Fram till en viss tid ägnade Hitlers Tyskland inte mycket uppmärksamhet åt projekten för gasturbinkraftverk för markfordon. Så, 1941, monterades den första enheten för ett experimentellt lok, men dess tester avbröts snabbt på grund av ekonomisk otillräcklighet och närvaron av program med högre prioritet. Arbetet i riktning mot gasturbinmotorer (GTE) för markfordon fortsatte först 1944, då några av de negativa egenskaperna hos den befintliga tekniken och industrin var särskilt uttalade.
År 1944 startade arméns beväpningsdirektorat ett forskningsprojekt om GTE för stridsvagnar. Det fanns två huvudorsaker till de nya motorerna. För det första tog den tyska tankbyggnaden vid den tiden kurs mot tyngre stridsfordon, vilket krävde skapandet av en motor med hög effekt och små dimensioner. För det andra använde alla tillgängliga pansarfordon i viss mån knapp bensin, och detta införde vissa begränsningar för drift, ekonomi och logistik. Lovande gasturbinmotorer, som tyska industriledare sedan övervägde, skulle kunna förbruka mindre högkvalitativt och därmed billigare bränsle. Således, från den ekonomiska och tekniska synpunkten, var det enda alternativet till bensinmotorer en gasturbinmotor.
I den första etappen anfördes utvecklingen av en lovande tankmotor åt en grupp designers från Porsche, ledd av ingenjör O. Zadnik. Flera närstående företag skulle hjälpa Porsche -ingenjörerna. I synnerhet var SS Engine Research Department, med Dr. Alfred Müller i spetsen, involverad i projektet. Sedan mitten av trettiotalet har denna forskare arbetat med gasturbininstallationer och deltagit i utvecklingen av flera flygmotorer. När skapandet av en gasturbinmotor för tankar började hade Müller avslutat turboladdarprojektet, som senare användes på flera typer av kolvmotorer. Det är anmärkningsvärt att år 1943 lade Dr. Müller upprepade gånger förslag om starten på utvecklingen av tankgasturbinmotorer, men det tyska ledarskapet ignorerade dem.
Fem alternativ och två projekt
När huvudarbetet började (mitten av sommaren 1944) hade huvudrollen i projektet gått till organisationen som leddes av Müller. Vid denna tidpunkt fastställdes kraven för en lovande gasturbinmotor. Den skulle ha en effekt på cirka 1000 hk. och en luftförbrukning i storleksordningen 8,5 kg per sekund. Temperaturen i förbränningskammaren fastställdes med hänvisning till 800 °. På grund av några karaktäristiska drag hos gasturbinkraftverk för markfordon, måste flera hjälpprogram skapas innan utvecklingen av huvudprojektet började. Ett team av ingenjörer under ledning av Müller skapade och övervägde samtidigt fem alternativ för gasturbinmotorns arkitektur och layout.
De schematiska diagrammen för motorn skilde sig från varandra i antalet steg i kompressorn, turbinen och platsen för kraftturbinen som är associerad med transmissionen. Dessutom övervägdes flera alternativ för placeringen av förbränningskamrarna. Så i den tredje och fjärde versionen av GTE -layouten föreslogs att dela luftflödet från kompressorn i två. En ström i detta fall fick gå in i förbränningskammaren och därifrån till turbinen som roterar kompressorn. Den andra delen av den inkommande luften injicerades i sin tur i den andra förbränningskammaren, som levererade heta gaser direkt till kraftturbinen. Dessutom övervägdes alternativ med en annan position för värmeväxlaren för förvärmning av luften som kommer in i motorn.
I den första versionen av den lovande motorn, som nådde fasen av fullfjädrad design, borde en diagonal och axiell kompressor, liksom en tvåstegs turbin, ha placerats på samma axel. Den andra turbinen skulle placeras koaxiellt bakom den första och anslutas till överföringsenheterna. Samtidigt föreslogs den kraftturbin som levererar kraft till transmissionen att monteras på sin egen axel, inte ansluten till axeln för kompressorer och turbiner. Denna lösning kan förenkla motorns konstruktion, om inte för en allvarlig nackdel. Så när lasten tas bort (till exempel vid växling) kan den andra turbinen snurra upp till sådana hastigheter vid vilka det finns risk för förstörelse av bladen eller navet. Det föreslogs att lösa problemet på två sätt: antingen för att sakta ner arbetsturbinen i rätt ögonblick eller att ta bort gaser från den. Baserat på analysresultaten valdes det första alternativet.
Och ändå var den modifierade första versionen av tanken GTE för komplicerad och dyr för massproduktion. Müller fortsatte vidare forskning. För att förenkla designen ersattes några originaldelar med motsvarande enheter lånade från Heinkel-Hirt 109-011 turbojetmotor. Dessutom avlägsnades flera lager från tankmotorns konstruktion, där motoraxlarna hölls. Minska antalet axelstöd till två förenklade sammansättningar, men eliminerade behovet av en separat axel med en turbin som överför vridmoment till växellådan. Motorturbinen installerades på samma axel som kompressorns pumphjul och tvåstegsturbinen redan fanns på. Förbränningskammaren är utrustad med original roterande munstycken för sprutning av bränsle. I teorin gjorde de det möjligt att injicera bränsle mer effektivt och hjälpte också till att undvika överhettning av vissa delar av strukturen. En uppdaterad version av projektet var klar i mitten av september 1944.
Den första gasrörsenheten för pansarfordon
Den första gasrörsenheten för pansarfordon
Detta alternativ var inte heller utan nackdelar. Först och främst orsakade påståendena svårigheter med att bibehålla vridmomentet på den utgående axeln, som faktiskt var en förlängning av motorns huvudaxel. Den perfekta lösningen på problemet med kraftöverföring kan vara användningen av en elektrisk transmission, men bristen på koppar fick ett sådant system att glömmas bort. Som ett alternativ till elektrisk transmission övervägdes en hydrostatisk eller hydrodynamisk transformator. Vid användning av sådana mekanismer minskade kraftöverföringens effektivitet något, men de var betydligt billigare än ett system med generator och elmotorer.
GT 101 -motor
Vidareutveckling av den andra versionen av projektet ledde till ytterligare förändringar. Så, för att bevara prestandan hos GTE under chockbelastningar (till exempel under en gruvexplosion), tillkom ett tredje axellager. Dessutom ledde behovet av att förena kompressorn med flygmotorer till en förändring av vissa parametrar för tankens GTE -drift. Framför allt har luftförbrukningen ökat med cirka en fjärdedel. Efter alla modifieringar fick tankmotorprojektet ett nytt namn - GT 101. I detta skede nådde utvecklingen av ett gasturbinkraftverk för tankar det stadium då det var möjligt att påbörja förberedelserna för konstruktionen av den första prototypen, och sedan tanken utrustad med en gasturbinmotor.
Ändå drog finjusteringen av motorn ut och i slutet av hösten 1944 hade arbetet med att installera ett nytt kraftverk på tanken inte påbörjats. På den tiden arbetade tyska ingenjörer bara med att placera motorn på befintliga tankar. Det var ursprungligen planerat att basen för den experimentella GTE skulle vara tungtanken PzKpfw VI - "Tiger". Motorrummet i detta pansarfordon var dock inte tillräckligt stort för att rymma alla nödvändiga enheter. Även med ett relativt litet slagvolym var GT 101: s motor för lång för en Tiger. Av denna anledning beslutades att använda PzKpfw V -tanken, även känd som Panther, som grundtestfordon.
Vid slutförandet av GT 101 -motorn för användning på Panther -tanken bestämde kunden, som representerades av Land Forces Armaments Directorate, och projektutföraren kraven för prototypen. Det antogs att gasturbinmotorn skulle ge den specifika effekten hos en tank med en stridsvikt på cirka 46 ton till nivån 25-27 hk. per ton, vilket avsevärt kommer att förbättra dess köregenskaper. Samtidigt har kraven på maxhastighet knappast förändrats. Vibrationer och stötar från höghastighetskörning ökade risken för skador på chassikomponenter avsevärt. Som ett resultat var den högsta tillåtna hastigheten begränsad till 54-55 kilometer i timmen.
Gasturbinenhet GT 101 i tanken "Panther"
Precis som i fallet med Tiger var Panther -motorrummet inte tillräckligt stort för att rymma den nya motorn. Ändå lyckades konstruktörerna under ledning av Dr Miller passa GT 101 GTE i de tillgängliga volymerna. Det var sant att det stora motorns avgasrör måste placeras i ett runt hål i den bakre rustningsplattan. Trots den verkliga konstigheten ansågs en sådan lösning vara bekväm och lämplig även för massproduktion. Själva GT 101 -motorn på den experimentella "Panther" skulle placeras längs skrovets axel, med en växling uppåt, till taket på motorrummet. Bredvid motorn, i skrovens stänkskärmar, placerades flera bränsletankar i projektet. Platsen för växellådan hittades direkt under motorn. Luftintagsanordningarna fördes till byggnadens tak.
Förenklingen av utformningen av GT 101 -motorn, på grund av vilken den förlorade sin separata turbin i samband med växellådan, innebar svårigheter av annan karaktär. För användning med nya GTE måste en ny hydraulisk växellåda beställas. Organisationen ZF (Zahnradfabrik från Friedrichshafen) skapade på kort tid en trestegs momentomvandlare med en 12-växlad (!) Växellåda. Hälften av växlarna var för vägkörning, resten för terrängkörning. I motoröverföringsinstallationen av experimenttanken var det också nödvändigt att införa automatisering som övervakade motorns driftlägen. En särskild styrenhet var tänkt att övervaka motorvarvtalet och vid behov öka eller minska växeln, vilket hindrar GTE från att gå in i oacceptabla driftlägen.
Enligt forskarnas beräkningar kan gasturbinen GT 101 med en transmission från ZF ha följande egenskaper. Den maximala turbineffekten nådde 3750 hk, varav 2600 togs av kompressorn för att säkerställa motordriften. Således återstod "bara" 1100-1150 hästkrafter på utgående axeln. Kompressorns och turbinernas rotationshastighet, beroende på belastningen, varierade mellan 14-14,5 tusen varv per minut. Temperaturen på gaserna framför turbinen hölls på en förutbestämd nivå av 800 °. Luftförbrukningen var 10 kilo per sekund, den specifika bränsleförbrukningen, beroende på driftläge, var 430-500 g / hk.
GT 102 motor
Med en unikt hög effekt hade gasturbinmotorn GT 101 en lika anmärkningsvärd bränsleförbrukning, ungefär dubbelt så hög som för de bensinmotorer som var tillgängliga vid den tiden i Tyskland. Förutom bränsleförbrukning hade GTE GT 101 flera fler tekniska problem som krävde ytterligare forskning och korrigering. I detta avseende började ett nytt projekt GT 102, där det var planerat att behålla alla uppnådda framgångar och bli av med de befintliga bristerna.
I december 1944, A. Müller kom fram till att det var nödvändigt att återgå till en av de tidigare idéerna. För att optimera driften av den nya GTE föreslogs det att använda en separat turbin på sin egen axel, ansluten till överföringsmekanismerna. Samtidigt måste motorturbinen i GT 102 -motorn vara en separat enhet, inte placerad koaxiellt med huvudenheterna, som tidigare föreslagits. Huvudblocket för det nya gasturbinkraftverket var GT 101 med minimala förändringar. Den hade två kompressorer med nio steg och en trestegs turbin. När vi utvecklade GT 102 visade det sig att huvudblocket på den tidigare GT 101 -motorn, om det behövs, inte kan placeras längs, utan tvärs över motorrummet i Panther -tanken. Så gjorde de när de monterade enheterna i experimenttanken. Luftintagsanordningarna på gasturbinmotorn var nu placerade på taket på vänster sida, avgasröret på höger sida.
Gasturbinenhet GT 102 i tanken "Panther"
Gasturbinkompressor GT 102
Mellan kompressorn och förbränningskammaren i huvudmotorblocket fanns ett rör för avluftning av luft till den extra förbränningskammaren och turbinen. Enligt beräkningar fick 70% av luften som kom in i kompressorn gå igenom huvuddelen av motorn och endast 30% genom tillägget, med en kraftturbin. Placeringen av det extra blocket är intressant: axeln för dess förbränningskammare och kraftturbin borde ha varit placerad vinkelrätt mot axeln för huvudmotorblocket. Det föreslogs att placera kraftturbinenheterna under huvudenheten och utrusta dem med ett eget avgasrör, som togs ut mitt på taket i motorrummet.
Den "medfödda sjukdomen" i GT 102: s gasturbinmotors layout var risken att överturpa motorkraftverket med efterföljande skador eller förstörelse. Det föreslogs att lösa detta problem på det enklaste sättet: att placera ventiler för att styra flödet i röret som tillför luft till den extra förbränningskammaren. Samtidigt visade beräkningar att den nya GT 102 GTE kan ha otillräcklig gasrespons på grund av särdragen i driften av en relativt lätt effektturbin. Designspecifikationerna, såsom utgående axeleffekt eller turbineffekt för huvudenheten, förblev på samma nivå som den tidigare GT 101 -motorn, vilket kan förklaras av den nästan fullständiga frånvaron av större konstruktionsförändringar, förutom effektens utseende turbinenhet. Ytterligare förbättring av motorn krävde användning av nya lösningar eller till och med öppnandet av ett nytt projekt.
Separat arbetsturbin för GT 102
Innan vi påbörjade utvecklingen av nästa GTE -modell, kallad GT 103, gjorde Dr. A. Müller ett försök att förbättra utformningen av den befintliga GT 102. Huvudproblemet med dess design var huvudenhetens ganska stora dimensioner, vilket gjorde det är svårt att placera hela motorn i motorrummen på de tankar som fanns tillgängliga vid den tiden. För att minska längden på motoröverföringsenheten föreslogs att konstruera kompressorn som en separat enhet. Således skulle tre relativt små enheter kunna placeras inuti tankens motorrum: en kompressor, en huvudförbränningskammare och en turbin, samt en kraftturbinenhet med en egen förbränningskammare. Denna version av GTE fick namnet GT 102 Ausf. 2. Förutom att placera kompressorn i en separat enhet har försök gjorts att göra detsamma med förbränningskammaren eller turbinen, men de har inte haft någon större framgång. Utformningen av gasturbinmotorn tillät sig inte att delas upp i ett stort antal enheter utan märkbara prestandaförluster.
GT 103 motor
Ett alternativ till gasturbinmotorn GT 102 Ausf. 2 med möjlighet till "gratis" arrangemang av enheter i den befintliga volymen var den nya utvecklingen av GT 103. Den här gången beslutade de tyska motorbyggarna att inte fokusera på bekvämligheten med placering, utan på arbetets effektivitet. En värmeväxlare introducerades i motorutrustningen. Det antogs att med hjälp av avgaserna värmer luften som kommer in genom kompressorn, vilket kommer att uppnå påtagliga bränslebesparingar. Kärnan i denna lösning var att den förvärmda luften skulle göra det möjligt att spendera mindre bränsle för att hålla den önskade temperaturen framför turbinen. Enligt preliminära beräkningar kan användningen av en värmeväxlare minska bränsleförbrukningen med 25-30 procent. Under vissa förutsättningar kunde sådana besparingar göra den nya GTE lämplig för praktisk användning.
Utvecklingen av värmeväxlaren anförtrotts "underleverantörer" från företaget Brown Boveri. Huvuddesignern för denna enhet var V. Khrinizhak, som tidigare hade deltagit i skapandet av kompressorer för tankgasturbinmotorer. Därefter blev Chrynižak en känd specialist på värmeväxlare och hans deltagande i GT 103 -projektet var förmodligen en av förutsättningarna för detta. Forskaren tillämpade en ganska djärv och original lösning: huvudelementet i den nya värmeväxlaren var en roterande trumma av porös keramik. Flera speciella skiljeväggar placerades inuti trumman, vilket säkerställde cirkulation av gaser. Under drift passerade heta avgaser inuti trumman genom dess porösa väggar och värmde dem. Detta hände under en halv trumsväng. Nästa halvvarv användes för att överföra värme till luften som passerade från insidan till utsidan. Tack vare systemet med bafflar inuti och utanför cylindern blandades inte luft och avgaser med varandra, vilket utesluter motorstörningar.
Användningen av värmeväxlaren orsakade allvarliga kontroverser bland projektförfattarna. Vissa forskare och designers trodde att användningen av denna enhet i framtiden skulle göra det möjligt att uppnå hög effekt och relativt låga luftflödeshastigheter. Andra såg i sin tur i värmeväxlaren bara ett tvivelaktigt medel, vars fördelar inte betydligt kunde överstiga förlusterna från designens komplikation. I tvisten om behovet av en värmeväxlare vann anhängarna till den nya enheten. Någon gång fanns det till och med ett förslag om att utrusta gasturbinmotorn GT 103 med två enheter för förvärmning av luften samtidigt. Den första värmeväxlaren i detta fall var tvungen att värma luften för huvudmotorblocket, den andra för den extra förbränningskammaren. Således var GT 103 faktiskt en GT 102 med värmeväxlare införda i designen.
GT 103 -motorn byggdes inte, varför det är nödvändigt att bara nöja sig med sina beräknade egenskaper. Dessutom beräknades tillgängliga data om denna GTE redan innan värmeväxlaren skapades. Därför kan ett antal indikatorer i praktiken troligen visa sig vara betydligt lägre än väntat. Kraften hos huvudenheten, genererad av turbinen och absorberad av kompressorn, skulle vara lika med 1400 hästkrafter. Den maximala konstruktionsrotationshastigheten för kompressorn och turbinen i huvudenheten är cirka 19 tusen varv per minut. Luftförbrukning i huvudförbränningskammaren - 6 kg / s. Det antogs att värmeväxlaren kommer att värma upp den inkommande luften till 500 °, och gaserna framför turbinen kommer att ha en temperatur på cirka 800 °.
Motorturbinen, enligt beräkningar, var tänkt att rotera med en hastighet på upp till 25 tusen varv / min och ge 800 hk på axeln. Luftförbrukningen för den extra enheten var 2 kg / s. Temperaturparametrarna för inloppsluften och avgaserna skulle vara lika med huvudenhetens motsvarande egenskaper. Den totala bränsleförbrukningen för hela motorn med användning av lämpliga värmeväxlare skulle inte överstiga 200-230 g / hk.
Resultat av programmet
Utvecklingen av tyska tankgasturbinmotorer började först sommaren 1944, då Tysklands chanser att vinna andra världskriget minskade varje dag. Röda armén attackerade det tredje riket från öst, och trupperna i USA och Storbritannien kom från väst. Under sådana förhållanden hade Tyskland inte tillräckliga möjligheter för fullfjädrad hantering av massan av lovande projekt. Alla försök att skapa en helt ny motor för tankar vilade på brist på pengar och tid. På grund av detta, i februari 1945, fanns det redan tre fullfjädrade projekt med tankgasturbinmotorer, men ingen av dem nådde ens prototypmonteringsstadiet. Allt arbete begränsades endast till teoretiska studier och tester av enskilda experimentenheter.
I februari 1945 ägde rum en händelse som kan betraktas som början på slutet av det tyska programmet för skapandet av tankgasturbinmotorer. Dr Alfred Müller avsattes från sin tjänst som chef för projektet, och hans namne Max Adolf Müller utsågs till den lediga tjänsten. M. A. Müller var också en framstående specialist inom gasturbinkraftverk, men hans ankomst till projektet stoppade den mest avancerade utvecklingen. Huvuduppgiften under det nya huvudet var att finjustera GT 101-motorn och starta sin serieproduktion. Mindre än tre månader återstod till slutet av kriget i Europa, varför bytet av projektledarskap inte hann leda till önskat resultat. Alla tyska tank -GTE förblev på papper.
Enligt vissa källor föll dokumentationen för projekten inom "GT" -linjen i de allierades händer och de använde den i sina projekt. De första praktiska resultaten inom gasturbinmotorer för markfordon, som dök upp efter andra världskrigets slut utanför Tyskland, hade dock lite gemensamt med utvecklingen av både Dr. Müller. När det gäller gasturbinmotorer som är speciellt utformade för tankar, lämnade de första serietankarna med ett sådant kraftverk fabriksmonteringsbutikerna bara ett kvarts sekel efter avslutade tyska projekt.
