SISTEM NECONVENŢIONAL DE PROPULSIE A NAVELOR

  1. Actualitatea şi importanţa teoretică şi practică a sistemelor neconvenţionale de propulsie a navelor

     

    În zilele noastre, transportul pe apă contribuie în mod activ la creşterea comerţului mondial şi datorită eficienţei şi rentabilităţii cunoaşte în prezent o revoluţie caracterizată în primul rând de creşterea capacităţii de transport pe unitate şi, în al doilea rând, de deplasarea pe spaţii foarte largi cu puţine limitări determinate în special de condiţiile hidrometeorologice.

    Sute şi mii de nave de diferite categorii şi mărimi cutreieră mările şi oceanele lumii, navigând ziua şi noaptea şi transportând în cele mai îndepărtate colţuri ale Terrei peste două treimi din totalul cantităţilor de mărfuri ce formează obiectul comerţului mondial, transportul pe apă reprezentând în zilele noastre calea de comunicaţie cea mai avantajoasă şi care condiţionează, în cadrul schimburilor materiale internaţionale, realizarea uriaşului trafic anual de miliarde de tone de mărfuri dintre cele mai diferite.

    În acelaşi timp, transportului pe apă îi revine un rol de bază şi în exploatarea faunei şi florei marine, precum şi a subsolului platformei continentale, păduri de sonde exploatând bogăţiile sale petrolifere, numeroase flote de pescadoare traulează ziua şi noaptea adâncimile mărilor şi oceanelor pentru a culege uriaşele bogăţii de peşte.

    Acest uriaş trafic pe apă se realizează, în proporţie de aproape sută la sută, de către nave cu propulsie mecanică ce folosesc cantităţi mari de combustibil fosil care, prin consumare, contribuie la creşterea în cantităţi impresionante a dioxidului de carbon din atmosferă, constituind una din cauzele încălzirii globale a mediului înconjurător în întreaga lume.

    Ţinând cont de importanţa reducerii evacuării de dioxid de carbon de către nave, este imperios necesară dezvoltarea unor noi tehnologii de motoare marine, alta decât cea a motoarelor Diesel, care, prin degajarea miliardelor de cai putere poluează atmosfera planetei.

    Într-o altă ordine de idei, specialiştii şi cercetătorii din industria petrolului au prevăzut următoarele cifre relativ la rezervele şi cantităţile de petrol consumate pe glob:

  2. planeta noastră deţine o rezervă de aproape 1000 miliarde de barili de petrol, în varianta optimistă, dar logică, confirmată de specialiştii în teledetecţie, (cei care “citesc” Pământul din sateliţi);
  3. ştiind că cetăţenii SUA ard, doar ei aproximativ o treime din producţia zilnică mondială, înseamnă că această rezervă de petrol a Pământului va fi suficientă pentru a avea cu ce să ţinem “focurile aprinse pe planetă”, doar până prin jurul anilor 2045;
  4. această cifră de 1000 miliarde de barili înseamnă mult mai mult decât determinaseră savanţii din jurul anilor ’70, care estimau perioada anilor 2000-2005 drept aceea în care aveau să se întâmple ultimele pâlpâiri în fabricile, centralele şi motoarele termice ale Pământului – dar, noile resurse descoperite, tehnologiile mai eficiente de extracţie şi utilizare, ca şi noile surse de energie dezvoltate, au extins aceste previziuni spre viitor, mutând astfel momentul sfârşitului Erei Focurilor.

    În urmă cu două decenii, în timpul crizei petrolului, în urma jocurilor preţului barilului, când preţul combustibilului consumat de navele cu propulsie mecanică a crescut foarte mult, a apărut necesitatea găsirii unor noi surse de energie care să propulseze navele marilor flote comerciale, ale statelor cu puternică industrie navală (Anglia, Franţa, Germania, Japonia ş.a.).

    Un astfel de sistem de propulsie, cu sursă de energie care să nu murdărească atmosfera şi care să înlocuiască actualele motoare marine poluante, este acela care ar putea folosi fără îndoială imensa energie inepuizabilă a vântului.

    Pornind de la aceste consideraţii, se impune din ce în ce mai mult evaluarea acestei surse naturală de energie, complet nepoluantă şi economică, odată cu creşterea sistematică a intensităţii folosirii navelor ca mijloc principal de transport al mărfurilor pe glob, ceea ce propulsează ideea folosirii acestui factor aleator şi neexploatat suficient până acum – vântul şi a reconsiderării propulsiei cu vele a navelor mari, transoceanice.

     

     

  5. Velele ca mijloc suplimentar de propulsie

     

    Dacă la începutul epocii marcate de introducerea la nave a maşinii cu aburi şi a elicei, elicea era considerată ca mijloc suplimentar de propulsie, după anul 1950, încep să apară idei constructive despre nave dotate cu vele, de data aceasta, ca mijloc suplimentar de propulsie.

    Încă din cele mai vechi timpuri, omul a folosit vântul ca mijloc de propulsie a ambarcaţiunilor, însă mult timp nu s-a putut naviga decât cu vânturi purtătoare (din sectorul pupa), pentru că instalaţiile de propulsie cu vele erau primitive iar în acele vremuri nu se cunoştea sistemul modern de construcţie şi de orientare a acestora.

    Vela trebuie să fie astfel construită, încât să acţioneze, în funcţie de drumul navei şi de direcţia vântului, pe oricare dintre borduri, pentru a permite în funcţie de nevoie, schimbarea drumului de mers al navei (urcarea sau coborârea faţă de direcţia vântului şi navigaţia în volte). Aceasta este o condiţie esenţială pentru proiectarea şi construirea diferitelor tipuri şi forme de vele, deoarece pe timpul folosiri, ele trebuie să fie capabile să se menţină în vânt, pentru captarea şi consumarea eficientă a întregii energii a acestuia.

    Menţinerea velelor în poziţie de eficienţă prin elementele lor de susţinere, relativ reduse, arborada, manevrele fixe şi manevrele mobile, precum şi alte materiale de rigidizare, oferă posibilitatea de a se putea construi ca profile de tip aripă, flexibilă, rigidă sau hibridă, aspectul lor apropiindu-se din ce în ce mai mult de cel al aripilor şi mai puţin de cel al velelor clasice.

    Eficienţa oricărei velaturi este determinată de capacitatea ei de a genera o forţă portantă aerodinamică mare cu o rezistenţă frontală indusă minimă.

    La stabilirea condiţiilor corecte de optimizare a velaturii pentru o rezistenţă frontală indusă minimă, criteriile de la care trebuie pornit pentru proiectarea optimă a velaturii sunt următoarele:

  6. stabilirea limitelor asupra momentului de bandare (înălţimea centrului velic) ţinând cont de stabilitatea corpului navei şi limitele asupra înălţimii velaturii;
  7. variaţia distribuţiei vitezei induse, pentru a reduce la minim rezistenţa frontală indusă, respectând limita momentului de bandare, şi determinarea încărcături anvergurii, din distribuţia vitezei induse;
  8. alegerea proiectelor pentru secţiuni, pe baza consideraţiilor mediului vâscos;
  9. stabilirea combinaţiei dintre torsiune şi vela plană, ţinând cont de distribuţia curentului descendent, unghiurile forţei portante zero de atac ale secţiunilor, şi coeficienţii forţelor ascensionale maxime;
  10. modificarea formei plane optime pentru a obţine o formă care poate fi practic construită;
  11. analizarea formei finale pentru comparaţie cu performanţa optimă.

     

    2.1. Vela din pânză

    Velele confecţionate din pânză obişnuită de velă (aşa numitele vele moi), fiind tipul de velă cel mai cunoscut au fost primele amplasate pe navele mari cu propulsie clasică. În ceea ce priveşte velele tradiţionale din material de velă (velele moi) au fost folosite cu succes de către schonerele vremii, fiind nave foarte performante. Vela tip bermudian se foloseşte şi astăzi la yachturi şi cutere. Compania Waertsila Ab. a conceput un sistem automat de manevrare a velelor şi a proiectat navele veliere moderne de croazieră “Wind Star” (figura 1), “Wind Song” şi “Wind Sprits” între anii 1986 şi 1988.

     

     

    Figura 1. Nava modernă de croazieră “Wind Star” echipată cu vele

     

    Între anii 1990 şi 1992 sau construit cele mai moderne nave cu vele de croazieră, “Club Med 1″ şi “Club Med 2″, la care tot sistemul de conducere şi dirijare a sistemului de vele în funcţie de ruta pe care trebuie să o parcurgă nava cu diferite aluri şi forţe de vânt este computerizat.

    Datorită modelului simplu, velele bermudiane sunt folosite în Japonia de navele de pescuit. Firma Aburatsubo Port Service Co. a conceput şi construit astfel de sisteme de vele şi a echipat multe nave de pescuit cu vele încă din anii 1985.

    Începând cu anul 1980, Nippon Kaiji Kyokai a înregistrat nave de diferite tipuri şi deplasamente dotate cu vele ca mijloc suplimentar de propulsie. Velele adoptate, la unele nave, au fost confecţionate din pânză obişnuită de velă, rolul arboradei fiind luat, în timpul marşului, de instalaţia de încărcare/descărcare a navei (macarale şi bigi navale).

    Petrolierul “Shinsui Maru No. 5″ (figura 2) a fost dotat cu două vele de formă trapezoidală, confecţionate din nailon, tip Teraoka, în suprafaţă totală de 190 m2. Velele sunt învergate pe vergi metalice de construcţie specială, cu marginea de învergare pe verga superioară şi cu marginea de întinsură pe verga inferioară, orientarea ca şi strângerea lor fiind executată de un mecanism acţionat de un motoraş comandat de un computer.

     

     

    Figura 2. Tancul “Shinsui Maru No. 5″ de 5000 tdw cu propulsor auxiliar format din două vele trapezoidale din nailon în suprafaţă totală de 190 m2 (88 m2 +102 m2) [4]

     

    Încercări de a se naviga cu vele ca propulsor auxiliar, (velele fiind confecţionate la bordul navei din capoate şi tende), s-au efectuat cu navele româneşti de 8.750 tdw “Făgăraş” pe Marea Mediterană şi “Hagieni” în Golful Tailandei şi Marea Chinei de Sud.

    De exemplu, cu o velă triunghiulară de 24 m2, ridicată cu colţul de fungă la apărătoarea raiurilor balansinei cranicului, dintre magaziile de marfă l şi 2, cu colţul de mură voltat la rama gurii de magazie, în dreptul bazei coloanei cranicului şi cu colţul de şcotă tras în bordul de sub vânt, spre parapet, în alura cu vânt larg, nava câştigă în viteză 1-1,5 Nd. Nava de 8.750 tdw cu propulsor auxiliar format din vele confecţionat din pânză şi montate la catargul prova şi instalaţia de încărcare, la o traversadă a Oceanului Indian, de exemplu, în timpul musonilor, considerând numai această simplă şi improvizată velă, care dă un câştig de un nod la viteză, nava, la acelaşi consum de combustibil pe zi de marş, va câştiga un spaţiu parcurs de 24 Mm. După 14 zile de traversadă, câştigul în spaţiul parcurs va fi de 336 Mm, ceea ce înseamnă, la o navă cu viteza de 12 Nd, un câştig ca timp, mai mare de o zi de marş (28 de ore de marş) şi, la un consum de 0,666 tone/oră (16 tone/zi), o economie de combustibil de 18,664 tone (fără a lua în calcul “o scădere a sarcinilor pe motor” şi economia de lubrifianţi). Numai cu o velă improvizată! [4].

     

    2.2. Vela rigidă

    În anul 1955, în Germania, planul proiectului navei “Dynaship” (figura 3) a început să cerceteze posibilităţile de dotare a navelor cu propulsie clasică şi cu vele pătrate de tip semirigid. Acest proiect de tip de velă nu a fost construit în final dar conceptul poate fi considerat a fi predecesorul velei rigide realizate de Jamada, care împreună cu NKK a construit prima velă pătrată rigidă.

    Deschiderea velei şi manevrarea cu unghiuri corespunzătoare alurii de vânt se execută de către maşini hidraulice.

     

     

    Figura 3. Planul general al proiectului navei “Dynaship” din 1955 care a început să cerceteze velele pătrate tip semirigid. Acest tip de velă nu a fost construit, dar conceptul poate fi considerat ca fiind predecesorul velei rigide realizate de JAMADA [7].

     

     

    Prima navă, petrolierul Shin Aitoku Maru (figura 4), cu lungimea între perpendiculare de 66 m şi 1 500 tdw, destinat navigaţiei costiere, construită în anul 1980 în şantierul Inamura, în premieră mondială a fost dotată cu două vele rigide pătrate cu profil aerodinamic.

    Velele tip JAMADA-NKK, a căror suprafaţă totală este de 200 m² (12,5 m x 8,0 m) au fost amplasate în planul diametral longitudinal, prima în prova magaziei de marfă numărul 1 şi a doua între magaziile 2 şi 3, manevrarea lor realizându-se cu ajutorul unui motor auxiliar comandat de un computer care calculează şi comandă unghiul lor de orientare, în funcţie de direcţia şi forţa vântului relativ.

     

     

    Figura 4. Petrolierul “Shin Aitoku Maru”, prima navă dotată cu vele rigide cu profil aerodinamic tip JAMADA-NKK.

     

    Ca urmare a performanţelor obţinute cu nava Shin Aitoku Maru în comparaţie cu o navă similară numai cu propulsie mecanică (reducerea consumului de combustibil cu 30%-40% pe voiaj şi micşorarea timpului planificat al voiajului, prin mărirea vitezei de marş), după 1980 mai multe nave au fost dotate cu vele rigide cu profil aerodinamic, ca instalaţie auxiliară de propulsie, astfel numai în Japonia 17 nave au fost echipate cu vele Jamada. Astfel:

  • cargourile de mărfuri generale “SENYO MARU” şi “NISSAN MARU”, de 2.100 tdw, au fost dotate cu câte două vele rigide cu profil aerodinamic tip NKK în suprafaţă totală de 233,75 m²;
  • tancul “KIOEI MARU NO.1″, de 5.300 tdw, a fost dotat cu o velă rigidă cu profil aerodinamic tip JAMADA STK, cu o suprafaţă de 216 m². Vela a fost amplasată în planul diametral longitudinal între tancurile de marfă 1 şi 2;
  • nava (mineralier-cargo) “AQUA CITY” (figura 5) de 31.100 tdw, a fost dotată cu două vele rigide cu profil aerodinamic tip NKK, în suprafaţă totală de 352 m², amplasate pe teugă, în borduri, simetric faţă de planul diametral longitudinal;

     

    Figura 5. Mineralierul “Aqua City” de 31000 tdw cu propulsor auxiliar format din două vele rigide cu profil aerodinamic şi o suprafaţă totală

    de 352 m 2 (2 x 176 m2) [4]

     

  • cargoul de mărfuri generale “CABLE POTATO MARU” (figura 6) de 1.500 tdw, a fost dotat cu o velă rigidă cu profil aerodinamic, tip JAMADA STK, în suprafaţă de 96 m², amplasată pe teugă în planul diametral longitudinal al navei;

     

     

    Figura 6. Cargoul de mărfuri generale “Cable Potato Maru”, de 1500 tdw, cu propulsor auxiliar format dintr-o velă rigidă cu profil aerodinamic în suprafaţă de 96 m2 [4]

     

  • nava (mineralier-cargo) “USUKI PIONEER” (figura 7) de 26 000 tdw, cu lungimea între perpendiculare de 152 m a fost dotată cu două vele rigide pătrate cu profil aerodinamic tip JAMADA STK cu suprafaţă totală de 640 m².

     

    Figura 7. Nava “Usuki Pioneer” de 26000 tdw cu propulsor auxiliar

    format din două vele rigide cu profil aerodinamic

    suprafaţă totală de 640 m2 (2 x320 m2) [4]

     

    Alte tipuri de vele rigide cum ar fi cele cu palete aerodinamice şi cele cu volet au fost propuse de cercetători şi specialişti în domeniu încă din anii 1980. Acestea au fost testate experimental pe diferite tipuri de bărci dar nu

    s-au folosit la dotarea navelor.

    Deocamdată, datorită costului ridicat al producerii, întreţinerii şi manevrării greoaie a unui astfel de sistem, avantajul folosirii velelor rigide a scăzut şi el, astfel că nu a luat amploare.

     

    2.3. Vela mecanică

    Velele mecanice pot genera cel mai mare coeficient de portanţă mai mare decât velele clasice uzuale, dar greutatea velei este foarte mare.

    Sistemul de vele cu rotor construit de germanul Flettner se bazează pe principiul că cilindrul care se roteşte sub acţiunea vântului produce forţa portantă prin efect Magnus. O mişcare datorită unui curent paralel şi unei curgeri circulatorii în jurul cilindrului se poate produce fizic prin rotirea unui cilindru în jurul axei sale şi prin deplasarea sa. Particulele fluide în contact cu suprafaţa aderă la aceasta şi sunt antrenate în rotaţie. Prin efectul vâscozităţii, această mişcare se transmite din aproape în aproape în tot fluidul înconjurător şi se formează în jurul cilindrului o mişcare echivalentă cu aceea a unui vârtej. Au fost astfel construite două nave echipate cu acest sistem de propulsie cu rotor cu vânt: cargoul Buchau de 455 tdw în 1924 şi cargoul Barbara de 2.077 tdw în 1926.

     

    2.4. Turbine pentru vânt şi alte mecanisme

    În anii 1980 s-au propus şi s-au încercat multe tipuri şi sisteme de turbine de vânt, elice eoliene, zmee şi baloane dar nu s-au aplicat concret vreunei nave.

    Vela turbo are ca principiu de funcţionare captarea aerului şi atragerea lui în spatele corpului velei de un ventilator electric puternic. Deşi s-a sperat că va fi o velă cu o portanţă ridicată, a fost folosită experimental pe ambarcaţiuni mici.

    În anul 1985, cercetătorul maritim francez Cousteau, a comandat o navă care să urmeze vestitei nave “Calypso” (figura 8), numită “Alcyone”, după care va urma nava “Calypso 2″. Ambele nave sunt echipate cu aşa zisele “torbo-vele”. În realitate, ele sunt aripi mari şi semănă foarte mult cu cilindrii rotativi ai lui Flettner, deşi nu se rotesc. Nava “Alcyone” are două turbo-vele, fiecare cu o înălţime de 7 m. În prezent, o echipă adună donaţii pentru “Calypso 2″, navă care va avea o singură turbo-velă cu o înălţime de 24 m.

     

     

    Figura 8. Nava Calypso

     

    2.5. Velele profile tip aripă

    Menţinerea velelor în poziţie de lucru eficient, prin elementele lor de susţinere, relativ reduse, cum ar fi: arborada, manevrele fixe şi manevrele mobile, balenele şi alte materiale de rigidizare ale velelor, oferă posibilitatea de a se putea concepe şi construi ca profile de tip aripă, flexibilă, rigidă sau hibridă, pentru a fi mai eficiente, în zilele noastre aspectul lor apropiindu-se din ce în ce mai mult de cel al aripilor şi mai puţin de cel al velelor clasice (figura 9).

     


     

    Figura 9. Vele tip aripă flexibilă

     

    Astfel s-au făcut diferite propuneri pentru dotarea navelor cu propulsie mecanică cu sisteme de propulsie suplimentare, formate din vele modulare care să poată fi montate la nevoie şi după posibilităţi pe spaţiile libere de pe puntea unui bulk carriers sau a unui tanc de exemplu.

    Scopul unei astfel de instalaţii este bineînţeles acela de a folosi forţa vântului pentru propulsie şi de a reduce consumul de combustibil şi implicit poluarea atmosferei, eliminându-se astfel nevoia de a folosi propulsia motorului în exclusivitate. Acest tip de velă modulară oferă posibilitatea de a fi ridicată la nevoie, capacul modulului se deschide temporar pentru a permite catargului să se extindă în sus şi se închide în jurul bazei velei extinse pentru etanşare.

     

    2.6. Velele hibride

    Vela hibrid este brevetată la Oficiul de Stat pentru Invenţii şi Mărci, ca invenţie a autorului acestui articol şi este alcătuită dintr-un profil de aripă rigidă ce va avea şi rol de catarg, combinat cu un volet cu fantă, catargul prelungindu-se de la marginea de curgere cu o velă subţire (din material moale – din pânză).

    Caracteristicile aerodinamice ale acestor tipuri de vele, în urma experimentelor efectuate s-au dovedit foarte eficiente pentru navă, astfel că o asemenea velatură bine construită şi corect amplasată pentru a putea fi manevrată pe puntea unei nave, influenţează foarte mult performanţele navigaţiei.

    Experimentele pe diferite tipuri de vele le-am realizat în tunelul aerodinamic al Academiei Navale “Mircea cel Bătrân”, din Constanţa şi au avut ca rezultat faptul că velele hibride prezentate în această lucrare sunt realmente mai competente decât velele clasice aflate pe punţile navelor tip veliere.

     

  1. Cercetări experimentale privind aerodinamica velelor hibride


    3.1. Consideraţii experimentale asupra velelor hibride

    În cercetările efectuate am tratat catargele tip aripă de formă eliptică (lăcrimară), dotate cu volet de bord de atac, aceste catarge putând fi rotite independent de velă astfel ca pe extrados să se poată realiza un contur neted.

    Problema tehnică pe care o rezolvă vela hibrid este reprezentată de folosirea unei vele realizată din două părţi (una rigidă – din materiale rigide uşoare, mase plastice, aluminiu, fibră de sticlă, etc. şi cealaltă moale – din pânză), care să prezinte atât aspectul clasic al flexibilităţii şi eficienţei unei vele normale cât şi aspectul rezistenţei în timp.

    La aceste consideraţii se adaugă şi cele legate de utilizarea catargelor profilate, tip aripă de avion, care micşorează semnificativ rezistenţa longitudinală la înaintare a ansamblului catarg-velă, şi a unui volet (aripioară) de bord de atac pe catargul aripă, dispozitiv similar velei foc sau strai de la ambarcaţiunile cu vele (figura 10).

    Considerarea acestui tip de velatură complexă duce la creşterea forţei de propulsie a ambarcaţiunii sau navei şi, la fel ca şi în cazul aparatelor de zbor, la controlul mult mai riguros al comportării velei-aripă hibridă în curentul de aer.

    Avantajele acestei vele
    reprezintă elemente de referinţă pentru studierea în continuare a construcţiei de vele folosite pentru navele transoceanice şi constau în:

  2. folosirea dispozitivului de hipersustentaţie (volet), care realizează îmbunătăţirea portanţei velei hibrid datorită măririi suprafeţei velice, modificarea în marş a curburii profilului velei, suprafaţa rămânând sau nu constantă, stăpânirea stratului limită pe extradosul aripii şi întârzierea pentru unghiuri de incidenţă mai mari decât unghiul critic, a desprinderilor de pe extrados;
  3. coeficientul de portanţă creşte aproape o dată cu aspectul raportului velei în experimente, iar pe de altă parte, coeficientul rezistenţei frontale nu se schimbă semnificativ;
  4. în cazul folosirii voletului se constatată, de asemenea, o îmbunătăţire a curgerii aerului pe extradosul velei, mai ales atunci când voletul este suficient de aproape ca să formeze o suflantă;
  5. influenţa voletului şi a velei moi asupra caracteristicilor aerodinamice a fost cercetată prin experimente şi a rezultat că influenţa voletului asupra portanţei este foarte mare, aceasta crescând cu aproximativ 30 – 40%;
  6. prin efectul voletului şi al aripii flexibile de formă adaptabilă curentului se obţine creşterea de aproape două ori a unghiului de incidenţă maxim, faţă de aripile obişnuite;
  7. sistemul de vele amplasat de la nivelul punţi principale în sus prezintă avantajul adaptării corespunzătoare şi folosiri la arboradă a dispozitivelor şi mecanismelor de la instalaţiile de încărcare descărcare (bigi, macarale), dar care totuşi pe timpul operării navei sau la manevrele de port pot reprezenta un impediment.

    Realizarea acestui sistem, a pornit de la considerentele conform cărora pentru optimizarea sistemului de propulsie cu vele al navelor, proiectarea unei vele constă de fapt în controlul stratului limită de separare, prin distribuţia presiunii pentru a ridica forţa portantă maximă a secţiunii şi a reduce rezistenţa frontală în mediul vâscos. Deci eficienţa velaturii este determinată de capacitatea ei de a genera o forţă portantă aerodinamică mare cu o rezistenţă frontală minimă, la unghiuri de incidenţă cât mai mari, forţe care sunt parţial determinate de efectele mediului vâscos din stratul limită de separare şi curgerea ne-vâscoasă din jur.

    În figura 10 se pot vedea modelele de vele hibrid realizate la scară, concepute pentru obţinerea de performanţă mărită pe timpul propulsiei cu vele, care sunt propuse să fie folosite la propulsia suplimentară a navelor maritime, modele cu care am executat determinările experimentale în tunelul aerodinamic, precum şi cele analitice şi prin metoda elementului finit.

    VT1.a) VP1.a)

    VT2.a) VP2.a)

     

    Figura 10. Modelele experimentale în tunelul aerodinamic din Academia Navală “Mircea cel Bătrân” (VT1.a, VP1.a = vele cu volet mare; VT2.a, VP2.a = vele cu volet mic) [2]

     

    În figura 11 sunt prezentate dimensiunile modelelor experimentale, pregătite special pentru a investiga caracteristicile aerodinamice ale velelor hibrid.

     

    Figura 11. Dimensiunile modelelor experimentale [2]

     

    Caracteristicile aerodinamice ale coeficienţilor CX, CZ, CM, au rezultat

    în funcţie de diferenţele aspectului, folosindu-se un unghi de orientare al voletului ω = 350 şi un unghi de orientare al ghiului β = 300 (figurile 12, 13).

     

     

    Figura 12. Caracteristicile aerodinamice ale velei hibrid cu aspectul diferit pentru cele două vele cu volet cu coardă mare (VT1.a, VP1.a): AR = 1,38 şi 2,13; β = 300; ω = 350 [2]

     


     

    Figura 13. Caracteristicile aerodinamice ale velei hibrid cu aspectul diferit pentru cele două vele cu volt cu coardă mic (VT2.a, VP2.a): AR = 1,51 şi 2,44; β = 300; ω = 350 [2]

     

    În urma experimentelor executate, s-a putut observa că prin schimbări mari ale echilibrului aspectului raportului, coeficienţii rezistenţei frontale CX nu au variaţii mari, rezistenţa minimă frontală depinzând de suprafaţa laterală a combinaţiilor de suprafeţe ale velei hibrid, iar coeficienţii de moment CM, au valori negative aproape de direcţia vântului.

    În zona incidenţelor mici (faţă de axa de portanţă nulă), deci la valori mici ale coeficientului CZ, erorile experimentale sunt mari, vela moale putând să fluture. De aceea, pentru comparaţiile cu teoria, s-au utilizat valorile mai mari, sigure, ale coeficientului CZ, unghiul de portanţă nulă fiind determinat prin regresie liniară.

    Calculul analitic este bazat pe teoria clasică din aerodinamică, folosind un model teoretic al velei considerată în semi-anvergura aripii de avion şi utilizează o metodă de calcul simplificată, bazată pe teoria lui Prandtl extinsă la aripa de anvergură finită cu volet (punctul [2] din bibliografie), cu care am obţinut rezultate bune, ce pot fi folosite mai departe în studii. Conform cu modelul lui Prandtl, prin înlocuirea sistemului portant velă-catarg-volet cu o linie de vârtejuri de intensitate Г, din care se desprinde o pânză de vârtejuri libere, aşezate pe curent, vom avea relaţiile:

    , , ,                  (1)

  • c = coarda totală; αe = unghiul efectiv de incidenţă:

    ,                                  (2)

    unde:

  • α0= incidenţa curentului V∞, măsurată faţă de axa de portanţă nulă a sistemului;
  • αi = incidenţa indusă de pânza de vârtejuri libere (paralelă cu V) desprinsă de pe sistem.

    Modelul propus este astfel simplificat, dar urmăreşte să ia în consideraţie două efecte importante şi anume:

  1. bracajul voletului, ωv;
  2. curbura velei ţinând seama de proprietăţile acesteia (grosime, elasticitate etc.).

    Prelucrând relaţiile obţinute în acest fel, se pot calcula pentru început coeficienţii impari A1, A3, ….. (cei pari fiind nuli):

    ; (3)

    Având coeficienţii A1, A3,… se pot determina portanţa şi rezistenţa la înaintare.

    Coeficientul de portanţă, Cz, este:

    , (4)

    A1 fiind dat de relaţia (3).

    Coeficientul de rezistenţă indusă, Cx, este:

    (5)

    Metoda de rezolvare a ecuaţiei lui Prandtl, propusă de autor, prezintă următoarele avantaje:

  3. preia fără probleme variaţiile bruşte sau salturile de coardă (prezenţa punţii sau suprafaţa apei);
  4. calculează exact integralele care intervin şi conduce la expresii analitice destul de simple pentru coeficienţii din dezvoltarea în serie Fourier a circulaţiei;
  5. convergenţa metodei este foarte rapidă, astfel încât sunt suficienţi coeficienţii A1 şi A3 (A2=0 şi A4=0).

    Analiza curgerii curentului de aer în vederea proiectării şi construcţiei velelor hibride, folosind programe specializate CAD, este bazată pe metoda elementului finit, ca de exemplu Cosmos FloWorks, într-un volum care satisface condiţiile impuse velei şi condiţiile la limită.

    În tunelul aerodinamic am evaluat forţele care acţionează asupra velelor model şi am determinat parametrii aerodinamici de lucru, iar valorile măsurătorilor efectuate se corelează în foarte mare măsură cu valorile obţinute prin calcul analitic şi prin metoda elementului finit.

    Prin comparare cu datele de pe modelele create, cu ceea ce apare în literatura de specialitate, şi din măsurători şi modelări, am constatat că eficienţa unui sistem mixt de propulsie, satisface în bună măsură aplicarea soluţiei propuse cu velă hibrid la nave maritime de orice fel de tonaj.

     

     

    Figura 14. Presiunile pe vela triunghiulară VT1.a) şi vela dreptunghiulară VP1.a), supuse unui curent de 12 m/s şi un unghi de incidenţă de 300. respectiv 450 [2]

     

    S-a observat de asemenea, că în funcţie de rotirea sistemului de vele şi de metoda de calcul folosită se pot trage concluzii suplimentare, prin analiza comparată a rezultatelor obţinute, care confirmă eficienţa soluţiei alese.

    Rezumând, acest dispozitiv de hipersustentaţie propus, reprezentat de voletul de bord de atac în lungul anvergurii (figura 15), poate fi folosit pentru mărirea (CZ)max deoarece:

  6. măreşte curbura profilului velei hibride prin mişcarea voletului în plan orizontal transversal, cu mărimea “h”, pentru orientare;
  7. măreşte suprafaţa portantă cu cca. 10% dată de cursa orizontală-longitudinală, “s”, astfel că prin formarea fantei coarda velei hibride (c), devine: c + s;
  8. determină întârzierea desprinderilor de pe extrados, mărind unghiul de incidenţă critic la care are loc (CZ)max de la 150, la 22 – 300. Aceasta se datorează canalului deschis de mişcarea voletului-fantă, astfel că valoarea acestui unghi depinde de fanta “f” şi de cursa pe orizontală – transversală “h”. Cu cât “h” este mai mare cu atât curbura profilului deformat creşte şi deci cu atât unghiul de incidenţă scade, însă cu cât “h” este mai mare cu atât (CZ)max creşte.

     

    Figura 15. Geometria optimă a fantei de bord de atac, aplicată pe o machetă de velă – experimentată la tunelul aerodinamic al Academiei Navale [2]

    În ceea ce priveşte eficacitatea acestui dispozitiv de hipersustentaţie, s-au făcut încercări în tunelul aerodinamic pe model de velă hibrid cu profil NACA 23012 şi dotat cu volet-fantă la bordul de atac pe toată anvergura, geometria fantei (fig. 3) fiind următoarea: r = 20%c = 30 mm; s = 10%c = 15 mm; h = 3,5%c = 5 mm; c’f = 20%c = 30 mm; cf = 20%c = 30 mm; f = 3,5%c = 5 mm; şi a rezultat o creştere: .

    După cum se poate observa în figura 15, secţiunea de intrare în canalul AA’ este de 4 ori mai mare decât secţiunea de ieşire BB’, deci avem de-a face cu un ajutaj în care presiunea statică se transformă în presiune dinamică.

    Această presiune dinamică va sufla stratul limită de pe extradosul velei, mărind prin aceasta unghiul critic, deci va mări şi valoarea lui (CZ)max.

    Concluziile privind analiza caracteristicilor aerodinamice ale velei hibride rezultate în urma experimentelor cât şi a calculelor, sunt următoarele:

  9. eficienţa acestor vele hibride a fost confirmată prin comparaţie cu velele anterioare;
  10. coeficientul de portanţă creşte aproape o dată cu aspectul raportului velei în experimente, în timp ce coeficientul rezistenţei frontale nu se schimbă semnificativ;
  11. influenţa voletului şi a velei moi asupra caracteristicilor aerodinamice a demonstrat mărirea portanţei cu aproximativ 40%;
  12. din experimentele efectuate cu diferite tipuri de voleturi cu corzi diferite, mărimea optimă a voletului din experimente a ajuns până la anumite limite, în jur de 20% din coarda velei hibridă;
  13. valoarea coeficientului maxim de portanţă obţinut a fost de 2,6 iar cea a coeficientului de propulsie de 2,7 la setările optime ale velei hibrid.

    Tehnicile şi cunoştinţele moştenite de la vechile nave cu vele, vor fi folositoare nu numai pentru reducerea poluării, dar şi a consumului de carburant, astfel realizându-se în plus şi creşterea capacităţii de transport a navelor prin folosirea compartimentelor de combustibil pentru alte scopuri, acestea reflectându-se favorabil în preţul transportului de persoane şi al mărfurilor.

    Încercările care s-au făcut până acum au folosit pentru experimente o singură velă aripă rigidă simetrică (de formă pătrată sau dreptunghiulară), dar care nu au produs portanţă prea ridicată şi drept rezultat o navă echipată cu această instalaţie obţine viteză destul de slabă faţă de valoarea forţei de propulsie a vântului existent la un moment dat.

    De aceea consider că folosirea platformelor combinate aripă rigidă-velă moale este mult mai eficientă, această combinaţie producând mai multă portanţă decât combinaţia catarg simplu – velă aripă rigidă.

    Proiectul are în vedere folosirea pentru lucru a unor materiale foarte uşoare, iar ca scop urmăreşte realizarea unei portanţe foarte ridicată, să fie uşor de construit şi să ofere calităţi manevriere ridicate pentru nava dotată cu un astfel de sistem suplimentar de propulsie.

    Constantin MARALOI

    Buletinul Marinei Militare