Хитрее ветра. Статья №35. 04.04.17.


В стремлении извлечь как можно больше энергии из естественного ветрового потока, худшее что мы можем предпринять, это использовать парус на попутном курсе. Такая простецкая динамическая модель позволяет полезно использовать лишь 1/7 располагаемой энергии воздушной струи.

Куда более эффективным решением является использование паруса на курсе галфвинд, когда ветер дует перпендикулярно курсу быстро мчащегося парусника, а тяговая мощность, развиваемая парусом, в несколько раз превышает мощность струи ветра, непосредственно взаимодействующей с парусом.

Столь впечатляющая победа над ветром становится возможной благодаря феномену относительности аэродинамической силы. Суть его в том, что при движении воздуха относительно крыла, или при движении крыла относительно воздуха – аэродинамическая сила, возникающая на крыле, практически идентична.

Неважно, что реально движется, крыло или воздух. При этом, на разгон крыла требуется намного меньше энергии, чем на разгон воздушного потока.

Именно за счёт этой хитрости, буер может двигаться в пять раз быстрее ветра, а кончик лопасти быстроходного ветроколеса способен опережать ветер более, чем в десять раз.

Но, вот вопрос, возможно ли перехитрить ветер на попутном курсе ?

То есть, можно ли двигаться в одном направлении с ветром, опережая его вдвое или втрое ?

Оказывается, можно !

С этой нерешаемой, на первый взгляд, задачей успешно справились американцы Рик Кавалларо и Джон Бортон, разогнав свой пропеллерный буер “Blackbird” до трёхкратной скорости ветра на мерном участке высохшего озера Эль Мираж в 2010 г.

К сожалению, ни сами конструкторы оригинального парусника, ни многочисленные комментаторы не предоставили убедительного объяснения свершившемуся чуду, которое заслуживает детального разбора.

По официальной версии пропеллер ”Чёрного Дрозда” работает именно, как пропеллер самолёта ”ввинчиваясь“ в воздух. Тяга, возникающая на пропеллере, – эта та сила, которая толкает буер вперёд.

А какая же сила заставляет пропеллер вращаться ?

Эта сила передаётся на пропеллер от колёс через цепную передачу (велосипед – наоборот). Разумеется, колёса при этом, преодолевая сопротивление, работают в режиме торможения.

Стало быть, колёса раскручивают пропеллер за счёт торможения буера, а пропеллер, толкая буер вперёд, раскручивает колёса, преодолевая силу их торможения.

Следовательно, толкающая сила пропеллера должна превышать силу торможения колёс.

Всё это сильно напоминает подвиг барона Мюнхгаузена, вытаскивающего себя за волосы из болота, если бы не фактор попутного ветра, который при трёхкратной скорости буера, хотя и превращается во встречный, но всё же вносит в нашу картину полезную асимметрию.

По большому счёту, колёса и цепную передачу мы можем сразу исключить из анализа, так как они способны, подобно рычагу, лишь передавать силу с некоторым коэффициентом, но никак не создавать её.

Основная “борьба” противоборствующих сил разгона и торможения происходит на лопасти пропеллера, вот это мы и рассмотрим повнимательней.

Для начала, представим, буер на крейсерском режиме. То есть пропеллерный буер мчится втрое быстрее ветра на строго попутном курсе (фордевинд).

Пусть скорость попутного ветра V = 10 м/с, а скорость буера U = 30 м/с, тогда тележка буера, двигаясь по ветру, за счёт своей утроенной скорости преодолевает “встречный” ветер, скорость которого W = U – V = 20 м/с. При наиболее выгодной окружной скорости лопасти wR = 109 м/с, получаем вымпельную скорость относительно лопасти V* = 111 м/с.

Необходимо, чтобы тяговая мощность, создаваемая пропеллером в направлении движения буера, заметно превышала мощность, требуемую на вращение пропеллера. Другими словами, осевая тяга пропеллера, умноженная на осевую скорость буера, должна быть больше произведения момента вращения пропеллера на его угловую скорость.

Как же этого добиться ?

Если бы не было попутного ветра, наша задача была бы невыполнима, поскольку при любых углах установки лопасти пропеллера, и при любом соотношении угловой скорости вращения, по отношению к линейной скорости буера, мощность, требуемая для вращения пропеллера, всегда превышает мощность, развиваемую пропеллером в режиме “толкача”.

Но, попутный ветер (даже небольшой) кардинально меняет ситуацию, позволяя установить лопасть более полого к плоскости вращения – на каких-то пять градусов, и тем самым, увеличить “подъёмную” (тяговую) силу лопасти пропеллера Т1, одновременно снизив силу сопротивления вращению Т2.



Например, желобковая лопасть со стрелой прогиба 5 %, установленная под углом ~15 градусов к плоскости вращения, встречая поток воздуха с углом атаки 5 градусов, создаёт аэродинамическую силу А, которая раскладывается на две ортогональные проекции: силу тяги T1 и силу торможения лопасти Т2. При этом сила тяги Т1, при указанных условиях, в четыре раза превышает силу торможения Т2.

Однако, линейная скорость буера (30 м/с) в 3,6 раза меньше окружной скорости лопасти (109 м/с). А ведь мощность пропорциональна, как силе, так и скорости. В итоге, тяговая мощность лопасти всего лишь на десять процентов превысит мощность её торможения в плоскости вращения

Но и этих 10% превышения мощности (14,6 кВт на кв. метр лопасти) вполне достаточно для преодоления аэродинамического сопротивления корпуса буера и трения качения на скорости 30 м/с.

Заслуживает особого внимания коэффициент передаточного отношения трансмиссии, передающей момент вращения от колёс буера к пропеллеру. После набора крейсерской скорости трансмиссия должна обеспечивать учетверённую окружную скорость вращения лопастей, в сравнении с линейной скоростью движения буера. Но, с таким передаточным отношением, буеру очень сложно не только перегнать, но даже догнать попутный ветер. Удерживать высокую скорость это одно, а вот разогнаться до неё – совсем другое.

Для эффективного разгона, передаточное отношение трансмиссии желательно, на время старта, сделать двадцатикратным.

При этом угол установки лопасти должен быть отрицательным, что позволит на этапе разгона полезно использовать не только силу тяги T1, но и силу вращения Т2, которая будет ускорять лопасть, помогая разгону буера. Это значит, что в начале разгона буера, пропеллер выгодно заставить работать в режиме ветроколеса.

По мере набора скорости, угол установки лопасти должен плавно снижаться до нулевого, а при достижении буером скорости попутного ветра, переходить в положительную область.

Передаточное отношение трансмиссии в этот момент полезно сохранять достаточно высоким – не менее, чем десятикратным.

Затем, по мере всё большего превышения скорости буера над попутным ветром, передаточное отношение следует постепенно понижать до четырёхкратного. При этом, угол установки лопасти должен становиться всё более положительным относительно плоскости вращения.

Но, на всех режимах движения, лопасть неизменно вращается в одну и ту же сторону.

Как видим, ветер можно перехитрить самыми неожиданным образом, но общим местом для всех наиболее эффективных режимов, является значительное превышение скорости крыла над скоростью располагаемого ветра.

При трёхкратном превышении скорости пропеллерного буера над скоростью попутного ветра, удельная тяговая мощность, развиваемая квадратным метром лопасти, в двадцать четыре раза превосходит располагаемую мощность воздушного потока, непосредтвенно “омывающего” лопасть. Это очень впечатляющее превышение.

К сожалению, бóльшая часть ветра в ометаемой зоне пролетает мимо лопастей, сильно понижая общую эффективность преобразования энергии ветра.

И всё же, здесь есть чему удивиться, и есть о чём поразмышлять.

На закуску, поделимся ещё большей парусной хитростью.

С понижением скорости попутного ветра, будет снижаться максимально достижимая скорость пропеллерного буера, а при нулевой скорости ветра, буер не сдвинется с места.

А что же произойдёт при отрицательной скорости ветра, то есть при встречном ветре ?

Казалось бы, единственный вариант – движение буера в обратную сторону.

Но, что если при встречном ветре дать возможность лопастям пропеллера вращаться также, как вращаются лопасти ветряка, разгоняемые ветром. При этом, с помощью трансмиссии, можно “заставить” колёса разгонять тележку навстречу ветру.

При установке лопасти под сорок пять градусов относительно плоскости пропеллера, проекция аэродинамической силы на лопастях Т1, толкающая тележку буера назад, будет в такой схеме равна проекции силы, вращаюшей лопасть Т2. Но тележку двигают не силы, сами по себе, а развиваемые ими мощности.

Никто не мешает нам на старте обеспечить десятикратное превышение окружной скорости лопасти над скоростью тележки. Тогда, мы получим десятикратное превышение разгонной мощности над мощностью торможения.

Буер начнёт двигаться навстречу ветру, быстро набирая скорость. Десятикратную быстроходность лопасти над скоростью тележки можно сохранять до скорости хода, равной скорости ветра, после чего передаточное отношение трансмиссии следует плавно понижать, доведя его до трёх единиц, при трёхкратном превышении буером скорости встречного ветра.

Расчёты показывают реальность опережения пропеллерным буером встречного ветра, поскольку при скорости буера равной 30 м/с и при встречном ветре 10 м/с, избыточная тяга одного кв. метра лопасти составляет 13,7 кВт. Это чуть меньше, чем в случае попутного ветра.

Возможно, кто-нибудь сумеет построить пропеллерный парусник, способный мчаться втрое быстрее ветра – строго против ветра. Такой необычный буер сможет поспорить с “Чёрным Дроздом” Рика Кавалларо в состязании, кто же сильнее сумел “перехитрить” ветер.

Игорь Юрьевич Куликов


Поможем в получении патента
на ваше изобретение.

Телефон: +7 (495) 737-63-77 доб. 6800
Нина Николаевна Андреева



Автор:  Игорь Юрьевич Куликов, видео - Николай Геннадьевич Соков

Возврат к списку