Până la un anumit timp, Germania lui Hitler nu a acordat prea multă atenție proiectelor centralelor electrice cu turbină cu gaz pentru vehiculele terestre. Deci, în 1941, prima astfel de unitate a fost asamblată pentru o locomotivă experimentală, dar testele sale au fost reduse rapid din cauza inexpedienței economice și a prezenței programelor cu prioritate mai mare. Lucrările în direcția motoarelor cu turbină cu gaz (GTE) pentru vehiculele terestre au continuat abia în 1944, când unele dintre caracteristicile negative ale tehnologiei și industriei existente au fost deosebit de pronunțate.
În 1944, Direcția Armamentelor Armatei a lansat un proiect de cercetare privind GTE pentru tancuri. Au existat două motive principale pentru noile motoare. În primul rând, clădirea tancurilor germane la acea vreme a urmat un curs spre vehicule de luptă mai grele, ceea ce a necesitat crearea unui motor de putere mare și dimensiuni reduse. În al doilea rând, toate vehiculele blindate disponibile foloseau într-o oarecare măsură benzină limitată și acest lucru impunea anumite restricții legate de funcționare, economie și logistică. Motoarele promițătoare cu turbină cu gaz, după cum au considerat atunci liderii industriei germane, ar putea consuma mai puțin combustibil de înaltă calitate și, în consecință, mai ieftin. Astfel, la acel moment, din punct de vedere al economiei și tehnologiei, singura alternativă la motoarele pe benzină era un motor cu turbină cu gaz.
În prima etapă, dezvoltarea unui motor de tancuri promițătoare a fost încredințată unui grup de designeri de la Porsche, condus de inginerul O. Zadnik. Mai multe întreprinderi conexe trebuiau să asiste inginerii Porsche. În special, Departamentul de Cercetare a Motorului SS, condus de Dr. Alfred Müller, a fost implicat în proiect. Începând cu mijlocul anilor treizeci, acest om de știință lucrează la subiectul instalațiilor de turbine cu gaz și a participat la dezvoltarea mai multor motoare cu reacție pentru avioane. Când a început crearea unui motor cu turbină cu gaz pentru rezervoare, Müller finalizase proiectul turbocompresorului, care a fost folosit ulterior pe mai multe tipuri de motoare cu piston. Este demn de remarcat faptul că, în 1943, dr. Müller a făcut în mod repetat propuneri cu privire la începerea dezvoltării motoarelor cu turbină cu gaz, însă conducerea germană le-a ignorat.
Cinci opțiuni și două proiecte
Când a început lucrarea principală (mijlocul verii 1944), rolul principal în proiect a trecut la organizația condusă de Müller. În acest moment, au fost determinate cerințele pentru un promițător motor cu turbină cu gaz. Trebuia să aibă o putere de aproximativ 1000 CP. și un consum de aer de ordinul a 8,5 kilograme pe secundă. Temperatura din camera de ardere a fost stabilită de termenii de referință la 800 °. Datorită unor trăsături caracteristice ale centralelor electrice cu turbină cu gaz pentru vehiculele terestre, au trebuit create câteva auxiliare înainte de începerea dezvoltării proiectului principal. O echipă de ingineri condusă de Müller a creat și a luat în considerare simultan cinci opțiuni pentru arhitectura și dispunerea motorului cu turbină cu gaz.
Diagramele schematice ale motorului s-au deosebit între ele prin numărul de etape ale compresorului, turbinei și locația turbinei de putere asociată cu transmisia. În plus, au fost luate în considerare mai multe opțiuni pentru amplasarea camerelor de ardere. Deci, în a treia și a patra versiune a aspectului GTE, s-a propus împărțirea fluxului de aer din compresor în două. Un flux în acest caz a trebuit să intre în camera de ardere și de acolo la turbina care rotea compresorul. A doua parte a aerului de intrare, la rândul său, a fost injectată în a doua cameră de ardere, care livra gaze fierbinți direct turbinei de alimentare. De asemenea, au fost luate în considerare opțiuni cu o poziție diferită a schimbătorului de căldură pentru preîncălzirea aerului care intră în motor.
În prima versiune a motorului promițător, care a atins stadiul unui design complet, un compresor diagonal și axial, precum și o turbină în două trepte ar fi trebuit să fie amplasate pe aceeași axă. A doua turbină trebuia să fie plasată coaxial în spatele primei și conectată la unitățile de transmisie. În același timp, sa propus ca turbina de alimentare care furnizează energie transmisiei să fie montată pe axa proprie, nu conectată la axa compresoarelor și turbinelor. Această soluție ar putea simplifica proiectarea motorului, dacă nu pentru un dezavantaj grav. Deci, atunci când se îndepărtează sarcina (de exemplu, în timpul unei schimbări de viteză), a doua turbină ar putea roti până la astfel de viteze la care exista riscul distrugerii lamelor sau butucului. S-a propus rezolvarea problemei în două moduri: fie pentru a încetini turbina de lucru în momentele potrivite, fie pentru a elimina gazele din ea. Pe baza rezultatelor analizei, s-a ales prima opțiune.
Și totuși, prima versiune modificată a rezervorului GTE a fost prea complicată și costisitoare pentru producția în serie. Müller a continuat cercetările ulterioare. Pentru a simplifica designul, unele piese originale au fost înlocuite cu unități corespunzătoare împrumutate de la motorul cu turboreactor Heinkel-Hirt 109-011. În plus, au fost îndepărtați mai mulți rulmenți de la proiectarea motorului rezervorului, pe care erau ținute axele motorului. Reducerea numărului de suporturi ale arborelui la două ansambluri simplificate, dar a eliminat necesitatea unei osii separate cu o turbină care transmite cuplul transmisiei. Turbina de putere a fost instalată pe același arbore pe care erau deja amplasate rotorele compresorului și turbina în două trepte. Camera de ardere este echipată cu duze rotative originale pentru pulverizarea combustibilului. În teorie, au făcut posibilă injectarea mai eficientă a combustibilului și au contribuit, de asemenea, la evitarea supraîncălzirii anumitor părți ale structurii. O versiune actualizată a proiectului era gata la mijlocul lunii septembrie 1944.
Prima unitate de tuburi de gaz pentru vehicule blindate
Prima unitate de tuburi de gaz pentru vehicule blindate
De asemenea, această opțiune nu era lipsită de dezavantajele sale. În primul rând, afirmațiile au provocat dificultăți în menținerea cuplului pe arborele de ieșire, care era de fapt o prelungire a arborelui principal al motorului. Soluția ideală pentru problema transmiterii puterii ar putea fi utilizarea unei transmisii electrice, dar lipsa de cupru a făcut ca un astfel de sistem să fie uitat. Ca alternativă la transmisia electrică, a fost luat în considerare un transformator hidrostatic sau hidrodinamic. Atunci când se utilizează astfel de mecanisme, eficiența transmisiei de putere a fost ușor redusă, dar au fost semnificativ mai ieftine decât un sistem cu generator și motoare electrice.
Motorul GT 101
Dezvoltarea în continuare a celei de-a doua versiuni a proiectului a dus la schimbări suplimentare. Deci, pentru a păstra performanța GTE sub sarcini de șoc (de exemplu, în timpul unei explozii de mină), a fost adăugat un al treilea rulment de arbore. În plus, necesitatea unificării compresorului cu motoarele aeronavei a dus la modificarea unor parametri ai funcționării rezervorului GTE. În special, consumul de aer a crescut cu aproximativ un sfert. După toate modificările, proiectul motorului rezervorului a primit un nou nume - GT 101. În această etapă, dezvoltarea unei centrale cu turbină cu gaz pentru rezervoare a ajuns la stadiul în care a fost posibil să se înceapă pregătirile pentru construcția primului prototip și apoi rezervorul echipat cu un motor cu turbină cu gaz.
Cu toate acestea, reglarea fină a motorului a continuat și până la sfârșitul toamnei anului 1944, lucrările de instalare a unei noi centrale pe rezervor nu începuseră. La acea vreme, inginerii germani lucrau doar la amplasarea motorului pe tancurile existente. S-a planificat inițial ca baza GTE experimentală să fie tancul greu PzKpfw VI - „Tiger”. Cu toate acestea, compartimentul motor al acestui vehicul blindat nu era suficient de mare pentru a găzdui toate unitățile necesare. Chiar și cu o cilindree relativ mică, motorul GT 101 a fost prea lung pentru un Tiger. Din acest motiv, s-a decis utilizarea tancului PzKpfw V, cunoscut și sub numele de Panther, ca vehicul de testare de bază.
În etapa de finalizare a motorului GT 101 pentru utilizare pe tancul Panther, clientul, reprezentat de Direcția de armament a forțelor terestre și executantul proiectului, au stabilit cerințele pentru prototip. S-a presupus că motorul cu turbină cu gaz va aduce puterea specifică a unui tanc cu o greutate de luptă de aproximativ 46 de tone la nivelul de 25-27 CP. pe tonă, ceea ce va îmbunătăți semnificativ caracteristicile sale de funcționare. În același timp, cerințele pentru viteza maximă nu s-au schimbat cu greu. Vibrațiile și șocurile cauzate de conducerea cu viteză mare au crescut semnificativ riscul de deteriorare a componentelor șasiului. Ca urmare, viteza maximă admisibilă a fost limitată la 54-55 de kilometri pe oră.
Turbină cu gaz GT 101 în rezervorul „Panther”
La fel ca în cazul Tiger-ului, compartimentul motor al Panther-ului nu era suficient de mare pentru a găzdui noul motor. Cu toate acestea, designerii sub conducerea Dr. Miller au reușit să încadreze GT 101 GTE în volumele disponibile. Adevărat, conducta mare de evacuare a motorului trebuia așezată într-o gaură rotundă din placa de blindaj din spate. În ciuda aparenței ciudate, o astfel de soluție a fost considerată convenabilă și potrivită chiar și pentru producția în serie. Motorul GT 101 însuși pe experimentul „Panther” trebuia să fie plasat de-a lungul axei corpului, cu o deplasare în sus, până la acoperișul compartimentului motor. Lângă motor, în aripile corpului, au fost amplasate mai multe rezervoare de combustibil în proiect. Locul transmisiei a fost găsit direct sub motor. Dispozitivele de admisie a aerului au fost aduse pe acoperișul clădirii.
Simplificarea designului motorului GT 101, datorită căruia și-a pierdut turbina separată asociată transmisiei, a dus la dificultăți de altă natură. Pentru utilizarea cu noul GTE, trebuia comandată o nouă transmisie hidraulică. Organizația ZF (Zahnradfabrik din Friedrichshafen) a creat în scurt timp un convertor de cuplu în trei trepte cu o cutie de viteze cu 12 trepte (!). Jumătate din treptele de viteză erau pentru conducerea pe șosea, restul pentru șosea în afara șoselei. În instalația de transmisie a motorului a rezervorului experimental, a fost, de asemenea, necesară introducerea unei automatizări care să monitorizeze modurile de funcționare ale motorului. Un dispozitiv special de control trebuia să monitorizeze turația motorului și, dacă este necesar, să mărească sau să scadă treapta de viteză, împiedicând GTE să intre în moduri de operare inacceptabile.
Conform calculelor oamenilor de știință, turbina cu gaz GT 101 cu transmisie de la ZF ar putea avea următoarele caracteristici. Puterea maximă a turbinei a ajuns la 3750 CP, dintre care 2600 au fost preluate de compresor pentru a asigura funcționarea motorului. Astfel, pe arborele de ieșire a rămas „doar” 1100-1150 cai putere. Viteza de rotație a compresorului și a turbinelor, în funcție de sarcină, a fluctuat între 14-14,5 mii de rotații pe minut. Temperatura gazelor din fața turbinei a fost menținută la un nivel prestabilit de 800 °. Consumul de aer a fost de 10 kilograme pe secundă, consumul specific de combustibil, în funcție de modul de funcționare, a fost de 430-500 g / hp h.
Motor GT 102
Cu o putere deosebit de mare, motorul cu turbină cu gaz GT 101 a avut un consum de combustibil la fel de remarcabil, aproximativ de două ori mai mare decât cel al motoarelor pe benzină disponibile în acel moment în Germania. În plus față de consumul de combustibil, GTE GT 101 a avut mai multe probleme tehnice care au necesitat cercetări și corecții suplimentare. În acest sens, a început un nou proiect GT 102, în care era planificat să mențină toate succesele obținute și să scape de neajunsurile existente.
În decembrie 1944, A. Müller a ajuns la concluzia că era necesar să revenim la una dintre ideile anterioare. Pentru a optimiza funcționarea noului GTE, s-a propus utilizarea unei turbine separate pe axa proprie, conectată la mecanismele de transmisie. În același timp, turbina de putere a motorului GT 102 trebuia să fie o unitate separată, nu plasată coaxial cu unitățile principale, așa cum s-a propus anterior. Blocul principal al noii centrale electrice cu turbină cu gaz a fost GT 101 cu modificări minime. Avea două compresoare cu nouă trepte și o turbină în trei trepte. La dezvoltarea GT 102, s-a dovedit că blocul principal al motorului GT 101 anterior, dacă este necesar, poate fi amplasat nu de-a lungul, ci peste compartimentul motor al rezervorului Panther. Așa au făcut la asamblarea unităților tancului experimental. Dispozitivele de admisie a aerului motorului cu turbină cu gaz erau acum amplasate pe acoperiș în partea stângă, iar conducta de evacuare în partea dreaptă.
Turbină cu gaz GT 102 în rezervorul „Panther”
Unitate compresor turbină cu gaz GT 102
Între compresor și camera de ardere a blocului principal al motorului, a fost prevăzută o țeavă pentru purjarea aerului către camera de ardere suplimentară și turbină. Conform calculelor, 70% din aerul care intră în compresor trebuia să treacă prin partea principală a motorului și doar 30% prin suplimentar, cu o turbină de putere. Amplasarea blocului suplimentar este interesantă: axa camerei de ardere și a turbinei de putere ar fi trebuit să fie situată perpendicular pe axa blocului principal al motorului. S-a propus amplasarea turbinelor de putere sub unitatea principală și dotarea lor cu propria țeavă de evacuare, care a fost scoasă în mijlocul acoperișului compartimentului motor.
„Boala congenitală” a structurii motorului cu turbină cu gaz al GT 102 a reprezentat riscul unei rotații excesive a turbinei electrice cu deteriorarea sau distrugerea ulterioară. S-a propus rezolvarea acestei probleme în cel mai simplu mod: plasarea supapelor pentru a controla debitul în conducta care furnizează aer către camera de ardere suplimentară. În același timp, calculele au arătat că noul GT 102 GTE poate avea un răspuns al clapetei insuficient datorită particularităților funcționării unei turbine cu putere relativ ușoară. Specificațiile de proiectare, cum ar fi puterea arborelui de ieșire sau puterea turbinei unității principale, au rămas la același nivel cu motorul GT 101 anterior, care poate fi explicat prin absența aproape completă a modificărilor majore de proiectare, cu excepția aspectului puterii unitate de turbină. Îmbunătățirea ulterioară a motorului a necesitat utilizarea de soluții noi sau chiar deschiderea unui nou proiect.
Turbină de lucru separată pentru GT 102
Înainte de a începe dezvoltarea următorului model GTE, numit GT 103, Dr. A. Müller a încercat să îmbunătățească aspectul GT 102 existent. Principala problemă a designului său a fost dimensiunile destul de mari ale unității principale, ceea ce a făcut ca este dificil să plasați întregul motor în compartimentele motorului rezervoarelor disponibile în acel moment. Pentru a reduce lungimea unității de transmisie a motorului, s-a propus proiectarea compresorului ca o unitate separată. Astfel, trei unități relativ mici ar putea fi plasate în interiorul compartimentului motor al rezervorului: un compresor, o cameră principală de ardere și o turbină, precum și o unitate de turbină de putere cu propria cameră de ardere. Această versiune a GTE a fost denumită GT 102 Ausf. 2. Pe lângă plasarea compresorului într-o unitate separată, s-a încercat să se facă același lucru cu camera de ardere sau cu turbina, dar nu au avut prea mult succes. Proiectarea motorului cu turbină cu gaz nu și-a permis să fie împărțită într-un număr mare de unități fără pierderi notabile de performanță.
Motorul GT 103
O alternativă la motorul cu turbină cu gaz GT 102 Ausf. 2 cu posibilitatea amenajării „gratuite” a unităților în volumul existent a fost noua dezvoltare a GT 103. De data aceasta constructorii de motoare germani au decis să se concentreze nu pe comoditatea plasării, ci pe eficiența muncii. Un schimbător de căldură a fost introdus în echipamentul motorului. S-a presupus că, cu ajutorul acestuia, gazele de eșapament vor încălzi aerul care intră prin compresor, ceea ce va realiza economii tangibile de combustibil. Esența acestei soluții a fost aceea că aerul preîncălzit va face posibilă consumarea mai puțin combustibil pentru a menține temperatura necesară în fața turbinei. Conform calculelor preliminare, utilizarea unui schimbător de căldură ar putea reduce consumul de combustibil cu 25-30 la sută. În anumite condiții, astfel de economii au reușit să facă noul GTE potrivit pentru utilizare practică.
Dezvoltarea schimbătorului de căldură a fost încredințată „subcontractanților” de la compania Brown Boveri. Proiectantul principal al acestei unități a fost V. Khrinizhak, care a participat anterior la crearea compresoarelor pentru motoarele cu turbină cu gaz cu rezervor. Ulterior, Chrynižak a devenit un specialist de renume în schimbătoarele de căldură, iar participarea sa la proiectul GT 103 a fost probabil una dintre premisele pentru acest lucru. Oamenii de știință au aplicat o soluție destul de îndrăzneață și originală: elementul principal al noului schimbător de căldură a fost un tambur rotativ din ceramică poroasă. Mai multe pereți despărțitori speciali au fost amplasați în interiorul tamburului, ceea ce asigura circulația gazelor. În timpul funcționării, gazele de evacuare fierbinți au trecut în interiorul tamburului prin pereții poroși și i-au încălzit. Acest lucru s-a întâmplat în timpul unei jumătăți de tură. Următoarea jumătate de tură a fost folosită pentru a transfera căldura în aerul care trecea din interior spre exterior. Datorită sistemului de deflectoare din interiorul și exteriorul cilindrului, aerul și gazele de eșapament nu s-au amestecat între ele, ceea ce exclude defecțiunile motorului.
Utilizarea schimbătorului de căldură a provocat serioase controverse în rândul autorilor proiectului. Unii oameni de știință și designeri au considerat că utilizarea acestei unități în viitor va face posibilă obținerea unei puteri ridicate și a debitelor de aer relativ mici. Alții, la rândul lor, au văzut în schimbătorul de căldură doar un mijloc dubios, ale cărui beneficii nu ar putea depăși semnificativ pierderile din complicația designului. În disputa cu privire la necesitatea unui schimbător de căldură, susținătorii noii unități au câștigat. La un moment dat, a existat chiar o propunere de a echipa motorul cu turbină cu gaz GT 103 cu două dispozitive pentru preîncălzirea aerului simultan. Primul schimbător de căldură în acest caz a trebuit să încălzească aerul pentru blocul principal al motorului, al doilea pentru camera de ardere suplimentară. Astfel, GT 103 a fost de fapt un GT 102 cu schimbătoare de căldură introduse în design.
Motorul GT 103 nu a fost construit, motiv pentru care este necesar să ne mulțumim doar cu caracteristicile sale calculate. Mai mult, datele disponibile despre acest GTE au fost calculate chiar înainte de sfârșitul creării schimbătorului de căldură. Prin urmare, un număr de indicatori în practică, probabil, s-ar putea dovedi a fi semnificativ mai mic decât se aștepta. Puterea unității principale, generată de turbină și absorbită de compresor, trebuia să fie egală cu 1400 de cai putere. Viteza maximă de rotație proiectată a compresorului și a turbinei unității principale este de aproximativ 19 mii de rotații pe minut. Consumul de aer în camera principală de ardere - 6 kg / s. S-a presupus că schimbătorul de căldură va încălzi aerul de intrare la 500 °, iar gazele din fața turbinei vor avea o temperatură de aproximativ 800 °.
Turbina de putere, conform calculelor, trebuia să se rotească cu o viteză de până la 25 mii rpm și să dea 800 CP pe arbore. Consumul de aer al unității suplimentare a fost de 2 kg / s. Parametrii de temperatură ai aerului de admisie și ai gazelor de eșapament trebuiau să fie egali cu caracteristicile corespunzătoare ale unității principale. Consumul total de combustibil al întregului motor cu utilizarea schimbătoarelor de căldură adecvate nu ar trebui să depășească 200-230 g / CP h.
Rezultatele programului
Dezvoltarea motoarelor cu gaz cu tancuri germane a început abia în vara anului 1944, când șansele Germaniei de a câștiga al doilea război mondial scădeau în fiecare zi. Armata Roșie a atacat al treilea Reich din est, iar trupele din Statele Unite și Marea Britanie au venit din vest. În astfel de condiții, Germania nu avea suficiente oportunități pentru gestionarea deplină a masei de proiecte promițătoare. Toate încercările de a crea un motor fundamental nou pentru tancuri s-au bazat pe lipsa de bani și timp. Din această cauză, până în februarie 1945, existau deja trei proiecte depline de motoare cu turbină cu gaz cu rezervor, dar niciunul nu a ajuns nici măcar la stadiul asamblării prototipului. Toate lucrările s-au limitat doar la studii teoretice și teste ale unităților experimentale individuale.
În februarie 1945, a avut loc un eveniment care poate fi considerat începutul sfârșitului programului german pentru crearea motoarelor cu turbină cu gaz cu tanc. Dr. Alfred Müller a fost eliminat din funcția de șef al proiectului, iar omonimul său, Max Adolf Müller, a fost numit în funcția vacantă. M. A. Müller a fost, de asemenea, un specialist de seamă în domeniul centralelor electrice cu turbină cu gaz, dar sosirea sa în proiect a stagnat cele mai avansate dezvoltări. Sarcina principală sub noul cap a fost reglarea fină a motorului GT 101 și lansarea producției sale în serie. Au rămas mai puțin de trei luni până la sfârșitul războiului din Europa, motiv pentru care schimbarea conducerii proiectului nu a avut timp să ducă la rezultatul dorit. Toate tancurile germane GTE au rămas pe hârtie.
Potrivit unor surse, documentația pentru proiectele liniei „GT” a căzut pe mâna aliaților și au folosit-o în proiectele lor. Cu toate acestea, primele rezultate practice în domeniul motoarelor cu turbină cu gaz pentru vehiculele terestre, care au apărut după sfârșitul celui de-al doilea război mondial în afara Germaniei, au avut puține în comun cu evoluțiile ambelor dr. Müller. În ceea ce privește motoarele cu turbină cu gaz concepute special pentru rezervoare, primele rezervoare de serie cu o astfel de centrală electrică au părăsit magazinele de asamblare ale fabricilor la doar un sfert de secol după finalizarea proiectelor germane.
