Do pewnego czasu hitlerowskie Niemcy nie przywiązywały większej wagi do projektów elektrowni z turbiną gazową dla pojazdów naziemnych. Tak więc w 1941 r. Zbudowano pierwszą taką jednostkę do eksperymentalnej lokomotywy, ale jej testy zostały szybko przerwane z powodu braku ekonomicznej opłacalności i obecności programów o wyższym priorytecie. Prace w kierunku silników z turbiną gazową (GTE) do pojazdów naziemnych kontynuowano dopiero w 1944 r., kiedy niektóre negatywne cechy istniejącej technologii i przemysłu były szczególnie widoczne.
W 1944 roku Dyrekcja Uzbrojenia Armii rozpoczęła projekt badawczy dotyczący GTE dla czołgów. Nowe silniki miały dwa główne powody. Po pierwsze, niemieckie czołgi w tym czasie obrały kurs na cięższe pojazdy bojowe, co wymagało stworzenia silnika o dużej mocy i małych gabarytach. Po drugie, wszystkie dostępne pojazdy opancerzone wykorzystywały do pewnego stopnia deficytową benzynę, a to nakładało pewne ograniczenia związane z eksploatacją, ekonomią i logistyką. Obiecujące silniki z turbiną gazową, jak uważali wówczas liderzy niemieckiego przemysłu, mogą zużywać mniej wysokiej jakości, a zatem tańszego paliwa. Tak więc w tamtym czasie, z punktu widzenia ekonomii i technologii, jedyną alternatywą dla silników benzynowych był silnik turbogazowy.
W pierwszym etapie opracowanie obiecującego silnika czołgowego powierzono grupie konstruktorów z Porsche, kierowanej przez inżyniera O. Zadnika. Kilka powiązanych przedsiębiorstw miało pomagać inżynierom Porsche. W projekt zaangażowany był w szczególności Dział Badań Silników SS, kierowany przez dr. Alfreda Müllera. Naukowiec ten od połowy lat trzydziestych zajmuje się tematyką instalacji turbin gazowych i brał udział w opracowaniu kilku lotniczych silników odrzutowych. Zanim rozpoczęło się tworzenie silnika z turbiną gazową do czołgów, Müller ukończył projekt turbosprężarki, która była później wykorzystywana w kilku typach silników tłokowych. Warto zauważyć, że w 1943 r. dr Müller wielokrotnie przedstawiał propozycje dotyczące rozpoczęcia rozwoju silników z turbiną gazową, ale niemieckie kierownictwo je zignorowało.
Pięć opcji i dwa projekty
Do czasu rozpoczęcia głównych prac (połowa lata 1944) wiodąca rola w projekcie przeszła na organizację kierowaną przez Müllera. W tym czasie określono wymagania dla obiecującego silnika turbogazowego. Miał mieć moc około 1000 KM. oraz zużycie powietrza rzędu 8,5 kilograma na sekundę. Temperaturę w komorze spalania ustalono w warunkach odniesienia na 800°. Ze względu na pewne charakterystyczne cechy elektrowni z turbiną gazową do pojazdów naziemnych, przed rozpoczęciem realizacji głównego projektu trzeba było stworzyć kilka pomocniczych. Zespół inżynierów kierowany przez Müllera jednocześnie stworzył i rozważył pięć opcji architektury i układu silnika turbogazowego.
Schematy ideowe silnika różniły się między sobą liczbą stopni sprężarki, turbiny oraz lokalizacją turbiny napędowej związanej z przekładnią. Ponadto rozważono kilka opcji lokalizacji komór spalania. Tak więc w trzeciej i czwartej wersji układu GTE zaproponowano podział strumienia powietrza ze sprężarki na dwa. Jeden strumień w tym przypadku musiał iść do komory spalania, a stamtąd do turbiny obracającej sprężarkę. Z kolei druga część napływającego powietrza była wtryskiwana do drugiej komory spalania, która dostarczała gorące gazy bezpośrednio do turbiny napędowej. Rozważano również opcje z innym położeniem wymiennika ciepła do wstępnego podgrzewania powietrza wchodzącego do silnika.
W pierwszej wersji obiecującego silnika, który osiągnął etap pełnoprawnej konstrukcji, na tej samej osi powinny znajdować się sprężarka diagonalna i osiowa, a także dwustopniowa turbina. Druga turbina miała być umieszczona współosiowo za pierwszą i połączona z zespołami przesyłowymi. Jednocześnie zaproponowano zamontowanie turbiny zasilającej przekładnię na własnej osi, nie połączonej z osią sprężarek i turbin. Takie rozwiązanie mogłoby uprościć konstrukcję silnika, gdyby nie jedna poważna wada. Czyli podczas zdejmowania obciążenia (np. podczas zmiany biegów) druga turbina mogła rozkręcić się do takich prędkości, przy których istniało ryzyko zniszczenia łopatek lub piasty. Zaproponowano rozwiązanie problemu na dwa sposoby: albo spowolnić pracującą turbinę w odpowiednich momentach, albo usunąć z niej gazy. Na podstawie wyników analizy wybrano pierwszą opcję.
A jednak zmodyfikowana pierwsza wersja czołgu GTE była zbyt skomplikowana i droga do masowej produkcji. Müller kontynuował dalsze badania. Aby uprościć projekt, niektóre oryginalne części zostały zastąpione odpowiednimi jednostkami zapożyczonymi z turboodrzutowego silnika Heinkel-Hirt 109-011. Ponadto usunięto kilka łożysk z konstrukcji silnika czołgowego, na którym utrzymywano osie silnika. Zmniejszenie liczby podpór wału do dwóch uproszczonych montażu, ale wyeliminowanie konieczności stosowania oddzielnej osi z turbiną przekazującą moment obrotowy do przekładni. Turbinę napędową zainstalowano na tym samym wale, na którym już znajdowały się wirniki sprężarki i turbina dwustopniowa. Komora spalania wyposażona jest w oryginalne obrotowe dysze do rozpylania paliwa. Teoretycznie umożliwiły one wydajniejsze wtryskiwanie paliwa, a także pomogły uniknąć przegrzania niektórych części konstrukcji. Zaktualizowana wersja projektu była gotowa w połowie września 1944 roku.
Pierwsza jednostka gazowo-rurowa dla pojazdów opancerzonych
Pierwsza jednostka gazowo-rurowa dla pojazdów opancerzonych
Ta opcja również nie była pozbawiona wad. Roszczenia powodowały przede wszystkim trudności z utrzymaniem momentu obrotowego na wale wyjściowym, który w rzeczywistości był przedłużeniem wału głównego silnika. Idealnym rozwiązaniem problemu przesyłu energii mogłoby być zastosowanie transmisji elektrycznej, ale brak miedzi sprawił, że o takim systemie zapomniano. Jako alternatywę dla transmisji elektrycznej rozważono transformator hydrostatyczny lub hydrodynamiczny. Przy zastosowaniu takich mechanizmów nieznacznie obniżono sprawność przenoszenia mocy, ale były one znacznie tańsze niż układ z generatorem i silnikami elektrycznymi.
Silnik GT 101
Dalszy rozwój drugiej wersji projektu doprowadził do dalszych zmian. Tak więc, aby zachować wydajność GTE pod obciążeniami udarowymi (na przykład podczas wybuchu miny), dodano trzecie łożysko wału. Dodatkowo konieczność ujednolicenia kompresora z silnikami lotniczymi doprowadziła do zmiany niektórych parametrów pracy czołgu GTE. W szczególności zużycie powietrza wzrosło o około jedną czwartą. Po wszystkich modyfikacjach projekt silnika czołgowego otrzymał nową nazwę - GT 101. Na tym etapie rozwój elektrowni z turbiną gazową do czołgów osiągnął etap, w którym można było rozpocząć przygotowania do budowy pierwszego prototypu, a następnie zbiornik wyposażony w silnik z turbiną gazową.
Mimo to dostrajanie silnika przeciągało się i do końca jesieni 1944 roku nie rozpoczęto prac nad instalacją nowej elektrowni na czołgu. W tym czasie niemieccy inżynierowie pracowali tylko nad umieszczeniem silnika na istniejących czołgach. Pierwotnie planowano, że bazą dla eksperymentalnego GTE będzie czołg ciężki PzKpfw VI – „Tiger”. Jednak komora silnika tego pojazdu opancerzonego nie była wystarczająco duża, aby pomieścić wszystkie niezbędne jednostki. Nawet przy stosunkowo małej pojemności skokowej silnik GT 101 był zbyt długi dla Tigera. Z tego powodu jako bazowy pojazd testowy zdecydowano się użyć czołgu PzKpfw V, znanego również jako Pantera.
Na etapie finalizacji silnika GT 101 do zastosowania w czołgu Panther klient reprezentowany przez Dyrekcję Uzbrojenia Wojsk Lądowych i wykonawca projektu określili wymagania dla prototypu. Założono, że silnik turbogazowy doprowadzi moc właściwą czołgu o masie bojowej około 46 ton do poziomu 25-27 KM. za tonę, co znacznie poprawi jego właściwości jezdne. Jednocześnie wymagania dotyczące maksymalnej prędkości prawie się nie zmieniły. Wibracje i wstrząsy podczas szybkiej jazdy znacznie zwiększyły ryzyko uszkodzenia elementów podwozia. W rezultacie maksymalna dopuszczalna prędkość została ograniczona do 54-55 kilometrów na godzinę.
Turbina gazowa GT 101 w zbiorniku „Pantera”
Podobnie jak w przypadku Tygrysa, komora silnika Pantery nie była wystarczająco duża, aby pomieścić nowy silnik. Niemniej jednak konstruktorom pod kierownictwem dr Millera udało się dopasować GT 101 GTE do dostępnych wolumenów. To prawda, że duża rura wydechowa silnika musiała być umieszczona w okrągłym otworze w tylnej płycie pancernej. Mimo pozornej dziwności takie rozwiązanie uznano za wygodne i nadające się nawet do masowej produkcji. Sam silnik GT 101 na eksperymentalnej „Panterze” miał być umieszczony wzdłuż osi kadłuba, z przesunięciem w górę, na dach komory silnika. Obok silnika, w błotnikach kadłuba, w projekcie umieszczono kilka zbiorników paliwa. Miejsce na skrzynię biegów znalazło się bezpośrednio pod silnikiem. Na dachu budynku przeniesiono czerpnie powietrza.
Uproszczenie konstrukcji silnika GT 101, przez co stracił on osobną turbinę związaną ze skrzynią biegów, wiązało się z trudnościami o innym charakterze. Do użytku z nowym GTE trzeba było zamówić nową przekładnię hydrauliczną. Organizacja ZF (Zahnradfabrik of Friedrichshafen) w krótkim czasie stworzyła trzystopniowy przemiennik momentu obrotowego z 12-biegową (!) skrzynią biegów. Połowa biegów była przeznaczona do jazdy po drogach, reszta do jazdy w terenie. W instalacji silnikowo-przekładniowej czołgu eksperymentalnego konieczne było również wprowadzenie automatyki monitorującej tryby pracy silnika. Specjalne urządzenie sterujące miało monitorować prędkość obrotową silnika i w razie potrzeby zwiększać lub zmniejszać bieg, zapobiegając wchodzeniu GTE w niedopuszczalne tryby pracy.
Według wyliczeń naukowców turbina gazowa GT 101 z przekładnią z ZF mogła mieć następujące cechy. Maksymalna moc turbiny osiągnęła 3750 KM, z czego 2600 zajęła sprężarka, aby zapewnić pracę silnika. W ten sposób na wale wyjściowym pozostało „tylko” 1100-1150 koni mechanicznych. Prędkość obrotowa sprężarki i turbin w zależności od obciążenia wahała się w granicach 14-14,5 tys. obrotów na minutę. Temperatura gazów przed turbiną była utrzymywana na ustalonym poziomie 800°. Zużycie powietrza wynosiło 10 kilogramów na sekundę, jednostkowe zużycie paliwa, w zależności od trybu pracy, wynosiło 430-500 g / KM h.
Silnik GT 102
Dysponując wyjątkowo wysoką mocą, zbiornikowa turbina gazowa GT 101 charakteryzowała się równie niezwykłym zużyciem paliwa, około dwukrotnie wyższym niż w przypadku silników benzynowych dostępnych w tym czasie w Niemczech. Oprócz zużycia paliwa, GTE GT 101 miał kilka innych problemów technicznych, które wymagały dodatkowych badań i poprawek. W związku z tym rozpoczął się nowy projekt GT 102, w którym planowano utrzymać wszystkie osiągnięte sukcesy i pozbyć się istniejących niedociągnięć.
W grudniu 1944 r. A. Müller doszedł do wniosku, że trzeba wrócić do jednego z wcześniejszych pomysłów. Aby zoptymalizować pracę nowego GTE, zaproponowano zastosowanie oddzielnej turbiny na własnej osi, połączonej z mechanizmami przekładni. Jednocześnie turbina napędowa silnika GT 102 musiała być oddzielną jednostką, nie umieszczoną współosiowo z jednostkami głównymi, jak wcześniej proponowano. Głównym blokiem nowej elektrowni z turbiną gazową był GT 101 z minimalnymi zmianami. Posiadał dwie sprężarki z dziewięcioma stopniami i trzystopniową turbinę. Podczas opracowywania GT 102 okazało się, że główny blok poprzedniego silnika GT 101, w razie potrzeby, można umieścić nie wzdłuż, ale w poprzek komory silnika czołgu Panther. Tak też zrobili, montując jednostki eksperymentalnego czołgu. Wloty powietrza silnika turbogazowego znajdowały się teraz na dachu po lewej stronie, rura wydechowa po prawej stronie.
Turbina gazowa GT 102 w zbiorniku „Pantera”
Kompresor turbiny gazowej GT 102
Pomiędzy sprężarką a komorą spalania głównego bloku silnika przewidziano rurkę do odpowietrzania dodatkowej komory spalania i turbiny. Według obliczeń 70% powietrza wchodzącego do sprężarki musiało przejść przez główną część silnika, a tylko 30% przez dodatkową, z turbiną napędową. Ciekawe jest usytuowanie dodatkowego bloku: oś jego komory spalania i turbiny napędowej powinny być ustawione prostopadle do osi bloku silnika głównego. Zaproponowano umieszczenie turbozespołów pod jednostką główną i wyposażenie ich we własną rurę wydechową, która została wyprowadzona pośrodku dachu komory silnika.
„Wrodzoną chorobą” układu silnika turbogazowego GT 102 było ryzyko nadmiernego zawirowania turbiny napędowej z późniejszym uszkodzeniem lub zniszczeniem. Zaproponowano rozwiązanie tego problemu w najprostszy sposób: umieszczenie zaworów sterujących przepływem w przewodzie doprowadzającym powietrze do dodatkowej komory spalania. Jednocześnie obliczenia wykazały, że nowy GT 102 GTE może mieć niewystarczającą reakcję przepustnicy ze względu na specyfikę pracy stosunkowo lekkiej turbiny napędowej. Specyfikacje konstrukcyjne, takie jak moc na wale wyjściowym czy moc turbiny jednostki głównej, pozostały na tym samym poziomie, co w poprzednim silniku GT 101, co można wytłumaczyć prawie całkowitym brakiem istotnych zmian konstrukcyjnych, z wyjątkiem wyglądu mocy turbozespół. Dalsze ulepszanie silnika wymagało zastosowania nowych rozwiązań lub nawet otwarcia nowego projektu.
Oddzielna turbina robocza do GT 102
Przed rozpoczęciem prac nad kolejnym modelem GTE, nazwanego GT 103, dr A. Müller podjął próbę ulepszenia układu istniejącego GT 102. Głównym problemem jego konstrukcji były dość duże gabaryty jednostki głównej, co sprawiło, że trudno jest umieścić cały silnik w komorach silnikowych dostępnych w tym czasie czołgów. Aby zmniejszyć długość zespołu silnik-przekładnia, zaproponowano zaprojektowanie sprężarki jako oddzielnej jednostki. W ten sposób w komorze silnika zbiornika można było umieścić trzy stosunkowo niewielkie jednostki: sprężarkę, główną komorę spalania i turbinę, a także zespół turbiny napędowej z własną komorą spalania. Ta wersja GTE została nazwana GT 102 Ausf. 2. Oprócz umieszczenia sprężarki w oddzielnej jednostce, próbowano zrobić to samo z komorą spalania lub turbiną, ale nie odniosły one większego sukcesu. Konstrukcja silnika turbogazowego nie pozwalała na podział na dużą liczbę jednostek bez zauważalnych strat w wydajności.
Silnik GT 103
Alternatywa dla silnika turbogazowego GT 102 Ausf. 2 z możliwością „darmowego” rozmieszczenia jednostek w istniejącej objętości było nowym opracowaniem GT 103. Tym razem niemieccy konstruktorzy silników postanowili skupić się nie na wygodzie umieszczenia, ale na wydajności pracy. Do wyposażenia silnika wprowadzono wymiennik ciepła. Założono, że z jego pomocą spaliny ogrzeją powietrze wchodzące przez sprężarkę, co pozwoli osiągnąć wymierną oszczędność paliwa. Istotą tego rozwiązania było to, aby wstępnie podgrzane powietrze pozwalało zużywać mniej paliwa, aby utrzymać wymaganą temperaturę przed turbiną. Według wstępnych obliczeń zastosowanie wymiennika ciepła mogłoby zmniejszyć zużycie paliwa o 25-30 proc. Pod pewnymi warunkami takie oszczędności były w stanie sprawić, że nowy GTE będzie nadawał się do praktycznego zastosowania.
Opracowanie wymiennika ciepła powierzono „podwykonawcom” firmy Brown Boveri. Głównym konstruktorem tej jednostki był V. Khrinizhak, który wcześniej brał udział w tworzeniu sprężarek do zbiornikowych silników turbinowych. Następnie Chrynižak stał się znanym specjalistą od wymienników ciepła, a jego udział w projekcie GT 103 był prawdopodobnie jednym z warunków wstępnych. Naukowiec zastosował dość śmiałe i oryginalne rozwiązanie: głównym elementem nowego wymiennika ciepła był obracający się bęben wykonany z porowatej ceramiki. Wewnątrz bębna umieszczono kilka specjalnych przegród, które zapewniały cyrkulację gazów. Podczas pracy gorące spaliny przechodziły do wnętrza bębna przez jego porowate ścianki i podgrzewały je. Stało się to podczas pół obrotu bębna. Kolejne pół obrotu służyło do przekazywania ciepła do powietrza przechodzącego z wewnątrz na zewnątrz. Dzięki systemowi przegród wewnątrz i na zewnątrz cylindra powietrze i spaliny nie mieszały się ze sobą, co wykluczało awarie silnika.
Zastosowanie wymiennika ciepła wywołało poważne kontrowersje wśród autorów projektu. Niektórzy naukowcy i projektanci wierzyli, że zastosowanie tego urządzenia w przyszłości pozwoli na osiągnięcie dużej mocy i stosunkowo niskich przepływów powietrza. Inni z kolei widzieli w wymienniku tylko wątpliwy środek, którego korzyści nie mogły znacząco przewyższyć strat wynikających ze skomplikowania konstrukcji. W sporze o potrzebę wymiennika ciepła wygrali zwolennicy nowego bloku. W pewnym momencie pojawiła się nawet propozycja wyposażenia turbiny gazowej GT 103 w dwa urządzenia do wstępnego podgrzewania powietrza jednocześnie. Pierwszy wymiennik ciepła musiał w tym przypadku ogrzewać powietrze dla głównego bloku silnika, drugi dla dodatkowej komory spalania. Tak więc GT 103 był w rzeczywistości GT 102 z wymiennikami ciepła wprowadzonymi do projektu.
Silnik GT 103 nie został zbudowany, dlatego należy zadowolić się tylko jego obliczoną charakterystyką. Ponadto dostępne dane dotyczące tego GTE zostały obliczone jeszcze przed zakończeniem tworzenia wymiennika ciepła. W związku z tym prawdopodobnie w praktyce szereg wskaźników może okazać się znacznie niższy niż oczekiwano. Moc jednostki głównej, generowana przez turbinę i pochłaniana przez sprężarkę, miała wynosić 1400 koni mechanicznych. Maksymalna projektowa prędkość obrotowa sprężarki i turbiny jednostki głównej wynosi około 19 tysięcy obrotów na minutę. Zużycie powietrza w głównej komorze spalania - 6 kg/s. Założono, że wymiennik ciepła ogrzeje dopływające powietrze do 500°, a gazy przed turbiną będą miały temperaturę około 800°.
Turbina napędowa według obliczeń miała obracać się z prędkością do 25 tys. obr/min i dawać 800 KM na wale. Zużycie powietrza dodatkowej jednostki wynosiło 2 kg/s. Parametry temperaturowe powietrza wlotowego i spalin miały być równe odpowiednim charakterystykom jednostki głównej. Całkowite zużycie paliwa całego silnika przy zastosowaniu odpowiednich wymienników ciepła nie przekraczałoby 200-230 g/KM h.
Wyniki programu
Rozwój niemieckich czołgowych turbin gazowych rozpoczął się dopiero latem 1944 roku, kiedy szanse Niemiec na wygranie II wojny światowej malały z dnia na dzień. Armia Czerwona zaatakowała III Rzeszę od wschodu, a wojska Stanów Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii przybyły z zachodu. W takich warunkach Niemcy nie miały wystarczających możliwości pełnego zarządzania masą obiecujących projektów. Wszystkie próby stworzenia całkowicie nowego silnika do czołgów opierały się na braku pieniędzy i czasu. Z tego powodu do lutego 1945 roku były już trzy pełnoprawne projekty czołgowych silników turbogazowych, ale żaden z nich nie doszedł nawet do etapu montażu prototypów. Wszystkie prace ograniczały się jedynie do badań teoretycznych i testów poszczególnych jednostek doświadczalnych.
W lutym 1945 r. miało miejsce wydarzenie, które można uznać za początek końca niemieckiego programu tworzenia czołgowych silników z turbiną gazową. Dr Alfred Müller został usunięty ze stanowiska kierownika projektu, a jego imiennik, Max Adolf Müller, został powołany na wakujące stanowisko. MAMA. Müller był również wybitnym specjalistą w dziedzinie elektrowni z turbinami gazowymi, ale jego przybycie do projektu zatrzymało najbardziej zaawansowane rozwiązania. Głównym zadaniem pod nowym kierownictwem było dopracowanie silnika GT 101 i rozpoczęcie jego seryjnej produkcji. Do końca wojny w Europie pozostały niecałe trzy miesiące, dlatego zmiana kierownictwa projektu nie zdążyła doprowadzić do pożądanego rezultatu. Wszystkie niemieckie czołgi GTE pozostały na papierze.
Według niektórych źródeł dokumentacja do projektów linii „GT” wpadła w ręce aliantów i wykorzystywali ją w swoich projektach. Jednak pierwsze praktyczne wyniki w dziedzinie silników turbogazowych do pojazdów naziemnych, które pojawiły się po zakończeniu II wojny światowej poza granicami Niemiec, niewiele miały wspólnego z osiągnięciami obu dr. Müllera. Jeśli chodzi o silniki turbinowe zaprojektowane specjalnie dla czołgów, pierwsze seryjne czołgi z taką elektrownią opuściły montownie fabryk dopiero ćwierć wieku po zakończeniu projektów niemieckich.
