Znano dokumentarno serijo Podvodna odiseja ekipe Cousteau Team je v 60. - 70. letih prejšnjega stoletja posnel veliki francoski oceanograf. Glavna ladja Cousteau je bila nato preurejena iz britanskega minolovca "Calypso". Toda v enem od naslednjih filmov - "Ponovno odkrivanje sveta", se je pojavila še ena ladja, jahta "Alcyone".
Številni gledalci so si ob pogledu nanjo zastavili vprašanje: kakšne so te čudne cevi, nameščene na jahti?.. Mogoče gre za cevi kotlov ali pogonske sisteme?
Predstavljajte si svoje začudenje, če ugotovite, da so to SAILS … turbosails …
Sklad Cousteau je jahto "Alkion" pridobil leta 1985, ta ladja pa je veljala ne toliko kot raziskovalna ladja, temveč kot osnova za preučevanje učinkovitosti turbosail - prvotnega ladijskega pogonskega sistema. In ko je 11 let pozneje legendarni "Calypso" potonil, je "Alkiona" zasedla svoje mesto kot glavno plovilo odprave (mimogrede, danes je "Calypso" dvignjen in je v pristanišču Concarneau v pol oropanem stanju).
Pravzaprav je turbosail izumil Cousteau. Kot tudi orodje za potapljanje, podvodni krožnik in številne druge naprave za raziskovanje morskih globin in gladine oceanov. Ideja se je rodila v začetku osemdesetih let in naj bi ustvarila najbolj okolju prijazen, a hkrati primeren in sodoben pogonski sistem za vodne ptice. Uporaba vetrne energije se je zdela najbolj obetavno področje raziskav. Toda tu je slaba sreča: človeštvo je pred nekaj tisoč leti izumilo jadro in kaj bi lahko bilo bolj preprosto in logično?
Seveda sta Cousteau in njegovo podjetje razumela, da je nemogoče zgraditi ladjo, ki jo poganja izključno jadro. Morda natančneje, vendar bo njegova vozna zmogljivost zelo osrednja in odvisna od nejasnosti vremenske in vetrne smeri. Zato je bilo prvotno načrtovano, da bo novo "jadro" le pomožna sila, ki bo uporabna za pomoč običajnim dizelskim motorjem. Hkrati bi turbosail bistveno zmanjšal porabo dizelskega goriva in v močnem vetru bi lahko postal edino pogon plovila. In videz raziskovalne ekipe se je usmeril v preteklost - k izumu nemškega inženirja Antona Flettnerja, slavnega konstruktorja letal, ki je pomembno prispeval k ladjedelništvu.
Promocijski video:
Turbo jadro je votel valj, opremljen s posebno črpalko. Črpalka ustvari vakuum na eni strani turboplava, črpa zrak v jadro, zunanji zrak začne teči okoli turbo jadra z različnimi hitrostmi in ladja se začne premikati v smeri, pravokotni na zračni tlak. To je zelo podobno dviganju, ki deluje na krilo letala - pritisk s spodnje strani krila je večji in letalo potisne navzgor. Turbo jadro omogoča, da se ladja premika proti kakršnemu koli vetru, dokler je dovolj moči črpalke. Uporablja se kot pomožni sistem za običajni ladijski motor. Dva turbosail, nameščena na ladji ekipe Cousteau "Alkion", sta omogočila prihranek do 50% goriva.
Flettnerjev rotor in Magnusov učinek
Anton Flettner je 16. septembra 1922 prejel nemški patent za tako imenovano rotacijsko plovilo. Oktobra 1924 je poskusno rotacijsko plovilo Buckau zapustilo zaloge ladjedelnice Friedrich Krupp v Kielu. Res je, da šunka ni bila zgrajena iz nič: pred namestitvijo Flettnerjevih rotorjev je šlo za navadno jadrnico.
Flettnerjeva ideja je bila, da uporabimo tako imenovani Magnusov učinek, katerega bistvo je naslednje: ko zračni (ali tekoč) tok teče okoli vrtečega se telesa, nastane sila, ki je pravokotna na smer toka in deluje na telo. Dejstvo je, da vrtljiv predmet ustvari vrtinčno gibanje okoli sebe. Na strani predmeta, kjer smer vrtinca sovpada s smerjo pretoka tekočine ali plina, se hitrost medija poveča, na nasprotni strani pa se zmanjša. Razlika v tlaku in ustvarja strižno silo, usmerjeno od strani, kjer sta smer vrtenja in smer toka nasprotni, na stran, kjer se ujemata.
"Flettnerjeva vetrnica je vsem na ustnicah zahvaljujoč izredno vneti časopisni propagandi," je v svojem članku o razvoju nemškega inženirja zapisal Louis Prandtl.
Ta učinek je leta 1852 odkril berlinski fizik Heinrich Magnus.
Magnusni učinek
Nemški letalski inženir in izumitelj Anton Flettner (1885–1961) se je v zgodovino plovbe zapisal kot človek, ki poskuša nadomestiti jadra. Imel je možnost dolgo potovati na jadralski ladji čez Atlantski in Indijski ocean. Številna jadra so bila postavljena na jambore jadrnic tiste dobe. Oprema za jadranje je bila draga, zapletena in aerodinamično ne zelo učinkovita. Neprestane nevarnosti so čakale mornarje, ki so morali celo med nevihto pripluti na višini 40-50 metrov.
Med plovbo je imel mladi inženir idejo, da jadra, ki zahtevajo več truda, zamenja s preprostejšo, a učinkovito napravo, katere glavni pogon bi bil tudi veter. V razmisleku o tem je spomnil na aerodinamične poskuse, ki jih je opravil njegov rojak fizik Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Ugotovili so, da se pri vrtenju valja v zračnem toku pojavi prečna sila s smerjo, odvisno od smeri vrtenja valja (učinek Magnusa).
Eden izmed njegovih klasičnih eksperimentov je bil videti takole: "Medeninasta jeklenka se lahko vrti med dvema točkama; hitro vrtenje jeklenke je kot na vrhu zagotavljalo vrvico. Vrteči se valj je bil postavljen v okvir, ki ga je bilo mogoče z lahkoto zasukati. V ta sistem so z majhno centrifugalno črpalko poslali močan curek zraka. Jeklenka je odstopala v smeri, pravokotni na zračni tok in na os valja, poleg tega v smeri, od katere sta bili smeri vrtenja in curka enaki "(L. Prandtl" Magnusov učinek in vetrna ladja ", 1925).
A. Flettner je takoj pomislil, da bi jadra lahko zamenjali z vrtljivimi valji, nameščenimi na ladji.
Izkaže se, da se tam, kjer se površina valja premakne proti pretoku zraka, hitrost vetra zmanjša in tlak naraste. Na drugi strani valja je ravno obratno - pretok zraka se poveča in tlak se zmanjša. Ta razlika v tlaku z različnih strani valja je gonilna sila, ki plovilo premika. To je osnovno načelo vrtljive opreme, ki za premikanje plovila uporablja silo vetra. Vse je zelo preprosto, a le A. Flettner "ni šel mimo", čeprav je učinek Magnusa znan že več kot pol stoletja.
Načrt je začel izvajati leta 1923 na jezeru v bližini Berlina. Pravzaprav je Flettner naredil precej preprosto stvar. Na testni čoln dolg meter je namestil papirni valj z valjem približno meter in premerom 15 cm in prilagodil urni mehanizem, da ga je zasukal. In čoln je odplaval.
Kapitani jadrnic so se posmehovali valjem A. Flettnerja, s katerimi je želel nadomestiti jadra. Izumitelju je s svojim izumom uspelo zanimati bogate mecene umetnosti. Leta 1924 so namesto treh jamborov na 54-metrsko šunko "Buckau" postavili dva rotorska jeklenka. Te jeklenke je poganjal dizelski agregat s 45 KM.
Bucauove rotorje so poganjali električni motorji. Pravzaprav od klasičnih eksperimentov Magnusa v oblikovanju ni bilo nobene razlike. Na strani, kjer se je rotor vrtel proti vetru, je nastalo območje povečanega tlaka, na nasprotni strani pa območje z nizkim tlakom. Nastala sila je tisto, kar poganja ladjo. Še več, ta sila je bila približno 50-krat večja od sile pritiska vetra na stacionarnem rotorju!
To je odprlo velike možnosti za Flettnerjeva. Med drugim je bilo območje rotorja in njegova masa nekajkrat manjša od površine jadralne ploščadi, kar bi dalo enako pogonsko silo. Rotor je bilo veliko lažje nadzorovati, izdelava pa je bila precej poceni. Zgoraj je Flettner rotorje pokril z ravnimi ploščami - to je zaradi pravilne usmerjenosti zračnih tokov glede na rotor povečalo približno dvakrat pogonsko silo. Optimalna višina in premer rotorja za "Bukau" sta bila izračunana s pihanjem modela bodočega plovila v vetrovnik.
Cousteau turboplav - Alkiona je za leto 2011 edino plovilo na svetu s turbosalom Cousteau. Smrt velikega oceanografa leta 1997 je končala gradnjo druge tovrstne ladje Calypso II, drugi ladjedelci pa se bojijo nenavadne zasnove …
Flettnerjev rotor se je izkazal za odličnega. Za razliko od navadne jadrnice se rotacijska ladja praktično ni bala slabega vremena in močnih stranskih vetrov, lahko je zlahka jadrala z izmeničnimi kraki pod kotom 25 ° proti čelnemu vetru (za običajno jadro je meja približno 45 °). Dva valjasta rotorja (višina 13,1 m, premer 1,5 m) sta omogočila popolno uravnoteženje ladje - izkazalo se je, da je stabilnejša od jadrnice, ki jo je imel Bukau pred prestrukturiranjem. Testi so bili izvedeni v mirni, nevihtni in namerni preobremenitvi - in resnih pomanjkljivosti ni bilo ugotovljenih. Najbolj ugodna za gibanje plovila je bila smer vetra natančno pravokotna na os plovila, smer gibanja (naprej ali nazaj) pa je bila določena s smerjo vrtenja rotorjev.
Sredi februarja 1925 je šunka "Buckau", opremljena z Flettnerjevimi rotorji namesto jader, zapustila Danzig (danes Gdansk) na Škotsko. Vreme je bilo slabo in večina jadrnic si ni upala zapustiti pristanišč. V Severnem morju so se Buckau morali resno spoprijeti z močnimi vetrovi in velikimi valovi, toda šofer se je na krovu spogledal manj kot druge jadrnice.
Med tem plovbo ni bilo treba poklicati članov posadke na krov, da bi zamenjali jadra, odvisno od moči ali smeri vetra. Dovolj je bil en navigator ure, ki je, ne da bi zapustil hišo s kolesi, lahko nadziral aktivnost rotorjev. Pred tem je posadko tritvežnega španjona sestavljalo najmanj 20 mornarjev, po pretvorbi v rotacijsko ladjo je bilo dovolj 10 ljudi.
Istega leta je ladjedelnica postavila temelje za drugo rotacijsko ladjo - mogočno tovorno linijo "Barbara", ki jo poganjajo trije 17-metrski rotorji. Hkrati je bil za vsak rotor dovolj en majhen motor s kapaciteto le 35 KM. (pri največji hitrosti vrtenja vsakega rotorja 160 vrt./min)! Potis rotorja je bil enakovreden propelerju s pogonom na propeler v kombinaciji z običajnim ladijskim dizelskim motorjem s kapaciteto približno 1000 KM Vendar je ladja imela tudi dizelski motor: poleg rotorjev je v pogon sprožila propeler (ki je ostala edina pogonska naprava v primeru mirnega vremena).
Obetavni poskusi so ladjarsko družbo Rob. M. Sloman iz Hamburga spodbudili, da je leta 1926 zgradila ladjo Barbara. Vnaprej je bilo načrtovano opremiti turbosails - Flettnerjeve rotorje. Na plovilu dolžine 90 m in širine 13 m so bili nameščeni trije rotorji z višino približno 17 m.
Barbara že nekaj časa uspešno prevaža sadje iz Italije v Hamburg, kot je bilo načrtovano. Približno 30–40% časa plovbe je plovilo zaradi jačine vetra. Z vetrom 4-6 točk je "Barbara" razvila hitrost 13 vozlov.
Načrtovano je bilo preizkušanje rotacijskega plovila na daljših plovbah v Atlantskem oceanu.
Toda v poznih dvajsetih letih 20. stoletja je prizadela Velika depresija. Leta 1929 je charter družba zavrnila nadaljnjo najem Barbare in bila prodana. Novi lastnik je odstranil rotorje in ladjo preuredil po tradicionalni shemi. Kljub temu je rotor izgubil vijačne propelerje v kombinaciji s klasično dizelsko elektrarno zaradi odvisnosti od vetra in določenih omejitev moči in hitrosti. Flettner se je obrnil na bolj obetavno raziskovanje in Baden-Baden je na koncu potonil med nevihto na Karibih leta 1931.
In dolgo so pozabili na vrtljiva jadra …
Začetek rotacijskih plovil, kot kaže, je bil precej uspešen, vendar niso dobili razvoja in so bili dolgo pozabljeni. Zakaj? Najprej je "oče" rotacijskih plovil A. Flettner pahnil v ustvarjanje helikopterjev in se prenehal zanimati za morski promet. Drugič, kljub svojim prednostim so rotacijska plovila ostala jadrnice z lastnimi pomanjkljivostmi, od katerih je glavna odvisnost od vetra.
Flettnerjevi rotorji so se znova zanimali v 80. letih dvajsetega stoletja, ko so znanstveniki začeli predlagati različne ukrepe za ublažitev podnebnega segrevanja, zmanjševanja onesnaževanja in bolj racionalne uporabe goriva. Eden prvih, ki se jih je spomnil, je bil francoski raziskovalec Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). Da bi preizkusili delovanje turbosailskega sistema in zmanjšali porabo goriva, je dvodelni katamaran "Alcyone" (Alcyone je hči boga vetrov Aeolus) spremenjen v rotacijsko plovilo. Ko se je leta 1985 odpravil na morje, je obiskal Kanado in Ameriko, obšel rt Horn, obšel Avstralijo in Indonezijo, Madagaskar in Južno Afriko. Premeščen je bil v Kaspijsko morje, kjer je tri mesece jadral, delal različne študije. Alcyone še vedno uporablja dva različna pogonska sistema - dva dizelska motorja in dva turbosails.
Turbo-jadro Cousteau
Jadrnice so bile zgrajene v celotnem 20. stoletju. V sodobnih tovrstnih ladjah se jadralna oborožitev zloži s pomočjo elektromotorjev, novi materiali pa omogočajo znatno osvetlitev konstrukcije. Toda jadrnica je jadrnica in ideja o uporabi vetrne energije na radikalno nov način se pojavlja v zraku že od Flettnerjevih dni. In jo je pobral neumorni pustolovec in raziskovalec Jacques-Yves Cousteau.
23. decembra 1986, ko je bil Alcyone, omenjen na začetku članka, Cousteau in njegovi kolegi Lucien Malavar in Bertrand Charier prejeli skupni patent št. US4630997 za "napravo, ki ustvarja silo z uporabo tekoče tekočine ali plina." Splošni opis je naslednji: „Naprava je nameščena v okolju, ki se giblje v določeni smeri; to ustvari silo, ki deluje v smeri, pravokotni na prvo. Naprava se izogiba uporabi masivnih jader, v katerih je gonilna sila sorazmerna s površino jadra. " Kakšna je razlika med Cousteaujevim turboplavom in Flettnerjevim vrtljivim jadrom?
V preseku je turbosail nekaj podobnega podolgovatemu kapljici, zaobljenemu od ostrega konca. Na straneh "kapljice" so rešetke za dovod zraka, skozi katere (odvisno od potrebe po premikanju naprej ali nazaj) sesa zrak. Za najučinkovitejše sesanje vetra v dovod zraka je na turbo jadro nameščen manjši ventilator, ki ga poganja električni motor.
Umetno povečuje hitrost gibanja zraka s podorne strani jadra, sesanje zraka v trenutku odvajanja od ravnine turbo jadra. Tako se na eni strani turbosala ustvari vakuum, hkrati pa prepreči nastanek burnih vrtincev. In potem deluje učinek Magnusa: redčenje na eni strani, kot rezultat - prečna sila, ki lahko ladjo sproži. Pravzaprav je turbosail vertikalno postavljeno krilo letala, vsaj princip ustvarjanja pogonske sile je podoben principu ustvarjanja dvigala zrakoplova. Da se turbosail vedno obrne proti vetru v najugodnejši smeri, je opremljen s posebnimi senzorji in nameščen na gramofon. Mimogrede, patent Cousteau pomeni, da lahko zrak iz notranjosti turbosala izsesa ne samo ventilator, ampak tudi npr.zračna črpalka - tako je Cousteau zaprl vrata za poznejše "izumitelje".
Pravzaprav je Cousteau prvič preizkusil prototip turbo jadra na katamaranu Moulin à Vent leta 1981. Največje uspešno jadranje katamarana je bilo potovanje iz Tangerja (Maroko) v New York pod nadzorom večje ekspedicijske ladje.
Aprila 1985 so v pristanišču La Rochelle izstrelili Alcyone, prvo polnopravno ladjo, opremljeno s turbosails. Zdaj je še vedno na poti in danes je vodilna (in pravzaprav edina velika ladja) floskule Cousteau. Turbo jadra na njem niso edini motor, vendar pomagajo običajno sklopitev dveh dizlov in več propelerjev (kar mimogrede omogoča zmanjšanje porabe goriva za približno tretjino). Če bi bil veliki oceanograf živ, bi verjetno zgradil še več podobnih ladij, vendar je navdušenje njegovih sodelavcev po odhodu v Cousteau opazno popustilo.
Tik pred smrtjo leta 1997 je Cousteau aktivno sodeloval na projektu ladje "Calypso II" s turbosalom, vendar ga ni uspel dokončati. Po zadnjih informacijah je bil Alcyona pozimi 2011 v pristanišču Caen in je čakal na novo odpravo.
Flettner spet
Danes se poskušajo oživiti Flettnerjeva ideja in spremeniti vrtljiva jadra v tok. Na primer, znano hamburško podjetje Blohm + Voss je po naftni krizi leta 1973 začelo aktivno razvijati rotacijski tanker, vendar so do leta 1986 gospodarski dejavniki zajeli ta projekt. Potem je bilo veliko ljubiteljskih modelov.
Leta 2007 so študenti na univerzi v Flensburgu zgradili katamaran, ki ga poganja vrtljivo jadrnico (Uni-cat Flensburg).
Leta 2010 se je pojavila tretja ladja z vrtljivimi jadri - težki tovornjak E-Ship 1, ki je bil zgrajen za Enercon, enega največjih proizvajalcev vetrnih turbin na svetu. 6. julija 2010 je bila ladja prvič izstreljena in se je odpravila na kratko plovbo iz Emdena v Bremerhaven. In avgusta se je odpravil na prvo delovno potovanje na Irsko z obremenitvijo devetih vetrnic. Plovilo je opremljeno s štirimi Flettnerjevimi rotorji in seveda tradicionalnim pogonskim sistemom v primeru umirjenosti in za dodatno moč. Kljub temu vrtljiva jadra služijo le kot pomožni propelerji: pri 130-metrskem tovornjaku njihova moč ni dovolj za razvoj ustrezne hitrosti. Motorji so devet elektrarn Mitsubishi, rotorje pa vrti parna turbina Siemens oz.z uporabo energije izpušnih plinov. Z vrtljivimi jadri prihranite 30 do 40% goriva s hitrostjo 16 vozlov.
Toda Cousteauov turbosail je še vedno v neki pozabi: Alcyone je trenutno edina ladja polne velikosti s to vrsto pogona. Izkušnje nemških ladjedelcev bodo pokazale, ali je smiselno razvijati temo jadrov, ki delujejo na učinek Magnus. Glavna stvar je najti ekonomsko utemeljitev za to in dokazati njeno učinkovitost. In tam, vidite, se bo vsa svetovna ladjarstvo premaknila po načelu, ki ga je pred več kot 150 leti opisal nadarjeni nemški znanstvenik.
V Severnem morju leta 2010 ste lahko videli čudno ladjo "E-Ship 1". Na njegovi zgornji palubi so štirje visoki zaobljeni dimniki, dim pa iz njih nikoli ne vihra. To so tako imenovani Flettnerjevi rotorji, ki so nadomestili tradicionalna jadra.
Največji svetovni proizvajalec vetrnih elektrarn Enercon je 2. avgusta 2010 v ladjedelnici Lindenau v Kielu lansiral 130-metrsko rotacijsko plovilo, široko 22 m, ki je bilo kasneje imenovano "E-Ship 1". Potem so ga uspešno preizkusili v severnem in sredozemskem morju, trenutno pa prevažajo vetrne generatorje iz Nemčije, kjer jih proizvajajo, v druge evropske države. Razvija hitrost 17 vozlov (32 km / h), hkrati prevaža več kot 9 tisoč ton tovora, njegova posadka je 15 ljudi.
Singapurska ladjarska družba Wind Again, tehnologija za zmanjšanje porabe goriva in emisij, ponuja posebej zasnovane ročaje Flettner (zložljivi) za tankere in tovorne ladje. Znižali bodo porabo goriva za 30-40% in se bodo izplačali v 3-5 letih.
Finsko podjetje za pomorsko inženirstvo Wartsila že načrtuje prilagoditev svojih turbosail na križarskih trajektih. To je posledica želje finskega prevoznika trajektov Viking Line, da zmanjša porabo goriva in onesnaževanje okolja.
Uporaba Flettnerjevih rotorjev na razvedrilni plovbi preučuje Univerza v Flensburgu (Nemčija). Rastoče cene nafte in alarmantno podnebno segrevanje se zdijo ugodni pogoji za vrnitev vetrnih turbin.
Jahta, ki jo je oblikoval John Marples "Cloudia", je obnovljen trimaran Searunner 34. Jahta je bila prvič preizkušena februarja 2008 v Fort Pierceu na Floridi v ZDA, njeno ustvarjanje pa je financiral Discovery Channel. "Claudia" se je izkazala za izjemno manevrsko: ustavila se je in v nekaj sekundah vklopila vzvratno, prosto se premikala pod kotom okoli 15 ° proti vetru. Opazno izboljšanje zmogljivosti v primerjavi s tradicionalnim rotorjem Flettner je posledica dodatnih prečnih diskov, nameščenih na sprednjem in zadnjem rotorju trimarana.