Slavný dokumentární seriál Underwater Odyssey Cousteau Team byl natočen velkým francouzským oceánografem v 60. - 70. letech. Cousteauova hlavní loď byla poté přeměněna z britského minolovce „Calypso“. Ale v jednom z následujících filmů - „Znovuobjevení světa“- se objevila další loď, jachta „Alcyone“.
Při pohledu na to si mnoho diváků položilo otázku: jaké jsou tyto podivné trubky instalované na jachtě?.. Možná to jsou trubky kotlů nebo pohonných systémů?
Představte si svůj úžas, když zjistíte, že se jedná o SAILS … turbosails …
Cousteauův fond získal jachtu „Alkiona“v roce 1985 a tato loď se nepovažovala ani za výzkumnou loď, ale za základnu pro studium účinnosti turboventilů - původní pohonný systém lodi. A když se o 11 let později potopila legendární „Calypso“, místo ní se stala hlavní lodí expedice „Alcyona“(mimochodem, dnes je „Calypso“zdvižena a nachází se v polospíleném stavu v přístavu Concarneau).
Ve skutečnosti byl turbosail vynalezen Cousteauem. Stejně jako potápěčské vybavení, podvodní talíř a mnoho dalších zařízení pro objevování hlubin moře a hladiny oceánů. Myšlenka se zrodila na počátku 80. let a měla vytvořit ekologicky nejpříznivější, ale zároveň pohodlný a moderní pohonný systém pro vodní ptáky. Využití větrné energie se zdálo být nejslibnější oblastí výzkumu. Ale tady je smůla: lidstvo vynalezlo plachtu před několika tisíci lety, a co by mohlo být jednodušší a logičtější?
Cousteau a jeho společnost samozřejmě pochopili, že není možné postavit loď poháněnou výhradně plachtou. Přesněji, možná, ale jeho jízdní výkon bude velmi průměrný a bude záviset na nejasnostech počasí a směru větru. Proto bylo původně plánováno, že nová „plachta“bude pouze pomocnou silou použitelnou na pomoc konvenčním vznětovým motorům. Zároveň by turbosail významně snížil spotřebu nafty a za silného větru by se mohl stát jediným pohonem lodi. A vzhled výzkumného týmu se obrátil k minulosti - k vynálezu německého inženýra Antona Flettnera, slavného konstruktéra letadel, který významně přispěl k stavbě lodí.
Propagační video:
Turbo plachta je dutý válec vybavený speciálním čerpadlem. Čerpadlo vytváří vakuum na jedné straně turbosailu, pumpuje vzduch do plachty, vnější vzduch začíná proudit kolem turbosailu různými rychlostmi a loď se začíná pohybovat ve směru kolmém na tlak vzduchu. Je to velmi podobné tomu, jak výtah působí na křídlo letounu - tlak ze spodní části křídla je větší a letoun tlačí nahoru. Turbo plachta umožňuje lodi pohybovat se proti jakémukoli větru, pokud je dostatek energie čerpadla. Používá se jako pomocný systém pro konvenční lodní motor. Dva turboventily instalované na lodi týmu Cousteau "Alkion" umožnily ušetřit až 50% paliva.
Flettnerův rotor a Magnusův efekt
16. září 1922 obdržel Anton Flettner německý patent na tzv. Rotační loď. A v říjnu 1924 experimentální rotační loď Buckau opustila zásoby lodní společnosti Friedrich Krupp v Kielu. Pravda, škuner nebyl postaven od nuly: před instalací Flettnerových rotorů to byla obyčejná plachetnice.
Flettnerova myšlenka spočívala v použití tak zvaného Magnusova efektu, jehož podstata je následující: když proud vzduchu (nebo kapaliny) proudí kolem rotujícího tělesa, vytváří se síla, která je kolmá ke směru toku a působí na tělo. Faktem je, že rotující objekt vytváří kolem sebe vírový pohyb. Na straně předmětu, kde se směr víření shoduje se směrem proudění kapaliny nebo plynu, se rychlost média zvyšuje a z opačné strany se snižuje. Rozdíl v tlaku a vytváří střihovou sílu směrovanou ze strany, kde směr otáčení a směr proudění jsou opačné, ke straně, kde se shodují.
„Větrná loď Flettnera je na rtech každého díky mimořádně horlivé propagandě novin,“napsal Louis Prandtl ve svém článku o vývoji německého inženýra.
Tento efekt objevil v roce 1852 berlínský fyzik Heinrich Magnus.
Magnusův efekt
Německý letecký inženýr a vynálezce Anton Flettner (1885–1961) vstoupil do dějin navigace jako člověk, který se snažil nahradit plachty. Měl šanci dlouho cestovat na plachetnici přes Atlantik a Indické oceány. Na stožáry plachetnic té doby bylo položeno mnoho plachet. Plachetní zařízení bylo drahé, složité a aerodynamicky málo účinné. Neustálá nebezpečí ležela v očekávání námořníků, kteří i během bouře museli plout ve výšce 40–50 metrů.
Během plavby měl mladý inženýr nápad nahradit plachty, které vyžadují více úsilí, jednodušším, ale účinnějším zařízením, jehož hlavním pohonem by byl také vítr. Přemýšlel o tom a vzpomněl si na aerodynamické experimenty provedené svým krajanským fyzikem Heinrichem Gustavem Magnusem (1802–1870). Zjistili, že když se válec otáčí v proudu vzduchu, vzniká příčná síla ve směru závislém na směru otáčení válce (Magnusův efekt).
Jeden z jeho klasických experimentů vypadal takto: „Mosazný válec se mohl otáčet mezi dvěma body; rychlá rotace válce byla udělována, jako nahoře, šňůrou. Rotující válec byl umístěn do rámu, který se zase mohl snadno otáčet. Do tohoto systému byl vyslán silný proud vzduchu pomocí malého odstředivého čerpadla. Válec se odchyloval ve směru kolmém na proud vzduchu a na osu válce, navíc ve směru, ze kterého byly směry otáčení a proudové paprsky stejné "(L. Prandtl" Magnusův efekt a větrná loď ", 1925).
A. Flettner si okamžitě myslel, že plachty mohou být nahrazeny rotujícími válci instalovanými na lodi.
Ukazuje se, že tam, kde se povrch válce pohybuje proti proudu vzduchu, rychlost větru se snižuje a tlak se zvyšuje. Na druhé straně válce je opak pravdou - průtok vzduchu se zvyšuje a tlak se snižuje. Tento rozdíl tlaku z různých stran válce je hnací silou, která způsobuje pohyb plavidla. Toto je základní princip rotačního zařízení, které využívá sílu větru k pohybu plavidla. Všechno je velmi jednoduché, ale pouze A. Flettner „neprošel“, ačkoli Magnusův efekt je znám již více než půl století.
Plán začal realizovat v roce 1923 na jezeře nedaleko Berlína. Flettner ve skutečnosti udělal docela jednoduchou věc. Nainstaloval papírový válec-rotor o výšce asi metr a průměru 15 cm na zkušební loď dlouhou metr a upravil hodinový mechanismus pro jeho otáčení. A loď odplula.
Kapitáni plachetnic se posmívali na válcích A. Flettnera, kterými chtěl nahradit plachty. Vynálezce se svým vynálezem podařilo zaujmout bohaté patrony umění. V roce 1924 byly namísto tří stožárů nainstalovány dva rotorové válce na 54 metrovém škuneru "Buckau". Tyto válce byly poháněny dieselovým generátorem o výkonu 45 k.
Bucauovy rotory byly poháněny elektrickými motory. Ve skutečnosti nebyl rozdíl mezi klasickými experimenty Magnuse v designu. Na straně, kde se rotor otáčel proti větru, byla vytvořena oblast se zvýšeným tlakem, na druhé straně oblast s nízkým tlakem. Výsledná síla je to, co pohánělo loď. Navíc byla tato síla asi 50krát větší než síla tlaku větru na stacionárním rotoru!
To pro Flettnera otevřelo velké vyhlídky. Plocha rotoru a jeho hmotnost byly mimo jiné několikrát menší než plocha plachetnice, což by poskytovalo stejnou hnací sílu. Ovládání rotoru bylo mnohem snazší a výroba byla poměrně levná. Z výše uvedeného Flettner zakryl rotory deskovými rovinami - to zvýšilo hnací sílu asi dvakrát kvůli správné orientaci proudů vzduchu vzhledem k rotoru. Optimální výška a průměr rotoru pro "Bukau" byl vypočten vyfukováním modelu budoucí lodi do větrného tunelu.
Cousteau turbosailboat - Pro rok 2011 je Alkiona jedinou lodí na světě s Cousteau turbosailem. Smrt velkého oceánografa v roce 1997 ukončila výstavbu druhé takové lodi Calypso II a další stavitelé lodí se obávali neobvyklého designu …
Flettnerův rotor se ukázal jako vynikající. Na rozdíl od obyčejné plachetnice se rotační loď prakticky nebála špatného počasí a silných bočních větrů, mohla by snadno plavit střídavými cvočky pod úhlem 25 ° k čelnímu větru (pro normální plachtu je limit kolem 45 °). Dva válcové rotory (výška 13,1 m, průměr 1,5 m) umožnily dokonale vyvážit loď - ukázalo se, že je stabilnější než plachetnice, kterou byl Bukau před restrukturalizací. Testy byly provedeny v klidu a za bouře as úmyslným přetížením - a nebyly zjištěny žádné závažné nedostatky. Nejvýhodnější pro pohyb plavidla byl směr větru přesně kolmý na osu plavidla a směr pohybu (dopředu nebo dozadu) byl určen směrem otáčení rotorů.
V střední-únor 1925, škuner Buckau, vybavený Flettnerovými rotory místo plachet, odplul z Danzigu (nyní Gdaňsk) do Skotska. Počasí bylo špatné a většina plachetnic se neodvážila opustit přístavy. V Severním moři se Buckau musel vážně potýkat se silným větrem a velkými vlnami, ale škunerová pata na palubě méně než ostatní plachetnice.
Během této cesty nebylo nutné zavolat členy posádky na palubu, aby vyměnili plachty v závislosti na síle nebo směru větru. Jeden navigátor hodinek stačil, který bez opuštění kormidelny mohl řídit činnost rotorů. Dříve posádka třístěžného škuneru sestávala z nejméně 20 námořníků, po přeměně na rotační loď stačilo 10 lidí.
Ve stejném roce položila loděnice základ pro druhou rotační loď - mohutnou nákladní loď „Barbara“, poháněnou třemi 17metrovými rotory. Zároveň pro každý rotor stačil jeden malý motor s kapacitou pouhých 35 hp. (při maximální rychlosti otáčení každého rotoru 160 ot / min)! Tlak rotoru byl rovnocenný s tahem vrtule poháněné vrtulí spojenou s konvenčním lodním dieselovým motorem s kapacitou asi 1000 hp. Loď však měla také dieselový motor: kromě rotorů uvedl do pohybu i vrtuli (která zůstala jediným pohonným zařízením v případě klidného počasí).
Slibné experimenty přiměly lodní společnost Rob. M. Sloman z Hamburku, aby v roce 1926 postavila loď Barbara. Předem bylo naplánováno vybavení turboventilů - Flettnerovy rotory. Na lodi dlouhé 90 ma široké 13 m byly namontovány tři rotory o výšce asi 17 m.
Barbara již nějakou dobu úspěšně přepravuje ovoce z Itálie do Hamburku, jak bylo plánováno. Přibližně 30–40% času plavby plavidlo plavilo kvůli síle větru. S větrem 4-6 bodů vyvinula "Barbara" rychlost 13 uzlů.
Plánovalo se otestovat rotační loď na delší plavbě v Atlantickém oceánu.
Na konci dvacátých let však zasáhla Velká deprese. V roce 1929 charterová společnost odmítla Barbaru dále pronajmout a byla prodána. Nový majitel odstranil rotory a přeměnil loď podle tradičního schématu. Přesto rotor ztratil šroubové vrtule v kombinaci s konvenční naftovou elektrárnou kvůli své závislosti na větru a určitým omezením výkonu a rychlosti. Flettner se obrátil na slibnější průzkum a Baden-Baden nakonec klesl během bouře v Karibiku v roce 1931.
A na rotační plachty zapomněli dlouho …
Zdá se, že začátek rotačních plavidel byl docela úspěšný, ale nedostal vývoj a byl zapomenut dlouho. Proč? Zaprvé „otec“rotačních lodí A. Flettner se vrhl do vytváření vrtulníků a přestal mít zájem o námořní dopravu. Zadruhé, navzdory všem svým výhodám, rotační plavidla zůstala plachetnicemi se svými vlastními nevýhodami, z nichž hlavní je závislost na větru.
Flettnerovy rotory se opět zajímaly o 80. léta dvacátého století, kdy vědci začali navrhovat různá opatření ke zmírnění oteplování klimatu, snížení znečištění a racionálnější využití paliva. Jedním z prvních, který si je pamatoval, byl francouzský průzkumník Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). Aby se otestoval provoz turbosailního systému a snížila se spotřeba paliva, byl dvoumožný katamarán „Alcyone“(Alcyone je dcerou boha větrů Aeolus) přeměněn na rotační loď. V roce 1985 odplul, odcestoval do Kanady a Ameriky, obešel Cape Horn, obešel Austrálii a Indonésii, Madagaskar a Jižní Afriku. Byl převelen do Kaspického moře, kde se plavil tři měsíce a dělal různé studie. Alcyone stále používá dva různé pohonné systémy - dva dieselové motory a dva turboventily.
Turbo-plachetní Cousteau
Plachetnice byly stavěny po celé 20. století. U moderních lodí tohoto typu je plachetní výzbroj složena pomocí elektromotorů, nové materiály umožňují podstatně odlehčit strukturu. Ale plachetnice je plachetnice a myšlenka využití větrné energie radikálně novým způsobem je ve vzduchu už od dob Flettnera. A ona byla zvednuta neúnavným dobrodruhem a průzkumníkem Jacquesem-Yvesem Cousteauem.
23. prosince 1986, poté, co byl uveden Alcyone, zmíněný na začátku článku, byly Cousteau a jeho kolegové Lucien Malavar a Bertrand Charier obeznámeni s patentem č. US4630997 za „zařízení, které vytváří sílu pomocí pohybující se kapaliny nebo plynu“. Obecný popis je následující: „Zařízení je umístěno v prostředí pohybujícím se určitým směrem; to vytváří sílu působící ve směru kolmém na první. Zařízení se vyhýbá použití masivních plachet, u nichž je hnací síla úměrná ploše plachty. Jaký je rozdíl mezi Cousteauovou turbosailí a Flettnerovou rotační plachtou?
V průřezu je turbosail něco jako protáhlá kapka zaoblená od ostrého konce. Po stranách „kapky“jsou mřížky pro přívod vzduchu, z nichž je jeden (v závislosti na potřebě pohybu vpřed nebo vzad) nasáván vzduch. Pro nejúčinnější sání větru do přívodu vzduchu je na turbovrtule instalován malý ventilátor poháněný elektromotorem.
Uměle zvyšuje rychlost pohybu vzduchu z závětří strany plachty a nasává proud vzduchu v okamžiku jeho oddělení od roviny turbovrtule. To vytváří vakuum na jedné straně turbosailu, zatímco zabraňuje tvorbě turbulentních vírů. A pak působí Magnusův efekt: výsledkem je vzácnost na jedné straně - příčná síla schopná uvést loď do pohybu. Ve skutečnosti je turbosail vertikálně umístěným letadlovým křídlem, přinejmenším princip vytváření pohonné síly je podobný principu vytvoření zvedání letadla. Aby bylo zajištěno, že turbosocas je vždy otočen k větru v nejvýhodnějším směru, je vybaven speciálními senzory a instalován na točnu. Mimochodem, patent Cousteau naznačuje, že vzduch může být odsáván z vnitřku turbosailu nejen ventilátorem, ale také napříkladvzduchové čerpadlo - Cousteau tak uzavřel bránu pro další „vynálezce“.
Ve skutečnosti poprvé Cousteau v roce 1981 otestoval prototyp turbodmychadla na katamaránu Moulin à Vent. Největší úspěšnou plavbou katamaránu byla cesta z Tangeru (Maroko) do New Yorku pod dozorem větší expediční lodi.
A v dubnu 1985 byl v přístavu La Rochelle zahájen provoz Alcyone, první plnohodnotné lodi vybavené turbodmychadly. Nyní je stále v pohybu a dnes je vlajkovou lodí (a ve skutečnosti jedinou velkou lodí) flotily Cousteau. Turbové plachty na něm nejsou jediným tahačem, ale pomáhají při obvyklém spojení dvou dieselových motorů a několika vrtulí (což mimochodem snižuje spotřebu paliva asi o třetinu). Kdyby byl velký oceánograf naživu, pravděpodobně by postavil několik dalších podobných lodí, ale nadšení jeho společníků po odchodu z Cousteau znatelně ustoupilo.
Krátce před jeho smrtí v roce 1997 Cousteau aktivně pracoval na projektu lodi „Calypso II“s turbosailem, ale nedokázal ji dokončit. Podle nejnovějších údajů byla v zimě roku 2011 v přístavu Caen „Alkiona“a čekala na novou výpravu.
Flettner znovu
Dnes se pokouší oživit Flettnerovu myšlenku a uvést rotační plachty do hlavního proudu. Například slavná hamburská společnost Blohm + Voss po ropné krizi v roce 1973 zahájila aktivní vývoj rotačního tankeru, ale do roku 1986 tento projekt zakrývaly ekonomické faktory. Pak existovalo množství amatérských návrhů.
V roce 2007 si studenti na univerzitě ve Flensburgu postavili katamarán poháněný rotační plachtou (Uni-cat Flensburg).
V roce 2010 se objevila třetí loď s rotačními plachtami - těžký nákladní vůz E-Ship 1, který byl vyroben pro společnost Enercon, jednoho z největších výrobců větrných turbín na světě. Dne 6. července 2010 byla loď poprvé spuštěna a uskutečnila krátkou plavbu z Emdenu do Bremerhavenu. A v srpnu odešel na svou první pracovní cestu do Irska s devíti větrnými turbínami. Plavidlo je vybaveno čtyřmi Flettnerovými rotory a samozřejmě tradičním pohonným systémem v případě klidu a pro dodatečnou energii. Rotační plachty přesto slouží pouze jako pomocné vrtule: u 130 metrů nákladního vozu nestačí jejich síla k vyvinutí správné rychlosti. Motory jsou devět elektráren Mitsubishi a rotory rotují parní turbínou Siemens,využití energie výfukových plynů. Rotační plachty šetří 30 až 40% paliva při rychlosti 16 uzlů.
Cousteauova turbosail je však stále v zapomnění: Alcyone je v současnosti jedinou lodí v plné velikosti s tímto typem pohonu. Zkušenosti německých stavitelů lodí ukážou, zda má smysl dále rozvíjet téma plachet působících na Magnusův efekt. Hlavní věcí je najít ekonomické zdůvodnění a prokázat jeho účinnost. A jak vidíte, veškerá světová lodní doprava se přesune na princip, který talentovaný německý vědec popsal před více než 150 lety.
V Severním moři bylo v roce 2010 vidět podivná loď „E-Ship 1“. Na jeho horním podlaží jsou čtyři vysoké kulaté komíny, ale kouř z nich nikdy víří. Jedná se o tzv. Flettnerovy rotory, které nahradily tradiční plachty.
Největší výrobce větrných turbín na světě, společnost Enercon, byl zahájen 2. srpna 2010 na loděnici Lindenau v Kielu, 130 metrů široké rotační plavidlo o délce 22 metrů, které bylo později pojmenováno „E-Ship 1“. Poté byl úspěšně testován v Severním a Středozemním moři a v současné době přepravuje větrné generátory z Německa, kde jsou vyráběny, do dalších evropských zemí. Vyvíjí rychlost 17 uzlů (32 km / h), současně přepravuje více než 9 tisíc tun nákladu, jeho posádkou je 15 lidí.
Singapurská přepravní společnost Wind Again, technologie snižování spotřeby paliva a emisí, nabízí speciálně navržené rotory Flettner (skládací) pro tankery a nákladní lodě. Sníží spotřebu paliva o 30-40% a vyplatí se za 3-5 let.
Finská společnost pro námořní inženýrství Wartsila již plánuje přizpůsobit své turboventily na výletních trajektech. Důvodem je přání finského provozovatele trajektů Viking Line snížit spotřebu paliva a znečištění životního prostředí.
Využívání rotorů Flettner na rekreačních plavidlech studuje University of Flensburg (Německo). Rostoucí ceny ropy a alarmující oteplování klimatu se zdají být příznivými podmínkami pro návrat větrných turbín.
Jachta navržená Johnem Marplesem "Cloudia" je přestavěný trimaran Searunner 34. Jachta byla poprvé testována v únoru 2008 ve Fort Pierce na Floridě v USA a její tvorba byla financována z Discovery Channel. „Claudia“se ukázala být neuvěřitelně manévrovatelná: zastavila se a během několika vteřin se obrátila dozadu, volně se pohybovala pod úhlem asi 15 ° k větru. Znatelné zlepšení výkonu oproti tradičnímu rotoru Flettneru je způsobeno přídavnými příčnými disky namontovanými na předních a zadních trimorových rotorech.