Flettner转子用于船只–用途,历史和问题

当一个人思考一个 船舶推进系统,传统的螺旋桨和方向舵设置是想到的。虽然工艺有许多其他形式的供电(例如 Waterjet推进,帆电源等),一种相当罕见的推进系统是挡板转子。

很少在商业船上使用,它是自20世纪20年代以来一直在发展的基于风的发电的实验理念。

您可以通过从船甲板上划出的大堆叠或转子轻松地点击浮雕式转子船。

ESHIEN 1带有Flettner转子

在本文中,我们将看看使用这种形式推进和稳定的转子,驾驶物理概念和船舶。

什么是flettner转子?

Flettner转子是一种非常规的血管推进和稳定性。首先由德国工程师Anton Flettner在20世纪初开发,它使用称为称为的流体动力学现象 马格努斯效果 to propel the ship.

系统和方向发展的推力取决于几种因素和特征,这些因素和特征被广泛分类为:

1.风速(动力学),
2.风向(方向),
3.船舶标题(定向),
4.转子高度和直径(几何),和
5.转子的表面性质(动态和动力学)

驱动原理是当圆柱绕轴线旋转时,并且介质(空气或水)垂直于轴线流过它,然后在与轴和流动流正交的方向上产生力。

该力是转子两半的压力差的结果,并且被称为 “kutta-joukowski”的力量.

这支部队的概念是由科学家·克特塔(Nikolai Joukowski)首先量化的,他研究了旋转圆筒的情况。

Flettner转子用于两个平面和船舶,尽管它仍然是一种实验构思,其尚未商业化批量生产。

Flettner转子也称为MAGNUS转子。安装在甲板上的大圆柱体的另一个名称是转子帆或飘飘风帆。

当在飞机行业中使用时,这种飞机被称为Flettner Planes。

虽然本文的主要目的是调查Flettner系统的海洋应用,但它足以说飞机在工艺前方使用转子并在翅膀之前产生垂直于地面的推力。这种推力会产生电梯,而随之而来的速度提供了所需的灌木流水。

在油轮上的四个可折叠射击器转子
图片信用:Windagain Pte。有限公司

什么是马格努斯的效果?

MAGNUS效应是FLETTNER转子后面的物理概念,首先由德国物理学家Gustav Magnus研究。

他观察到纺纱体会偏离直接路径。这种偏转直接取决于它旋转的方式。

身体的2个半部之间的压力差会产生改变身体过程的力。该压力梯度与物体的几何形状直接相关及其动力学性质(粗糙度系数,形成速度,接近速度,角速度)。

这种效果最常见于3个行业 - 体育场作为许多球运动的一部分,这效果可以抛出导弹偏离目标,以及工程应用(Flettner转子)。

产生的力被称为Kutta-Joukowski升力,并在海洋流体动力学和海军架构中起重要作用。

这是由Flettner转子和某些高速工艺使用的引导力,以通过翼型(或水翼)产生升力。

每单位长度的身体产生的力为:
f / l =ρvg
这里,长度L是体的特征长度。

在球体的情况下,它是球体的直径,并且在异常形状的情况下,尖端到尖端长度与进入的流动一起。

身体偏离其原始预期路径的主要原因是由于已知现象 流动分离。

这是由于身体周围的流动,由于某些物理改变,不再能够粘在表面上。在这种情况下,创建了一个唤醒(在体下游的翘曲)。

由于纺丝性质,这种尾迹形成在某些区域中,该区域形成在球在旋转的平面的相对端之间产生压力差。

偏离力的产生垂直于纺纱体的轴和线性运动方向。

播放的另一个动态分量是 漩涡。 它是凹槽背后的漩涡或旋转物体的形成。

这些涡流是在介质中产生的扰动或湍流,由于身体赋予的旋转或流动分离。

涡度在涡流生成的强度方面测量。一种可视化涡度的简单方法是当水冲下水槽时产生的漩涡模式。

强度越高,产生的湍流产生,水旋转更快。相同的原理适用于Flettner转子。

涡旋强度计算为:
g =2πωr^ 2

在哪里, r 是主体的半径(球体或圆柱体),ω是角速度(体的切向速度x半径)。

工程中最常见的应用是飞机和海洋工艺上的Flettner推进系统。它用于推进和工艺稳定。

图像信用:Anemoi Marine Technologies

Flettner转子使用在哪里?

Flettner系统在船上提供2个主要目的:

1.出发,和
2.用于稳定

推进是海洋船舶中的一体组分,并且可以使用最小输入工作产生的推力始终是理想的情景。尽管 传统推进器 由海洋柴油发动机提供动力,应考虑环境损害。

随着地球海洋的大量船只,优选搬到清洁能源替代品。一种这样的能源是Flettner转子,其利用风力在船后面产生推力。

这些转子帆由位于船体内的小型电动机供电,而转子本身将垂直向上垂直突出。当它们旋转时,MAGNUS效果进入播放,并且将水平推力产生到容器的后部。能量的主要来源是电动转子的电动机,而输出由周围空气的相对运动提供。

注意,由于无风情况下的输出功率较低,单独的电机不足。为了从Flettner转子的最大效率,风必须垂直于船长流动。

更快的传入风,越大,产生的推力越大。出于这个原因,即使风在帆船方向上,也可以驾驶Flettner转子的船只。然而,如果风改变方向和从另一侧接近(端口或右舷),则船舶将反向移动,因为现在推力现在朝向前进。因此,必须进行仔细分析进入的风向,以确保船舶的正确标题。

稳定化是由Flettner转子执行的另一种功能,尽管结构取向变化。虽然它在推进的情况下垂直突出,但是转子从容器的船体横向延伸以进行滚动稳定。它们位于水线下方,每侧测量几米,可以是2主要类型 - 主动或被动稳定。

在被动稳定中,随着血管从端口滚动到右舷时,转子被激活,并且开始旋转。基于速度和方向,它们可以赋予容器上的升力或向下的力。

通过判断所需的力类型,可以通过使用MAGNUS效果提供右转运动来稳定辊。在这种情况下,介质提供湍流唤醒是流过转子的水。

在被动转子稳定中,工艺两侧的Flettner系统以相同的方向以相同的速度旋转。

在主动稳定的情况下,代替具有相同的特性,2半减少根据出现的情况提供不同的升力力。

它非常精确,如果设计得好,可以将船舶稳定到甚至恶劣天气条件下的近静止。但是,工程这种设计复杂,需要丰富的经验。

由于使用稳定转子的静止实验性质,在运行中没有许多血管,用于使用该系统进行滚动稳定性。

Flettner转子的历史和创新

用于开发Flettner转子的概念的第一艘船是德国在德国开发的Buckau。作为德国U-船只潜艇的最大建筑商之一,它涉及科学思想的发展和测试。

在理论上工作的设计师团队和监督转子的建造是该领域的专家,并且是空气动力学和流体力学行业的众所周知的名称。

Albert Betz(开创性的风力发电机技术),Anton Flettner(专家航空航天工程师),JAKOB ACKERET(瑞士航空专家和皇家社会研究员),Ludwig Prandtl(开发了几种数学和分析模型的流体力学)设计了转子容器这建于1924年。

Buckau采用双转子系统,其高度为15米,直径为3米。用于旋转转子帆的电机绘制了37千瓦的电力。

它的第一个航行是在1925年到苏格兰的丹琴格(波兰格兰斯克),然后,后来,1926年向美洲航行。然而,这艘船效率低下,难以努力以足够的速度推动工艺。结果,该项目最终被报废,提案是搁置的。

另一艘德国船是芭芭拉,建于1926年,试图使用3转子系统来推动工艺。由Weser造船厂建造不来梅,它也因项目延误和困难而被废弃。

最终,在20世纪80年代在Flettner系统中更新的利息,以及研究的研究分析了这种推进系统的可行性。

Buckau,由Anton Flettner船的甲板转子船

当前模型和原型测试

出于下一节中概述的原因,具有极少量的船舶与Flettner转子系统。然而,在实验和试验的基础上,有一些目前正在运作的船只。

2007年有一项提案,建造一个1,500艘船的车队,它将使用Flettner转子运行。他们的目的是通过喷洒海水来改善云反射率并在海洋上方产生气溶胶氛围。

它被认为是全球变暖的新解决方案,并由斯蒂芬·盐兵和约翰莱瑟姆共同发展。船体设计是一个Trimaran,可以达到最多6节的巡航速度。

Enecron涉及风能发电和技术 委托电子船-1 2008年充当设备和涡轮机运输船。根据公司的官方声明,与传统系统相比,它有助于将燃料消耗降低25%。

在芬兰运行渡轮服务的Viking Line公司和周边地区委托STX Europe 2011年建造了一艘Flettner转子动力舰。虽然该项目于2012年完成,但转子于2018年以后添加。克里斯滕MS Viking Grace, Wärtsilä于2009年构思了设计。

Norsepower公司开始原型设计了一种实用的Flettner转子系统,可以安装在海洋船上。该模型安装在 Maersk Pelican油轮 在2018年,正在等待试验。

它利用一系列双欧诺波尔转子来产生巡航速度,据说符合常规推进系统。

类似地,MV AFROS(其是散装载体),已经用4转子系统进行了测试,该系统已经帮助推进了商用Flettner转子系统的设计。

为了稳定目的,使用中最大的船只是俄罗斯 - 以色列亿万富翁罗马·阿布拉莫维奇所拥有的eclipse,这是一个私人超级游艇。运营自2011年以来,它采用主动滚动稳定,并具有最先进的设施,包括用于水下勘探的迷你潜艇。

Flettner转子系统的问题

不幸的是,由于其效率,因此不知道Flettner转子,因为它存在许多类型的传输损失。当产生推进源之间存在的动态问题和实际推进机构之间的动态问题,传输损耗减少了总产生的功率。

在传统系统中,传输损耗在 shaft vibrations 和螺旋桨叶片面临的电阻。为了克服这些,使用流线型刀片形状和动态隔离轴(动态隔离是指去除轴和周围介质之间的任何连接以防止能量损失)。

然而,对于Flettner转子,圆柱形转子是损耗的源。尽管高度高度的设计来在正确的方向上提供推力,但最大的缺点是风可以从任何方向吹来,而船只仅在某个标题处移动。

因此,推力方向不规模变化,而推进功率也不是恒定的。这些是低效率的来源,使得流动系统在发电中不一致。

此外,为了产生足够的动力来移动具有与传统系统相同速度的大型船舶,需要使用超过20米的转子帆。因此,这也可以在船舶中产生水动力不稳定,因此它不是优选的,高度限制在15米以下。

在一定高度上方的凸起可以放置在连接转子帆到甲板上的轴承和接头上的过度应力,导致事故的几率增加。

因此,通过限制转子的高度,所产生的推力比等效的船用柴油发动机小。由于这两个主要原因,Flettner系统不通常用于推进。

关于稳定,最大的问题是船的增加的束。船舶具有非常紧凑的值范围内,光束可以使其安全地在端口停靠。为了稳定血管,转子需要水平延伸,这在试图停靠时产生问题。

对转子加入码头的意外损坏是主要的担忧,而也存在意外放牧或损坏其他船只的风险。为了复制该问题,由于稳定​​转子位于水线下方,因此接近从另一个血管或岸边检测到它。

因此,Flettner转子很少用于稳定,更优选水下翅片(被动和主动稳定)。

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