Ротор-крыло-парус на прогулочно-туристском катере

В №104 «КЯ» рассказывалось о цилиндрических роторах Флетнера и современных вариантах использования этого типа ветродвижителя на судах. Вместе с такими достоинствами, как простота и надежность, малый кренящий момент, возникающий при шквале, этот движитель обладает и недостатками. Главным, пожалуй, является более низкая, чем у традиционных парусов, эффективность ротора на попутных к ветру курсах — фордевинде и полном бакштаге. Те немногие суда, которые были когда-то оснащены роторными движителями, ходили в лавировку — зигзагами — и на этих полных курсах, проигрывая обычным парусникам. Поэтому-то и появилась мысль сочетать достоинства ротора с парусом или аэродинамическим крылом.

Проведенные экспериментальные исследования такого комплекса показали, что совмещение ротора с крылом улучшает аэродинамические характеристики как ротора, так и крыла. Было установлено, что в качестве работающего вместе с ротором крыла может быть использован жесткий обтекатель (рис. 1), если нужно — то и в сочетании с мягким парусом.

Один из вариантов аэродинамического движительного комплекса ротор-крыло (АДК) создан инициативной группой Ленинградского ЦПКБ ММФ. Предложение конструкторов уже обрело реальные черты: ведется подготовка к установке АДК на двух больших морских судах (танкере и газовозе), а недавно сделана проработка установки АДК на водоизмещающем прогулочно-туристском катере «Рассвет» (см. «КЯ» №102) длиной 9,3 м и водоизмещением 4,6 т. Изготовлена и испытана в лабораторных условиях масштабная модель движителя, рекомендуемого для катеров такого класса.

В данном случае АДК выполняет вспомогательную роль, заменяя или дополняя основной (на «Рассвете» — 24-сильный) двигатель катера в тех случаях, когда тяга АДК позволяет получить заметную экономию горючего.

Конструктивно АДК состоит из пяти основных частей (рис. 2): ротора, жесткого обтекателя, паруса из ткани, вращающейся мачты и гика.

Ротор диаметром 0,5 и высотой 2 м можно изготовить с обшивкой из тонкой фанеры или пластика, подкрепленной изнутри легким набором из реек (рис. 2). Для создания подъемной силы ротор предполагается приводить во вращение при помощи электромотора мощностью 150—200 Вт при частоте вращения 2000—3000 об/мин, работающего от бортовой сети напряжением 12 В. Габариты такого мотора не превышают размеров стандартной полулитровой стеклянной банки, поэтому его целесообразно разместить внутри ротора. Для снижения частоты вращения ротора до 700—800 об/мин можно применить текстропную передачу (с клиновым ремнем от электроприводной швейной машины) или зубчатую передачу.

Ротор вращается на валу, который предполагается изготовить из алюминиевой трубы со стальными опорными шейками по концам, закрепленными в шарикоподшипниках (нижний подшипник должен быть радиально-упорным). По торцам ротора надо установить концевые аэродинамические шайбы, снижающие потери на образование вихрей, срывающихся с концов цилиндра. Диаметр этих шайб должен примерно в полтора раза превышать диаметр ротора.

Жесткий обтекатель выполняет роль крыла в сильный ветер. Суммарная площадь меридионального сечения ротора, обтекателя и паруса составляет 5 м².

В умеренный ветер площадь АДК можно увеличить вдвое постановкой треугольного мягкого паруса. Его, по нашему мнению, целесообразно ставить впереди ротора с таким расчетом, чтобы общий центр тяжести оказался расположенным приблизительно на оси вращения мачты. Передняя кромка паруса при помощи карабинов крепится к тросу, соединяющему гик с топом мачты, нижняя — входит в ликпаз на гике, задняя— остается свободной. При небольшой площади АДК мачту можно выполнить вращающейся, без стоячего такелажа.

Изготовленная модель АДК была подвергнута круговой обдувке в аэродинамической трубе. Ротор¹ вращался при помощи электромотора; замеры коэффициентов подъёмной силы С_у и сопротивления С_х выполнялись для двух соотношений окружной скорости ротора ω и скорости потока V. Результаты этих замеров приведены на графике (рис. 3). Представлены также и поляры АДК в сравнении с полярой бермудского парусд, имеющего аэродинамическое удлинение λ=5 (рис. 4).

Графики наглядно показывают, что и коэффициент подъемной силы С_y и коэффициент сопротивления С_х У АДК значительно больше, чем у паруса.

Наглядное представление о взаимосвязи подъемной силы, силы сопротивления и полезной тяги паруса при различных курсах относительно ветра дает схематическая диаграмма, приведенная на рис 6.

На этой диаграмме (рис. 6), построенной для обычного бермудского паруса, схематически показана зависимость подъемной силы паруса и его сопротивления от курсового угла вымпельного ветра β.

Рассмотрим эту диаграмму.

При β=10÷15° величина тяги отрицательна, т. е. судно имеет задний ход. При увеличении угла β тяга паруса становится положительной и на курсе бакштаг (β≈120°) достигает максимального значения.

При дальнейшем увеличении угла β подъемной силы паруса уменьшается и при β=180° становится равной нулю. Сопротивление достигает максимума на курсе фордевинд.

Пользуясь данными, полученными при экспериментах, был выполнен сравнительный расчет тяги паруса и АДК при их равных площадях. Как видно из приводимой таблицы, тяга АДК уступает по своей величине тяге паруса только на курсе крутой бейдевинд (β=30°), что объясняется малым аэродинамическим удлинением АДК (% — 1,0). На прочих курсах тяга АДК в 3—4 раза превышает тягу паруса. Положительным качеством АДК является относительно меньшее снижение тяги при уменьшении скорости ветра. Это объясняется тем, что при окружной скорости ротора 30 м/с с ослаблением ветра повышается относительная скорость ω/υ; следовательно, коэффициент подъемной силы С_у повышается. Величина С_у может достигать 4,0 и более.

Подъемную силу и сопротивление роторного движителя легко уменьшать, понижая частоту вращения ротора. Это позволит при усилении ветра или внезапных шквалах без особых затруднений уменьшать кренящий момент, в то время как на обычных яхтах приходится брать рифы или заменять паруса.

На рис. 7 представлены результаты сравнительных расчетов скорости при установке на катер «Рассвет» АДК и обычных парусов. АДК дает заметный выигрыш при слабом ветре (5 м/с), позволяя развить скорость на 2—2,5 уз выше, чем обычные паруса. В свежий ветер (10 м/с) эта разница меньше — порядка 1,7—1,8 уз.

Расчетные скорости катера «Рассвет» на курсах галфвинд — бакштаг составляют до 6,8 уз, что соответствует скорости катера с двигателем мощностью 22 л. с. Если принять ходовое время катера за одну навигацию около 200 ч, то бензина на это время потребуется около 1000 л. Использование АДК совместно с двигателем при движении по рекам позволит сократить расход бензина более чем вдвое.

Как показали расчеты, расход электроэнергии для вращения ротора АДК невелик. В рассматриваемом случае — для катера «Рассвет» — электродвигатель мощностью 150 Вт позволит вращать ротор с окружной скоростью, в 4 раза превышающей скорость ветра до 5 м/с (частота вращения около 750 об/мин).

Все расчеты позволяют считать, что использование АДК на водоизмещающих катерах, подобных «Рассвету», будет экономически оправдано.

Примечания

1. Подробный анализ сил, возникающих на роторном движителе на различных курсах судна по отношению к направлению ветра, приведен в упомянутой статье В. и П. Митрофановых в №104.