Зачем на современных судах устанавливают огромные вращающиеся цилиндры
На верхней палубе балтийского парома Copenhagen стоит белый цилиндр высотой с многоэтажный дом. Во время работы его наружная оболочка вращается вокруг неподвижной опоры. Такие установки появились и на танкерах, и на грузовых судах. Они используют ветер, чтобы экономить топливо, хотя сами нуждаются в электричестве: каждый цилиндр приходится раскручивать отдельным мотором.
Парус, который сначала нужно раскрутить
Цилиндр на Copenhagen — роторный парус. Финская компания Norsepower установила его на паром в 2020 году; через два года такое же устройство получил Berlin. Оба судна работают у Scandlines на линии между немецким Ростоком и датским Гедсером. Высота каждого паруса — 30 метров, а привычного полотнища у него нет: ветер действует прямо на вращающийся цилиндр.
Под наружной оболочкой находятся опора, подшипники и привод. Электродвигатель получает питание от судовой сети и поддерживает нужную скорость вращения. В отличие от крыльчатки ветрогенератора, цилиндр не раскручивается под напором воздуха. Мотор заставляет его вращаться, и уже после этого поток воздуха создаёт силу, которая помогает двигать судно.
Такую конструкцию называют и ротором Флеттнера — по имени инженера Антона Флеттнера, применившего этот принцип на судах в 1920-х годах. В современной установке используют лёгкую композитную оболочку, а вращением управляет автоматика. Большой полый цилиндр тщательно балансируют, чтобы он вращался без сильной вибрации и не перегружал подшипники.
Сила, действующая на цилиндр, через опору передаётся корпусу судна. При подходящем ветре она помогает гребному винту продвигать корабль вперёд. Чтобы сохранить прежнюю скорость, главному двигателю требуется меньше топлива.
Почему боковой ветер толкает судно вперёд
Вращающаяся стенка увлекает за собой ближайший слой воздуха. Когда цилиндр обдувает ветер, с одной стороны поток ускоряется, а с другой замедляется. Давление вокруг цилиндра становится неравномерным, и возникает сила, направленная поперёк потока. Это проявление эффекта Магнуса.
По той же причине закрученный мяч отклоняется от прямой траектории. На судне цилиндр закреплён на палубе, поэтому возникшая сила передаётся всему кораблю. Она направлена поперёк набегающего воздуха: ветер может дуть сбоку, а ротор при этом будет тянуть судно вперёд.
Направление вращения выбирают так, чтобы сила помогала движению. Если раскрутить цилиндр в обратную сторону, сила тоже поменяет направление. При косом ветре ротор может одновременно тянуть корабль вперёд и толкать его вбок. Поэтому при расчётах отдельно учитывают полезную тягу и боковую силу, с которой приходится справляться корпусу и рулю.
Направление ветра на палубе зависит и от движения самого корабля. Судно идёт сквозь воздух, поэтому его бортовые датчики могут показывать другую скорость и направление потока, чем неподвижная метеостанция на берегу. Автоматика ориентируется на эти показания и подбирает обороты ротора. После поворота судна или перемены ветра режим работы приходится менять.
Откуда берётся выигрыш, если мотор расходует энергию
Электродвигатель тратит энергию на вращение оболочки, а дополнительную тягу создаёт ветер. При благоприятных условиях расход топлива на выработку электричества для ротора оказывается меньше, чем экономия на главном двигателе. Именно эта разница и позволяет уменьшить общий расход за рейс.
Если ветер слишком слаб или дует под неудачным углом, вращать цилиндр становится невыгодно. Тогда его можно остановить, и судно продолжит идти за счёт обычного двигателя и гребного винта. Однако остановленный ротор всё равно добавляет кораблю массу и сопротивляется набегающему воздуху. Поэтому перед установкой оценивают погоду на всём маршруте, включая те дни, когда парус почти не будет помогать.
На линии Росток — Гедсер паромы ходят примерно с юга на север и обратно. Характерные для этого района западные и восточные ветры дуют поперёк маршрута, что удобно для роторных парусов. Scandlines связывает пользу своих установок именно с таким сочетанием курса и ветра. По данным перевозчика, роторы в среднем сокращают выбросы углекислого газа на этих паромах примерно на 4%.
На танкере Maersk Pelican испытали два 30-метровых ротора. С сентября 2018-го по сентябрь 2019 года они обеспечили экономию топлива в 8,2%; результаты анализировали и проверяли специалисты Lloyd's Register. Переносить эту цифру на любой другой корабль нельзя. Выигрыш зависит от маршрута, погоды, скорости судна и расположения самих роторов.
Почему роторные паруса подходят не каждому судну
Для высокого вращающегося цилиндра нужно найти место, где он не закроет обзор с мостика и не помешает работе кранов и другого грузового оборудования. Его основание и палуба должны выдерживать нагрузки от ветра. Есть и ограничения по высоте: на маршруте могут встретиться мосты. Для таких случаев Norsepower предлагает основания, на которых ротор можно наклонить.
Надстройки, трубы и соседние паруса меняют воздушный поток вокруг цилиндра. Поэтому даже на свободной палубе роторы нельзя расставлять как попало: часть установок может оказаться в менее выгодных условиях. На пароме, танкере и судне с открытыми грузовыми люками подходящие места будут разными. Перед монтажом проверяют прочность конструкции и то, как новые установки повлияют на устойчивость судна, а затем регулярно обслуживают подшипники и приводы.
Роторному парусу не нужны матросы, которые будут поднимать полотнища и работать со снастями. При благоприятном ветре автоматика включает установку, и корабль сохраняет обычную скорость с меньшим расходом топлива. Основная силовая установка рассчитана и на движение в безветренную погоду: паром должен соблюдать расписание даже тогда, когда роторы не помогают.
Изображение в превью:
Автор: ChatGPT / OpenAI
Источник: chatgpt.com