Do određenog vremena Hitlerova Njemačka nije posvećivala veliku pozornost projektima plinskoturbinskih elektrana za kopnena vozila. Tako je 1941. godine sastavljena prva takva jedinica za pokusnu lokomotivu, ali su njezina ispitivanja brzo smanjena zbog gospodarske neispravnosti i prisutnosti programa većeg prioriteta. Rad u smjeru plinskoturbinskih motora (GTE) za kopnena vozila nastavljen je tek 1944. godine, kada su neke negativne značajke postojeće tehnologije i industrije bile posebno izražene.
Godine 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, što je nametnulo određena ograničenja vezana za rad, ekonomiju i logistiku. Obećavajući motori s plinskim turbinama, kako su tada smatrali čelnici njemačke industrije, mogli bi trošiti manje kvalitetno i, sukladno tome, jeftinije gorivo. Tako je u to vrijeme, s gledišta ekonomije i tehnologije, jedina alternativa benzinskim motorima bio plinskoturbinski motor.
U prvoj fazi razvoj perspektivnog tenkovskog motora povjeren je skupini dizajnera iz Porschea na čelu s inženjerom O. Zadnikom. Nekoliko povezanih poduzeća trebalo je pomoći Porscheovim inženjerima. Konkretno, u projekt je bio uključen Odjel za istraživanje motora SS -a na čelu s dr. Alfredom Müllerom. Od sredine tridesetih godina ovaj je znanstvenik radio na temi plinskoturbinskih instalacija i sudjelovao u razvoju nekoliko zrakoplovnih mlaznih motora. Do početka stvaranja motora s plinskom turbinom za spremnike, Müller je dovršio projekt turbopunjača, koji se kasnije koristio na nekoliko tipova klipnih motora. Znakovito je da je 1943. dr. Müller više puta davao prijedloge u vezi s početkom razvoja tenkovskih plinskoturbinskih motora, ali ih je njemačko vodstvo ignoriralo.
Pet mogućnosti i dva projekta
Do početka glavnog rada (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 potrošnjom zraka reda veličine 8,5 kilograma u sekundi. Temperatura u komori za izgaranje postavljena je projektnim zadatkom na 800 °. Zbog nekih karakterističnih svojstava elektrana na plinske turbine za kopnena vozila, prije početka izrade glavnog projekta moralo se stvoriti nekoliko pomoćnih. Tim inženjera predvođen Müllerom istodobno je stvorio i razmotrio pet mogućnosti 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 mjesto komora za izgaranje. Dakle, u trećoj i četvrtoj verziji rasporeda GTE -a predloženo je podijeliti protok zraka iz kompresora 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 izgaranje, koja je isporučivala vruće plinove izravno u energetsku turbinu. Također su razmatrane mogućnosti s drugačijim položajem izmjenjivača topline za predgrijavanje zraka koji ulazi u motor.
U prvoj verziji obećavajućeg motora, koji je dosegao fazu potpunog dizajna, dijagonalni i aksijalni kompresor, kao i dvostupanjska turbina, trebali su se nalaziti na istoj osi. Druga je turbina trebala biti postavljena koaksijalno iza prve i spojena na prijenosne jedinice. 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 skidanju tereta (na primjer, tijekom promjene 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 su originalni dijelovi zamijenjeni odgovarajućim jedinicama posuđenim iz turboreaktivnog motora Heinkel-Hirt 109-011. Osim toga, iz dizajna motora spremnika 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 rujna 1944. godine.
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 s održavanjem okretnog momenta na izlaznom vratilu, što je zapravo bilo produžetak glavnog vratila motora. Idealno rješenje problema prijenosa energije moglo bi biti korištenje električnog mjenjača, ali je nedostatak bakra učinio takav sustav zaboravljenim. Kao alternativa električnom prijenosu, razmotren je hidrostatički ili hidrodinamički transformator. Kad su se koristili takvi mehanizmi, učinkovitost prijenosa energije je neznatno smanjena, ali su bili znatno jeftiniji od sustava s generatorom i elektromotorima.
Motor GT 101
Daljnji 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 zrakoplovnim motorima dovela je do promjene nekih parametara rada spremnika GTE. Konkretno, potrošnja zraka povećala se za oko četvrtinu. Nakon svih izmjena, projekt tenkovskog motora dobio je novo ime - GT 101. U ovoj je fazi razvoj elektrane na plinsku turbinu za tenkove došao u fazu kada je bilo moguće započeti pripreme za izgradnju prvog prototipa, a zatim spremnik opremljen plinskoturbinskim motorom.
Ipak, fino ugađanje motora se odužilo i do kraja jeseni 1944. radovi na postavljanju nove elektrane na tenk nisu počeli. U to su vrijeme njemački inženjeri radili samo na postavljanju motora na postojeće tenkove. Prvotno 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 uz relativno mali obujam, motor GT 101 bio je predug za Tigra. Iz tog razloga odlučeno je da se kao osnovno pokusno vozilo koristi spremnik PzKpfw V, poznat i kao Pantera.
U fazi finaliziranja motora GT 101 za upotrebu na tenku Panther, kupac, kojeg zastupa Uprava naoružanja Kopnene vojske, i izvršitelj projekta, utvrdili su zahtjeve za prototip. Pretpostavljalo se da će motor s plinskom turbinom dovesti specifičnu snagu tenka borbene mase oko 46 tona na razinu 25-27 KS. po toni, što će značajno poboljšati njegove vozne karakteristike. Istodobno, zahtjevi za najvećom brzinom gotovo se 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 se postaviti 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 pokusnom "Panteru" trebao je biti postavljen duž osi trupa, s pomakom prema gore, do krova motornog prostora. Uz motor, u branicima trupa, u projekt je postavljeno nekoliko spremnika goriva. Mjesto za prijenos pronađeno je izravno ispod motora. Uređaji za dovod 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 uporabu s novim GTE -om morao se naručiti novi hidraulični prijenos. Organizacija ZF (Zahnradfabrik iz Friedrichshafena) u kratkom je vremenu stvorila trostupanjski pretvarač zakretnog momenta s 12-stupanjskim (!) Mjenjačem. Polovica stupnjeva prijenosa bila je za cestovnu vožnju, ostatak za terensku vožnju. U instalaciju pokusnog spremnika s mjenjačem motora bilo je potrebno uvesti i automatizaciju koja je nadzirala načine rada motora. Poseban upravljački uređaj trebao je pratiti brzinu motora i po potrebi povećavati ili smanjivati stupanj prijenosa, sprječavajući GTE da uđe u neprihvatljive načine rada.
Prema izračunima znanstvenika, plinska turbina GT 101 s prijenosom 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 na izlaznom vratilu ostalo "samo" 1100-1150 konjskih snaga. Brzina rotacije kompresora i turbina, ovisno o opterećenju, varirala je između 14-14,5 tisuća okretaja u minuti. Temperatura plinova ispred turbine održavana je na unaprijed određenoj razini 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
Uz jedinstveno veliku snagu, 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 bilo planirano zadržati sve postignute uspjehe i riješiti se postojećih nedostataka.
U prosincu 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. Istodobno, 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. Imala je dva kompresora s devet stupnjeva i trostupanjsku turbinu. Prilikom razvoja GT 102 pokazalo se da se glavni blok prethodnog motora GT 101, ako je potrebno, može postaviti ne uzduž, već preko motornog prostora spremnika Panther. Tako su i učinili prilikom sastavljanja jedinica eksperimentalnog tenka. Uređaji za usisavanje zraka plinskoturbinskog motora sada su bili smješteni na krovu s lijeve strane, ispušna cijev s desne strane.
Jedinica plinske turbine GT 102 u spremniku "Panther"
Kompresorska jedinica 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 izračunima, 70% zraka koji ulazi u kompresor morao je proći kroz glavni dio motora, a samo 30% kroz dodatni, s turbinom na snagu. Zanimljivo je mjesto dodatnog bloka: os njegove komore za izgaranje i energetske turbine trebala se nalaziti okomito na os glavnog bloka motora. Predloženo je postaviti agregate s turbinskim pogonom ispod glavne jedinice i opremiti ih vlastitom ispušnom cijevi, koja je iznesena na sredini krova motornog prostora.
"Urođena bolest" rasporeda motora s plinskom turbinom GT 102 bila je opasnost od prekomjernog okretanja energetske turbine s naknadnim oštećenjem ili uništenjem. Predloženo je ovaj problem riješiti na najjednostavniji način: postaviti ventile za kontrolu protoka u cijevi koja dovodi zrak u dodatnu komoru za izgaranje. Istodobno, proračuni su pokazali da novi GT 102 GTE može 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 istoj razini kao i prethodni motor GT 101, što se može objasniti gotovo potpunim izostankom velikih promjena u dizajnu, osim izgledom 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 pokušao je poboljšati izgled postojećeg GT 102. Glavni problem njegova dizajna bile su prilično velike dimenzije glavne jedinice, zbog čega teško je staviti cijeli motor u motorne prostore spremnika koji su tada bili dostupni. Kako bi se smanjila duljina jedinice motora-mjenjača, predloženo je projektiranje kompresora kao zasebne jedinice. Tako bi se u motorni prostor spremnika mogle smjestiti tri relativno male jedinice: kompresor, glavna komora za izgaranje i turbina, kao i agregat za snažnu turbinu sa vlastitom komorom za izgaranje. 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 se dao podijeliti na veliki broj jedinica bez značajnih gubitaka u performansama.
Motor GT 103
Alternativa plinskom turbinskom motoru GT 102 Ausf. 2 s mogućnošću "besplatnog" rasporeda jedinica u postojećem volumenu bio je novi razvoj GT 103. Ovaj put njemački su se graditelji motora odlučili ne usredotočiti na praktičnost postavljanja, već na učinkovitost rada. U opremu motora uveden je izmjenjivač topline. Pretpostavljalo se da će uz njegovu pomoć ispušni plinovi zagrijavati zrak koji ulazi kroz kompresor, čime će se postići opipljiva ušteda goriva. Bit ovog rješenja bila je u tome što bi zagrijani zrak omogućio potrošnju manje goriva za održavanje potrebne temperature ispred turbine. Prema preliminarnim izračunima, upotreba izmjenjivača topline mogla bi smanjiti potrošnju goriva za 25-30 posto. Pod određenim uvjetima, takva je ušteda mogla učiniti novi GTE prikladnim za praktičnu uporabu.
Razvoj izmjenjivača topline povjeren je "kooperantima" iz tvrtke Brown Boveri. Glavni projektant ove jedinice bio je V. Khrinizhak, koji je prethodno sudjelovao u stvaranju kompresora za tenkovske plinskoturbinske 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. Znanstvenik je primijenio prilično odvažno i originalno rješenje: glavni element novog izmjenjivača topline bio je rotirajući bubanj izrađen od porozne keramike. Unutar bubnja je postavljeno nekoliko posebnih pregrada koje su osigurale cirkulaciju plinova. Tijekom rada, vrući ispušni plinovi prolazili su unutar bubnja kroz njegove porozne stijenke i zagrijavali ih. To se dogodilo tijekom pola okreta bubnja. Sljedeći poluokret iskorišten je za prijenos topline u zrak koji prolazi iznutra prema van. Zahvaljujući sustavu 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 su znanstvenici i dizajneri vjerovali da će uporaba 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 pobijedili su pristaše 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. Dakle, GT 103 je zapravo bio GT 102 s 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 vjerojatno mogli pokazati znatno nižim od očekivanih. Snaga glavne jedinice koju generira turbina i apsorbira kompresor trebala je biti jednaka 1400 konjskih snaga. Najveća projektirana brzina rotacije kompresora i turbine glavne jedinice je oko 19 tisuća okretaja u minuti. Potrošnja zraka u glavnoj komori za izgaranje - 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 izračunima, trebala se okretati brzinom do 25 tisuća okretaja u minuti 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 korištenje odgovarajućih izmjenjivača topline ne bi prelazila 200-230 g / KS h.
Rezultati programa
Razvoj njemačkih tenkovskih plinskoturbinskih motora započeo je tek u ljeto 1944., kada su šanse Njemačke za pobjedu u Drugom svjetskom ratu svakim danom bile sve manje. Crvena armija napala je Treći Reich s istoka, a trupe Sjedinjenih Država i Velike Britanije došle su sa zapada. U takvim uvjetima Njemačka nije imala dovoljno mogućnosti za punopravno upravljanje masom projekata koji obećavaju. Svi pokušaji stvaranja bitno 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 niti jedan od njih nije ni došao do faze montaže prototipa. Sav je rad bio ograničen samo na teoretske studije i ispitivanja pojedinih pokusnih 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 voditelja 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, no njegov dolazak na projekt zaustavio je 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 Europi, 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 Drugoga 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.
