Tot een bepaalde tijd schonk Hitler's Duitsland niet veel aandacht aan de projecten van gasturbinecentrales voor grondvoertuigen. Dus in 1941 werd de eerste dergelijke eenheid geassembleerd voor een experimentele locomotief, maar de tests werden snel ingeperkt vanwege economisch onvermogen en de aanwezigheid van programma's met een hogere prioriteit. Het werk in de richting van gasturbinemotoren (GTE) voor grondvoertuigen werd pas in 1944 voortgezet, toen enkele van de negatieve kenmerken van de bestaande technologie en industrie bijzonder uitgesproken waren.
In 1944 lanceerde het directoraat bewapening van het leger een onderzoeksproject over GTE voor tanks. Er waren twee belangrijke redenen voor de nieuwe motoren. Ten eerste volgde het Duitse tankgebouw destijds een koers naar zwaardere gevechtsvoertuigen, waarvoor een motor met een hoog vermogen en kleine afmetingen nodig was. Ten tweede gebruikten alle beschikbare gepantserde voertuigen tot op zekere hoogte schaarse benzine, en dit legde bepaalde beperkingen op met betrekking tot bediening, economie en logistiek. Veelbelovende gasturbinemotoren, zoals de Duitse industrieleiders toen dachten, zouden minder hoogwaardige en dus goedkopere brandstof kunnen verbruiken. Dus in die tijd was vanuit economisch en technologisch oogpunt het enige alternatief voor benzinemotoren een gasturbinemotor.
In de eerste fase werd de ontwikkeling van een veelbelovende tankmotor toevertrouwd aan een groep ontwerpers van Porsche, onder leiding van ingenieur O. Zadnik. Verschillende verwante ondernemingen zouden de Porsche-ingenieurs bijstaan. Met name de SS Engine Research Department, onder leiding van Dr. Alfred Müller, was bij het project betrokken. Sinds het midden van de jaren dertig houdt deze wetenschapper zich bezig met gasturbine-installaties en heeft hij meegewerkt aan de ontwikkeling van verschillende vliegtuigstraalmotoren. Tegen de tijd dat de creatie van een gasturbinemotor voor tanks begon, had Müller het turbocompressorproject voltooid, dat later op verschillende soorten zuigermotoren werd gebruikt. Het is opmerkelijk dat Dr. Müller in 1943 herhaaldelijk voorstellen deed met betrekking tot de start van de ontwikkeling van tankgasturbinemotoren, maar de Duitse leiding negeerde deze.
Vijf opties en twee projecten
Tegen de tijd dat het hoofdwerk begon (midden zomer 1944), was de leidende rol in het project overgedragen aan de organisatie onder leiding van Müller. Op dat moment werden de eisen voor een veelbelovende gasturbinemotor bepaald. Het zou een vermogen hebben van ongeveer 1000 pk. en een luchtverbruik in de orde van grootte van 8,5 kilogram per seconde. De temperatuur in de verbrandingskamer werd door het referentiekader gesteld op 800°. Vanwege enkele karakteristieke kenmerken van gasturbine-krachtcentrales voor grondvoertuigen, moesten er verschillende extra worden gemaakt voordat de ontwikkeling van het hoofdproject begon. Een team van ingenieurs onder leiding van Müller creëerde en overwoog tegelijkertijd vijf opties voor de architectuur en lay-out van de gasturbinemotor.
De schematische diagrammen van de motor verschilden van elkaar in het aantal trappen van de compressor, turbine en de locatie van de aandrijfturbine die bij de transmissie hoort. Daarnaast zijn verschillende opties voor de locatie van de verbrandingskamers overwogen. Dus in de derde en vierde versie van de GTE-lay-out werd voorgesteld om de luchtstroom van de compressor in tweeën te delen. Eén stroom moest in dit geval de verbrandingskamer in en van daaruit naar de turbine die de compressor liet draaien. Het tweede deel van de binnenkomende lucht werd op zijn beurt in de tweede verbrandingskamer geïnjecteerd, die hete gassen rechtstreeks naar de krachtturbine afleverde. Ook zijn opties overwogen met een andere positie van de warmtewisselaar voor het voorverwarmen van de lucht die de motor binnenkomt.
In de eerste versie van de veelbelovende motor, die het stadium van volwaardig ontwerp bereikte, hadden een diagonale en axiale compressor, evenals een tweetrapsturbine, op dezelfde as moeten worden geplaatst. De tweede turbine moest coaxiaal achter de eerste worden geplaatst en aangesloten op de transmissie-eenheden. Tegelijkertijd werd voorgesteld de aandrijfturbine die de transmissie van stroom voorziet, op zijn eigen as te monteren, niet verbonden met de as van de compressoren en turbines. Deze oplossing zou het ontwerp van de motor kunnen vereenvoudigen, zo niet voor één ernstig nadeel. Dus bij het wegnemen van de last (bijvoorbeeld tijdens het schakelen) kon de tweede turbine tot zulke snelheden draaien dat het risico bestond op vernietiging van de wieken of de naaf. Er werd voorgesteld om het probleem op twee manieren op te lossen: ofwel door de werkende turbine op de juiste momenten af te remmen, ofwel om er gassen uit te verwijderen. Op basis van de analyseresultaten is gekozen voor de eerste optie.
En toch was de aangepaste eerste versie van de tank GTE te ingewikkeld en te duur voor massaproductie. Müller zette verder onderzoek voort. Om het ontwerp te vereenvoudigen, werden enkele originele onderdelen vervangen door overeenkomstige eenheden die waren geleend van de Heinkel-Hirt 109-011 turbojetmotor. Daarnaast zijn er verschillende lagers verwijderd uit het ontwerp van de tankmotor, waarop de motorassen werden vastgehouden. Vermindering van het aantal assteunen tot twee vereenvoudigde montage, maar elimineerde de noodzaak van een aparte as met een turbine die koppel overbrengt naar de transmissie. De krachtturbine werd geïnstalleerd op dezelfde as waarop de compressorwaaiers en de tweetrapsturbine zich al bevonden. De verbrandingskamer is voorzien van originele roterende sproeiers voor het spuiten van brandstof. In theorie maakten ze het mogelijk om brandstof efficiënter te injecteren en hielpen ze ook om oververhitting van bepaalde delen van de constructie te voorkomen. Medio september 1944 was een bijgewerkte versie van het project gereed.
De eerste gasbuiseenheid voor gepantserde voertuigen
De eerste gasbuiseenheid voor gepantserde voertuigen
Deze optie was ook niet zonder nadelen. Allereerst veroorzaakten de claims problemen met het handhaven van het koppel op de uitgaande as, die eigenlijk een verlenging was van de hoofdas van de motor. De ideale oplossing voor het probleem van de krachtoverbrenging zou het gebruik van een elektrische overbrenging kunnen zijn, maar het tekort aan koper maakte een dergelijk systeem vergeten. Als alternatief voor elektrische transmissie werd een hydrostatische of hydrodynamische transformator overwogen. Bij het gebruik van dergelijke mechanismen was de efficiëntie van de krachtoverbrenging enigszins verminderd, maar ze waren aanzienlijk goedkoper dan een systeem met een generator en elektromotoren.
GT 101 motor
De verdere ontwikkeling van de tweede versie van het project leidde tot verdere wijzigingen. Dus om de prestaties van de GTE onder schokbelastingen te behouden (bijvoorbeeld tijdens een mijnexplosie), werd een derde aslager toegevoegd. Bovendien leidde de noodzaak om de compressor te verenigen met vliegtuigmotoren tot een verandering in sommige parameters van de tank GTE-operatie. Met name het luchtverbruik is met ongeveer een kwart gestegen. Na alle aanpassingen kreeg het tankmotorproject een nieuwe naam - GT 101. In dit stadium bereikte de ontwikkeling van een gasturbine-krachtcentrale voor tanks het stadium waarin het mogelijk was om te beginnen met de voorbereidingen voor de bouw van het eerste prototype, en dan is de tank uitgerust met een gasturbinemotor.
Niettemin sleepte de fijnafstelling van de motor zich voort en tegen het einde van de herfst van 1944 waren de werkzaamheden voor het installeren van een nieuwe krachtcentrale op de tank nog niet begonnen. Op dat moment waren Duitse ingenieurs alleen bezig met het plaatsen van de motor op bestaande tanks. Het was oorspronkelijk de bedoeling dat de basis voor de experimentele GTE de zware tank PzKpfw VI - "Tiger" zou zijn. De motorruimte van dit pantservoertuig was echter niet groot genoeg om alle benodigde eenheden te huisvesten. Zelfs met een relatief kleine cilinderinhoud was de motor van de GT 101 te lang voor een Tiger. Om deze reden werd besloten om de PzKpfw V-tank, ook wel Panther genoemd, als basistestvoertuig te gebruiken.
In het stadium van de voltooiing van de GT 101-motor voor gebruik op de Panther-tank, bepaalden de klant, vertegenwoordigd door het directoraat bewapening van de landmacht, en de projectuitvoerder de vereisten voor het prototype. Aangenomen werd dat de gasturbinemotor het specifieke vermogen van een tank met een gevechtsgewicht van ongeveer 46 ton op het niveau van 25-27 pk zou brengen. per ton, wat de loopeigenschappen aanzienlijk zal verbeteren. Tegelijkertijd zijn de eisen aan de maximale snelheid nauwelijks veranderd. Trillingen en schokken door het rijden op hoge snelheid verhoogden het risico op schade aan chassiscomponenten aanzienlijk. Hierdoor werd de maximaal toegestane snelheid beperkt tot 54-55 kilometer per uur.
Gasturbine-eenheid GT 101 in de tank "Panther"
Net als in het geval van de Tiger was het motorcompartiment van de Panther niet groot genoeg om de nieuwe motor te huisvesten. Desalniettemin slaagden de ontwerpers onder leiding van Dr. Miller erin om de GT 101 GTE in te passen in de beschikbare volumes. Toegegeven, de grote uitlaatpijp van de motor moest in een rond gat in de achterste pantserplaat worden geplaatst. Ondanks de schijnbare vreemdheid, werd een dergelijke oplossing als handig en zelfs geschikt voor massaproductie beschouwd. De GT 101-motor zelf op de experimentele "Panther" zou langs de as van de romp worden geplaatst, met een verschuiving naar boven, naar het dak van de motorruimte. Naast de motor, in de spatborden van de romp, zijn in het project meerdere brandstoftanks geplaatst. De plaats voor de transmissie werd direct onder de motor gevonden. De luchtinlaatapparaten werden naar het dak van het gebouw gebracht.
De vereenvoudiging van het ontwerp van de GT 101-motor, waardoor deze zijn afzonderlijke turbine verloor die bij de transmissie hoorde, bracht moeilijkheden van andere aard met zich mee. Voor gebruik met de nieuwe GTE moest een nieuwe hydraulische transmissie worden besteld. Organisatie ZF (Zahnradfabrik uit Friedrichshafen) creëerde in korte tijd een drietraps koppelomvormer met een 12-traps (!) versnellingsbak. De helft van de versnellingen was voor rijden op de weg, de rest voor rijden op de weg. In de motor-transmissie-installatie van de experimentele tank was het ook nodig om automatisering in te voeren die de bedrijfsmodi van de motor bewaakt. Een speciaal regelapparaat moest het motortoerental bewaken en, indien nodig, de versnelling verhogen of verlagen, om te voorkomen dat de GTE in onaanvaardbare bedrijfsmodi zou gaan.
Volgens de berekeningen van wetenschappers zou de GT 101 gasturbine met een transmissie van ZF de volgende kenmerken kunnen hebben. Het maximale turbinevermogen bereikte 3750 pk, waarvan 2600 door de compressor werden gebruikt om de motor te laten werken. Zo bleef er "slechts" 1100-1150 pk over op de uitgaande as. Het toerental van de compressor en turbines schommelde, afhankelijk van de belasting, tussen 14-14,5 duizend omwentelingen per minuut. De temperatuur van de gassen voor de turbine werd op een vooraf bepaald niveau van 800° gehouden. Het luchtverbruik was 10 kilogram per seconde, het specifieke brandstofverbruik was, afhankelijk van de bedrijfsmodus, 430-500 g/pk h.
GT 102 motor
Met een uniek hoog vermogen had de GT 101-tankgasturbinemotor een even opmerkelijk brandstofverbruik, ongeveer twee keer zo hoog als dat van de benzinemotoren die destijds in Duitsland verkrijgbaar waren. Naast het brandstofverbruik had de GTE GT 101 nog een aantal technische problemen die aanvullend onderzoek en correctie vereisten. In dit verband begon een nieuw project GT 102, waarin het de bedoeling was om alle behaalde successen te behouden en de bestaande tekortkomingen weg te werken.
In december 1944 A. Müller kwam tot de conclusie dat het nodig was om terug te keren naar een van de eerdere ideeën. Om de werking van de nieuwe GTE te optimaliseren, werd voorgesteld om een aparte turbine op zijn eigen as te gebruiken, die verbonden is met de transmissiemechanismen. Tegelijkertijd moest de aandrijfturbine van de GT 102-motor een afzonderlijke eenheid zijn, niet coaxiaal met de hoofdeenheden, zoals eerder voorgesteld. Het hoofdblok van de nieuwe gasturbinecentrale was GT 101 met minimale veranderingen. Het had twee compressoren met negen trappen en een drietraps turbine. Bij de ontwikkeling van de GT 102 bleek dat het hoofdblok van de vorige GT 101-motor, indien nodig, niet langs, maar over de motorruimte van de Panther-tank kan worden geplaatst. Dat deden ze ook bij het samenstellen van de eenheden van de experimentele tank. De luchtinlaatinrichtingen van de gasturbinemotor bevonden zich nu op het dak aan de linkerkant, de uitlaatpijp aan de rechterkant.
Gasturbine-eenheid GT 102 in de tank "Panther"
Gasturbine compressor unit GT 102
Tussen de compressor en de verbrandingskamer van het hoofdmotorblok was een leiding voorzien voor het ontluchten van de extra verbrandingskamer en turbine. Volgens berekeningen moest 70% van de lucht die de compressor binnenkwam door het hoofdgedeelte van de motor gaan en slechts 30% door het extra deel, met een aandrijfturbine. De locatie van het extra blok is interessant: de as van de verbrandingskamer en de aandrijfturbine hadden loodrecht op de as van het hoofdmotorblok moeten staan. Er werd voorgesteld om de turbine-eenheden onder de hoofdeenheid te plaatsen en ze uit te rusten met hun eigen uitlaatpijp, die in het midden van het dak van de motorruimte naar buiten werd gebracht.
De "aangeboren ziekte" van de indeling van de gasturbinemotor van de GT 102 was het risico dat de aandrijfturbine te veel ronddraaide met als gevolg schade of vernietiging. Er werd voorgesteld om dit probleem op de eenvoudigste manier op te lossen: om kleppen te plaatsen om de stroom te regelen in de pijp die lucht naar de extra verbrandingskamer toevoert. Tegelijkertijd toonden berekeningen aan dat de nieuwe GT 102 GTE mogelijk onvoldoende gasrespons heeft vanwege de eigenaardigheden van de werking van een relatief lichte turbine. De ontwerpspecificaties, zoals het vermogen van de uitgaande as of het turbinevermogen van de hoofdeenheid, bleven op hetzelfde niveau als de vorige GT 101-motor, wat kan worden verklaard door de vrijwel volledige afwezigheid van grote ontwerpwijzigingen, behalve het uiterlijk van de kracht turbine-eenheid. Verdere verbetering van de motor vereiste het gebruik van nieuwe oplossingen of zelfs de opening van een nieuw project.
Aparte werkende turbine voor GT 102
Alvorens te beginnen met de ontwikkeling van het volgende GTE-model, GT 103 genaamd, deed Dr. A. Müller een poging om de lay-out van de bestaande GT 102 te verbeteren. Het grootste probleem van het ontwerp waren de vrij grote afmetingen van de hoofdeenheid, waardoor het is moeilijk om de gehele motor in de motorcompartimenten van de op dat moment beschikbare tanks te plaatsen. Om de lengte van de motor-transmissie-eenheid te verminderen, werd voorgesteld om de compressor als een afzonderlijke eenheid te ontwerpen. Zo konden drie relatief kleine eenheden in het motorcompartiment van de tank worden geplaatst: een compressor, een hoofdverbrandingskamer en een turbine, evenals een krachtturbine-eenheid met een eigen verbrandingskamer. Deze versie van de GTE kreeg de naam GT 102 Ausf. 2. Naast het plaatsen van de compressor in een aparte unit zijn pogingen ondernomen om hetzelfde te doen met de verbrandingskamer of turbine, maar deze hebben niet veel succes gehad. Het ontwerp van de gasturbinemotor liet zich niet opdelen in een groot aantal eenheden zonder merkbare prestatieverliezen.
GT 103 motor
Een alternatief voor de GT 102 Ausf gasturbinemotor. 2 met de mogelijkheid van "gratis" opstelling van eenheden in het bestaande volume was de nieuwe ontwikkeling van de GT 103. Deze keer besloten de Duitse motorbouwers zich niet te concentreren op het gemak van plaatsing, maar op de efficiëntie van het werk. Een warmtewisselaar werd in de motoruitrusting geïntroduceerd. Er werd aangenomen dat met zijn hulp de uitlaatgassen de lucht die door de compressor binnenkomt, zullen verwarmen, wat een tastbare brandstofbesparing zal opleveren. De essentie van deze oplossing was dat de voorverwarmde lucht het mogelijk zou maken om minder brandstof te verbruiken om de vereiste temperatuur voor de turbine te handhaven. Volgens voorlopige berekeningen kan het gebruik van een warmtewisselaar het brandstofverbruik met 25-30 procent verminderen. Dergelijke besparingen konden onder bepaalde voorwaarden de nieuwe GTE geschikt maken voor praktisch gebruik.
De ontwikkeling van de warmtewisselaar werd toevertrouwd aan "subcontractors" van het bedrijf Brown Boveri. De hoofdontwerper van deze eenheid was V. Khrinizhak, die eerder had deelgenomen aan de creatie van compressoren voor tankgasturbinemotoren. Chrynižak werd vervolgens een gerenommeerd specialist in warmtewisselaars en zijn deelname aan het GT 103-project was waarschijnlijk een van de voorwaarden daarvoor. De wetenschapper paste een nogal gewaagde en originele oplossing toe: het belangrijkste element van de nieuwe warmtewisselaar was een roterende trommel van poreus keramiek. In de trommel werden verschillende speciale scheidingswanden geplaatst, die voor de circulatie van gassen zorgden. Tijdens bedrijf stroomden hete uitlaatgassen door de poreuze wanden in de trommel en verwarmden deze. Dit gebeurde tijdens een halve trommelbeurt. De volgende halve slag werd gebruikt om warmte over te dragen aan de lucht die van binnen naar buiten ging. Dankzij het systeem van schotten binnen en buiten de cilinder vermengden lucht en uitlaatgassen zich niet met elkaar, waardoor motorstoringen werden uitgesloten.
Het gebruik van de warmtewisselaar veroorzaakte ernstige controverse onder de auteurs van het project. Sommige wetenschappers en ontwerpers waren van mening dat het gebruik van dit apparaat in de toekomst het mogelijk zou maken om een hoog vermogen en relatief lage luchtstroomsnelheden te bereiken. Anderen zagen op hun beurt in de warmtewisselaar slechts een twijfelachtig middel, waarvan de voordelen de verliezen door de complicatie van het ontwerp niet aanzienlijk konden overtreffen. In het dispuut over de noodzaak van een warmtewisselaar wonnen de aanhangers van de nieuwe unit. Op een gegeven moment was er zelfs een voorstel om de GT 103 gasturbinemotor uit te rusten met twee apparaten om de lucht tegelijk voor te verwarmen. De eerste warmtewisselaar moest in dit geval de lucht verwarmen voor het hoofdmotorblok, de tweede voor de extra verbrandingskamer. De GT 103 was dus eigenlijk een GT 102 met warmtewisselaars die in het ontwerp waren geïntroduceerd.
De GT 103-motor is niet gebouwd, daarom moeten we tevreden zijn met alleen de berekende kenmerken. Bovendien werden de beschikbare gegevens over deze GTE nog voor het einde van de aanleg van de warmtewisselaar berekend. Daarom zou een aantal indicatoren in de praktijk waarschijnlijk aanzienlijk lager kunnen uitvallen dan verwacht. Het vermogen van de hoofdeenheid, opgewekt door de turbine en geabsorbeerd door de compressor, moest gelijk zijn aan 1400 pk. De maximale ontwerpsnelheid van rotatie van de compressor en turbine van de hoofdeenheid is ongeveer 19 duizend omwentelingen per minuut. Luchtverbruik in de hoofdverbrandingskamer - 6 kg / s. Aangenomen werd dat de warmtewisselaar de binnenkomende lucht zal opwarmen tot 500 °, en de gassen voor de turbine een temperatuur van ongeveer 800 ° zullen hebben.
Volgens berekeningen moest de krachtturbine draaien met een snelheid van maximaal 25 duizend tpm en 800 pk op de as geven. Het luchtverbruik van de extra unit was 2 kg/s. De temperatuurparameters van de inlaatlucht en uitlaatgassen moesten gelijk zijn aan de overeenkomstige kenmerken van de hoofdeenheid. Het totale brandstofverbruik van de gehele motor zou bij gebruik van geschikte warmtewisselaars niet hoger zijn dan 200-230 g/pk h.
Resultaten van het programma
De ontwikkeling van Duitse tankgasturbinemotoren begon pas in de zomer van 1944, toen Duitslands kansen om de Tweede Wereldoorlog te winnen met de dag kleiner werden. Het Rode Leger viel het Derde Rijk vanuit het oosten aan en de troepen van de Verenigde Staten en Groot-Brittannië kwamen uit het westen. In dergelijke omstandigheden had Duitsland niet voldoende mogelijkheden voor een volwaardig beheer van de massa veelbelovende projecten. Alle pogingen om een fundamenteel nieuwe motor voor tanks te creëren, berustten op een gebrek aan geld en tijd. Hierdoor waren er in februari 1945 al drie volwaardige projecten van tankgasturbinemotoren, maar geen van hen bereikte zelfs het stadium van prototypeassemblage. Al het werk was alleen beperkt tot theoretische studies en tests van individuele experimentele eenheden.
In februari 1945 vond een gebeurtenis plaats die kan worden beschouwd als het begin van het einde van het Duitse programma voor de creatie van tankgasturbinemotoren. Dr. Alfred Müller werd uit zijn functie als hoofd van het project ontheven en zijn naamgenoot, Max Adolf Müller, werd benoemd in de vacante functie. MA Müller was ook een vooraanstaand specialist op het gebied van gasturbinecentrales, maar zijn komst op het project stopte de meest geavanceerde ontwikkelingen. De belangrijkste taak onder het nieuwe hoofd was het finetunen van de GT 101-motor en het starten van de serieproductie. Er bleven nog minder dan drie maanden over tot het einde van de oorlog in Europa, waardoor de verandering in de projectleiding geen tijd had om tot het gewenste resultaat te leiden. Alle Duitse tank GTE's bleven op papier staan.
Volgens sommige bronnen viel de documentatie voor de projecten van de "GT"-lijn in handen van de geallieerden en gebruikten ze deze in hun projecten. De eerste praktische resultaten op het gebied van gasturbinemotoren voor grondvoertuigen, die na het einde van de Tweede Wereldoorlog buiten Duitsland verschenen, hadden echter weinig gemeen met de ontwikkelingen van de beide Dr. Müller. Wat betreft gasturbinemotoren die speciaal voor tanks zijn ontworpen, verlieten de eerste seriële tanks met een dergelijke krachtcentrale de assemblagefabrieken van fabrieken slechts een kwart eeuw na de voltooiing van Duitse projecten.
