Роторное судно

Роторное судно приводится в движение энергией ветра, передаваемой его корпусу посредством ветросиловых башен (роторов). Роторы были установлены впервые на трехмачтовом моторно-парусном бриге «Букау». Взамен удаленных мачт (на местах фок- и бизань-мачт) укреплены две (фигура 1) жестко

Фигура I.

•J: Г

(

•г

%.у

соединенные с корпусом судна мачтообразные опорные стальные трубы а, диаметром .1,5 метров и высотою до 13 метров над палубой. На эти трубы надеты вращающиеся цилиндры (роторы) б из оцинкованных стальных листов толщиною 1 миллиметров, скрепленных изнутри для жесткости угловым железом. Диаметр роторов 2,8 м, высота 18,5 метров В верхней части каждой внутренней трубы установлен опорный подшипник, воспринимающий вес ротора и боковое давление на него. Во избежание перекоса между роторами и опорной трубой установлены роликовые устройства. Каждый ротор приводится во вращение отдельным электромотором мощностью в 11 kW, с 750 об/м. Моторы установлены на уровне палубы внутри опорных труб и соединены с зубчатой передачей, установленной у опорного подшипника посредством вала. Отношение передачи 1 : G и так. образом число оборотов ротора до 125 в мин. Ток получается от электростан ции, расположенной внутри судна и оборудованной двигателем Дизеля. Управление электромоторами производится с капитанского мостика. Сравнительный вид ротора и снятого парусного вооружения дан на фигуре2. Площадь осевого сечения цилиндров составляет примерно 0,1 площади парусов. Вес роторного устройства около 20% веса парусного вооружения.

Приведение в движение Р. с. основано па т. н. эффекте Магнуса, открытом последним

Фигура 2.

в 1853 г. и заключающемся в том, что цилиндр, вращающийся в воздушном потоке, получает движение, направленное перпендикулярно этому потоку. Опыты Магнуса показали, что наибольшая поперечная скорость получается

Фигура 3. Фигура 4.

при определенном соотношении между скоростями воздушного потока и вращения цилиндров; эта скорость всегда направлена от оси цилиндра в ту сторону, где направления скоростей потока и вращения цилиндра совпадают. Эффект Магнуса дает объяснение явлению деривации артиллерийских снарядов и полету резаных мячей в теннисе. Причина явления уясняется наиболее элементарно из фигура 3. Цилиндр К, вращающийся по направлению часовой стрелки, увлекает в своем движении нек-рый слой воздуха. Частицы псслсднего в области А сталкиваются с частицами воздушного потока W, вызывая в этом месте повышение давления воздуха. В области В эти частицы, наоборот, увлекаются воздушным потоком, вызывая понижение давления. Разность давлений воздуха и сообщает цилиндру движение в направлении стрелки S. Так как слой воздуха, увлекаемый цилиндром благодаря трению, невелик, то приведенное объяснение, давая картину явления, не позволяет рассмотреть количественную сторону вопроса. Построение теоретической схемы дает возможность проникнуть несколько глубже в сущность явления. Боковая скорость может получиться лишь при направлении струй потока, показанном на фигуре 4. Такое направление струй может создаться в идеальной, жидкости при сложении двух движений: поступательного (фигура 5) и вращательного (фигура G) (смотрите Аэродинамика).

Сложение скоростей частиц, находящихся одновременно в обоих движениях, приводит к траекториям, показанным на фигуре 4, и по уразненшо Бернулли дает разность давлений и боковую составляющую. Причина возникновения такого циркуляционного движения

в действительной жидкости по теории Прандт-ля лежит в образовании несимметричных вихрей за цилиндром (смотря по направлению воздушного потока). Обтекание воздушным потоком помещенного в него цилиндра (фигура 7) нарушает равномерное движение частиц жидкости. Это возмущение благодаря вязкости жидкости распространяется до некоторого предела, за которым движение потока не изменяется.,Поэтому можно представить, что возмущенная часть потока заключена в некоторую трубу диам. D, и рассмотреть условия протекания жидкости внутри последней. В тех местах, где поток сужается цилиндром, скорость частиц возрастает, а давление жидкости падает; за цилиндром имеет место обратное явление. Кинетич. энергия частиц жидкости в суженной части потока увлекает их в область повышенного давления, но частицы, расположенные в пограничном с цилиндром слое, благодаря трению о поверхность цилиндра, передающемуся вследствие вязкости жидкости на нек-рое расстояние от цилиндра, не развивают достаточной скорости и не могут проникнуть в область повышенного давления за цилиндром. Вследствие небольшой толщины пограничного слоя отставание частиц в каждый момент не вызывает каких-либо заметных возмущений, однако с течением времени они скопляются за цилиндром, образуя возмущенную зону с вихревыми движениями. По мере накопления частиц, обладающих этими вихревыми движениями, они отрываются мимо идущими частицами и увлекаются в поток как вихри. Если цилиндр не вращается, то образование вихрей происходит симметрично (фигура 8). При вращении цилиндра эта симметрия нарушается (фигура 9). Одностороннее образование вихрей в свою очередь вызывает нарушение симметрии потока, что и дает, как указано выше, поперечную слагающую. У краев цилиндра в виду разности давлений на цилиндре и за его краем частицы жидкости могут с него соскальзывать по направлению, перпендикулярному к плоскости чертежа, что уменьшает поперечную слагающую. Поэтому для наибольшего бокового смещения необходимо делать цилиндры бесконечной или большой длины или снабжать, концы их особыми дисками, что и делается в роторах,

как показано на фигуре 1. Опыты показали, что в этом случае отношение между поперечной силой и площадью цилиндра, умноженной на квадрат скорости потока и плотность жидкости, т. и. коэф. поперечной силы (смотрите Парусность) Са, достигает значения 9, весьма близкого к теоретическому. При этом величина Си зависит от отношения скоростей вращения цилиндра и потока, достигая максимума при величине этого отношения 3—4. Для сравнения следует отметить, что для парусных судов величина С а ок. 1 и в среднем составляет 0,8. Так. о Зр.эффективность роторов при одинаковой площади поверхности в 10 раз больше эффективности парусного вооружения.

Теоретически величину усилия, развиваемого ротором, можно определить, исходя из вихревой meopmi (смотрите), согласно которой поле скоростей, вызываемое вращающимся цилиндром, можно заменить полем от прямолинейного вихря. Если сложить такой циркуляционный

Фигура 8. Фигура 9.

поток с. потоком, набегающим на цилиндр, то по теореме Жуковского (смотрите Аэродинамика) подъемная сила (поперечная сила) в г для цилиндра высотою в 1 сантиметров может быть определена по следующей ф-ле

f-QVC,

где ρ — плотность жидкости для воздуха 1,293 · ΙΟ^-3, V—скорость потока в см/ск, С— циркуляция скорости (смотрите Вихревая теория), которая в нашем случае выражается C=2iS7o, если со—угловая скорость вращения цилиндра, a S—площадь поперечного сечения его· в см²·. По этой формуле величина поперечной силы на 1 сантиметров высоты ротора для роторов рассмотренного выше Р. с. «Букау» будет равна 1,838 кз. Для обоих роторов при высоте их в 18,5 ж поперечная сила составит 6 800 килограмм, а. развиваемая ротором мощность при скорости в 8,2 узла достигнет 380 1Р. До переделки «Букау» имел мотор в 250 1Р. Учитывая необходимые поправки, приведеннукйф-лу следует признать пригодной для расчета роторов.

Экономичность Р. с. становится очевидной, если учесть при этом потребность в человеческом труде для их обслуживания. Остойчивость больше, чем соответствующего парусного судна. На испытаниях Р. с. показали хорошую маневренность, и поворотливость, так как комбинацией направлений вращения роторов судну можно давать передний или задний ход и поворачивать его на месте или на ходу в любом направлении. Р. с. могут идти ближе к ветру, чем лучшие парусники. Во время хода судно почти не имеет

крена. При курсах, близких к траверсу, судно идет почти без дрейфа. При шторме соответственной регулировкой скорости вращения роторов можно сохранить ход и не подвергаться опасности, так как операция взятия рифов выполняется изменением скорости вращения роторов. Но судно не может ходить фордевинд и против ветра.

Дальнейшее развитие идеи Р. с. предложено финским инж. Савониусом из Гельсингфорса. Последний пришел к мысли рассечь ротор Флеттнера вертикальной плоскостью, проходящей через ось, и закрепить оба сегмента кромками друг к другу, как показано на фигуре 10. Струя воздуха, давящая на точку б, протекает между поверхностями ротора и ударяется в точку а. В результате вся система получает вращение, в 1,7 превышающее скорость ветра. Эффект Магнуса для такого крыльча-того ротора сохраняется. Т.о.надобность во вспомогательных моторах для вращения роторов отпадает. Крыльчатый ротор испытан на шлюпке и дал благоприятные результаты. Р. с. являются современным типом парусных судов, созданным А. Флеттнером в 1924 году в результате опытных и теоретич. исследований в области аэродинамики.

Помимо постановки цилиндров Флеттнера на судах возникла мысль о применении этих цилиндров как для сухопутных ветросиловых установок, так и в качестве несущих поверхностей, заменяющих крылья самолета. Не взирая на заманчивую идей более полного использования силы воздушного потока, чем при ветряках или крыльях, идея эта неизбежно обречена на неудачу в виду колоссальных лобовых сопротивлений, развивающихся в роторных установках, что делает их очень сложными, громоздкими по конструкции и мало эффективными в работе. Отрицая возможность применения роторов в качестве основных приемников энергии воздушного потока, можно на основании амстердамских опытов полагать, что роторы смогут сыграть роль в качестве вспомогательных устройств, облегчающих работу органов управления самолета постановкою роторов на крыле и на хвостовом оперении, а также и внутри самого крыла для уменьшения посадочной скорости. Однако и в этой области роторы применения не получили очевидно в виду сложности устройства и необходимости вводить лишнюю механич. передачу, в работе которой всегда возможны .перебои и неисправности. Роль роторов в качестве средства для увеличения подъемной силы несущей поверхности в настоящее время с успехом выполняет разрезное крыло, имеющее то преимущество, что оно дает гораздо более высокое качество (отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению), а также не требует вспомогательных моторных установок.

Так. обр. наиболее эффективно роторы могут применяться взамен парусов, где они дают значительное улучшение со сравнительно малым расходом добавочной энергии. Однако все же до снх пор широкого развития и рас пространения Р. с. не получили повидиыому отчасти от того, что вообще сократился общий тоннаж тихоходного торгового флота, а отчасти от того, что по сравнению с моторным судном Р. с. все же не может идти под любым курсом и требует в некоторых случаях включения гребного винта. Все это усложняет устройство и с общим сокращением парусного флота и заменой его моторным не дает достаточного стимула к постройке Р. с.

Лит.: К а ж и н с к и и Б., Ветросиловые башни Флеттнера, Москва, 1925; Я и о в с к и ii М., Роторное судно А. Флеттнера, «Мор. Сбор.», Л., 1924, п—12, етр. 185; Старков Б., Крыльчатый ротор, там же, 1925, 10, стр. 87. Б. Норостепев.