Возвращение ротора Флеттнера

В 1922 году на одном из озер в районе Потсдама можно были видеть маленькую лодочку без весел, гребного винта и парусов, загадочным образом перемещающуюся по водной поверхности. А плыла она благодаря вращающемуся бумажному цилиндрическому ротору высотой около метра и диаметром 15 см с приводом от часового механизма.
Конструктор этого «судна» Антон Флеттнер (1885–1961) использовал эффект Магнуса, открытого немецким физиком Генрихом Густавом Магнусом (1802–1870), суть которого состоит в ;следующем: когда воздушный (или жидкостный) поток обтекает вращающееся тело, образуется сила, перпендикулярная направлению потока и ;воздействующая на тело. Дело в;том, что вращающийся объект создает вокруг себя вихревое движение. С той стороны объекта, где направление вихря совпадает с направлением потока жидкости или газа, скорость движения среды растет, а ;с противоположной - падает. Разница давлений и создает поперечную силу, направленную от стороны, где направление вращения и направление потока противоположны, к стороне, где они совпадают. Это явление можно наблюдать на примере полета вращающихся пуль или артиллерйских снарядов, направление которого меняется под влиянием бокового ветра. Физическую суть эффекта Магнуса прояснил профессор Геттингенского университета Л. Прандтль в начале 20-го века.
16 сентября 1922 года Флеттнер получил патент на «роторное судно», а уже в сентябре 1924 года в строй вступило такое судно “Buckau” тоннажом 455 БРТ, переоборудованное из трехмачтовой парусной шхуны со вспомогательным дизелем мощностью 220 л.с. судостроительной компанией Friedrich Krupp в Киле. Его оснастили двумя вертикальными роторами высотой 15,6 и диаметром 2,8 метра с приводом от электродвигателей мощностью по 15 кВт и частотой вращения 120-150 об/мин. Оптимальную высоту и диаметр роторов рассчитали, продув модель судна в аэродинамической трубе. Электродвигатели питались от дизель-генератора мощностью 33 кВт. Максимальная скорость судна достигала 8,2 улов, средняя - 6,8.
Благодаря роторам экипаж сократился с 20 до 10 человек. Теперь команду не нужно было вызывать на палубу по парусным авралам - управлял роторами вахтенный штурман дистанционно из рулевой рубки. Наиболее благоприятным для судна было направление ветра перпендикулярно к курсу судна, а направление движения (вперед или назад) определялось направлением вращения роторов.
После серии ходовых испытаний, в феврале 1925 года “Buckau”вышел из Данцига в свой первый рейс через Северное море в Шотландию. Судну пришлось столкнуться с огромными волнами и сильным ветром, при этом проявилось его превосходство перед обычными парусниками. Кроме того, “Buckau” мог идти под углом 20-30 градусов к ветру, тогда как при прежнем парусном вооружении этот угол не мог быть менее 45 градусов. Важным результатом стало то, что роторы Флеттнера, являясь лишь дополнительным приводом, позволяли снизить расход топлива на главный двигатель на 20- 40%.
В 1926 году компания “Flettner-Rotorschiffahrt GmbH” приобрела судно и переименовала его в “Baden Baden”. Весной этого года, оно совершило рейс в Нью-Йорк через Южную Америку, пройдя 6 200 миль. При этом расход топлива составил всего лишь 12 т, в то время, как аналогичное моторное судно затратило бы не менее 45 т.
В 1926 году бременская верфь A.G. Weser построило для судоходной компании “Rob.M. Sloman” более крупное трехроторное судно ”Barbara” тоннажом 2077 БРТ. Роторы были высотой 17,1 м, диаметром 4,2 м, вращались со скоростью до 160 об/мин с помощью электромоторов мощностью по 25,8 кВт. Кроме того, имелось два главных дизельных двигателя суммарной мощностью 1100 л.с. Его скорость под роторными движителями достигала 6 узлов, а при совместной работе с главными дизельными двигателями - до 13 узлов.
«Барбара» в 1926-1929 годах успешно перевозила фрукты из Италии в Гамбург. Примерно 30–40 % времени рейса судно шло благодаря силе ветра. При ветре в 4–6 баллов «Барбара» развивала скорость 13 узлов.
Казалось, что роторные суда ожидает успешное будущее - к 1928 году были подписаны контракты на строительство еще шести судов, однотипных с «Барбарой». Но грянула Великая депрессия, а заодно упала и стоимость дизельного топлива. Эксплуатация таких судов стала нерентабельной ввиду незначительной экономии и долгого срока окупаемости новомодного движителя. Кроме того, они, как и обычные парусники, зависели от ветра. В 1930 году были демонтированы роторы с «Баден-Бадена», а в 1933 году такая же судьба постигла и «Барбару». В дальнейшем оба судна эксплуатировались как обычные теплоходы.
Интерес к роторным движителям снова возродился в 70-х годах прошлого века, что было вызвано резким ростом цен на нефть. Появился ряд проектов использования таких движителей на различных типах судов. Примером может служить идея англичанина Стивена Бэрона, который в 1977 г. детально разработал проект установки трех роторов высотой по 53 м и диаметром 12,5 м на серийный балкер грузоподъемностью 63 800 т. При ходе в галфвинд и ветре 8,5 м/с ожидаемая скорость судна с выключенными главными двигателями составила бы 16 узлов. Предполагаемая годовая экономия при использовании роторов в течение 30% ходового времени составила бы не менее 400 тыс. долларов.
В начале 1980-х годов советский ЦНИИ морского флота выполнил оценочные проработки варианта с установкой трех 34,5-метровых роторов на серийный танкер грузоподъемностью 27 000 т. Расчеты показали, что использование роторов одновременно с работой главного двигателя при прежней скорости хода обеспечивало уменьшение расхода топлива на 15-35%.
Однако, в основном все ограничивалось постройкой небольших яхт. Исключением стало 445-тонное парусное судно «Клиппер Патрисиа», на котором в 1984 году британская компания установила ротор Флеттнера высотой 11 м в качестве дополнительного привода к обычным парусам и дизелю.
В журнале «Судостроение за рубежом» (№ 1, 1982 г.) публиковалось следующее интересное сообщение:
«...пару лет назад самоходное роторное судно видели многие из отдыхающих на Кавголовском озере под Ленинградом. Это была обычная байдарка с ротором (два диска на мачте и пленка между ними), вращаемым педальным приводом. В полветра байдарка шла довольно уверенно, но для поворотов и хода другими курсами приходилось браться за весло».
Некоторые авторы относят к роторным судам разработанные известным исследователем Жаком-Ивом Кусто и его коллегами, профессором Люсьеном Малавардом и доктором Бертраном Шаррье, “Moulin ; Vent” (1980 г.), “Alcyone” (1985 г.). Однако, эти суда оснащены не роторами Флеттнера, а неподвижными турбопарусами, также использующими эффект Магнуса.
6 июля 2010 года из Эмдена на ходовые испытания вышло судно типа ро-ро “E-Ship 1” оснащенное четырьмя роторами Флеттнера. Судно дедвейтом 10 000 т было построено по заказу фирмы Enercon - одного из крупнейших производителей ветрогенераторов, и предназначалось для перевозки лопастей и других частей ветряков.
Роторы “E-Ship 1” имеют высоту 27 м, диаметр 4,3 м, номинальную частоту вращения 350 об/мин и привод от электродвигателей. Кроме того, судно оснащено главной дизель-электрической установкой мощностью 13 000 л.с. Применение роторных движителей позволяет экономить до 25% топлива.
Продолжающийся рост цен на нефть и «идея фикс» о борьбе с загрязнением атмосферы и с парниковым эффектом привели к возрождению интереса к коммерческим судам использующих энергию ветра, в том числе и с роторами Флеттнера. Этому способствовало как появление новых конструкционных материалов, таких, как углепластики, обладающих малым весом и высокой прочность, так и развитие электроники.
Наиболее известным проектантом и производителем современных роторных движителей стала основанная в 2012 году финская фирма Norsepower. Фирмой разработана цепочка Norsepower Rotor Sails пяти типоразмеров в зависимости от высоты ротора: 18, 24, 28, 30 и 35 метров с частотой вращения 180-250 об/мин и мощностью приводного электродвигателя 20-146 кВт. Вес роторов составляет от 20 до 59 тонн. Их работа контролируется системой NorseControl™ automation system, которая позволяет с панели управления в рулевой рубке в автоматическом или ручном режиме в зависимости от скорости и направления ветра выбирать оптимальную частоту и направление вращения роторов для максимальной экономии топлива. Norsepower оформила 59 патентов, связанных с роторами Флеттнера.
Роторы изготавливаются польской фирмой Comaxel из угле- и стекловолокна пропитанного эпоксидными смолами. К концу 2020 года планировалось наладить аналогичное производство и в Китае. К 2025 году Norsepower намеревается получить 200 роторов.
Роторами Norsepower Rotor Sails оснастили следующие суда:

• “Estraden” - типа ро-ро - в 2014-2015 годах установлены два ротора 18 х 3 м, экономия топлива оценивается в 6,1%;
• “Viking Grace” - пассажирский паром. В апреле 2018 года установлен ротор 24 х 4 м, годовая экономия топлива составила 231- 315 т. Ротор демонтирован в 2021 году после окончания успешных испытаний;
• “Maersk Pelican” - танкер дедвейтом 109 647 т. В августе 2018 года установлены два ротора 30 х 5 м, экономия топлива составляет 7-10%;
• “Copenhagen” - пассажирский паром фирмы Scandlines. Ротор 30 х 5 м установлен в июле 2020 года. Проведенные испытания показали, что при работе парома на его линии экономия топлива составит 4%;
• “Berlin” - паром, однотипный с «Копенгагеном». Ротор 30 х 5 м установлен в мае 2022 года;
• “Connector” - судно типа ро-ро. В январе 2021 года установлены два ротора 35 х 5 м - крупнейшие из когда-либо примененных. Впервые роторы выполнены заваливающимися для прохода под мостами и т.п. Предполагаемая экономия топлива может составить до 25%;
• “Sea Zhoushan” - построенный в Китае в 2021 году балкер типа VLOC (Very Large Ore Carrier - суперкрупнотоннажный рудовоз) дедвейтом 325 000 т. Установлены пять заваливающихся роторов 24 х 4 м, что обеспечивает экономию топлива до 8%.

Кроме Norsepower производство роторных движителей ведут британская фирма Anemoi Marine Technologies (основана в 2007 г.) и германская Eco Flettner.
Anemoi предлагает роторы восьми стандартных размеров высотой от 18 до 35 м с частотой вращения 185-310 об/мин. Для прохода под мостами и/или удобства грузовых операций роторы могут заваливаться или перемещаться вдоль или поперек судна.
В 2017 году на балкере “Axios” (дедвейт 81 960 т) установлены четыре ротора 3,5 х 25,4 м, экономия топлива 12,5% (648 т в год).
В 2018 году - балкер “Afros” (дедвейт 63 233 т), четыре ротора 2 х 16 м, экономия топлива 12,5%.
Запланирована установка роторов Флеттнера размером 5 х 24 и 5 х 35 м еще на три балкера дедвейтом от 82 048 до 388 000 т.
Фирма Eco Flettner разработала три типоразмера роторов (18 х 3, 24 х 4, 31 х 5 м) с частотой вращения 165-280 об/мин и потребляемой мощностью 75-230 кВт.
В 2018 году 18-метровый ротор был установлен на балкере “Fehn Pollux” дедвейтом 4211 т. Экономия топлива достигает 130 тонн в год.
В 2020 году на многоцелевом судне “Anika Braren” (5035 т) установлен ротор 18 х 3 м, предполагаемая экономия топлива составляет 10-25%.
К настоящему времени роторами Флеттнера оснащены лишь несколько судов, поэтому трудно оценить их перспективность. Не постигнет ли их судьба предшественников? Достаточно вспомнить 70-е годы прошлого века, когда в результате арабо-израильских вооруженных конфликтов, приведших к закрытию Суэцкого канала и арабскому эмбарго на поставки нефти, резко возрасли цены на нее.
Тогда судостроители и судоходные компании снова вспомнили о парусах и угольном топливе. Возобновилась постройка паротурбинных судов с котлами на угольном отоплении, вспомнили и о том, что первоначально Рудольф Дизель пытался создать свой двигатель для работы на угольной пыли. Ведущие производители малооборотных дизелей приступили к опытно-конструкторским работам и даже стендовым испытаниям опытных моделей двигателей, работающих на угле. После падения цен на нефть об этом быстро забыли.