Hitlerovo Nemecko do určitej doby nevenovalo veľkú pozornosť projektom elektrární s plynovými turbínami pre pozemné vozidlá. V roku 1941 bola takáto prvá jednotka zostavená pre experimentálnu lokomotívu, ale jej testy boli kvôli ekonomickej nenáročnosti a prítomnosti programov s vyššou prioritou rýchlo obmedzené. Práce v smere motorov s plynovou turbínou (GTE) pre pozemné vozidlá pokračovali až v roku 1944, keď boli obzvlášť výrazné niektoré negatívne vlastnosti existujúcej technológie a priemyslu.
V roku 1944 zahájilo armádne riaditeľstvo pre vyzbrojovanie výskumný projekt GTE pre tanky. Nové motory mali dva hlavné dôvody. Po prvé, nemecká budova tanku v tom čase smerovala k ťažším bojovým vozidlám, čo si vyžadovalo vytvorenie motora s vysokým výkonom a malými rozmermi. Za druhé, všetky dostupné obrnené vozidlá do určitej miery používali vzácny benzín, a to ukladalo určité obmedzenia súvisiace s prevádzkou, ekonomikou a logistikou. Sľubné motory s plynovými turbínami, ako to vtedy predstavitelia nemeckého priemyslu považovali, mohli spotrebovať menej kvalitného a teda aj lacnejšieho paliva. V tom čase bola teda z hľadiska ekonomiky a technológie jedinou alternatívou k benzínovým motorom motor s plynovou turbínou.
V prvej fáze bol vývoj sľubného tankového motora zverený skupine konštruktérov z Porsche na čele s inžinierom O. Zadnikom. Niekoľko prepojených podnikov malo pomáhať inžinierom Porsche. Do projektu bol zapojený najmä odbor výskumu motora SS, vedený doktorom Alfredom Müllerom. Od polovice tridsiatych rokov sa tento vedec zaoberá témou inštalácií plynových turbín a podieľal sa na vývoji niekoľkých leteckých prúdových motorov. V čase, keď sa začala tvorba motora s plynovou turbínou pre nádrže, Müller dokončil projekt turbodúchadla, ktorý sa neskôr použil na niekoľko typov piestových motorov. Je pozoruhodné, že v roku 1943 Dr. Müller opakovane predložil návrhy týkajúce sa začiatku vývoja tankových plynových turbínových motorov, ale nemecké vedenie ich ignorovalo.
Päť možností a dva projekty
V čase, keď sa začali hlavné práce (polovica leta 1944), prešla vedúca úloha v projekte na organizáciu vedenú Müllerom. V tejto dobe boli určené požiadavky na sľubný motor s plynovou turbínou. Údajne mal mať výkon okolo 1000 koní. a spotreba vzduchu rádovo 8,5 kilogramu za sekundu. Teplota v spaľovacej komore bola stanovená referenčnými podmienkami na 800 °. Vzhľadom na niektoré charakteristické vlastnosti elektrární s plynovými turbínami pre pozemné vozidlá bolo potrebné pred začatím vývoja hlavného projektu vytvoriť niekoľko pomocných. Tím inžinierov pod vedením Müllera súčasne vytvoril a zvážil päť možností architektúry a rozloženia motora s plynovou turbínou.
Schémy motora sa navzájom líšili počtom stupňov kompresora, turbíny a umiestnením výkonovej turbíny spojenej s prevodovkou. Okrem toho sa zvažovalo niekoľko možností umiestnenia spaľovacích komôr. V tretej a štvrtej verzii rozloženia GTE bolo navrhnuté rozdeliť prúd vzduchu z kompresora na dva. Jeden prúd v tomto prípade musel ísť do spaľovacej komory a odtiaľ do turbíny otáčajúcej kompresor. Druhá časť prichádzajúceho vzduchu bola zasa vstrekovaná do druhej spaľovacej komory, ktorá dodávala horúce plyny priamo do energetickej turbíny. Zvažovali sa aj možnosti s inou polohou výmenníka tepla na predhrievanie vzduchu vstupujúceho do motora.
V prvej verzii sľubného motora, ktorý dospel do štádia plnohodnotného dizajnu, mal byť na tej istej osi umiestnený diagonálny a axiálny kompresor, ako aj dvojstupňová turbína. Druhá turbína mala byť umiestnená koaxiálne za prvú a napojená na prevodové jednotky. Súčasne bolo navrhnuté, aby bola výkonová turbína dodávajúca energiu do prevodovky namontovaná na vlastnú os, nie je spojená s osou kompresorov a turbín. Toto riešenie by mohlo zjednodušiť konštrukciu motora, nebyť jednej vážnej nevýhody. Pri odstraňovaní záťaže (napríklad počas zmeny prevodového stupňa) sa druhá turbína mohla roztočiť na také rýchlosti, pri ktorých hrozilo zničenie lopatiek alebo náboja. Navrhlo sa vyriešiť problém dvoma spôsobmi: buď spomaliť pracovnú turbínu v správnych okamihoch, alebo z nej odstrániť plyny. Na základe výsledkov analýzy bola zvolená prvá možnosť.
Napriek tomu bola upravená prvá verzia tankového GTE príliš komplikovaná a drahá na sériovú výrobu. Müller pokračoval v ďalšom výskume. Na zjednodušenie konštrukcie boli niektoré pôvodné diely nahradené zodpovedajúcimi jednotkami požičanými z prúdového motora Heinkel-Hirt 109-011. Okrem toho bolo z konštrukcie tankového motora odstránených niekoľko ložísk, na ktorých boli držané nápravy motora. Zníženie počtu podpier hriadeľov na dve zjednodušené montáže, ale eliminovaná potreba samostatnej nápravy s turbínou, ktorá prenáša krútiaci moment na prevodovku. Výkonová turbína bola nainštalovaná na rovnaký hriadeľ, na ktorom už boli umiestnené obežné kolesá kompresora a dvojstupňová turbína. Spaľovacia komora je vybavená originálnymi rotačnými dýzami na striekanie paliva. Teoreticky umožnili efektívnejšie vstrekovanie paliva a tiež pomohli zabrániť prehriatiu určitých častí konštrukcie. Aktualizovaná verzia projektu bola pripravená v polovici septembra 1944.
Prvá jednotka plynových rúr pre obrnené vozidlá
Prvá jednotka plynových rúr pre obrnené vozidlá
Táto možnosť tiež nebola bez nevýhod. Po prvé, tvrdenia spôsobili problémy s udržaním krútiaceho momentu na výstupnom hriadeli, ktorý bol vlastne rozšírením hlavného hriadeľa motora. Ideálnym riešením problému prenosu energie by mohlo byť použitie elektrického prenosu, ale na nedostatok medi sa na takýto systém zabudlo. Ako alternatíva k elektrickej prevodovke sa zvažoval hydrostatický alebo hydrodynamický transformátor. Pri použití takýchto mechanizmov bola účinnosť prenosu energie mierne znížená, ale boli výrazne lacnejšie ako systém s generátorom a elektromotormi.
Motor GT 101
Ďalší vývoj druhej verzie projektu viedol k ďalším zmenám. Aby sa zachoval výkon GTE pri nárazovom zaťažení (napríklad počas výbuchu bane), bolo pridané tretie ložisko hriadeľa. Okrem toho potreba zjednotenia kompresora s leteckými motormi viedla k zmene niektorých parametrov prevádzky tankového GTE. Najmä spotreba vzduchu sa zvýšila zhruba o štvrtinu. Po všetkých úpravách dostal projekt tankového motora nový názov - GT 101. V tejto fáze dosiahol vývoj elektrárne s plynovou turbínou pre nádrže štádium, keď bolo možné začať s prípravou stavby prvého prototypu a potom nádrž vybavená motorom s plynovou turbínou.
Napriek tomu sa dolaďovanie motora natiahlo a do konca jesene 1944 sa práce na inštalácii novej elektrárne na nádrž nezačali. V tom čase nemeckí inžinieri pracovali iba na umiestnení motora na existujúce nádrže. Pôvodne sa plánovalo, že základňou experimentálneho GTE bude ťažký tank PzKpfw VI - „Tiger“. Motorový priestor tohto obrneného vozidla však nebol dostatočne veľký na to, aby sa doň zmestili všetky potrebné jednotky. Aj napriek relatívne malému zdvihovému objemu bol motor GT 101 na Tigera príliš dlhý. Z tohto dôvodu bolo rozhodnuté použiť ako základné testovacie vozidlo tank PzKpfw V, známy tiež ako Panther.
Vo fáze finalizácie motora GT 101 na použitie v tanku Panther zákazník, zastúpený Riaditeľstvom pre vyzbrojovanie pozemných síl a realizátor projektu, určil požiadavky na prototyp. Predpokladalo sa, že motor s plynovou turbínou prinesie špecifický výkon tanku s bojovou hmotnosťou asi 46 ton na úroveň 25-27 koní. na tonu, čo výrazne zlepší jeho jazdné vlastnosti. Zároveň sa požiadavky na maximálnu rýchlosť takmer nezmenili. Vibrácie a otrasy pri jazde vysokou rýchlosťou výrazne zvýšili riziko poškodenia komponentov podvozku. V dôsledku toho bola maximálna povolená rýchlosť obmedzená na 54-55 kilometrov za hodinu.
Plynová turbína jednotka GT 101 v nádrži „Panther“
Rovnako ako v prípade Tigera, motorový priestor Pantheru nebol dostatočne veľký na to, aby sa do neho zmestil nový motor. Napriek tomu sa dizajnérom pod vedením doktora Millera podarilo zmestiť GT 101 GTE do dostupných zväzkov. Je pravda, že veľké výfukové potrubie motora muselo byť umiestnené v okrúhlom otvore v zadnej pancierovej doske. Napriek zdanlivej podivnosti bolo takéto riešenie považované za pohodlné a vhodné dokonca aj pre sériovú výrobu. Samotný motor GT 101 na experimentálnom „Panteri“mal byť umiestnený pozdĺž osi trupu s posunom nahor, na strechu motorového priestoru. Vedľa motora, v nárazníkoch trupu, bolo do projektu umiestnených niekoľko palivových nádrží. Miesto pre prevodovku sa našlo priamo pod motorom. Zariadenie na prívod vzduchu bolo privezené na strechu budovy.
Zjednodušenie konštrukcie motora GT 101, kvôli ktorému prišlo o samostatnú turbínu spojenú s prevodovkou, so sebou prinieslo ťažkosti iného charakteru. Na použitie s novým GTE bolo potrebné objednať novú hydraulickú prevodovku. Organizácia ZF (Zahnradfabrik z Friedrichshafenu) v krátkom čase vytvorila trojstupňový menič krútiaceho momentu s 12-stupňovou (!) Prevodovkou. Polovica prevodových stupňov bola na jazdu v teréne, zvyšok na jazdu v teréne. V inštalácii experimentálnej nádrže s prevodovkou motora bolo tiež potrebné zaviesť automatizáciu, ktorá monitorovala prevádzkové režimy motora. Špeciálne ovládacie zariadenie malo monitorovať otáčky motora a v prípade potreby zvýšiť alebo znížiť prevodový stupeň, aby sa GTE nedostalo do neprijateľných prevádzkových režimov.
Podľa výpočtov vedcov mohla mať plynová turbína GT 101 s prevodom od ZF nasledujúce charakteristiky. Maximálny výkon turbíny dosiahol 3750 koní, z toho 2 600 bolo použitých na zaistenie chodu motora kompresorom. Na výstupnom hriadeli tak zostalo „iba“1100-1150 koní. Rýchlosť otáčania kompresora a turbín v závislosti od zaťaženia kolísala medzi 14-14,5 tisíc otáčok za minútu. Teplota plynov pred turbínou sa udržiavala na vopred stanovenej úrovni 800 °. Spotreba vzduchu bola 10 kilogramov za sekundu, špecifická spotreba paliva v závislosti od prevádzkového režimu bola 430-500 g / hp h.
Motor GT 102
Vďaka jedinečnému vysokému výkonu mal tankový plynový turbínový motor GT 101 rovnako pozoruhodnú spotrebu paliva, približne dvakrát väčšiu ako benzínové motory, ktoré boli v tom čase v Nemecku k dispozícii. Okrem spotreby paliva mal GTE GT 101 ešte niekoľko technických problémov, ktoré si vyžiadali ďalší prieskum a korekciu. V tejto súvislosti sa začal nový projekt GT 102, v ktorom bolo naplánované zachovanie všetkých dosiahnutých úspechov a odstránenie existujúcich nedostatkov.
V decembri 1944 A. Müller dospel k záveru, že je potrebné vrátiť sa k jednej z predchádzajúcich myšlienok. Na optimalizáciu prevádzky nového GTE bolo navrhnuté použitie samostatnej turbíny na vlastnej náprave, spojenej s prevodovými mechanizmami. Výkonová turbína motora GT 102 musela byť zároveň samostatnou jednotkou, ktorá nie je umiestnená koaxiálne s hlavnými jednotkami, ako sa pôvodne navrhovalo. Hlavným blokom novej elektrárne s plynovými turbínami bol GT 101 s minimálnymi zmenami. Malo dva kompresory s deviatimi stupňami a trojstupňovú turbínu. Pri vývoji GT 102 sa ukázalo, že hlavný blok predchádzajúceho motora GT 101, ak je to potrebné, môže byť umiestnený nie pozdĺž, ale cez motorový priestor nádrže Panther. Tak urobili aj pri montáži jednotiek experimentálneho tanku. Zariadenia na prívod vzduchu motora s plynovou turbínou boli teraz umiestnené na streche na ľavej strane, výfukové potrubie na pravej strane.
Jednotka plynovej turbíny GT 102 v nádrži „Panther“
Kompresorová jednotka s plynovou turbínou GT 102
Medzi kompresorom a spaľovacou komorou hlavného bloku motora bolo usporiadané potrubie na odvádzanie vzduchu do prídavnej spaľovacej komory a turbíny. Podľa výpočtov muselo 70% vzduchu vstupujúceho do kompresora prejsť cez hlavnú časť motora a iba 30% cez prídavnú, s výkonovou turbínou. Umiestnenie prídavného bloku je zaujímavé: os jeho spaľovacej komory a výkonovej turbíny mala byť umiestnená kolmo na os hlavného bloku motora. Navrhlo sa umiestniť jednotky výkonových turbín pod hlavnú jednotku a vybaviť ich vlastným výfukovým potrubím, ktoré bolo vyvedené v strede strechy motorového priestoru.
„Vrodenou chorobou“usporiadania motora s plynovou turbínou GT 102 bolo riziko pretočenia výkonovej turbíny s následným poškodením alebo zničením. Navrhlo sa vyriešiť tento problém najjednoduchším spôsobom: umiestniť ventily na riadenie prietoku v potrubí privádzajúcom vzduch do prídavnej spaľovacej komory. Výpočty zároveň ukázali, že nový GT 102 GTE môže mať vzhľadom na zvláštnosti prevádzky relatívne ľahkej výkonovej turbíny nedostatočnú odozvu na plyn. Konštrukčné špecifikácie, ako napríklad výkon výstupného hriadeľa alebo výkon turbíny hlavnej jednotky, zostali na rovnakej úrovni ako predchádzajúci motor GT 101, čo sa dá vysvetliť takmer úplnou absenciou zásadných konštrukčných zmien, s výnimkou vzhľadu výkonu. turbínová jednotka. Ďalšie vylepšenie motora si vyžiadalo použitie nových riešení alebo dokonca otvorenie nového projektu.
Samostatná pracovná turbína pre GT 102
Pred zahájením vývoja ďalšieho modelu GTE s názvom GT 103 sa Dr. A. Müller pokúsil vylepšiť rozloženie existujúceho GT 102. Hlavným problémom jeho dizajnu boli pomerne veľké rozmery hlavnej jednotky, ktoré spôsobili je ťažké umiestniť celý motor do motorových priestorov vtedy dostupných nádrží. Na skrátenie dĺžky agregátu motora a prevodovky bolo navrhnuté navrhnúť kompresor ako samostatnú jednotku. Do motorového priestoru nádrže teda mohli byť umiestnené tri relatívne malé jednotky: kompresor, hlavná spaľovacia komora a turbína, ako aj jednotka výkonovej turbíny s vlastnou spaľovacou komorou. Táto verzia GTE dostala názov GT 102 Ausf. 2. Okrem umiestnenia kompresora do samostatnej jednotky boli urobené pokusy urobiť to isté so spaľovacou komorou alebo turbínou, ale nemali veľký úspech. Konštrukcia motora s plynovou turbínou sa nedala rozdeliť na veľký počet jednotiek bez znateľných strát vo výkone.
Motor GT 103
Alternatíva k motoru s plynovou turbínou GT 102 Ausf. 2 s možnosťou „bezplatného“usporiadania jednotiek v existujúcom objeme bol nový vývoj GT 103. Nemeckí konštruktéri motorov sa tentokrát rozhodli zamerať nie na pohodlie umiestnenia, ale na efektivitu práce. Do zariadenia motora bol zavedený výmenník tepla. Predpokladalo sa, že s jeho pomocou výfukové plyny ohrejú vzduch vstupujúci cez kompresor, čím sa dosiahnu hmatateľné úspory paliva. Podstata tohto riešenia spočívala v tom, že predhriaty vzduch umožní minúť menej paliva na udržanie požadovanej teploty pred turbínou. Podľa predbežných výpočtov by použitie výmenníka tepla mohlo znížiť spotrebu paliva o 25-30 percent. Za určitých podmienok boli tieto úspory schopné urobiť nový GTE vhodným na praktické použitie.
Vývojom výmenníka tepla boli poverení „subdodávatelia“zo spoločnosti Brown Boveri. Hlavným projektantom tejto jednotky bol V. Khrinizhak, ktorý sa predtým podieľal na tvorbe kompresorov pre tankové motory s plynovými turbínami. Následne sa Chrynižak stal renomovaným špecialistom na výmenníky tepla a jeho účasť na projekte GT 103 bola pravdepodobne jedným z predpokladov toho. Vedec použil dosť odvážne a originálne riešenie: hlavným prvkom nového výmenníka tepla bol rotačný bubon vyrobený z poréznej keramiky. Vnútri bubna bolo umiestnených niekoľko špeciálnych priečok, ktoré zaisťovali cirkuláciu plynov. Počas prevádzky prechádzali horúce výfukové plyny dovnútra bubna cez jeho porézne steny a ohrievali ich. Stalo sa to počas pol otáčky bubna. Nasledujúca pol otáčka slúžila na prenos tepla do vzduchu prechádzajúceho zvnútra von. Vďaka systému usmerňovačov vo vnútri a mimo valca sa vzduch a výfukové plyny navzájom nemiešali, čo vylučovalo poruchy motora.
Použitie výmenníka tepla vyvolalo medzi autormi projektu vážne kontroverzie. Niektorí vedci a konštruktéri verili, že použitie tejto jednotky v budúcnosti umožní dosiahnuť vysoký výkon a relatívne nízke prietoky vzduchu. Iní zase videli vo výmenníku tepla iba pochybné prostriedky, ktorých výhody nemohli výrazne prevýšiť straty z komplikácií dizajnu. V spore o potrebu výmenníka tepla vyhrali prívrženci nového bloku. V určitom okamihu bol dokonca návrh vybaviť motor plynovej turbíny GT 103 dvoma zariadeniami na predhrievanie vzduchu naraz. Prvý výmenník tepla v tomto prípade musel ohrievať vzduch pre hlavný blok motora, druhý pre prídavnú spaľovaciu komoru. GT 103 bol teda vlastne GT 102 s výmenníkmi tepla zavedenými do konštrukcie.
Motor GT 103 nebol postavený, a preto je potrebné uspokojiť sa iba s jeho vypočítanými vlastnosťami. Navyše dostupné údaje o tomto GTE boli vypočítané ešte pred koncom vytvorenia výmenníka tepla. Preto by množstvo ukazovateľov v praxi pravdepodobne mohlo byť výrazne nižšie, ako sa očakávalo. Výkon hlavnej jednotky generovanej turbínou a absorbovanej kompresorom sa mal rovnať 1 400 konským silám. Maximálna konštrukčná rýchlosť otáčania kompresora a turbíny hlavnej jednotky je asi 19 tisíc otáčok za minútu. Spotreba vzduchu v hlavnej spaľovacej komore - 6 kg / s. Predpokladalo sa, že výmenník tepla zahreje prichádzajúci vzduch na 500 ° a plyny pred turbínou budú mať teplotu asi 800 °.
Energetická turbína sa podľa výpočtov mala otáčať rýchlosťou až 25 tisíc otáčok za minútu a na hriadeli dávať 800 koní. Spotreba vzduchu prídavnej jednotky bola 2 kg / s. Teplotné parametre vstupného vzduchu a výfukových plynov sa mali rovnať zodpovedajúcim charakteristikám hlavnej jednotky. Celková spotreba paliva celého motora pri použití vhodných výmenníkov tepla by nemala presiahnuť 200-230 g / hp h.
Výsledky programu
Vývoj nemeckých tankových motorov s plynovými turbínami sa začal až v lete 1944, keď sa šance Nemecka na víťazstvo v druhej svetovej vojne každým dňom zmenšovali. Červená armáda zaútočila na Tretiu ríšu z východu a vojská USA a Veľkej Británie prišli zo západu. V takýchto podmienkach Nemecko nemalo dostatočné príležitosti na plnohodnotné riadenie množstva sľubných projektov. Všetky pokusy o vytvorenie úplne nového motora pre tanky boli založené na nedostatku peňazí a času. Z tohto dôvodu už vo februári 1945 existovali tri plnohodnotné projekty tankových plynových turbínových motorov, ale žiadny z nich nedosiahol ani fázu prototypovej montáže. Celá práca bola obmedzená iba na teoretické štúdie a testy jednotlivých experimentálnych jednotiek.
Vo februári 1945 sa stala udalosť, ktorú možno považovať za začiatok konca nemeckého programu výroby tankových plynových turbínových motorov. Doktor Alfred Müller bol odvolaný z funkcie vedúceho projektu a na uvoľnené miesto bol vymenovaný jeho menovec Max Adolf Müller. M. A. Müller bol tiež prominentným špecialistom v oblasti elektrární s plynovými turbínami, ale jeho príchod do projektu zastavil najpokročilejší vývoj. Hlavnou úlohou pod novou hlavou bolo doladiť motor GT 101 a rozbehnúť jeho sériovú výrobu. Do konca vojny v Európe ostali necelé tri mesiace, a preto zmena vedenia projektu nestihla viesť k želanému výsledku. Všetky nemecké tankové GTE zostali na papieri.
Podľa niektorých zdrojov sa dokumentácia k projektom radu „GT“dostala do rúk spojencov a tí ju použili vo svojich projektoch. Prvé praktické výsledky v oblasti motorov plynových turbín pre pozemné vozidlá, ktoré sa objavili po skončení 2. svetovej vojny mimo Nemecka, však mali s vývojom oboch doktorov Müllera pramálo spoločné. Pokiaľ ide o motory s plynovou turbínou navrhnuté špeciálne pre nádrže, prvé sériové nádrže s takouto elektrárňou opustili montážne závody tovární iba štvrť storočia po dokončení nemeckých projektov.
