Турбины Магнуса
Эффект Магнуса заключается в том, что при обтекании вращающегося тела потоком жидкости или газа образуется сила, воздействующая на тело перпендикулярно к направлению потока. Назван эффект в честь подробно описавшего его в 1852 году немецкого физика Генриха Густава Магнуса, хотя учёные и раньше обращали внимание на это явление. Так, в 1672-м его заметил и корректно интерпретировал Исаак Ньютон, наблюдавший за игрой в теннис, а в 1742-м - математик и специалист по баллистике Бенджамин Робинс, исследовавший отклонение мушкетных пуль в полёте. В баллистике с эффектом Магнуса борются, а в спортивных играх с мячом его, наоборот, активно используют, что, надо полагать, началось задолго до Ньютона: чтобы научиться подкручивать мяч, теория не нужна.
Если говорить о технологиях, основанных на эффекте Магнуса, то дальше всех по пути от экспериментальной модели до практического применения продвинулся роторный парус, изобретённый в 1920-х немецким инженером Антоном Флеттнером - его творение успешно эксплуатируется на нескольких коммерческих судах. На заре авиации делались попытки построить самолет с ротором Флеттнера, но от этой идеи быстро отказались. Чего нельзя сказать об идее ветрогенератора, в той или иной форме использующего эффект Магнуса, - она постоянно возрождается.
Роторы Флеттнера в новой роли
Начнём с предложения усовершенствовать стандартный ветряк с горизонтальной осью, заменив на нём обычные лопасти-крылья вращающимися цилиндрами. Благодаря такой конструкции ротор будет испытывать значительно меньшее давление воздушного потока, что, в свою очередь, снизит требования к прочности самого ротора и башни, а эффект Магнуса обеспечит достаточную скорость вращения. Она будет ниже, чем у ротора с крыльчатыми лопастями, но это и хорошо: износ замедлится, тише станет гудение. Чтобы вращать лопасти-цилиндры, а также для первоначальной раскрутки ротора можно использовать вспомогательные электромоторы, но это не обязательно.
В марте 1926 года в журнале «Наука и техника» была опубликована заметка о ветросиловом двигателе, разработанном братьями Тихомировыми. Изобретатели (ни их имена, ни даже инициалы, к сожалению, не приводятся) к трём роторам Флеттнера добавили три обычные лопасти, чтобы ветряк сам раскручивался под действием ветра. Роторы Флеттнера они подсоединили к конической зубчатой передаче, которую насадили на вал главного ротора, так что им передавалось его вращательное движение. «Вращающиеся цилиндры, - резюмирует автор заметки, - могут развить большую мощность, а ветродвигатель может быть применён и там, где не требуется производства электричества».
Спиральные лопасти
Теперь переместимся из эпохи почти столетней давности в наши дни. В 2002 году группа инженеров-энергетиков из Южно-Уральского федерального университета - Сергей Щеклеин, Александр Попов, Игорь Бурдин и Константин Горелый - запатентовала ветрогидроэнергетическую установку с вращающимися лопастями, которые для усиления эффекта Магнуса были снабжены спиральными рёбрами-шнеками. Эта концепция показалась перспективной руководству японской префектуры Акита, заинтересованному в развитии ветроэнергетики на своей территории. Для этих мест даже в большей степени, чем для остальной Японии, характерны сильные порывистые ветры, поэтому обычные турбины подходили здесь плохо, требовалось нестандартное решение.
За реализацию концепции по поручению префектуры взялась местная фирма Mecaro, выпускавшая производственное оборудование и не занимавшаяся турбинами. Около трёх лет ушло на эксперименты, и в 2007 году в селе Огата устойчиво заработал ветрогенератор Spiral Magnus Wind Turbine мощностью 12 кВт с пятью вращающимися спиралевидными лопастями. Конструкция была запатентована, и газета Japan Times тогда писала, что Mecaro получает запросы из других стран. К сожалению, мне ничего не удалось узнать о текущем состоянии проекта.
Вертикальная ось
В ветрогенераторе Magnus VAWT (Magnus Vertical Axis Wind Turbine - магнусова ветровая турбина с вертикальной осью), разработанном японским инженером Ацуси Симидзу и продаваемом фирмой Challenergy, эффект Магнуса также помогает вырабатывать энергию при неблагоприятных погодных условиях, в том числе при ветре ураганной силы. Главная отличительная черта Magnus VAWT - вертикальная ось, что существенно упрощает управление ветряком, поскольку положение ротора не требуется менять в зависимости от направления ветра. Цилиндры приводятся во вращение электромоторами, а когда ветер поднимается, возникает эффект Магнуса и начинает вращаться главный ротор. Предположительно (хотя в доступных публикациях я этой информации не нашла) скорость его вращения можно регулировать, меняя обороты и направление вращения роторов Флеттнера.
Прототип системы Magnus VAWT мощностью 10 кВт, находящийся на острове Исигаки в префектуре Окинава, рассчитан на эксплуатацию при скорости ветра до 40 м/с (по шкале Бофорта ветер 33 м/с и выше - это ураган силой 12 баллов). Установка непрерывно работает с августа 2018 года; максимальная скорость ветра 36,4 м/с была зафиксирована в начале августа 2020-го во время тайфуна Хагупит.
подтвердил расчётные характеристики
В феврале нынешнего года Challenergy объявила о планах по выводу системы Magnus VAWT на рынок; главным заказчиком должны стать острова, наиболее подверженные тайфунам, такие как Филиппины и Гуам. По словам Сигето Мицумото, главного специалиста по стратегии Challenergy, в 2021 году планируется продать 10-20 турбин, а в 2022-м довести количество установленных систем до 5-100. Цена за единицу 20 миллионов иен (больше 180 тысяч долларов) - пожалуй, высоковата, учитывая скромную мощность генератора, - но первая продажа уже состоялась. Тридцатого марта в филиппинской провинции Батанес при участии представителей Challenergy, местных властей и местной энергетической компании прошла торжественная церемония закладки новой системы Magnus VAWT. В более отдаленной перспективе Challenergy рассчитывает выпустить морскую турбину мощностью 100 кВт.
Ротор в полёте
Прототип аэростата MARS (Magenn power Air Rotor System - воздушнороторной энергосистемы Magenn) поднимался в воздух 14 лет назад, а публикации о нем датируются по преимуществу 2009-2012 годами. Дальнейшая судьба ветрогенератора неизвестна. Тем не менее устройство существовало, летало и могло вырабатывать электроэнергию. Оно представляло собой аэростат-ротор, наполненный гелием; ось ротора располагалась горизонтально, а лопасти были крыльчатыми - роторы Флеттнера не использовались. Эффект Магнуса играл вспомогательную роль, несколько увеличивая скорость вращения ротора и подъёмную силу. По-видимому, он оказывает аналогичное воздействие и на другие модели генераторов на аэростатах, однако не все считают нужным об этом упоминать.
аэростата MARS
Читайте другие наши материалы
