Fins un cert temps, l'Alemanya de Hitler no va prestar molta atenció als projectes de centrals elèctriques de turbina de gas per a vehicles terrestres. Així, el 1941 es va reunir la primera unitat d’aquest tipus per a una locomotora experimental, però les seves proves es van reduir ràpidament a causa de la inexperiència econòmica i de la presència de programes de major prioritat. Els treballs en direcció als motors de turbina de gas (GTE) per a vehicles terrestres van continuar només el 1944, quan es van manifestar especialment algunes de les característiques negatives de la tecnologia i la indústria existents.
El 1944, la Direcció Armament de l'Exèrcit va llançar un projecte de recerca sobre GTE per a tancs. Hi havia dos motius principals per als nous motors. En primer lloc, la construcció de tancs alemanys en aquell moment va dirigir-se cap als vehicles de combat més pesats, que requerien la creació d'un motor d'alta potència i petites dimensions. En segon lloc, tots els vehicles blindats disponibles utilitzaven fins a cert punt gasolina escassa, i això imposava certes restriccions relacionades amb el funcionament, l'economia i la logística. Els prometedors motors de turbina de gas, tal com van considerar llavors els líders de la indústria alemanya, podrien consumir menys combustible d'alta qualitat i, en conseqüència, més barat. Així, en aquell moment, des del punt de vista de l’economia i la tecnologia, l’única alternativa als motors de gasolina era un motor de turbina de gas.
En la primera etapa, el desenvolupament d'un prometedor motor de tancs va ser confiat a un grup de dissenyadors de Porsche, encapçalats per l'enginyer O. Zadnik. Es suposava que diverses empreses relacionades van ajudar els enginyers de Porsche. En particular, el departament d’investigació de motors SS, dirigit pel doctor Alfred Müller, va participar en el projecte. Des de mitjans dels anys trenta, aquest científic treballa en el tema de les instal·lacions de turbines de gas i ha participat en el desenvolupament de diversos motors a reacció d’avions. Quan va començar la creació d’un motor de turbina de gas per a tancs, Müller havia completat el projecte del turbocompressor, que posteriorment es va utilitzar en diversos tipus de motors de pistó. Cal destacar que el 1943, el doctor Müller va fer diverses vegades propostes sobre l’inici del desenvolupament de motors de turbina de gas de tanc, però la direcció alemanya no els va fer cas.
Cinc opcions i dos projectes
Quan van començar els treballs principals (mitjan estiu de 1944), el paper principal del projecte havia passat a l'organització dirigida per Müller. En aquest moment, es van determinar els requisits per a un prometedor motor de turbina de gas. Se suposava que tenia una potència d’uns 1000 CV. i un consum d'aire de l'ordre de 8,5 quilograms per segon. La temperatura a la cambra de combustió es va fixar en els termes de referència a 800 °. A causa d'alguns trets característics de les centrals elèctriques de turbina de gas per a vehicles terrestres, es van haver de crear diverses auxiliars abans de començar el desenvolupament del projecte principal. Un equip d'enginyers dirigit per Müller va crear i considerar simultàniament cinc opcions per a l'arquitectura i la disposició del motor de turbina de gas.
Els diagrames esquemàtics del motor diferien entre ells pel nombre d’etapes del compressor, la turbina i la ubicació de la turbina de potència associada a la transmissió. A més, es van considerar diverses opcions per a la ubicació de les cambres de combustió. Per tant, a la tercera i quarta versió del disseny GTE, es va proposar dividir el flux d’aire del compressor en dos. En aquest cas, un corrent havia d’entrar a la cambra de combustió i d’aquí a la turbina que feia girar el compressor. La segona part de l’aire entrant, al seu torn, es va injectar a la segona cambra de combustió, que subministrava gasos calents directament a la turbina de potència. També es van considerar opcions amb una posició diferent de l'intercanviador de calor per preescalfar l'aire que entra al motor.
A la primera versió del prometedor motor, que va arribar a l'etapa de disseny complet, s'hauria d'haver situat un compressor diagonal i axial, així com una turbina de dues etapes al mateix eix. La segona turbina s’havia de situar coaxialment darrere de la primera i connectar-la a les unitats de transmissió. Al mateix temps, es va proposar que la turbina de potència que subministra energia a la transmissió es muntés sobre el seu propi eix, no connectada a l'eix dels compressors i turbines. Aquesta solució podria simplificar el disseny del motor, si no fos per un greu inconvenient. Per tant, quan s’elimina la càrrega (per exemple, durant un canvi d’engranatges), la segona turbina podria girar fins a tals velocitats a les quals existia el risc de destrucció de les pales o del cub. Es va proposar resoldre el problema de dues maneres: ja sigui per frenar la turbina de treball en els moments adequats, o per eliminar-ne els gasos. En funció dels resultats de l’anàlisi, es va escollir la primera opció.
Tot i això, la primera versió modificada del tanc GTE era massa complicada i costosa per a la producció en massa. Müller va continuar investigant més. Per simplificar el disseny, algunes peces originals es van substituir per les unitats corresponents manllevades del motor turborreactor Heinkel-Hirt 109-011. A més, es van retirar diversos coixinets del disseny del motor del tanc, sobre el qual es van mantenir els eixos del motor. Es va reduir el nombre de suports de l’eix a dos muntatges simplificats, però es va eliminar la necessitat d’un eix separat amb una turbina que transmeti el parell a la transmissió. La turbina de potència es va instal·lar al mateix eix sobre el qual ja hi havia els impulsors del compressor i la turbina de dues etapes. La cambra de combustió està equipada amb broquets giratoris originals per polvoritzar combustible. En teoria, van permetre injectar combustible de manera més eficient i també van ajudar a evitar el sobreescalfament de certes parts de l'estructura. Una versió actualitzada del projecte estava a punt a mitjan setembre de 1944.
La primera unitat de tubs de gas per a vehicles blindats
La primera unitat de tubs de gas per a vehicles blindats
Aquesta opció tampoc no tenia els seus inconvenients. En primer lloc, les reclamacions van causar dificultats per mantenir el parell motor de l’eix de sortida, que en realitat era una extensió de l’eix principal del motor. La solució ideal al problema de la transmissió de potència podria ser l’ús d’una transmissió elèctrica, però l’escassetat de coure va fer oblidar un sistema d’aquest tipus. Com a alternativa a la transmissió elèctrica, es va considerar un transformador hidrostàtic o hidrodinàmic. En utilitzar aquests mecanismes, l’eficiència de la transmissió de potència es va reduir lleugerament, però van ser significativament més econòmics que un sistema amb generador i motors elèctrics.
Motor GT 101
El desenvolupament posterior de la segona versió del projecte va comportar nous canvis. Així, per tal de preservar el rendiment del GTE sota càrregues de xoc (per exemple, durant una explosió de mina), es va afegir un tercer coixinet d'eix. A més, la necessitat d’unificar el compressor amb motors d’avions va provocar un canvi en alguns paràmetres del funcionament del tanc GTE. En particular, el consum d'aire ha augmentat aproximadament una quarta part. Després de totes les modificacions, el projecte del motor del tanc va rebre un nou nom: GT 101. En aquesta etapa, el desenvolupament d’una central elèctrica de turbina de gas per a tancs va arribar a la fase en què es va poder començar els preparatius per a la construcció del primer prototip i després el tanc equipat amb un motor de turbina de gas.
No obstant això, la posada a punt del motor es va arrossegar i, a finals de la tardor de 1944, les obres per instal·lar una nova central elèctrica al tanc no havien començat. En aquell moment, els enginyers alemanys només treballaven per col·locar el motor als tancs existents. Originalment es va planejar que la base del GTE experimental fos el tanc pesat PzKpfw VI - "Tiger". Tot i això, el compartiment del motor d’aquest vehicle blindat no era prou gran per donar cabuda a totes les unitats necessàries. Fins i tot amb una cilindrada relativament petita, el motor del GT 101 era massa llarg per a un Tiger. Per aquest motiu, es va decidir utilitzar el tanc PzKpfw V, també conegut com a Pantera, com a vehicle de prova base.
A l’etapa de finalització del motor GT 101 per al seu ús al tanc Panther, el client, representat per la direcció d’armament de les forces terrestres i l’executor del projecte, va determinar els requisits per al prototip. Es va suposar que el motor de turbina de gas portaria la potència específica d’un tanc amb un pes de combat d’unes 46 tones fins al nivell de 25-27 CV. per tona, cosa que millorarà significativament les seves característiques de funcionament. Al mateix temps, els requisits per a la velocitat màxima pràcticament no han canviat. La vibració i el xoc de la conducció a alta velocitat van augmentar significativament el risc de danys als components del xassís. Com a resultat, la velocitat màxima permesa es va limitar a 54-55 quilòmetres per hora.
Unitat de turbina de gas GT 101 al tanc "Panther"
Com en el cas del Tiger, el compartiment del motor de la Pantera no era prou gran per donar cabuda al nou motor. No obstant això, els dissenyadors sota la direcció del Dr. Miller van aconseguir ajustar el GT 101 GTE als volums disponibles. És cert que el gran tub d’escapament del motor s’havia de col·locar en un forat rodó de la placa blindada posterior. Tot i l’aparent estranyesa, aquesta solució es va considerar convenient i adequada fins i tot per a la producció en massa. Se suposava que el propi motor GT 101 de l'experimental "Panther" se situaria al llarg de l'eix del casc, amb un desplaçament cap amunt, fins al sostre del compartiment del motor. Al costat del motor, als parabolts del casc, es van col·locar diversos tancs de combustible al projecte. El lloc per a la transmissió es va trobar directament sota el motor. Els dispositius d’entrada d’aire es van portar al terrat de l’edifici.
La simplificació del disseny del motor GT 101, a causa del qual va perdre la seva turbina independent associada a la transmissió, va comportar dificultats de naturalesa diferent. Per utilitzar-lo amb el nou GTE, s’havia de demanar una nova transmissió hidràulica. L’organització ZF (Zahnradfabrik de Friedrichshafen) en poc temps va crear un convertidor de parell de tres etapes amb una caixa de canvis de 12 velocitats (!). La meitat dels engranatges eren per a la conducció per carretera, la resta per a la conducció fora de carretera. A la instal·lació de transmissió del motor del tanc experimental, també va ser necessari introduir una automatització que controlés els modes de funcionament del motor. Se suposava que un dispositiu de control especial controlava la velocitat del motor i, si calia, augmentava o disminuïa l’engranatge, evitant que el GTE entrés en modes de funcionament inacceptables.
Segons els càlculs dels científics, la turbina de gas GT 101 amb transmissió des de ZF podria tenir les següents característiques. La potència màxima de la turbina va arribar als 3750 CV, 2600 dels quals van ser presos pel compressor per garantir el funcionament del motor. Així, “només” quedaven 1100-1150 cavalls de potència a l’eix de sortida. La velocitat de rotació del compressor i de les turbines, segons la càrrega, va fluctuar entre 14-14,5 mil revolucions per minut. La temperatura dels gasos davant de la turbina es va mantenir a un nivell predeterminat de 800 °. El consum d’aire era de 10 quilograms per segon, el consum específic de combustible, segons el mode de funcionament, era de 430-500 g / CV h.
Motor GT 102
Amb una potència única, el motor de turbina de gas del tanc GT 101 tenia un consum de combustible igualment notable, aproximadament el doble que els motors de gasolina disponibles en aquell moment a Alemanya. A més del consum de combustible, el GTE GT 101 tenia diversos problemes tècnics més que requerien investigació i correcció addicionals. En aquest sentit, es va iniciar un nou projecte GT 102, en el qual es preveia mantenir tots els èxits assolits i eliminar les deficiències existents.
El desembre de 1944, A. Müller va arribar a la conclusió que era necessari tornar a una de les idees anteriors. Per optimitzar el funcionament del nou GTE, es va proposar utilitzar una turbina separada al seu propi eix, connectada als mecanismes de transmissió. Al mateix temps, la turbina de potència del motor GT 102 havia de ser una unitat independent, no col·locada coaxialment amb les unitats principals, tal com es proposava anteriorment. El bloc principal de la nova central elèctrica de turbina de gas era el GT 101 amb canvis mínims. Tenia dos compressors de nou etapes i una turbina de tres etapes. Quan es va desenvolupar el GT 102, va resultar que el bloc principal del motor anterior GT 101, si cal, es pot col·locar no junt, sinó a través del compartiment del motor del tanc Panther. Així ho van fer quan es van muntar les unitats del tanc experimental. Els dispositius d’entrada d’aire del motor de la turbina de gas es trobaven ara al terrat al costat esquerre i el tub d’escapament al costat dret.
Unitat de turbina de gas GT 102 al tanc "Panther"
Unitat de compressor de turbina de gas GT 102
Entre el compressor i la cambra de combustió del bloc del motor principal, es va proporcionar una canonada per purgar aire a la cambra de combustió addicional i a la turbina. Segons els càlculs, el 70% de l’aire que entrava al compressor havia de passar per la part principal del motor i només el 30% per l’addicional, amb una turbina de potència. La ubicació del bloc addicional és interessant: l'eix de la seva cambra de combustió i de la turbina de potència s'hauria d'haver situat perpendicularment a l'eix del bloc del motor principal. Es va proposar col·locar les turbines de potència per sota de la unitat principal i dotar-les del seu propi tub d’escapament, que es va treure al mig del sostre del compartiment del motor.
La "malaltia congènita" del disseny del motor de la turbina de gas del GT 102 era el risc de fer girar excessivament la turbina de potència amb danys o destruccions posteriors. Es va proposar solucionar aquest problema de la manera més senzilla: col·locar vàlvules per controlar el flux a la canonada que subministra aire a la cambra de combustió addicional. Al mateix temps, els càlculs van mostrar que el nou GT 102 GTE podria tenir una resposta d’accelerador insuficient a causa de les peculiaritats del funcionament d’una turbina de potència relativament lleugera. Les especificacions de disseny, com la potència de l’eix de sortida o la potència de la turbina de la unitat principal, es mantenien al mateix nivell que el motor GT 101 anterior, cosa que s’explica per l’absència gairebé completa de canvis de disseny importants, excepte per l’aparició de la potència. unitat de turbina. Una millora addicional del motor requeria l’ús de noves solucions o fins i tot l’obertura d’un nou projecte.
Turbina de treball independent per al GT 102
Abans de començar el desenvolupament del següent model GTE, anomenat GT 103, el Dr. A. Müller va intentar millorar la disposició del GT 102 existent. El principal problema del seu disseny eren les dimensions bastant grans de la unitat principal, que feien que és difícil col·locar tot el motor als compartiments del motor dels tancs disponibles en aquell moment. Per reduir la longitud de la unitat de transmissió del motor, es va proposar dissenyar el compressor com una unitat independent. Així, es podrien col·locar tres unitats relativament petites a l’interior del compartiment del motor del tanc: un compressor, una cambra de combustió principal i una turbina, així com una unitat de turbina de potència amb la seva pròpia cambra de combustió. Aquesta versió del GTE va rebre el nom de GT 102 Ausf. 2. A més de col·locar el compressor en una unitat separada, s’ha intentat fer el mateix amb la cambra de combustió o la turbina, però no han tingut massa èxit. El disseny del motor de turbina de gas no es va permetre dividir-se en un gran nombre d’unitats sense pèrdues notables de rendiment.
Motor GT 103
Una alternativa al motor de turbina de gas GT 102 Ausf. 2 amb la possibilitat de disposar d'unitats "lliures" en el volum existent va ser el nou desenvolupament del GT 103. Aquesta vegada els constructors de motors alemanys van decidir no centrar-se en la comoditat de la col·locació, sinó en l'eficiència del treball. Es va introduir un intercanviador de calor a l'equip del motor. Es va suposar que, amb la seva ajuda, els gasos d’escapament escalfarien l’aire que entra pel compressor, cosa que permetrà aconseguir un estalvi tangible de combustible. L’essència d’aquesta solució era que l’aire preescalfat permetria gastar menys combustible per mantenir la temperatura necessària davant de la turbina. Segons càlculs preliminars, l’ús d’un bescanviador de calor podria reduir el consum de combustible en un 25-30 per cent. En determinades condicions, aquest estalvi va fer que el nou GTE fos adequat per a un ús pràctic.
El desenvolupament de l'intercanviador de calor va ser confiat a "subcontractistes" de l'empresa Brown Boveri. El dissenyador principal d'aquesta unitat va ser V. Khrinizhak, que anteriorment havia participat en la creació de compressors per a motors de turbina de gas de tanc. Posteriorment, Chrynižak es va convertir en un reconegut especialista en intercanviadors de calor i la seva participació en el projecte GT 103 va ser probablement un dels requisits previs per a això. El científic va aplicar una solució força atrevida i original: l’element principal del nou intercanviador de calor era un tambor giratori de ceràmica porosa. Es van col·locar diverses particions especials dins del tambor, que asseguraven la circulació de gasos. Durant el funcionament, els gasos d’escapament calents passaven per l’interior del tambor per les seves parets poroses i els escalfaven. Això va passar durant mig gir de tambor. La següent mitja volta es va utilitzar per transferir calor a l'aire que passava de l'interior a l'exterior. Gràcies al sistema de deflectors a l'interior i a l'exterior del cilindre, l'aire i els gasos d'escapament no es barrejaven entre si, cosa que excloïa els mal funcionaments del motor.
L'ús de l'intercanviador de calor va causar serioses controvèrsies entre els autors del projecte. Alguns científics i dissenyadors van creure que l'ús d'aquesta unitat en el futur permetria aconseguir una potència elevada i uns cabals d'aire relativament baixos. Altres, al seu torn, veien a l'intercanviador de calor només un mitjà dubtós, els avantatges del qual no podien superar significativament les pèrdues derivades de la complicació del disseny. En la disputa sobre la necessitat d’un intercanviador de calor, van guanyar els partidaris de la nova unitat. En algun moment, fins i tot es va proposar equipar el motor de turbina de gas GT 103 amb dos dispositius per preescalfar l’aire alhora. El primer intercanviador de calor en aquest cas va haver d'escalfar l'aire per al bloc principal del motor, el segon per a la cambra de combustió addicional. Per tant, el GT 103 era en realitat un GT 102 amb intercanviadors de calor introduïts al disseny.
El motor GT 103 no es va construir, per això cal que només ens conformem amb les seves característiques calculades. A més, les dades disponibles sobre aquest GTE es van calcular fins i tot abans de finalitzar la creació de l'intercanviador de calor. Per tant, probablement una sèrie d’indicadors a la pràctica podrien resultar ser significativament inferiors a l’esperat. La potència de la unitat principal, generada per la turbina i absorbida pel compressor, se suposava que era igual a 1400 cavalls de potència. La velocitat màxima de rotació del compressor i la turbina de la unitat principal és d’uns 19 mil revolucions per minut. Consum d’aire a la cambra de combustió principal: 6 kg / s. Es va suposar que l'intercanviador de calor escalfaria l'aire d'entrada a 500 ° i els gasos que hi ha davant de la turbina tindran una temperatura d'uns 800 °.
Segons els càlculs, la turbina de potència hauria de girar a una velocitat de fins a 25 mil rpm i donar 800 CV a l’eix. El consum d'aire de la unitat addicional va ser de 2 kg / s. Es suposava que els paràmetres de temperatura de l’aire d’entrada i dels gasos d’escapament eren iguals a les característiques corresponents de la unitat principal. El consum total de combustible de tot el motor amb l’ús d’intercanviadors de calor adequats no superaria els 200-230 g / CV h.
Resultats del programa
El desenvolupament de motors de gasolina de tancs alemanys només va començar l’estiu de 1944, quan les possibilitats d’Alemanya de guanyar la Segona Guerra Mundial disminuïen cada dia. L’Exèrcit Roig va atacar el Tercer Reich des de l’est i les tropes dels Estats Units i la Gran Bretanya van venir de l’oest. En aquestes condicions, Alemanya no tenia prou oportunitats per a una gestió completa de la massa de projectes prometedors. Tots els intents de crear un motor fonamentalment nou per als tancs es basaven en la manca de diners i temps. Per aquest motiu, al febrer de 1945, ja hi havia tres projectes de ple desenvolupament de motors de turbina de gas de tanc, però cap d'ells arribava fins i tot a la fase de muntatge del prototip. Tot el treball es va limitar només a estudis teòrics i proves d'unitats experimentals individuals.
El febrer de 1945 es va produir un esdeveniment que es pot considerar el començament del final del programa alemany per a la creació de motors de turbina de gas de tanc. El doctor Alfred Müller va ser cessat del seu càrrec com a cap del projecte i el seu homònim, Max Adolf Müller, va ser nomenat per al lloc vacant. M. A. Müller també era un destacat especialista en el camp de les centrals elèctriques de turbines de gas, però la seva arribada al projecte va aturar els desenvolupaments més avançats. La tasca principal sota el nou cap era ajustar el motor GT 101 i iniciar la seva producció en sèrie. Quedaven menys de tres mesos per al final de la guerra a Europa, raó per la qual el canvi de direcció del projecte no va tenir temps de conduir al resultat desitjat. Tots els tancs alemanys GTE van romandre sobre el paper.
Segons algunes fonts, la documentació dels projectes de la línia "GT" va caure en mans dels aliats i la van utilitzar en els seus projectes. No obstant això, els primers resultats pràctics en el camp dels motors de turbina de gas per a vehicles terrestres, que van aparèixer després del final de la Segona Guerra Mundial fora d'Alemanya, tenien poc en comú amb els desenvolupaments del Dr. Müller. Pel que fa als motors de turbina de gas dissenyats específicament per a tancs, els primers tancs de sèrie amb aquesta central elèctrica van deixar les botigues de muntatge de fàbriques només un quart de segle després de la finalització dels projectes alemanys.
