Hitlerjeva Nemčija se do določenega časa ni posvečala veliko pozornosti projektom plinskoturbinskih elektrarn za zemeljska vozila. Tako je bila leta 1941 prva takšna enota sestavljena za poskusno lokomotivo, vendar so bili njeni testi hitro skrajšani zaradi gospodarske nesmiselnosti in prisotnosti programov z višjo prioriteto. Dela v smeri plinskoturbinskih motorjev (GTE) za zemeljska vozila so se nadaljevala šele leta 1944, ko so bile nekatere negativne lastnosti obstoječe tehnologije in industrije še posebej izrazite.
Leta 1944 je vojaški direktorat za oborožitev začel raziskovalni projekt o GTE za tanke. Za nova motorja sta bila dva glavna razloga. Prvič, takratna nemška zgradba tankov je tekla k težjim bojnim vozilom, kar je zahtevalo izdelavo motorja velike moči in majhnih dimenzij. Drugič, vsa razpoložljiva oklepna vozila so do neke mere uporabljala pomanjkanje bencina, kar je nalagalo nekatere omejitve, povezane z delovanjem, ekonomijo in logistiko. Obetavni motorji na plinsko turbino, kot so takrat menili vodilni v nemški industriji, bi lahko porabili manj kakovostnega in s tem cenejše gorivo. Tako je bil takrat z vidika ekonomije in tehnologije edina alternativa bencinskim motorjem plinskoturbinski motor.
Na prvi stopnji je bil razvoj obetavnega tankovskega motorja zaupan skupini oblikovalcev iz Porscheja na čelu z inženirjem O. Zadnikom. Porschejevim inženirjem naj bi pomagalo več povezanih podjetij. V projekt je bil vključen zlasti oddelek za raziskave motorjev SS, ki ga vodi dr. Alfred Müller. Od sredine tridesetih let se je ta znanstvenik ukvarjal s temo plinskoturbinskih naprav in sodeloval pri razvoju več letalskih reaktivnih motorjev. Do takrat, ko se je začelo ustvarjanje plinskoturbinskega motorja za rezervoarje, je Müller dokončal projekt turbopolnilnika, ki so ga kasneje uporabili pri več vrstah batnih motorjev. Omeniti velja, da je dr. Müller leta 1943 večkrat dajal predloge glede začetka razvoja tankovskih plinskoturbinskih motorjev, vendar jih je nemško vodstvo prezrlo.
Pet možnosti in dva projekta
Do začetka glavnega dela (sredi poletja 1944) je vodilna vloga v projektu prešla na organizacijo, ki jo vodi Müller. Takrat so bile določene zahteve za obetaven motor s plinsko turbino. Moč naj bi bila okoli 1000 KM. in poraba zraka reda 8,5 kilogramov na sekundo. Temperatura v zgorevalni komori je bila po nalogu določena na 800 °. Zaradi nekaterih značilnosti plinskoturbinskih elektrarn za zemeljska vozila je bilo treba pred začetkom razvoja glavnega projekta ustvariti več pomožnih. Skupina inženirjev pod vodstvom Müllerja je hkrati ustvarila in preučila pet možnosti za arhitekturo in postavitev motorja na plinsko turbino.
Shematski diagrami motorja so se med seboj razlikovali po številu stopenj kompresorja, turbine in lokaciji energetske turbine, povezane s prenosom. Poleg tega je bilo preučenih več možnosti za lokacijo zgorevalnih komor. Tako je bilo v tretji in četrti različici postavitve GTE predlagano, da se pretok zraka iz kompresorja razdeli na dva. En tok je moral v tem primeru iti v zgorevalno komoro in od tam v turbino, ki vrti kompresor. Drugi del vstopnega zraka pa smo vbrizgali v drugo zgorevalno komoro, ki je vroče pline dovajala neposredno v turbino. Upoštevane so bile tudi možnosti z drugačnim položajem toplotnega izmenjevalnika za predgrevanje zraka, ki vstopa v motor.
V prvi različici obetavnega motorja, ki je dosegel stopnjo popolne zasnove, bi moral biti na isti osi nameščen diagonalni in aksialni kompresor ter dvostopenjska turbina. Drugo turbino naj bi koaksialno postavili za prvo in jo povezali z prenosnimi enotami. Hkrati je bilo predlagano, da se energetska turbina, ki napaja prenos, namesti na lastno os, ne pa na os kompresorjev in turbin. Ta rešitev bi lahko poenostavila zasnovo motorja, če ne zaradi ene resne pomanjkljivosti. Torej, pri odstranjevanju bremena (na primer med menjavo prestave) se lahko druga turbina vrti do takšnih hitrosti, pri katerih obstaja nevarnost uničenja lopatic ali pesta. Predlagano je bilo, da se problem reši na dva načina: bodisi upočasniti delujočo turbino v pravih trenutkih bodisi odstraniti pline iz nje. Na podlagi rezultatov analize je bila izbrana prva možnost.
Pa vendar je bila spremenjena prva različica tanka GTE preveč zapletena in draga za množično proizvodnjo. Müller je nadaljeval z raziskavami. Zaradi poenostavitve zasnove so bili nekateri originalni deli zamenjani z ustreznimi enotami, izposojenimi pri turboreaktivnem motorju Heinkel-Hirt 109-011. Poleg tega je bilo iz zasnove tankovskega motorja, na katerem so bile osi motorja, odstranjenih več ležajev. Zmanjšalo se je število nosilcev gredi na dve poenostavljeni montaži, odpravila pa se je potreba po ločeni osi s turbino, ki prenaša navor na menjalnik. Močna turbina je bila nameščena na isti gredi, na kateri sta že bili rotorji kompresorja in dvostopenjska turbina. Zgorevalna komora je opremljena z originalnimi vrtljivimi šobami za brizganje goriva. Teoretično so omogočili učinkovitejše vbrizgavanje goriva in preprečili pregrevanje nekaterih delov konstrukcije. Posodobljena različica projekta je bila pripravljena sredi septembra 1944.
Prva enota s plinsko cevjo za oklepna vozila
Prva enota s plinsko cevjo za oklepna vozila
Tudi ta možnost ni brez pomanjkljivosti. Najprej so trditve povzročale težave pri vzdrževanju navora na izhodni gredi, ki je bila dejansko podaljšek glavne gredi motorja. Idealna rešitev problema prenosa energije bi lahko bila uporaba električnega prenosa, vendar je zaradi pomanjkanja bakra takšen sistem pozabljen. Kot alternativo električnemu prenosu smo upoštevali hidrostatični ali hidrodinamični transformator. Pri uporabi takšnih mehanizmov se je učinkovitost prenosa energije nekoliko zmanjšala, vendar so bili bistveno cenejši od sistema z generatorjem in elektromotorji.
Motor GT 101
Nadaljnji razvoj druge različice projekta je privedel do nadaljnjih sprememb. Tako je bil za ohranitev delovanja GTE pri udarnih obremenitvah (na primer med eksplozijo rudnika) dodan tretji ležaj gredi. Poleg tega je potreba po poenotenju kompresorja z letalskimi motorji povzročila spremembo nekaterih parametrov delovanja tankovskega GTE. Zlasti se je poraba zraka povečala za približno četrtino. Po vseh spremembah je projekt tankovskega motorja dobil novo ime - GT 101. Na tej stopnji je razvoj elektrarne na plinsko turbino za tanke dosegel stopnjo, ko je bilo mogoče začeti priprave na gradnjo prvega prototipa, in nato rezervoar, opremljen s plinskoturbinskim motorjem.
Kljub temu se je fino uglaševanje motorja zavleklo in do konca jeseni 1944 se dela na namestitvi nove elektrarne na rezervoar niso začela. Takrat so nemški inženirji delali le na postavitvi motorja na obstoječe rezervoarje. Prvotno je bilo načrtovano, da bo osnova za poskusni GTE težki tank PzKpfw VI - "Tiger". Vendar motorni prostor tega oklepnega vozila ni bil dovolj velik, da bi sprejel vse potrebne enote. Tudi z relativno majhno prostornino je bil motor GT 101 predolg za Tigra. Zaradi tega je bilo odločeno, da se kot osnovno preskusno vozilo uporabi rezervoar PzKpfw V, znan tudi kot Panther.
V fazi dokončanja motorja GT 101 za uporabo na tanku Panther je naročnik, ki ga predstavlja Direktorat za oborožitev kopenskih sil, in izvajalec projekta določil zahteve za prototip. Predvidevalo se je, da bo motor s plinsko turbino pripeljal specifično moč tanka z bojno težo okoli 46 ton na raven 25-27 KM. na tono, kar bo znatno izboljšalo njegove vozne lastnosti. Hkrati se zahteve za največjo hitrost skoraj niso spremenile. Vibracije in udarci pri hitri vožnji so znatno povečali tveganje poškodb sestavnih delov podvozja. Posledično je bila največja dovoljena hitrost omejena na 54-55 kilometrov na uro.
Plinska turbinska enota GT 101 v rezervoarju "Panther"
Tako kot v primeru Tigra tudi Pantherov motorni prostor ni bil dovolj velik za sprejem novega motorja. Kljub temu je oblikovalcem pod vodstvom dr. Millerja uspelo GT 101 GTE prilagoditi razpoložljivim količinam. Res je, da je treba veliko izpušno cev motorja postaviti v okroglo luknjo v zadnji oklepni plošči. Kljub navidezni nenavadnosti je takšna rešitev veljala za primerno in primerno tudi za množično proizvodnjo. Sam motor GT 101 na poskusnem "Panterju" naj bi bil postavljen vzdolž osi trupa s premikom navzgor do strehe motornega prostora. Poleg motorja, v blatnikih trupa, je bilo v projekt postavljenih več rezervoarjev za gorivo. Kraj za prenos je bil najden neposredno pod motorjem. Na streho stavbe so pripeljali naprave za dovod zraka.
Poenostavitev zasnove motorja GT 101, zaradi katere je izgubil svojo ločeno turbino, povezano s menjalnikom, je povzročila težave drugačne narave. Za uporabo z novim GTE je bilo treba naročiti nov hidravlični menjalnik. Organizacija ZF (Zahnradfabrik iz Friedrichshafna) je v kratkem času ustvarila tristopenjski pretvornik navora z 12-stopenjskim (!) Menjalnikom. Polovica prestav je bila za vožnjo po cesti, preostanek za vožnjo po cesti. V instalacijo poskusnega rezervoarja za prenos motorja je bilo treba uvesti tudi avtomatizacijo, ki je spremljala načine delovanja motorja. Posebna krmilna naprava naj bi spremljala število vrtljajev motorja in po potrebi povečala ali zmanjšala prestavo ter tako preprečila vstop GTE v nesprejemljive načine delovanja.
Po izračunih znanstvenikov bi lahko imela plinska turbina GT 101 s prenosom iz ZF naslednje značilnosti. Največja moč turbine je dosegla 3750 KM, od tega je 2600 porabil kompresor za zagotovitev delovanja motorja. Tako je na izhodni gredi ostalo "le" 1100-1150 konjskih moči. Hitrost vrtenja kompresorja in turbin je glede na obremenitev nihala med 14-14,5 tisoč vrtljaji na minuto. Temperatura plinov pred turbino je bila vzdrževana na vnaprej določeni ravni 800 °. Poraba zraka je bila 10 kilogramov na sekundo, specifična poraba goriva, odvisno od načina delovanja, je bila 430-500 g / KM na uro.
Motor GT 102
Z edinstveno veliko močjo je bencinski turbinski motor GT 101 imel enako izjemno porabo goriva, približno dvakrat večjo kot pri bencinskih motorjih, ki so bili takrat na voljo v Nemčiji. Poleg porabe goriva je imel GTE GT 101 še nekaj tehničnih težav, ki so zahtevale dodatne raziskave in popravke. V zvezi s tem se je začel nov projekt GT 102, v katerem je bilo načrtovano ohraniti vse dosežene uspehe in se znebiti obstoječih pomanjkljivosti.
Decembra 1944 je A. Müller je prišel do zaključka, da se je treba vrniti k eni od prejšnjih idej. Za optimizacijo delovanja novega GTE je bila predlagana uporaba ločene turbine na lastni osi, povezana s prenosnimi mehanizmi. Hkrati je morala biti energetska turbina motorja GT 102 ločena enota, ki ni nameščena soosno z glavnimi enotami, kot je bilo prej predlagano. Glavni blok nove elektrarne na plinsko turbino je bil GT 101 z minimalnimi spremembami. Imel je dva kompresorja z devetimi stopnjami in tristopenjsko turbino. Pri razvoju GT 102 se je izkazalo, da je glavni blok prejšnjega motorja GT 101 po potrebi mogoče postaviti ne vzdolž, ampak čez motorni prostor rezervoarja Panther. Tako so storili pri sestavljanju enot poskusnega tanka. Naprave za dovod zraka motorja s plinsko turbino so bile zdaj nameščene na strehi na levi strani, izpušna cev na desni strani.
Plinska turbinska enota GT 102 v rezervoarju "Panther"
Kompresor plinske turbine GT 102
Med kompresorjem in zgorevalno komoro glavnega bloka motorja je bila predvidena cev za odvod zraka v dodatno zgorevalno komoro in turbino. Po izračunih je moralo 70% zraka, ki je vstopilo v kompresor, skozi glavni del motorja in le 30% skozi dodatni, z motorno turbino. Zanimiva je lokacija dodatnega bloka: os njegove zgorevalne komore in pogonske turbine bi morala biti nameščena pravokotno na os glavnega bloka motorja. Predlagano je bilo, da se energetske turbinske enote postavijo pod glavno enoto in jih opremijo z lastno izpušno cevjo, ki je bila izvlečena sredi strehe motornega prostora.
"Prirojena bolezen" postavitve plinskoturbinskega motorja GT 102 je bila nevarnost pretiranega vrtenja pogonske turbine s posledično poškodbo ali uničenjem. Predlagano je bilo, da se ta problem reši na najpreprostejši način: postaviti ventile za nadzor pretoka v cevi, ki dovaja zrak v dodatno zgorevalno komoro. Hkrati so izračuni pokazali, da ima novi GT 102 GTE premajhen odziv na plin zaradi posebnosti delovanja sorazmerno lahke turbine. Konstrukcijske specifikacije, kot sta moč izhodne gredi ali moč turbine glavne enote, so ostale na isti ravni kot prejšnji motor GT 101, kar je mogoče razložiti s skoraj popolno odsotnostjo večjih oblikovnih sprememb, razen videza moči turbinsko enoto. Nadaljnja izboljšava motorja je zahtevala uporabo novih rešitev ali celo odprtje novega projekta.
Ločena delovna turbina za GT 102
Pred začetkom razvoja naslednjega modela GTE, imenovanega GT 103, je dr. A. Müller poskušal izboljšati postavitev obstoječega GT 102. Glavni problem njegove zasnove so bile precej velike dimenzije glavne enote, zaradi česar je težko je ves motor postaviti v motorne oddelke rezervoarjev, ki so bili takrat na voljo. Za zmanjšanje dolžine motorno-prenosne enote je bilo predlagano, da se kompresor oblikuje kot ločena enota. Tako bi lahko v motorni prostor rezervoarja namestili tri razmeroma majhne enote: kompresor, glavno zgorevalno komoro in turbino, pa tudi agregat z močjo z lastno zgorevalno komoro. Ta različica GTE se je imenovala GT 102 Ausf. 2. Poleg tega, da so kompresor postavili v ločeno enoto, so poskušali narediti enako z zgorevalno komoro ali turbino, vendar niso imeli velikega uspeha. Zasnova plinskoturbinskega motorja se ni dovolila razdeliti na veliko število enot brez opaznih izgub pri delovanju.
Motor GT 103
Alternativa plinskoturbinskemu motorju GT 102 Ausf. 2 z možnostjo "brezplačne" razporeditve enot v obstoječem obsegu je bil nov razvoj GT 103. Tokrat so se nemški graditelji motorjev odločili, da se ne bodo osredotočili na udobje namestitve, ampak na učinkovitost dela. V opremo motorja je bil uveden toplotni izmenjevalec. Predvidevalo se je, da bodo izpušni plini z njegovo pomočjo segrevali zrak, ki vstopa skozi kompresor, kar bo doseglo oprijemljive prihranke goriva. Bistvo te rešitve je bilo, da bi predgreti zrak omogočil porabo manj goriva za vzdrževanje zahtevane temperature pred turbino. Po prvih izračunih bi lahko uporaba toplotnega izmenjevalca zmanjšala porabo goriva za 25-30 odstotkov. Pod določenimi pogoji so bili takšni prihranki novi GTE primerni za praktično uporabo.
Razvoj toplotnega izmenjevalca so zaupali "podizvajalcem" podjetja Brown Boveri. Glavni oblikovalec te enote je bil V. Khrinizhak, ki je prej sodeloval pri ustvarjanju kompresorjev za bencinsko -turbinske motorje. Kasneje je Chrynižak postal priznan specialist za toplotne izmenjevalce in njegova udeležba pri projektu GT 103 je bila verjetno eden od predpogojev za to. Znanstvenik je uporabil precej drzno in izvirno rešitev: glavni element novega toplotnega izmenjevalnika je bil vrtljiv boben iz porozne keramike. V boben je bilo nameščenih več posebnih predelnih sten, ki so zagotavljale kroženje plinov. Med delovanjem so vroči izpušni plini prehajali znotraj bobna skozi njegove porozne stene in jih segrevali. To se je zgodilo med pol obračanja bobna. Naslednji pol obrata je bil uporabljen za prenos toplote v zrak, ki prehaja od znotraj navzven. Zahvaljujoč sistemu pregrad znotraj in zunaj cilindra se zrak in izpušni plini med seboj niso mešali, kar je izključilo okvare motorja.
Uporaba toplotnega izmenjevalca je povzročila resne polemike med avtorji projekta. Nekateri znanstveniki in oblikovalci so verjeli, da bo uporaba te enote v prihodnosti omogočila doseganje velike moči in relativno nizkih pretokov zraka. Drugi pa so v toplotnem izmenjevalniku videli le dvomljivo sredstvo, katerega koristi ne bi mogle bistveno presegati izgub zaradi zapleta pri načrtovanju. V sporu o potrebi po toplotnem izmenjevalniku so zmagali privrženci nove enote. V nekem trenutku je bil celo predlog, da se motor plinske turbine GT 103 opremi z dvema napravama za predgrevanje zraka hkrati. Prvi izmenjevalnik toplote je v tem primeru moral segreti zrak za glavni blok motorja, drugi za dodatno zgorevalno komoro. Tako je bil GT 103 pravzaprav GT 102 z izmenjevalniki toplote, uvedenimi v zasnovo.
Motor GT 103 ni bil izdelan, zato se je treba zadovoljiti le z njegovimi izračunanimi lastnostmi. Poleg tega so bili razpoložljivi podatki o tem GTE izračunani še pred koncem izdelave toplotnega izmenjevalnika. Zato bi se lahko številni kazalniki v praksi verjetno izkazali za bistveno nižje od pričakovanih. Moč glavne enote, ki jo ustvari turbina in jo absorbira kompresor, naj bi bila enaka 1400 konjskih moči. Največja načrtovana hitrost vrtenja kompresorja in turbine glavne enote je približno 19 tisoč vrtljajev na minuto. Poraba zraka v glavni zgorevalni komori - 6 kg / s. Predpostavljalo se je, da bo toplotni izmenjevalec segrel vstopni zrak na 500 °, plini pred turbino pa bodo imeli temperaturo okoli 800 °.
Močna turbina naj bi se po izračunih vrtela s hitrostjo do 25 tisoč vrtljajev na minuto in dala 800 KM na gred. Poraba zraka dodatne enote je bila 2 kg / s. Temperaturni parametri vstopnega zraka in izpušnih plinov naj bi bili enaki ustreznim značilnostim glavne enote. Skupna poraba goriva celotnega motorja z uporabo ustreznih toplotnih izmenjevalcev ne bi presegla 200-230 g / KM na uro.
Rezultati programa
Razvoj nemških tankovskih plinskoturbinskih motorjev se je začel šele poleti 1944, ko so se možnosti Nemčije za zmago v drugi svetovni vojni vsak dan zmanjševale. Rdeča armada je napadla tretji rajh z vzhoda, čete Združenih držav in Velike Britanije pa so prišle z zahoda. V takšnih razmerah Nemčija ni imela zadostnih možnosti za popolno upravljanje množice obetavnih projektov. Vsi poskusi ustvarjanja bistveno novega motorja za tanke so temeljili na pomanjkanju denarja in časa. Zaradi tega so do februarja 1945 že obstajali trije celoviti projekti tankovskih plinskoturbinskih motorjev, vendar nobeden od njih sploh ni dosegel stopnje montaže prototipov. Vse delo je bilo omejeno le na teoretične študije in preizkuse posameznih poskusnih enot.
Februarja 1945 se je zgodil dogodek, ki ga lahko štejemo za začetek konca nemškega programa za ustvarjanje tankovskih plinskoturbinskih motorjev. Alfred Müller je bil odstranjen z mesta vodje projekta, na prosto mesto pa je bil imenovan njegov soimenjak Max Adolf Müller. M. A. Müller je bil tudi pomemben specialist na področju plinskoturbinskih elektrarn, vendar je njegov prihod na projekt ustavil najnaprednejši razvoj. Glavna naloga novega vodje je bila natančna nastavitev motorja GT 101 in začetek njegove serijske proizvodnje. Do konca vojne v Evropi je ostalo manj kot tri mesece, zato sprememba vodstva projekta ni imela časa, da bi pripeljala do želenega rezultata. Vsi nemški tankovski GTE so ostali na papirju.
Po nekaterih virih je dokumentacija o projektih linije "GT" prišla v roke zaveznikom in so jo uporabili pri svojih projektih. Vendar pa prvi praktični rezultati na področju plinskoturbinskih motorjev za kopenska vozila, ki so se pojavili po koncu druge svetovne vojne zunaj Nemčije, niso imeli veliko skupnega z razvojem obeh dr. Müllerja. Kar zadeva plinskoturbinske motorje, zasnovane posebej za rezervoarje, so prvi serijski rezervoarji s takšno elektrarno zapustili montažne delavnice tovarn šele četrt stoletja po zaključku nemških projektov.
