Fram til en viss tid var Hitler -Tyskland ikke særlig oppmerksom på prosjektene til gassturbinkraftverk for bakkekjøretøyer. Så, i 1941, ble den første slike enheten samlet for et eksperimentelt lokomotiv, men testene ble raskt redusert på grunn av økonomisk ubrukelighet og tilstedeværelsen av programmer med høyere prioritet. Arbeidet i retning av gassturbinmotorer (GTE) for bakkekjøretøyer fortsatte bare i 1944, da noen av de negative egenskapene til eksisterende teknologi og industri ble spesielt uttalt.
I 1944 lanserte Hærens bevæpningsdirektorat et forskningsprosjekt om GTE for stridsvogner. Det var to hovedårsaker til de nye motorene. For det første tok den tyske tankbygningen på den tiden kurs mot tyngre kampbiler, noe som krevde opprettelse av en motor med høy effekt og små dimensjoner. For det andre brukte alle tilgjengelige pansrede kjøretøyer til en viss grad bensin, og dette påla visse restriksjoner knyttet til drift, økonomi og logistikk. Lovende gassturbinmotorer, som tyske industriledere da vurderte, kunne forbruke mindre drivstoff av høy kvalitet og dermed billigere. På den tiden, fra økonomisk og teknologisk synspunkt, var det eneste alternativet til bensinmotorer en gassturbinmotor.
I den første fasen ble utviklingen av en lovende tankmotor betrodd en gruppe designere fra Porsche, ledet av ingeniør O. Zadnik. Flere beslektede virksomheter skulle hjelpe Porsche -ingeniørene. Spesielt var SS Engine Research Department, ledet av Dr. Alfred Müller, involvert i prosjektet. Siden midten av trettiårene har denne forskeren jobbet med gassturbininstallasjoner og deltatt i utviklingen av flere flymotorer. Da opprettelsen av en gassturbinmotor for tanker begynte, hadde Müller fullført turboladerprosjektet, som senere ble brukt på flere typer stempelmotorer. Det er bemerkelsesverdig at Dr. Müller i 1943 gjentatte ganger kom med forslag angående starten på utviklingen av tankgassmøller, men den tyske ledelsen ignorerte dem.
Fem alternativer og to prosjekter
Da hovedarbeidet begynte (midten av sommeren 1944), hadde hovedrollen i prosjektet gått til organisasjonen ledet av Müller. På dette tidspunktet ble kravene til en lovende gassturbinmotor bestemt. Den skulle ha en effekt på ca 1000 hk. og et luftforbruk i størrelsesorden 8,5 kilo per sekund. Temperaturen i forbrenningskammeret ble satt av referansebetingelsene til 800 °. På grunn av noen karakteristiske trekk ved gasturbinekraftverk for bakkekjøretøyer, måtte det opprettes flere tilleggsutstyr før utviklingen av hovedprosjektet begynte. Et team av ingeniører ledet av Müller opprettet og vurderte samtidig fem alternativer for arkitekturen og utformingen av gasturbinmotoren.
De skjematiske diagrammene til motoren skilte seg fra hverandre i antall trinn i kompressoren, turbinen og plasseringen av kraftturbinen som er knyttet til overføringen. I tillegg ble flere alternativer for plasseringen av forbrenningskamrene vurdert. Så i den tredje og fjerde versjonen av GTE -oppsettet ble det foreslått å dele luftstrømmen fra kompressoren i to. En strøm i dette tilfellet måtte gå inn i forbrenningskammeret og derfra til turbinen som roterte kompressoren. Den andre delen av den innkommende luften ble på sin side injisert i det andre forbrenningskammeret, som leverte varme gasser direkte til kraftturbinen. Det ble også vurdert alternativer med en annen posisjon for varmeveksleren for forvarming av luften som kommer inn i motoren.
I den første versjonen av den lovende motoren, som nådde trinnet for fullverdig design, skulle en diagonal og aksial kompressor, samt en totrinns turbin, ha vært plassert på samme akse. Den andre turbinen skulle plasseres koaksialt bak den første og koblet til overføringsenhetene. Samtidig ble kraftturbinen som leverer kraft til overføringen foreslått montert på sin egen akse, ikke koblet til aksen til kompressorene og turbinene. Denne løsningen kan forenkle utformingen av motoren, om ikke for en alvorlig ulempe. Så når du fjerner lasten (for eksempel under et girskifte), kan den andre turbinen snurre opp til slike hastigheter der det var fare for ødeleggelse av bladene eller navet. Det ble foreslått å løse problemet på to måter: enten å bremse arbeidsturbinen i de rette øyeblikkene, eller å fjerne gasser fra den. Basert på analyseresultatene ble det første alternativet valgt.
Og likevel var den modifiserte første versjonen av tanken GTE for komplisert og dyr for masseproduksjon. Müller fortsatte videre forskning. For å forenkle designet ble noen originaldeler erstattet med tilsvarende enheter lånt fra Heinkel-Hirt 109-011 turbojetmotor. I tillegg ble flere lagre fjernet fra utformingen av tankmotoren, som motorakslene ble holdt på. Redusere antallet akselstøtter til to forenklede monteringer, men eliminerte behovet for en separat aksel med en turbin som overfører dreiemoment til girkassen. Kraftturbinen ble installert på den samme akselen som kompressorhjulene og totrinnsturbinen allerede var plassert på. Brennkammeret er utstyrt med originale roterende dyser for sprøyting av drivstoff. I teorien gjorde de det mulig å injisere drivstoff mer effektivt, og bidro også til å unngå overoppheting av visse deler av strukturen. En oppdatert versjon av prosjektet var klar i midten av september 1944.
Den første gassrøret for pansrede kjøretøyer
Den første gassrøret for pansrede kjøretøyer
Dette alternativet var heller ikke uten ulemper. Først og fremst forårsaket påstandene vanskeligheter med å opprettholde dreiemomentet på utgående aksel, som faktisk var en forlengelse av motorens hovedaksel. Den ideelle løsningen på problemet med kraftoverføring kan være bruk av en elektrisk overføring, men mangelen på kobber gjorde at et slikt system ble glemt. Som et alternativ til elektrisk overføring ble en hydrostatisk eller hydrodynamisk transformator vurdert. Ved bruk av slike mekanismer ble effektiviteten til kraftoverføring noe redusert, men de var betydelig billigere enn et system med generator og elektriske motorer.
GT 101 motor
Videreutvikling av den andre versjonen av prosjektet førte til ytterligere endringer. Så for å bevare ytelsen til GTE under sjokkbelastninger (for eksempel under en gruveksplosjon), ble et tredje aksellager lagt til. I tillegg førte behovet for å forene kompressoren med flymotorer til en endring i noen parametere for tankens GTE -operasjon. Spesielt har luftforbruket økt med omtrent en fjerdedel. Etter alle modifikasjonene fikk tankmotorprosjektet et nytt navn - GT 101. På dette stadiet nådde utviklingen av et gasturbinkraftverk for tanker det stadiet da det var mulig å begynne forberedelsene til byggingen av den første prototypen, og deretter tanken utstyrt med en gassturbinmotor.
Likevel trengte finjusteringen av motoren, og mot slutten av høsten 1944 hadde arbeidet med å installere et nytt kraftverk på tanken ikke startet. På den tiden jobbet tyske ingeniører bare med å plassere motoren på eksisterende tanker. Det var opprinnelig planlagt at basen for den eksperimentelle GTE skulle være tungtanken PzKpfw VI - "Tiger". Motorrommet til dette pansrede kjøretøyet var imidlertid ikke stort nok til å romme alle nødvendige enheter. Selv med en relativt liten slagvolum var GT 101 -motoren for lang for en Tiger. Av denne grunn ble det besluttet å bruke PzKpfw V -tanken, også kjent som Panther, som basistestbil.
På tidspunktet for ferdigstillelse av GT 101 -motoren for bruk på Panther -tanken, bestemte kunden, representert ved Land Forces Armaments Directorate, og prosjektutføreren kravene til prototypen. Det ble antatt at gasturbinmotoren ville bringe den spesifikke kraften til en tank med en kampvekt på omtrent 46 tonn til nivået 25-27 hk. tonn, noe som vil forbedre løpeegenskapene betydelig. Samtidig har kravene til maksimal hastighet neppe endret seg. Vibrasjon og støt fra høyhastighets kjøring økte risikoen for skader på chassiskomponenter betydelig. Som et resultat var maksimal tillatt hastighet begrenset til 54-55 kilometer i timen.
Gasturbinenhet GT 101 i tanken "Panther"
Som i tilfellet med Tiger, var ikke Panthers motorrom stort nok til å ta imot den nye motoren. Likevel klarte designerne under ledelse av Dr. Miller å passe GT 101 GTE inn i de tilgjengelige volumene. Det var sant at det store motorens eksosrør måtte plasseres i et rundt hull i den bakre rustningsplaten. Til tross for den tilsynelatende merkelige, ble en slik løsning ansett som praktisk og egnet selv for masseproduksjon. Selve GT 101 -motoren på den eksperimentelle "Panther" skulle plasseres langs skrogets akse, med et skifte oppover, til taket i motorrommet. Ved siden av motoren, i skjermene på skroget, ble flere drivstofftanker plassert i prosjektet. Plassen for girkassen ble funnet rett under motoren. Luftinntaksenhetene ble brakt til taket på bygningen.
Forenklingen av utformingen av GT 101 -motoren, på grunn av hvilken den mistet sin separate turbin knyttet til girkassen, medførte vanskeligheter av en annen art. For bruk med den nye GTE måtte en ny hydraulisk girkasse bestilles. Organisasjon ZF (Zahnradfabrik fra Friedrichshafen) opprettet på kort tid en tretrinns dreiemomentomformer med en 12-trinns (!) Girkasse. Halvparten av girene var for kjøring på veien, resten for terrengkjøring. I installasjonen av motoroverføringen av den eksperimentelle tanken var det også nødvendig å innføre automatisering som overvåket motorens driftsmoduser. En spesiell kontrollenhet skulle overvåke motorhastigheten og om nødvendig øke eller redusere giret og forhindre GTE i å gå inn i uakseptable driftsmoduser.
I følge beregninger fra forskere kan gassturbinen GT 101 med en overføring fra ZF ha følgende egenskaper. Maksimal turbineffekt nådde 3750 hk, hvorav 2600 ble tatt av kompressoren for å sikre motorens drift. Dermed gjenstod "bare" 1100-1150 hestekrefter på utgangsakselen. Rotasjonshastigheten til kompressoren og turbinene, avhengig av belastningen, svingte mellom 14-14,5 tusen omdreininger i minuttet. Temperaturen på gassene foran turbinen ble holdt på et forhåndsbestemt nivå på 800 °. Luftforbruket var 10 kilo per sekund, det spesifikke drivstofforbruket, avhengig av driftsmodus, var 430-500 g / hk.
GT 102 motor
Med en unik høy effekt hadde gasturbinmotoren GT 101 et like bemerkelsesverdig drivstofforbruk, omtrent dobbelt så høyt som bensinmotorene som var tilgjengelige på den tiden i Tyskland. I tillegg til drivstofforbruk hadde GTE GT 101 flere flere tekniske problemer som krevde ytterligere forskning og korreksjon. I denne forbindelse begynte et nytt prosjekt GT 102, der det var planlagt å opprettholde alle oppnådde suksesser og bli kvitt de eksisterende manglene.
I desember 1944 sa A. Müller kom til at det var nødvendig å gå tilbake til en av de tidligere ideene. For å optimalisere driften av den nye GTE ble det foreslått å bruke en egen turbin på sin egen aksel, koblet til overføringsmekanismer. Samtidig måtte kraftturbinen til GT 102 -motoren være en egen enhet, ikke plassert koaksialt med hovedenhetene, som tidligere foreslått. Hovedblokken til det nye gassturbinkraftverket var GT 101 med minimale endringer. Den hadde to kompressorer med ni trinn og en tretrinns turbin. Ved utviklingen av GT 102 viste det seg at hovedblokken til den forrige GT 101 -motoren, om nødvendig, ikke kan plasseres langs, men over motorrommet til Panther -tanken. Så de gjorde det når de monterte enhetene i den eksperimentelle tanken. Luftinntaksenhetene til gasturbinmotoren var nå plassert på taket på venstre side, eksosrøret på høyre side.
Gasturbinenhet GT 102 i tanken "Panther"
Gasturbin kompressorenhet GT 102
Mellom kompressoren og forbrenningskammeret til hovedmotorblokken ble det tilveiebrakt et rør for lufting av luft til det ekstra forbrenningskammeret og turbinen. Ifølge beregninger måtte 70% av luften som kom inn i kompressoren gå gjennom hoveddelen av motoren og bare 30% gjennom den ekstra, med en kraftturbin. Plasseringen av tilleggsblokken er interessant: aksen til brennkammeret og kraftturbinen burde vært plassert vinkelrett på aksen til hovedmotorblokken. Det ble foreslått å plassere kraftturbinenhetene under hovedenheten og utstyre dem med sitt eget eksosrør, som ble hentet ut midt på taket i motorrommet.
Den "medfødte sykdommen" i GT 102s gasturbinmotoroppsett var risikoen for å overspinne kraftturbinen med påfølgende skader eller ødeleggelse. Det ble foreslått å løse dette problemet på den enkleste måten: å plassere ventiler for å kontrollere strømmen i røret som tilfører luft til det ekstra brennkammeret. Samtidig viste beregninger at den nye GT 102 GTE kan ha utilstrekkelig gassrespons på grunn av særegenhetene ved driften av en relativt lett kraftturbin. Designspesifikasjonene, for eksempel utgående akseleffekt eller turbineffekt til hovedenheten, forble på samme nivå som den forrige GT 101 -motoren, noe som kan forklares med det nesten fullstendige fraværet av store designendringer, bortsett fra utseendet på kraften turbinenhet. Ytterligere forbedring av motoren krevde bruk av nye løsninger eller til og med åpning av et nytt prosjekt.
Separat arbeidsturbin for GT 102
Før du startet utviklingen av den neste GTE -modellen, kalt GT 103, gjorde Dr. A. Müller et forsøk på å forbedre utformingen av den eksisterende GT 102. Hovedproblemet med designen var de ganske store dimensjonene til hovedenheten, som gjorde det er vanskelig å plassere hele motoren i motorrommene på tankene som var tilgjengelige på den tiden. For å redusere lengden på motoroverføringsenheten, ble det foreslått å designe kompressoren som en egen enhet. Dermed kunne tre relativt små enheter plasseres inne i tankens motorrom: en kompressor, et hovedbrennkammer og en turbin, samt en kraftturbinenhet med eget forbrenningskammer. Denne versjonen av GTE fikk navnet GT 102 Ausf. 2. I tillegg til å plassere kompressoren i en egen enhet, har det blitt forsøkt å gjøre det samme med forbrenningskammeret eller turbinen, men de har ikke hatt stor suksess. Utformingen av gasturbinmotoren lot seg ikke dele inn i et stort antall enheter uten merkbare tap i ytelse.
GT 103 motor
Et alternativ til gassturbinmotoren GT 102 Ausf. 2 med mulighet for "gratis" arrangement av enheter i det eksisterende volumet var den nye utviklingen av GT 103. Denne gangen bestemte de tyske motorbyggerne seg for å ikke fokusere på bekvemmeligheten ved plassering, men på effektiviteten i arbeidet. En varmeveksler ble introdusert i motorutstyret. Det ble antatt at med sin hjelp vil avgassene varme opp luften som kommer inn gjennom kompressoren, noe som vil gi konkrete drivstoffbesparelser. Essensen i denne løsningen var at den forvarmede luften ville gjøre det mulig å bruke mindre drivstoff for å opprettholde den nødvendige temperaturen foran turbinen. Ifølge foreløpige beregninger kan bruk av varmeveksler redusere drivstofforbruket med 25-30 prosent. Under visse forhold kunne slike besparelser gjøre den nye GTE egnet for praktisk bruk.
Utviklingen av varmeveksleren ble betrodd "underleverandører" fra selskapet Brown Boveri. Sjefsdesigner for denne enheten var V. Khrinizhak, som tidligere hadde deltatt i opprettelsen av kompressorer for tankgasturbinmotorer. Deretter ble Chrynižak en kjent spesialist i varmevekslere, og hans deltakelse i GT 103 -prosjektet var sannsynligvis en av forutsetningene for dette. Forskeren brukte en ganske dristig og original løsning: hovedelementet i den nye varmeveksleren var en roterende trommel laget av porøs keramikk. Flere spesielle skillevegger ble plassert inne i trommelen, noe som sikret sirkulasjon av gasser. Under drift passerte varme avgasser inne i trommelen gjennom de porøse veggene og oppvarmet dem. Dette skjedde under en halv trommesving. Den neste halvomgangen ble brukt til å overføre varme til luften som passerte fra innsiden til utsiden. Takket være systemet med ledeplater i og utenfor sylinderen blandet ikke luft og eksosgasser seg med hverandre, noe som utelukket motorfeil.
Bruken av varmeveksleren forårsaket alvorlig kontrovers blant forfatterne av prosjektet. Noen forskere og designere mente at bruk av denne enheten i fremtiden ville gjøre det mulig å oppnå høy effekt og relativt lave luftstrømninger. Andre på sin side så i varmeveksleren bare et tvilsomt virkemiddel, hvis fordeler ikke kunne overstige tapene betydelig ved komplikasjonen av designet. I tvisten om behovet for en varmeveksler vant tilhengerne av den nye enheten. På et tidspunkt var det til og med et forslag om å utstyre gasturbinmotoren GT 103 med to enheter for forvarming av luften samtidig. Den første varmeveksleren i dette tilfellet måtte varme opp luften til hovedmotorblokken, den andre for det ekstra brennkammeret. Dermed var GT 103 faktisk en GT 102 med varmevekslere innført i designet.
GT 103 -motoren ble ikke bygget, og det er derfor det er nødvendig å bare nøye seg med de beregnede egenskapene. Videre ble de tilgjengelige dataene på denne GTE beregnet allerede før slutten av opprettelsen av varmeveksleren. Derfor kan en rekke indikatorer i praksis sannsynligvis vise seg å være betydelig lavere enn forventet. Kraften til hovedenheten, generert av turbinen og absorbert av kompressoren, skulle være lik 1400 hestekrefter. Den maksimale designhastigheten for rotasjon av kompressoren og turbinen til hovedenheten er omtrent 19 tusen omdreininger per minutt. Luftforbruk i hovedbrennkammeret - 6 kg / s. Det ble antatt at varmeveksleren vil varme opp den innkommende luften til 500 °, og gassene foran turbinen vil ha en temperatur på omtrent 800 °.
Kraftturbinen, ifølge beregninger, skulle rotere med en hastighet på opptil 25 tusen o / min og gi 800 hk på akselen. Luftforbruket til tilleggsenheten var 2 kg / s. Temperaturparametrene til innløpsluften og eksosgassene skulle være lik de tilsvarende egenskapene til hovedenheten. Det totale drivstofforbruket til hele motoren ved bruk av passende varmevekslere vil ikke overstige 200-230 g / hk.
Resultater av programmet
Utviklingen av tyske tankgasturbinmotorer begynte først sommeren 1944, da Tysklands sjanser til å vinne andre verdenskrig minket hver dag. Den røde hær angrep det tredje riket fra øst, og troppene fra USA og Storbritannia kom fra vest. Under slike forhold hadde Tyskland ikke tilstrekkelige muligheter for fullverdig forvaltning av mengden lovende prosjekter. Alle forsøk på å lage en fundamentalt ny motor for tanker hvilte på mangel på penger og tid. På grunn av dette, i februar 1945, var det allerede tre fullverdige prosjekter med tankgass-turbinmotorer, men ingen av dem nådde engang scenen for montering av prototyper. Alt arbeid var begrenset til teoretiske studier og tester av individuelle eksperimentelle enheter.
I februar 1945 fant det sted en hendelse som kan betraktes som begynnelsen på slutten av det tyske programmet for opprettelse av tankgass -turbinmotorer. Dr. Alfred Müller ble fjernet fra stillingen som prosjektleder, og hans navnebror, Max Adolf Müller, ble utnevnt til den ledige stillingen. M. A. Müller var også en fremtredende spesialist innen gassturbinekraftverk, men hans ankomst til prosjektet stoppet den mest avanserte utviklingen. Hovedoppgaven under det nye hodet var å finjustere GT 101-motoren og starte serieproduksjonen. Mindre enn tre måneder gjensto til slutten av krigen i Europa, og derfor hadde endringen i prosjektledelse ikke tid til å føre til ønsket resultat. Alle tyske tank -GTE -er forble på papir.
Ifølge noen kilder falt dokumentasjonen for prosjektene på "GT" -linjen i hendene på de allierte, og de brukte den i prosjektene sine. De første praktiske resultatene innen gassturbinmotorer for bakkekjøretøy, som dukket opp etter slutten av andre verdenskrig utenfor Tyskland, hadde imidlertid lite til felles med utviklingen av både Dr. Müller. Når det gjelder gassturbinmotorer designet spesielt for tanker, forlot de første serietankene med et slikt kraftverk samlingsbutikkene til fabrikker bare et kvart århundre etter ferdigstillelsen av tyske prosjekter.
