Как работают турбопаруса и насколько они эффективны

Любители изучения подводного мира вместе с командой Жака-Ива Кусто довольно часто задаются вопросом: а что это за странные колонны на его судне «Алкиона»? Конечно, можно предположить, что это трубы котлов или нечто подобное, вот только выглядят они странно, да и дыма из этих труб что-то никогда не видно.

Как работают турбопаруса и насколько они эффективны

На самом деле, возвышающиеся над яхтой «Алкиона» колонны имеют отношение к движению судна, вот только это никакие не трубы котлов, а паруса. Если быть более точным, то это турбопаруса, изобретению которых человечество обязано великому исследователю подводного мира (хотя его первенство в изобретении довольно спорно).

В начале 80-х годов специалисты команды Кусто задумались над созданием для корабля вспомогательного экологичного двигателя. Казалось бы, чего проще — под парусами корабли плавают тысячелетиями. Но хотелось создать нечто необычное, вот тут и вспомнился старый проект немца Антона Флеттнера, который в 20-х годах прошлого века создал уникальный движитель на основании эффекта Магнуса.

Сам эффект Магнуса был открыт еще в 1852 году. Хотя берлинец Генрих Магнус весьма детально описал открытое им явление, оно поначалу интересовало (да и то немного) исключительно физиков. Суть открытия была такова — если поток воздуха или жидкости обтекает вращающееся тело, то возникает сила ортогональная потоку движения среды и действующая на это вращающееся тело.

Как работают турбопаруса и насколько они эффективны

Это явление возникает по причине того, что вращающееся тело создает вокруг себя вихревые потоки. С той стороны, с которой направление движения среды совпадает с направлением вихря, скорость передвижения среды увеличивается, с обратной стороны направление движения среды противоположно направлению вихря, здесь скорость среды уменьшается. А вот за счет разностей скоростей среды с различных сторон вращающегося тела, и появляется нескомпенсированная сила ортогональная направлению движения среды.

Похожее явление, основанное на разности скоростей обтекания воздухом крыла сверху и снизу, вызывает в аэродинамике подъемную силу, которая успешно используется в самолетостроении уже более века.

Как работают турбопаруса и насколько они эффективны

Слабыми местами для использования эффекта Магнуса в технике виделись 2 момента — вращающийся ротор требовалось на что-то укрепить, а эта вещь, на которой он укреплен начнет движение в направлении, зависящем от ветра. На земле тележка с подобным ротором просто не поедет из-за силы трения, а железные дороги имеют строгое направление, которое вряд ли будет совпадать с силой, появившейся в результате эффекта Магнуса. А во вторых сам по себе ротор вращаться не станет. Но эти слабые места вполне можно обойти, если установить ротор на водное судно — по морю парусные корабли практически никогда не ходили по прямой, но нужной цели достигали. А заставить вращаться ротор можно с помощью небольшого двигателя, сила, появившаяся в результате проявления эффекта Магнуса, даст приличный итоговый выигрыш.

Для начала Флеттнер решил проверить возможность использования эффекта Магнуса.

Как работают турбопаруса и насколько они эффективны

Для этого немецкий изобретатель сделал шлюпку длиной около метра, на которую установил ротор из бумаги метровой высоты. В качестве движителя был приспособлен часовой механизм. И шлюпка реально начала движение под воздействием силы возникшей в результате проявления эффекта Магнуса.

Теперь изобретатель решил установить роторные паруса на бывший трехмачтовик «Букау», для вращения роторов были приспособлены электродвигатели. Установка роторных парусов полностью оправдала себя — результирующая сила прекрасно двигала судно, при этом она примерно в 50 раз превышала силу давления на неподвижный парус. Флеттнер додумался накрыть свои роторные паруса плоскостями-тарелками, что упростило управление и почти в 2 раза увеличило результирующую силу. Судно прекрасно шло в бейдевинд под углом в 25 градусов, что было значительно лучше показаний парусных судов, им было легче управлять, плюс и остойчивость увеличилось.

В 1926 году роторный «Букау» (переименованный в «Баден-Баден») прошел через Атлантику, а вскоре заложили мощный лайнер «Барбара» на который вдобавок к главному дизелю устанавливались 3 роторных паруса высотой 17 м каждый. Эти роторы должны были выдавать суммарную мощность 1 000 л. с., причем для вращения роторов 3 мотора мощностью 35 л. с. каждый. Но грянувшая Великая депрессия нарушила эти планы, новый владелец судна предпочел установить обычное парусное вооружение. Роторные паруса оказались забыты на десятилетия, тем более что "Баден-Баден" пошел на дно в Карибском море в 1931 году во время шторма.

Как работают турбопаруса и насколько они эффективны

Его команда усовершенствовала полый роторный цилиндр Флеттнера, придав тому каплевидную форму. Добавили воздухозаборные решетки и установили вентилятор для лучшего засасывания воздуха. Еще были установлены датчики на поворотной платформе, которые обеспечивают максимально выгодное положение турбопаруса относительно ветра. Внутри турбопаруса можно устанавливать не только вентилятор, но и воздушный насос — принцип работы от этого не изменится. Корабль может двигаться даже против ветра — всегда будет разница давлений из-за завихрений воздуха внутри и снаружи турбопаруса.

Как посчитали специалисты команды Кусто, у них получился вполне приемлемый вспомогательный движитель, сокращающий расход топлива двигателей примерно на треть.

Как работают турбопаруса и насколько они эффективны

Сейчас планируется установка роторных движителей на некоторые крупные корабли, что даст экономию топлива примерно в 10%.