Ветродвижители и ветродвигатели. Вначале несколько слов о курсах парусного судна относительно ветра. Парусник не может идти прямо против ветра и при очень острых курсах к ветру — это для него «мертвая зона». В случае необходимости двигаться против ветра парусное судно вынуждено ходить зигзагами— лавировать. Минимальный угол лавировки для самого лучшего парусного судна около 35—45°. Названия всех курсов судна относительно ветра ясны из рис. 1.
Скорость судна — это один из решающих его показателей. В первую очередь скорость зависит от типа и мощности ветроэнергетической установки. Поэтому выбор наиболее целесообразного двигательно-движительного комплекса представляет главную, центральную задачу в общей проблеме использования энергии ветра для движения судов.
О важности ветроэнергетической установки говорит тот простой факт, что в бурном потоке изобретений по парусным судам, возникшем в последние годы, основную долю составляют разработки по новым типам парусов и по совершенствованию уже известных.
Рис. 1. Курсы парусного судна относительно ветра (указаны цифрами)
V — направление ветра; ПГ — правый галс; ЛГ — левый галс; а — крутой, б — полный; 1 — левентик; 2 — бейдевинд; 3 — галфвинд; 4 — бакштаг; 5 – фордевинд.
Рис. 2. Лавировка парусного судна против ветра.
А — пункт отхода; Б — пункт прихода; ГК — генеральный курс; Г — галс; КГ — контр-галс.
Рис. 3. Судовые ветродвижители: а — мягкие паруса; б — Полужесткие паруса; в — жесткие паруса-крылья; г — авторотирующий пропеллер; д — ротор.
А — косые паруса; Б — прямые паруса; В — основные косые паруса. 1 — кливера; 2 — стаксель; 3 — гафельный парус; 4 — топсель; 5 — бермудский парус; 6 — рейковый (лютерный) парус; 7 — латинский парус; 8 — грот (фок); 9 — марсель} 10 — брамсель; 11 — бом-брамсель; 12 — разрезной марсель.
Ветер может приводить в движение суда с помощью ветряных движителей и ветряных двигателей. Суда, приводимые в движение непосредственным давлением ветра на паруса разных видов (мягкие и жесткие), будем называть парусными. В отличие от них суда, приводимые в движение энергией ветра, преобразованной механическим путем, или требующие для движения дополнительных затрат механической энергии, будем называть ветроходами (у ветроходов основной рабочий орган обязательно должен вращаться).
Для движения судов могут использоваться следующие движители мягкие паруса разных форм, типов и расположения (прямые, косые и смешанные; последовательно и параллельно расположенные по длине судна);
— жесткие паруса (крылья) разных форм в плане, симметричные и механизированные;
— кольцевые, полукольцевые, полипланные коробки;
— полужесткие, состоящие из мачты-крыла и мягкого паруса; авторотирующие воздушные винты (пропеллеры);
— роторы.
Ветродвигатели, приводящие в движение гребные винты судов, можно разделить на три типа:
— карусельные, имеющие вертикальную ось и вращающиеся в горизонтальной плоскости;
— крыльчатые, имеющие горизонтальную ось и вращающиеся в вертикальной плоскости;
— с изменяемой установкой оси вращения.
Таким образом, к парусным судам относятся все суда с мягкими, полужесткими и жесткими парусами, а к ветроходам — суда с авторотирующими пропеллерами, роторные еуда и суда со всеми типами ветродвигателей. Кроме того, возможны суда с комбинированными ветроэнергетическими установками.
Рис. 4. Dетродвигатели:
а — карусельный; б — крыльчатый с горизонтальной осью вращения; в — крыльчатый с изменяемой в вертикальное плоскости осью вращения.
V — скорость и направление кажущегося ветра; N — мощность, передаваемая на гребной винт.
Рис. 5. Схема движения парусного судна под острым углом к ветру:
а — треугольники сил и скоростей парусного судна; б — обтекание паруса потоком воздуха.
Паруса и крылья, Рассмотрим особенности каждого типа движителя и двигателя, их преимущества и недостатки в отношении ходкости судна.
Прежде всего, как и почему движется парусное судно? Благодаря чему оно может ходить под острыми углами к ветру?
На паруса при движении судна действует относительный, или кажущийся ветер W, представляющий геометрическую сумму скоростей истинного ветра V и курсового v, порождаемого движением самого судна со скоростью v. Чтобы судно начало движение, надо установить парус под углом атаки е*, для чего он должен располагаться к ДП под острым углом р.
Любой парус, имеющий криволинейный профиль («пузо»), обтекается кажущимся ветром с двух сторон, но с выпуклой стороны путь частиц воздуха более длинный, чем с вогнутой, поэтому скорость там возрастает, а по принципу Бернулли давление должно снизиться. Наоборот, с вогнутой стороны частицы воздуха, встречая сопротивление паруса, притормаживаются, и давление здесь растет. Таким образом, на выпуклой стороне паруса происходит разрежение, а на вогнутой — повышение давления воздуха, что в общем и создает силу давления Р ветра на парус.
Силу Р можно разложить на две составляющие: силу тяги Т, вызывающую движение судна вперед, и силу дрейфа Д, вызывающую боковой снос судна. Поскольку боковое сопротивление корпуса намного больше, чем продольное, то судно движется в направлении v под углом дрейфа 6 к ДП.
Таким образом, тяга Т, а значит, и скорость v парусного судна тем выше, чем больше подъемная сила Y и меньше лобовое сопротивление X (исключая полные Kvocbrt. Rpp названные выше си/
Из рассмотрения опытных поляр следует, что тяга паруса тем выше, чем больше «пузо» паруса. Косые (бермудские и гафельные) паруса обеспечивают более высокие значение тяти на острых курсах, т. е. при лавировке против встречного ветра, а прямые — на попутных курсах. Отсюда следует, что для парусных судов, плавание которых проходит в основном в зоне переменных ветров, целесообразно косое парусное вооружение — «шхуна», а для парусных судов, плавающих в основном в зоне попутных ветров, — прямое парусное вооружение — «корабль». Очевидно, для парусного судна без жесткого маршрута полезно использование смешанного парусного вооружения — «барк» или сменного, позволяющего за счет съемного рангоута переходить от вооружения шхуны к кораблю, и наоборот.
Жесткие паруса-крылья, как правило, имеют прямоугольную в плане форму. Крылья с симметричным профилем, как видно из поляр, обеспечивают намного меньшую подъемную силу, чем обычный мягкий парус, но при этом они имеют и меньшее лобовое сопротивление, а значит, и более высокое качество при малых углах атаки. Эта особенность симметричных крыльев, как показали расчеты Ю. С. Крючкова [20 ], приводит к тому, что крыло позволяет развивать более высокую скорость только в узкой полосе острых курсовых углов (бейдевинд), где проявляется его высокое аэродинамическое качестве; на всех остальных курсах судно о симметричным крылом проигрывает в скорости (и весьма существенно) судну с обычным мягким парусом. Возможным выходом из этого противоречия является использование полужестких парусов, состоящих из поворотной мачты-крыла (примерно Ч3 всей площади парусности) и мягкого паруса. В этом случае на острых курсах работает в основном мачта-крыло, а на полных — мягкий парус.
Рис. 6. Поляры парусов (по Флаксбарту—Эйфелю, Гроссеку, Фепплю и Mapкаю). Влияние профиля («пуза») паруса (а) и формы в плане (б) и удлинения паруса (в).
1 — «пузо» 5%; 2 — «пузо» 7%; 3 — «пузо» 10%; 4 — «пузо» 14%; 5 косой парус без рангоута по передней шкаторине, удлинение 4, «пузо» 10%: в — бермудский паруо о круглой мачтой, удлинение 4, «пузо» 10%: 7 — гафельный inapyo, удлинение «пузо» 10%; 8 — прямой парус, удлинение 1/3; 9 — удлинение 5, «пузо» 10%; 10 — удлинение 4, «пузо» 10%: II — удлинение 3, «пузо» 10%.
Второе решение — создание разрезных, механизированных крыльев, включающих предкрылки и закрылки, наподобие авиационного крыла. Такая конструкция сочетает преимущества симметричного крыла и мягкого паруса; она может изменять свой профиль от симметричного до выпукло-вогнутого. Существует в настоящее время множество разработок разного типа, реализующих эту идею. Некоторые из них показаны на рис. 19.
Теоретические и экспериментальные исследования свидетельствуют, что тяга паруса и крыла тем выше, чем больше его удлинение, т. е. отношение высоты к ширине. Это связано с потерями на вихреобразование на оконечностях паруса или крыла (рис. 20). Однако увеличению удлинения парусов препятствует остойчивость судна. Как выход из этого положения были созданы кольцевые и полукольцевые паруса-крылья, в которых удлинение существенно выше. Но в этом случае происходит некоторое снижение тяги на верхних и нижних частях паруса-крыла, поскольку тяга данных участков приблизительно равна произведению
Рис. 7. Сравнение поляр па» руса и различных крыльев: а — при удлинении 6; б — при удлинении 5, «пузо» 10 $о.
1 — крыло симметричного профиля; 2 — парус; 3 — крыло плосковыпуклого профиля.
В целом, однако, несмотря на снижение «эффективной площади парусности» AS cos 0, кольцевые или полукольцевые крылья позволяют получить выигрыш в тяге, особенно на быстроходных судах (катамаранах, судах на подводных крыльях и т. п.).
Парусники без парусов. Еще в начале нашего века одним из изобретателей было замечено, что при свободном вращении воздушного винта (пропеллера) плоскость, отметаемая его лопастямй, оказывает сопротивление, причем это сопротивление подобно сопротивлению круглой пластины равной площади. Это навело англичанина М. Брабазона на мысль использовать «вращающийся диск» пропеллера в качестве паруса. Рис. 22,6 поясняется сущность идеи. Пропеллер свободно“ вращается вокруг своей оси — авторотирует. Мачта, содержащая поворотную головку, позволяет устанавливать ось вращения («плоскость диска») под любым углом к ДП судна. При установке «диска» к ДП под углом, меньшим кажущегося курсового угла ф, на диске возникают силы тяги и дрейфа, благодаря чему происходит движение судна“. Применив автомат перекоса, можно изменять наклон оси пропеллера также в вертикальной плоскости, что позволяет снизить лобовое сопротивление «диска» и создать «подъемную силу», приподнимающую судно из воды. Оба явления приводят к уменьшению сопротивления движению, но при этом снижается и составляющая тяги, вследствие чего скорость судна незначительно возрастает до некоторого предела, а затем уменьшается.
Рис. 8. Схемы полужесткого (а, Б), жесткого (в) и механизированного жесткого (г) парусов (крыльев).
1 — мягкий парус; 2 — полужесткий парус, тонкая мачта-крыло; 3 — полужесткий парус, толстая мачта-крыло; 4 — исходный профиль крыла; б — то же, с предкрылком; 6 — то ж«, с закрылком; 7 — то Же, о предкрылком и закрылком.
Как показывает теоретический анализ, судно с авторотиру-ющим пропеллером уступает в скорости судну с обычным парусом, что и было доказано прямыми экспериментами М. Брабазона на яхте типа «Редвин» в 1934 г. Совершенно очевидно, ветроход с подобной энергетической установкой не имеет никакой перспективы, хотя «перспективные» рисунки подобных судов и появляются печати.
Большие надежды возлагались в начале нашего века на роторные суда, изобретенные немецким ученым А. Флетнером.
Рис. 9. Схемы жестких разрезных парусов-крыльев (английские патенты):
а, б — Складных, с нерегулируемой кривизной; в, г — с регулируемой кривизной хорды и углом атаки по высоте.
Рис. 10. Концевые потери на вихреобразование и способы их уменьшения:
а — перетекание воздуха из зоны повышенного давления в зону пониженного давления в случае короткого и длинного паруса; б — фаловая дощечка с аэродинамической шайбой для верхнего угла паруса) в — гик-шайба (патент ФРГ)) г — схема работы паруса о шайбой;
Рио. 11. Паруса-крылья;
а — кольцевое крыло; б — полу« кольцевое крыло.
Работа движителя А. Флетнера основана на эффекте Магнуса. При вращении цилиндра в потоке воздуха с одной его стороны скорость обтекающего ветра и относительная скорость воздуха, порожденная вращением цилиндра, складываются, а с другой — вычитаются. При увеличении скорости, согласно принципу Бернулли, давление в потоке воздуха падает, а при уменьшении — возрастает. Так образуется сила, направленная перпендикулярно к потоку, которую можно использовать для движения судна. Роторные суда имеют от одного до трех вертикальных цилиндров-роторов, вращаемых вспомогательным двигателем. Как видно из схемы, роторное судно может двигаться под углом к ветру — лавировать.
Однако роторные суда имеют два существенных недостатка:
— для их движения требуется вращение роторов, а следовательно, двигатель и расход топлива на его работу;
— необходима лавировка не только при движении против ветра, но и за Петром, что видно из схемы на рис. 13, г.
По указанным причинам далее постройки нескольких опытных судов дело не пошло, и в настоящее время роторные суда не рассматриваются как перспективные типы ветроходов.
Рис. 12. Судно с авторотирующим пропеллером:
а — общий вид яхты М. Брабазона; б — схема движения; в — действие наклона «диска»;
1 — «ометаемая» лопастями площадь («диск»); 2 — поворотная головка или автомат перекоса.
В 1924 г. французский инженер Константен, воскрешая идею XVIII -в., предложил применить ветродвигатели для движения судов. Вращение вала ветродвигателя передается с помощью трансмиссии, содержащей двойную угловую зубчатую передачу и валы, на обычный гребной винт, движущий судно. Возможно применение карусельных и крыльчатых ветродвигателей.
Рис. 13. Схема роторного судна:
а — эффект Магнуса; б — движение судна при встречном ветре; е — то же, при боковом ветре; е — то же, при попутном ветре.
Рис. 14. Судно с роторными движителями А. Флетнера.
Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом что могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют особое крыло-стабилизатор. Однако коэффициент использования энергии у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных.
Ветродвигатели по сравнению с ветродвижителями (парусами, крыльями) отличаются существенным преимуществом — дают возможность двигаться под более острыми углами к ветру и прямо против ветра, Наклон плоскости вращения ветроколеса с помощью автомата-перекоса позволяет снижать воздушное сопротивление ветродвигателя и создает подъемную силу, что способствует росту скорости до некоторого предела.
И все-таки парус. Исследования Ю. С. Крючкова показали, что судно с парусом можно представить в виде крыльчатого или карусельного ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. В этом случае парус является наиболее совершенной лопастной машиной с наивысшим коэффициентом полезного действия, непосредственно использующей энергию для движения. В то же время на судне с ветродвигателем энергия дополнительно теряется в трансмиссии и гребном винте, вследствие для движения используется значительно меньшая доля энергии ветра. Поэтому на судах, приводимых в движение ветром, наиболее целесообразно использовать обычные мягкие, полужесткие и жесткие паруса (крылья).
Рис. 15. Яхта с ветродвигателем Константена.
Риc. 16. Зависимость коэффициента использования энергии ветра различньши ветродвигателями (I—V) от относительной скорости вращения.
В настоящее время появилось множество изобретений, улучшающих работу обычных мягких парусов и повышающих их эффективность. Это различные обтекатели и устройства, устраняющие вредное влияние мачты или преобразующие парус в крыло; всевозможные разрезные паруса в виде системы стоящих одна за другой лопаток, паруса с клапанами, паруса Корбелини; паруса с переменным «пузом», жесткими гиками-шайбами и т. п.
Рис. 17. Схема движения судна с ветродвигателем, имеющим горизонтальную (а) и наклонную (б) ось.
Рис. 18. Сравнение коэффициентов использования энергии ветра;
а — парус на движущемся судне; б — ветродвигатель на неподвижном судне; в — ветродвигатель на движущемся судне; г — вся установка на движущемся судне (ветродвигатель—трансмиссия — гребной винт).
Рис. 19. Различные устройства, улучшающие работу паруса (зарубежные патенты): обтекатели для штага 1 и стакселя 2 (а — пластмассовый жесткий, б — мягкий, на кнопках 3); устройство для превращения паруса И мачты в мягкое крыло (в); устройства для работы паруса в nape е мачтой (г).
Рис. 20. Схема движения парусного судна как лопасти ветродвигателя бесконечного диаметра: а — при боковом ветре (модель крыльчатого ветродвигателя); б — при попутном ветре (модель карусельного ветродвигателя).
Рис. 21. Коэффициент использования энергии ветра парусом £ в зависимости от относительной скорости ги при боковом (кривая а) и попутном (кривая б) ветре.
Рис. 22. Усовершенствованные косые паруса с улучшенным обтеканием поверхности (зарубежные патенты): а — система стакселей; б — секционный парус в виде лопаток; в — система узких гротов (разрезной грот); г — парус Корбелини.
Рис. 23. Усовершенствованные жесткие паруса;
а — г — ЛИСЭД НКИ; д — ж — складывающиеся в «треугольную трубу» (Япония, NKK); з, и — английский патент.
Оригинальное парусное вооружение разработано в ЛИСЭД НКИ. Устройство состоит из поворотного гика, имеющего выпуклую верхнюю кромку, и позволяет регулировать «пузо» паруса поворотом гика вокруг его оси. Установка плоскости гика под углом 90° к ДП судна превращает гик в концевую шайбу, ликвидирующую перетекание воздуха в зону разрежения. Оба указанных эффекта повышают тягу обычных бермудских парусов. Совершенствуются также жесткие паруса.
Несмотря на некоторые преимущества жестких парусов-крыльев и ветродвигателей, обычный мягкий парус не сдает своих позиций, что объясняется непрерывным его усовершенствованием, приводящим к повышению эффективности. А удобство постановки, уборки и рифления мягких парусов позволяет наиболее просто механизировать названные операции. Все это делает обычный парус весьма перспективным для применения на парусных судах ближайшего будущего. Новейшие парусные вооружения типа «Динариг» — не что иное, как тот же мягкий парус, устанавливаемый на поворотных мачтах с механизированной постановкой и уборкой полотнищ. При этом благодаря скольжению нижних и верхних кромок парусов в пазах рей устраняются потери на вихреобразование и общее удлинение парусной системы резко возрастает, что приводит к повышению эффективности.
Рис. 24. Прямое парусное вооружение типа «Динариг»:
а — общий вид; сравнение поляр парусов судов «Динашиф» I и 4-мачтового барка 2 (по Пролсу).
Ряд проектов парусных судов ориентирован на использование обычного прямого, косого или смешанного парусного вооружения, например, проекты «Виндроуз», «Вестерн флайер» и др.
Таким образом, пока человечество не изобрело ничего лучшего, чем обыкновенный «дедушкин» парус. Парус — идеальный движитель для судна.