Друзья!

Мы продолжаем серию публикаций интересных статей из журнала FT:PEDIA, переведённых на русский язык. Сегодня мы познакомимся с ротором Савониуса.

Журнал: FT:PEDIA 2/2018

Оригинальное название статьи: Savonius-Rotor mit Magnetlager

Автор: Rüdiger Riedel

Перевод: Татьяна Селянинова

Мои попытки работы с солнечными батареями оказались неудачными, но к счастью, у нас есть ещё и хороший ветер, поэтому можно попробовать сделать что-нибудь быстрое для его использования.

Ветровые турбины с вертикальной осью и горизонтальной плоскостью вращения лопастей знакомы многим как рекламные объекты или произведения искусства. Иногда они состоят лишь из пары изогнутых листов, медленно поворачивающихся на ветру. Однако для них есть и серьёзные применения. Все знают чашечные анемометры, используемые для измерения скорости ветра – в них на вертикальной оси крутятся четыре лопасти.

Принцип работы ветровых роторов основан на различном сопротивлении лопастей, в отличие от широко распространённых ветровых турбин с горизонтальными осями. Ветряной ротор на рис.1 и 2 состоит из V-образных элементов (детали fischertechnik 37353, 37354 и 37355) и S-образных полос 60 (35771). Подобные модели можно реализовать и с помощью простых элементов конструктора – плоских и угловых. Для уменьшения сопротивления трения я использовал магнит на оси 30 (диаметр 4 мм, длина 10 мм). Аналогичный расположен в блоке 30 так, чтобы они отталкивали друг друга.

 

Экскаваторный ковш 45 (156104) показал хорошие результаты в качестве материала лопастей. С крылом от трактора (35050) роторы показали куда более скромные результаты.

Немного аэродинамики

Все наблюдали явление сопротивления воздуха во время порывов ветра или катаясь на велосипеде. Чем быстрее вы идёте или едете, тем больше сопротивление. Но для человека пешком и человека на велосипеде это сопротивление будет разным. Воздушное сопротивление F_w зависит, помимо прочего, от площади поперечного сечения тела и от квадрата скорости. Эта величина может быть рассчитана следующим образом:

Где:

A – площадь поперечного сечения тела

c_w – коэффициент сопротивления

ρ – плотность жидкости (газ или жидкость)

v – скорость газа или жидкости

Интересным для нас является коэффициент сопротивления, который зависит от геометрии тела.

На рис.5 представлены три варианта тел с различными коэфициентами сопротивления: полушарие (например, мяч для настольного тенниса), повёрнутое выпуклой частью к потоку; плоская пластина; полушарие, открытое воздушному потоку. Разница коэффициентов определяет и разницу сопротивлений, что создаёт условия для раскрутки ротора и использования энергии его вращения.

Для автомобилей коэффициент сопротивления должен быть как можно меньше, чтобы сэкономить энергию. Обычно он составляет менее 0,5. Но интересно отметить, что для гоночных автомобилей Формулы-1, коэффициент сопротивления составляет от 0,7 до 1,2.
Причина в том, что конструкторы добиваются максимально высокой прижимной силы при максимально низком аэродинамическом сопротивлении. Баланс этих параметров приводит к сравнительно высокому коэффициенту сопротивления.

Ротор Савониуса

В шестидесятые годы прошлого века роторы с вертикальной осью стали активно использоваться в системах подачи воздуха в транспортных средствах: автобусах и железнодорожных вагонах (рис.6). При движении автобуса или вагона лопасти вентилятора начинали движение и обеспечивали воздухообмен внутренней и внешней среды.

Ротор Савониуса называют по имени Сигурда Йоханнеса Савониуса, который доработал ротор Антона Флеттнера. Ротор Флеттнера основывался на эффекте Магнуса и представлял собой длинную ось с вращающимися лопастями-цилиндрами. Идея Савониуса состояла в повороте цилиндров и смещении лопастей относительно оси с оставлением пространства между лопастями.

Суть идеи ротора Савониуса заключается в том, что воздух, создавший давление на одну сферическую (полукруглую) лопасть, перенаправляется на другую лопасть и усиливает крутящий момент.

На рис.9 представлена модель ротора Савониуса из деталей конструктора fischertechnik. Лопасти с пружинными кулачками (31982) прикреплены к BS30 с отверстием и могут перемещаться. Крепление магнита и подшипника на оси 30 аналогично тому, что показано на рис.4. На оси размещён элемент BS30 c отверстием.

Все представленные на фотографиях роторы весело крутятся даже при умеренном ветре. Поклонники ветровых установок и горизонтально вращающихся систем лопастей приобретают подобные конструкции и сегодня. Коммерческие модели выпускаются под названием вентиляторов Флеттнера.

Энциклопедические пояснения

Генрих Густав Магнус (нем. Heinrich-Gustav Magnus) (1802-1870) – немецкий физик и химик, изучавший динамические явления в различных средах. Открыл и описал эффект Магнуса – физическое явление, возникающее при обтекании вращающегося тела газом или жидкостью. На обтекаемое тело действует сила, направленная перпендикулярно потоку.

Антон Флеттнер (нем. Anton Flettner) (1885-1961) – немецкий авиационный инженер и изобретатель, внёсший существенный вклад в развитие немецкого авиакомплекса. Участвовал в разработках конструкций самолётов, вертолётов, автомобилей. Во время Первой мировой войны работал в проектах министерства обороны Германии, начал собственные разработки в различных областях. Во время Второй мировой войны возглавлял компанию Flettner Flugzeubau GmbH, поставлявшую серию боевых вертолётов для Люфтваффе. После второй мировой войны работал в США, в ряде военных и гражданских проектов.

В России имя Флеттнера малоизвестно и не упоминается, в западной литературе его именем называют ряд инженерных решений. Одним из известных проектов Флеттнера являлась постройка роторного корабля (1923 г.). Корабль был оборудован двумя большими цилиндрическими роторами, которые стояли так же высоко, как мачты, и вращались двигателем. Идея заключалась в том, чтобы воспользоваться эффектом Магнуса.

Сигурд Йоханнес Савониус (нем. Sigurd Johannes Savonius) (1884-1931) – финский архитектор и изобретатель, автор ряда патентов. Известен работами по физике ветра и использовании энергии ветряных потоков.

В 1923 году, изучая роторный корабль Флеттнера, Савониус предположил, что корабль может приводиться в движение роторным аппаратом, работающим только от энергии ветра, без помощи двигателя. В результате совместных с Флеттнером экспериментов и собственных разработок в 1926 году Савониусом был запатентован «Savonius-Rotor» – ротор, представляющий собой открытый цилиндр с двумя противоположно расположенными лопастями внутри, изобретение анонсировалось как конструкция для использования энергии ветра. Патент на систему вентиляции, основанную на роторе Савониуса, был приобретен фирмой Flettner Ventilator Limited, которая продолжает выпускать его современные варианты в Великобритании.