Do određenog vremena Hitlerova Njemačka nije obraćala mnogo pažnje na projekte elektrana na plinske turbine za kopnena vozila. Tako je 1941. godine sastavljena prva takva jedinica za eksperimentalnu lokomotivu, ali su njezina ispitivanja brzo smanjena zbog ekonomske neispravnosti i postojanja programa visokog prioriteta. Rad u smjeru gasnoturbinskih motora (GTE) za kopnena vozila nastavljen je tek 1944. godine, kada su neke negativne značajke postojeće tehnologije i industrije bile posebno izražene.
1944. Vojna uprava za naoružanje pokrenula je istraživački projekt o GTE -u za tenkove. Dva su glavna razloga za nove motore. Prvo, njemačka tenkovska zgrada u to je vrijeme krenula prema težim borbenim vozilima, što je zahtijevalo stvaranje motora velike snage i malih dimenzija. Drugo, sva dostupna oklopna vozila koristila su u određenoj mjeri oskudni benzin, a to je nametnulo određena ograničenja vezana za rad, ekonomiju i logistiku. Obećavajući benzinski turbinski motori, kako su tada smatrali čelnici njemačke industrije, mogli bi trošiti manje kvalitetno i, shodno tome, jeftinije gorivo. Tako je u to vrijeme, s gledišta ekonomije i tehnologije, jedina alternativa benzinskim motorima bio gasnoturbinski motor.
U prvoj fazi razvoj perspektivnog tenkovskog motora povjeren je grupi dizajnera iz Porschea, na čelu s inženjerom O. Zadnikom. Nekoliko povezanih preduzeća trebalo je da pomogne Porscheovim inženjerima. Konkretno, Odjel za istraživanje motora SS -a, na čelu sa dr. Alfredom Müllerom, bio je uključen u projekat. Od sredine tridesetih godina ovaj naučnik radi na temi instalacija na plinske turbine i učestvuje u razvoju nekoliko avionskih mlaznih motora. Do početka stvaranja motora s plinskom turbinom za spremnike, Müller je završio projekt turbopunjača, koji se kasnije koristio na nekoliko tipova klipnih motora. Značajno je napomenuti da je 1943. dr. Müller više puta davao prijedloge u vezi s početkom razvoja tenkovskih plinsko -turbinskih motora, ali ih je njemačko vodstvo ignoriralo.
Pet opcija i dva projekta
Do početka glavnih radova (sredinom ljeta 1944.), vodeća uloga u projektu prešla je u organizaciju na čelu s Müllerom. U to vrijeme utvrđeni su zahtjevi za obećavajući motor s plinskom turbinom. Trebao je imati snagu od oko 1000 KS. i potrošnju zraka reda veličine 8,5 kilograma u sekundi. Temperatura u komori za sagorijevanje postavljena je projektnim zadatkom na 800 °. Zbog nekih karakterističnih karakteristika elektrana na plinske turbine za kopnena vozila, prije početka izrade glavnog projekta moralo se stvoriti nekoliko pomoćnih. Tim inženjera predvođen Müllerom istovremeno je stvorio i razmotrio pet opcija za arhitekturu i raspored motora na plinsku turbinu.
Shematski dijagrami motora međusobno su se razlikovali po broju stupnjeva kompresora, turbine i položaju energetske turbine povezane s mjenjačem. Osim toga, razmotreno je nekoliko mogućnosti za lokaciju komora za sagorijevanje. Tako je u trećoj i četvrtoj verziji rasporeda GTE predloženo da se protok zraka iz kompresora podijeli na dva. Jedan tok u ovom slučaju morao je ići u komoru za izgaranje, a odatle do turbine koja je rotirala kompresor. Drugi dio dolaznog zraka, pak, ubrizgan je u drugu komoru za sagorijevanje, koja je isporučivala vruće plinove direktno u energetsku turbinu. Također su razmatrane opcije s drugačijim položajem izmjenjivača topline za predgrijavanje zraka koji ulazi u motor.
U prvoj verziji obećavajućeg motora, koji je dostigao fazu potpunog dizajna, dijagonalni i aksijalni kompresor, kao i dvostupanjska turbina, trebali su biti smješteni na istoj osi. Druga turbina trebala je biti postavljena koaksijalno iza prve i povezana s prijenosnim jedinicama. Istodobno je predloženo da se energetska turbina koja opskrbljuje prijenos prijenosnom opremom postavi na vlastitu os, a ne poveže s osi kompresora i turbina. Ovo rješenje moglo bi pojednostaviti dizajn motora, ako ne i jedan ozbiljan nedostatak. Dakle, pri uklanjanju tereta (na primjer, pri promjeni stupnja prijenosa), druga turbina mogla se vrtjeti do takvih brzina pri kojima je postojao rizik od uništenja lopatica ili glavčine. Predloženo je rješenje problema na dva načina: ili usporiti radnu turbinu u pravim trenucima, ili ukloniti plinove iz nje. Na temelju rezultata analize odabrana je prva opcija.
Pa ipak, modificirana prva verzija tenka GTE bila je previše komplicirana i skupa za masovnu proizvodnju. Müller je nastavio daljnja istraživanja. Radi pojednostavljenja dizajna, neki originalni dijelovi zamijenjeni su odgovarajućim jedinicama posuđenim iz turboreaktivnog motora Heinkel-Hirt 109-011. Osim toga, iz dizajna motora tenka uklonjeno je nekoliko ležajeva na kojima su se držale osovine motora. Smanjivanjem broja nosača vratila na dva pojednostavljena sklopa, ali je eliminirana potreba za zasebnom osovinom s turbinom koja prenosi okretni moment na prijenos. Energetska turbina instalirana je na isto vratilo na kojem su već bili smješteni rotori kompresora i dvostupanjska turbina. Komora za izgaranje opremljena je originalnim rotirajućim mlaznicama za prskanje goriva. U teoriji su omogućili učinkovitije ubrizgavanje goriva, a također su pomogli u izbjegavanju pregrijavanja određenih dijelova konstrukcije. Ažurirana verzija projekta bila je spremna sredinom septembra 1944.
Prva jedinica s plinskim cijevima za oklopna vozila
Prva jedinica s plinskim cijevima za oklopna vozila
Ova opcija također nije bila bez nedostataka. Prije svega, tvrdnje su uzrokovale poteškoće u održavanju okretnog momenta na izlaznom vratilu, što je zapravo bilo produžetak glavnog vratila motora. Idealno rješenje problema prijenosa energije mogla bi biti upotreba električnog mjenjača, ali je nedostatak bakra učinio da se takav sistem zaboravi. Kao alternativa električnom prijenosu, razmotren je hidrostatički ili hidrodinamički transformator. Kada su se koristili takvi mehanizmi, učinkovitost prijenosa energije je neznatno smanjena, ali su bili znatno jeftiniji od sistema s generatorom i elektromotorima.
GT 101 motor
Dalji razvoj druge verzije projekta doveo je do daljnjih promjena. Dakle, kako bi se očuvale performanse GTE -a pod udarnim opterećenjima (na primjer, tijekom eksplozije mine), dodan je treći ležaj vratila. Osim toga, potreba za unifikacijom kompresora s avionskim motorima dovela je do promjene nekih parametara rada tenkovskog GTE -a. Konkretno, potrošnja zraka povećana je za oko četvrtinu. Nakon svih izmjena, projekt tenkovskog motora dobio je novo ime - GT 101. U ovoj fazi, razvoj elektrane na plinsku turbinu za tenkove dosegao je fazu kada je bilo moguće započeti pripreme za izgradnju prvog prototipa, i zatim spremnik opremljen motorom na plinsku turbinu.
Ipak, fino podešavanje motora se odužilo i do kraja jeseni 1944. radovi na instaliranju nove elektrane na tenk nisu počeli. U to vrijeme njemački inženjeri radili su samo na postavljanju motora na postojeće tenkove. Prvobitno je bilo planirano da baza za eksperimentalni GTE bude teški tenk PzKpfw VI - "Tigar". Međutim, motorni prostor ovog oklopnog vozila nije bio dovoljno velik da primi sve potrebne jedinice. Čak i sa relativno malim radnim zapreminom, motor GT 101 bio je predug za Tigra. Iz tog razloga, odlučeno je da se kao osnovno testno vozilo koristi tenk PzKpfw V, poznat i kao Pantera.
U fazi finalizacije motora GT 101 za upotrebu na tenku Panther, kupac, kojeg zastupa Uprava naoružanja Kopnene vojske, i izvršilac projekta, utvrdili su zahtjeve za prototip. Pretpostavljalo se da će motor s plinskom turbinom dovesti specifičnu snagu tenka borbene težine oko 46 tona na razinu od 25-27 KS. po toni, što će značajno poboljšati njegove vozne karakteristike. U isto vrijeme, zahtjevi za najvećom brzinom se gotovo nisu promijenili. Vibracije i udarci pri velikoj brzini vožnje značajno su povećali rizik od oštećenja dijelova šasije. Zbog toga je najveća dopuštena brzina ograničena na 54-55 kilometara na sat.
Jedinica plinske turbine GT 101 u spremniku "Panther"
Kao i u slučaju Tigra, Pantherov motorni prostor nije bio dovoljno velik da primi novi motor. Ipak, dizajneri pod vodstvom dr. Millera uspjeli su uklopiti GT 101 GTE u dostupne količine. Istina, velika ispušna cijev motora morala je biti postavljena u okruglu rupu na stražnjoj oklopnoj ploči. Unatoč prividnoj čudnosti, takvo se rješenje smatralo prikladnim i prikladnim čak i za masovnu proizvodnju. Sam motor GT 101 na eksperimentalnom "Panteru" trebao je biti postavljen duž osi trupa, sa pomakom prema gore, do krova motornog prostora. Pored motora, u branicima trupa, u projekat je postavljeno nekoliko rezervoara za gorivo. Mesto za prenos pronađeno je direktno ispod motora. Uređaji za usisavanje zraka dovedeni su na krov zgrade.
Pojednostavljenje dizajna motora GT 101, zbog kojeg je izgubio zasebnu turbinu povezanu s mjenjačem, dovelo je do poteškoća različite prirode. Za upotrebu s novim GTE -om morao se naručiti novi hidraulični prijenos. Organizacija ZF (Zahnradfabrik iz Friedrichshafena) u kratkom je roku stvorila trostupanjski pretvarač zakretnog momenta s 12-stupanjskim (!) Mjenjačem. Polovica stepena prenosa bila je za vožnju na putu, ostatak za vožnju van puta. U instalaciji eksperimentalnog spremnika s transmisijom motora bilo je potrebno uvesti automatizaciju koja je nadzirala načine rada motora. Poseban upravljački uređaj trebao je pratiti brzinu motora i, ako je potrebno, povećavati ili smanjivati brzinu, sprječavajući GTE da uđe u neprihvatljive načine rada.
Prema proračunima naučnika, plinska turbina GT 101 sa transmisijom iz ZF -a mogla bi imati sljedeće karakteristike. Maksimalna snaga turbine dosegla je 3750 KS, od kojih je 2600 uzeo kompresor kako bi osigurao rad motora. Tako je "samo" 1100-1150 konjskih snaga ostalo na izlaznom vratilu. Brzina rotacije kompresora i turbina, ovisno o opterećenju, varirala je između 14-14,5 hiljada okretaja u minuti. Temperatura plinova ispred turbine održavana je na unaprijed određenom nivou od 800 °. Potrošnja zraka iznosila je 10 kilograma u sekundi, specifična potrošnja goriva, ovisno o načinu rada, iznosila je 430-500 g / KS h.
Motor GT 102
S jedinstveno velikom snagom, benzinski turbinski motor GT 101 imao je podjednako izuzetnu potrošnju goriva, otprilike dvostruko veću od one benzinskih motora koji su u to vrijeme bili dostupni u Njemačkoj. Osim potrošnje goriva, GTE GT 101 imao je još nekoliko tehničkih problema koji su zahtijevali dodatna istraživanja i ispravke. S tim u vezi, započeo je novi projekt GT 102, u kojem je planirano zadržati sve postignute uspjehe i riješiti se postojećih nedostataka.
U decembru 1944, A. Müller je došao do zaključka da se treba vratiti jednoj od ranijih ideja. Kako bi se optimizirao rad novog GTE -a, predloženo je korištenje zasebne turbine na vlastitoj osovini, povezane s prijenosnim mehanizmima. U isto vrijeme, energetska turbina motora GT 102 morala je biti zasebna jedinica, a ne postavljena koaksijalno s glavnim jedinicama, kako je ranije predloženo. Glavni blok nove elektrane na plinsku turbinu bio je GT 101 s minimalnim izmjenama. Imao je dva kompresora sa devet stepeni i trostepenu turbinu. Prilikom razvoja GT 102 pokazalo se da se glavni blok prethodnog GT 101 motora, ako je potrebno, može postaviti ne duž, već preko motornog prostora spremnika Panther. Tako su i učinili prilikom sastavljanja jedinica eksperimentalnog tenka. Uređaji za usisavanje zraka motora s plinskom turbinom sada su bili smješteni na krovu s lijeve strane, a ispušna cijev s desne strane.
Jedinica plinske turbine GT 102 u spremniku "Panther"
Kompresor plinske turbine GT 102
Između kompresora i komore za izgaranje glavnog bloka motora predviđena je cijev za ispuštanje zraka u dodatnu komoru za izgaranje i turbinu. Prema proračunima, 70% zraka koji ulazi u kompresor morao je ići kroz glavni dio motora, a samo 30% kroz dodatni, s turbinom na snagu. Zanimljiva je lokacija dodatnog bloka: osa njegove komore za izgaranje i energetske turbine trebala je biti smještena okomito na os glavnog bloka motora. Predloženo je postavljanje agregata s turbinskim pogonom ispod glavne jedinice i njihovo opremanje vlastitom ispušnom cijevi, koja je izvedena na sredini krova motornog prostora.
"Urođena bolest" rasporeda motora na plinske turbine GT 102 bila je opasnost od prekomjernog okretanja energetske turbine s naknadnim oštećenjem ili uništenjem. Predloženo je da se ovaj problem riješi na najjednostavniji način: postaviti ventile za kontrolu protoka u cijevi koja dovodi zrak u dodatnu komoru za izgaranje. Istovremeno, proračuni su pokazali da bi novi GT 102 GTE mogao imati nedovoljan odziv leptira za gas zbog osobitosti rada relativno male turbine. Konstrukcijske specifikacije, kao što su snaga izlaznog vratila ili snaga turbine glavne jedinice, ostale su na istom nivou kao i prethodni motor GT 101, što se može objasniti gotovo potpunim odsustvom velikih promjena u dizajnu, osim izgleda snage turbinski agregat. Daljnje poboljšanje motora zahtijevalo je korištenje novih rješenja ili čak otvaranje novog projekta.
Odvojena radna turbina za GT 102
Prije nego što je započeo razvoj sljedećeg modela GTE, nazvanog GT 103, dr. A. Müller je pokušao poboljšati izgled postojećeg GT 102. Glavni problem njegovog dizajna bile su prilično velike dimenzije glavne jedinice, zbog čega je teško je staviti cijeli motor u motorne prostore spremnika koji su tada bili dostupni. Kako bi se smanjila duljina jedinice motora-mjenjača, predloženo je da se kompresor projektira kao zasebna jedinica. Tako bi se u motorni prostor spremnika mogle smjestiti tri relativno male jedinice: kompresor, glavna komora za sagorijevanje i turbina, kao i agregat sa snažnom turbinom sa vlastitom komorom za sagorijevanje. Ova verzija GTE -a dobila je naziv GT 102 Ausf. 2. Osim postavljanja kompresora u zasebnu jedinicu, pokušalo se učiniti isto s komorom za izgaranje ili turbinom, ali nisu imali velikog uspjeha. Dizajn motora s plinskom turbinom nije dopustio da se podijeli na veliki broj jedinica bez značajnih gubitaka u performansama.
Motor GT 103
Alternativa plinsko -turbinskom motoru GT 102 Ausf. 2 s mogućnošću "besplatnog" rasporeda jedinica u postojećem volumenu bio je novi razvoj GT 103. Ovaj put njemački proizvođači motora odlučili su se ne usredotočiti na pogodnost postavljanja, već na efikasnost rada. Izmjenjivač topline je uveden u opremu motora. Pretpostavljalo se da će uz njegovu pomoć ispušni plinovi zagrijavati zrak koji ulazi kroz kompresor, čime će se postići opipljiva ušteda goriva. Suština ovog rješenja bila je u tome što bi prethodno zagrijani zrak omogućio potrošnju manje goriva za održavanje potrebne temperature ispred turbine. Prema preliminarnim proračunima, upotreba izmjenjivača topline mogla bi smanjiti potrošnju goriva za 25-30 posto. Pod određenim uslovima, takve uštede su učinile novi GTE pogodnim za praktičnu upotrebu.
Razvoj izmjenjivača topline povjeren je "kooperantima" iz kompanije Brown Boveri. Glavni projektant ove jedinice bio je V. Khrinizhak, koji je prethodno učestvovao u stvaranju kompresora za tenkovske gasnoturbinske motore. Nakon toga, Chrynižak je postao renomirani stručnjak za izmjenjivače topline, a njegovo sudjelovanje u projektu GT 103 vjerojatno je bio jedan od preduvjeta za to. Naučnik je primijenio prilično odvažno i originalno rješenje: glavni element novog izmjenjivača topline bio je rotirajući bubanj od porozne keramike. Unutar bubnja je postavljeno nekoliko posebnih pregrada koje su osigurale cirkulaciju plinova. Tokom rada, vrući ispušni plinovi prolazili su unutar bubnja kroz njegove porozne stijenke i zagrijavali ih. To se dogodilo tokom pola okreta bubnja. Sljedeći poluokret korišten je za prijenos topline u zrak koji prolazi iznutra prema van. Zahvaljujući sistemu pregrada unutar i izvan cilindra, zrak i ispušni plinovi nisu se međusobno miješali, što je isključilo kvarove motora.
Korištenje izmjenjivača topline izazvalo je ozbiljne kontroverze među autorima projekta. Neki naučnici i dizajneri vjerovali su da će upotreba ove jedinice u budućnosti omogućiti postizanje velike snage i relativno niske protoke zraka. Drugi su pak vidjeli u izmjenjivaču topline samo sumnjivo sredstvo, čije koristi nisu mogle značajno premašiti gubitke zbog komplikacije dizajna. U sporu o potrebi izmjenjivača topline pobijedile su pristalice nove jedinice. U jednom trenutku čak je postojao prijedlog da se motor GT 103 na plinsku turbinu opremi s dva uređaja za predgrijavanje zraka odjednom. Prvi izmjenjivač topline u ovom slučaju morao je zagrijati zrak za glavni blok motora, drugi za dodatnu komoru za izgaranje. Tako je GT 103 zapravo bio GT 102 sa izmjenjivačima topline uvedenim u dizajn.
Motor GT 103 nije izgrađen, zbog čega je potrebno zadovoljiti se samo proračunatim karakteristikama. Štoviše, dostupni podaci o ovom GTE -u izračunati su i prije kraja stvaranja izmjenjivača topline. Stoga bi se brojni pokazatelji u praksi vjerovatno mogli pokazati znatno nižim od očekivanog. Snaga glavne jedinice, koju generira turbina i apsorbira kompresor, trebala je biti jednaka 1400 konjskih snaga. Maksimalna projektirana brzina rotacije kompresora i turbine glavnog agregata je oko 19 hiljada okretaja u minuti. Potrošnja vazduha u glavnoj komori za sagorevanje - 6 kg / s. Pretpostavljalo se da će izmjenjivač topline zagrijati dolazeći zrak na 500 °, a plinovi ispred turbine imat će temperaturu od oko 800 °.
Snažna turbina, prema proračunima, trebala se rotirati brzinom do 25 tisuća o / min i dati 800 KS na osovini. Potrošnja zraka dodatne jedinice bila je 2 kg / s. Parametri temperature ulaznog zraka i ispušnih plinova trebali su biti jednaki odgovarajućim karakteristikama glavne jedinice. Ukupna potrošnja goriva cijelog motora uz upotrebu odgovarajućih izmjenjivača topline ne bi prelazila 200-230 g / KS h.
Rezultati programa
Razvoj njemačkih tenkovskih plinskoturbinskih motora počeo je tek u ljeto 1944. godine, kada su šanse Njemačke za pobjedu u Drugom svjetskom ratu bile sve manje. Crvena armija napala je Treći Reich sa istoka, a trupe Sjedinjenih Država i Velike Britanije došle su sa zapada. U takvim uvjetima Njemačka nije imala dovoljno mogućnosti za punopravno upravljanje masom obećavajućih projekata. Svi pokušaji stvaranja fundamentalno novog motora za tenkove počivali su na nedostatku novca i vremena. Zbog toga su do veljače 1945. već postojala tri punopravna projekta tenkovskih plinskoturbinskih motora, ali nijedan od njih nije ni stigao do faze montaže prototipa. Sav rad bio je ograničen samo na teoretske studije i ispitivanja pojedinih eksperimentalnih jedinica.
U veljači 1945. dogodio se događaj koji se može smatrati početkom kraja njemačkog programa za stvaranje tenkovskih plinskoturbinskih motora. Dr. Alfred Müller smijenjen je s mjesta šefa projekta, a njegov imenjak, Max Adolf Müller, imenovan je na upražnjeno mjesto. M. A. Müller je također bio istaknuti stručnjak na području elektrana na plinske turbine, ali je njegov dolazak na projekt zaustavio najnapredniji razvoj. Glavni zadatak nove glave bio je fino podešavanje motora GT 101 i pokretanje njegove serijske proizvodnje. Manje od tri mjeseca ostalo je do kraja rata u Evropi, zbog čega promjena vodstva projekta nije imala vremena dovesti do željenog rezultata. Svi njemački tenkovski GTE -ovi ostali su na papiru.
Prema nekim izvorima, dokumentacija za projekte linije "GT" pala je u ruke saveznika i oni su je koristili u svojim projektima. Međutim, prvi praktični rezultati na području motora s plinskim turbinama za kopnena vozila, koji su se pojavili nakon završetka Drugog svjetskog rata izvan Njemačke, imali su malo zajedničkog s razvojem oba dr. Müllera. Što se tiče motora s plinskim turbinama dizajniranih posebno za tenkove, prvi serijski spremnici s takvom elektranom napustili su montažne radnje tvornica tek četvrt stoljeća nakon završetka njemačkih projekata.
