim 1920-ima pogodila je Velika depresija. 1929., charter kompanija je odbila dalje iznajmiti Barbaru i prodana je. Novi vlasnik uklonio je rotore i pretvorio brod prema tradicionalnoj shemi. Ipak, rotor je izgubio vijačne propelere u kombinaciji s konvencionalnom dizelskom elektranom zbog ovisnosti o vjetru i određenim ograničenjima snage i brzine. Flettner se okrenuo naprednijim istraživanjima i Baden-Baden je na kraju potonuo tijekom oluje na Karibima 1931. godine.
I zaboravili su na okretna jedra na duže vrijeme …
Početak rotacijskih plovila, čini se, bio je prilično uspješan, ali nisu dobili razvoj i bili su zaboravljeni na duže vrijeme. Zašto? Prvo se "otac" rotacijskih brodova A. Flettner udubio u stvaranje helikoptera i prestao se zanimati za pomorski prijevoz. Drugo, unatoč svim njihovim prednostima, rotirajuća plovila ostala su jedrenjaka sa svojstvenim nedostacima, od kojih je glavni ovisnost o vjetru.
Flettnerovi rotori ponovno su bili zainteresirani u 80-ima godina dvadesetog stoljeća, kada su znanstvenici počeli predlagati razne mjere za ublažavanje klimatskog zagrijavanja, smanjenja zagađenja i racionalnijeg korištenja goriva. Jedan od prvih koji ih se sjećao bio je francuski istraživač Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). Kako bi se testirao rad turbo-jedrilice i smanjio potrošnja goriva, dvomasni katamaran "Alcyone" (Alcyone je kći boga vjetra Aeolus) pretvoren je u rotacijsku posudu. Otplovio je 1985. godine, otputovao je u Kanadu i Ameriku, obišao je rt Horn, zaobišao Australiju i Indoneziju, Madagaskar i Južnu Afriku. Prebačen je u Kaspijsko more, gdje je jedrio tri mjeseca, radeći razne studije. Alcyone i dalje koristi dva različita pogonska sustava - dva dizelska motora i dva turbosail-a.
Turbo-jedro Cousteau
Jedrilice su građene tijekom cijelog 20. stoljeća. U modernim brodovima ovog tipa, jedrilica za jedrenje je sastavljena uz pomoć elektromotora, a novi materijali omogućuju značajno osvjetljenje konstrukcije. Ali jedrilica je jedrilica, a ideja korištenja energije vjetra na radikalno nov način odvijala se u zraku još od Flettnerovih dana. A nju je pokupio neumorni pustolov i istraživač Jacques-Yves Cousteau.
23. prosinca 1986., nakon što je Alcyone, spomenut na početku članka, lansiran, Cousteau i njegovi kolege Lucien Malavar i Bertrand Charier dobili su zajednički patent br. US4630997 za "uređaj koji stvara silu upotrebom pokretne tekućine ili plina". Opći je opis sljedeći: „Uređaj je smješten u okruženju koje se kreće u određenom smjeru; to stvara silu koja djeluje u smjeru okomitom na prvu. Uređaj izbjegava masivna jedra u kojima je pokretačka sila proporcionalna području jedra. " Koja je razlika između Cousteauova turbosail-a i Flettner-ovog rotacijskog jedra?
U presjeku turbosail je nešto poput izduženog pada zaobljenog od oštrog kraja. Na stranama "kapljice" nalaze se rešetke za usisavanje zraka kroz koje se (ovisno o potrebi pomicanja prema naprijed ili natrag) usisava zrak. Za najučinkovitije usisavanje vjetra u dovod zraka, na turbo jedro je ugrađen mali ventilator pokretan elektromotorom.
Umjetno povećava brzinu kretanja zraka s leve strane jedra, usisavajući struju zraka u trenutku njegovog odvajanja od ravnine turbo-jedra. Time se stvara vakuum na jednoj strani turbosail-a, a istovremeno sprečava stvaranje turbulentnih vrtloga. Tada djeluje Magnusov učinak: razrjeđivanje s jedne strane, kao rezultat - poprečna sila koja može pokrenuti brod u pokretu. Zapravo, turbosail je vertikalno postavljeno krilo zrakoplova, barem je princip stvaranja propulzivne sile sličan principu stvaranja dizala zrakoplova. Da bi se turbosail uvijek okrenuo vjetru u najpovoljnijem smjeru, opremljen je posebnim senzorima i instaliran na gramofon. Usput, patent Cousteau podrazumijeva da zrak može usisati iznutra turbosail ne samo ventilatorom, već i npr.zračna pumpa - tako je Cousteau zatvorio vrata za sljedeće "izumitelje".
Zapravo, Cousteau je prvi put testirao prototip turbosail-a na katamaranu Moulin à Vent 1981. godine. Najveća uspješna plovidba katamaranom bila je putovanje od Tangera (Maroko) do New Yorka pod nadzorom većeg ekspedicijskog broda.
A u travnju 1985. u luku La Rochelle lansiran je Alcyone, prvi punopravni brod opremljen turbosailima. Sada je i dalje u pokretu, a danas je vodeći brod (i, u stvari, jedini veliki brod) flotile Cousteau. Turbo jedra na njemu nisu jedini pokretač, ali pomažu uobičajenom spajanju dva dizela i nekoliko propelera (što, usput, omogućava smanjenje potrošnje goriva za otprilike trećinu). Da je veliki oceanograf živ, vjerojatno bi sagradio još nekoliko sličnih brodova, ali entuzijazam njegovih suradnika nakon odlaska iz Cousteaua vidno je utihnuo.
Neposredno prije smrti 1997. godine, Cousteau je aktivno radio na projektu broda "Calypso II" s turbosail, ali ga nije uspio dovršiti. Prema posljednjim podacima, "Alkiona" je u zimu 2011. godine bila u luci Caen i čekala novu ekspediciju.
Flettner opet
Danas se pokušavaju oživjeti Flettnerova ideja i okretna jedra učiniti redovnim. Primjerice, poznata hamburška tvrtka Blohm + Voss nakon naftne krize 1973. započela je aktivni razvoj rotacijskog tankera, ali do 1986. godine ekonomski čimbenici pokrili su taj projekt. Tada je bilo puno amaterskih dizajna.
Godine 2007. studenti na Sveučilištu u Flensburgu izgradili su katamaran pogonjen rotacijskim jedrom (Uni-cat Flensburg).
U 2010. godini pojavio se treći brod s rotacijskim jedrima - teški kamion E-Ship 1, koji je izgrađen za Enercon, jednog od najvećih proizvođača vjetroagregata na svijetu. Brod je 6. srpnja 2010. prvi put lansiran i uputio se u kratko putovanje od Emdena do Bremerhavena. A u kolovozu je krenuo na svoje prvo radno putovanje u Irsku s opterećenjem od devet vjetroagregata. Plovilo je opremljeno s četiri Flettnerova rotora i, naravno, tradicionalnim pogonskim sustavom u slučaju smirenosti i za dodatnu snagu. Ipak, okretna jedra služe samo kao pomoćni propeleri: za kamion od 130 metara njihova snaga nije dovoljna za postizanje odgovarajuće brzine. Motori su devet Mitsubishi elektrana, a rotore rotira Siemens parna turbina,koristeći energiju ispušnih plinova. Rotacijska jedra štede 30 do 40% goriva pri brzini od 16 čvorova.
Ali Cousteauov turbosail još uvijek je u nekom zaboravu: Alcyone je trenutno jedini brod pune veličine s ovom vrstom pogona. Iskustvo njemačkih brodograditelja pokazat će ima li smisla dalje razvijati temu jedra koja djeluju na Magnusov efekt. Glavno je pronaći ekonomsko opravdanje za to i dokazati njegovu učinkovitost. I tamo ćete, vidite, sve svjetske plovidbe preći na princip koji je opisao talentirani njemački znanstvenik prije više od 150 godina.
U Sjevernom moru 2010. godine mogli ste vidjeti neobičan brod "E-Ship 1". Na njegovoj gornjoj palubi nalaze se četiri visoka zaobljena dimnjaka, ali dim se iz njih nikada ne viri. Riječ je o takozvanim Flettnerovim rotorima, koji su zamijenili tradicionalna jedra.
2. kolovoza 2010., najveći svjetski proizvođač vjetroelektrana Enercon lansirao je 130-metarski rotacijski brod širine 22 m, koji je kasnije nazvan E-Ship 1, u brodogradilištu Lindenau u Kielu. Zatim je uspješno testiran na Sjevernom i Sredozemnom moru, a trenutno vrši vjetroelektrane iz Njemačke, gdje se proizvode, u druge europske zemlje. Razvija brzinu od 17 čvorova (32 km / h), istovremeno prevozi više od 9 tisuća tona tereta, njegova posada broji 15 ljudi.
Singapurska brodarska kompanija Wind Again, tehnologija smanjenja goriva i emisija, nudi posebno dizajnirane rolete Flettner (sklopivi) za tankere i teretne brodove. Oni će smanjiti potrošnju goriva za 30-40%, a isplatit će se za 3-5 godina.
Finska tvrtka za pomorski inženjering Wartsila već planira prilagoditi svoje turbosails na trajektima za krstarenje. To je zbog želje finskog trajektnog operatora Viking Line da smanji potrošnju goriva i onečišćenje okoliša.
Upotrebu Flettner rotora u zanatskom zanatstvu proučava Sveučilište u Flensburgu (Njemačka). Rast cijena nafte i alarmantno klimatsko zagrijavanje čini se da su povoljni uvjeti za povratak vjetroagregata.
Jahta koju je dizajnirao John Marples "Cloudia" je obnovljeni trimaran Searunner 34. Jahta je prvi put testirana u veljači 2008. u Fort Pierceu na Floridi, SAD, a njeno stvaranje financiralo je Discovery Channel. "Claudia" se pokazala nevjerojatno manevriranom: zaustavila se i uključila se unazad u nekoliko sekundi, slobodno se kretala pod kutom od oko 15 ° prema vjetru. Primjetno poboljšanje performansi u odnosu na tradicionalni Flettner-ov rotor zaslužni su dodatnim poprečnim diskovima ugrađenim na prednji i zadnji trimaranski rotor.