Hitlerovské Německo do určité doby nevěnovalo velkou pozornost projektům elektráren s plynovými turbínami pro pozemní vozidla. V roce 1941 byla první taková jednotka sestavena pro experimentální lokomotivu, ale její testy byly kvůli ekonomické nenáročnosti a přítomnosti programů s vyšší prioritou rychle omezeny. Práce ve směru motorů s plynovou turbínou (GTE) pro pozemní vozidla pokračovaly až v roce 1944, kdy byly zvláště výrazné některé negativní vlastnosti stávající technologie a průmyslu.
V roce 1944 zahájilo armádní ředitelství pro vyzbrojování výzkumný projekt GTE pro tanky. U nových motorů byly dva hlavní důvody. Za prvé, německá budova tanku v té době směřovala k těžším bojovým vozidlům, což vyžadovalo vytvoření motoru s vysokým výkonem a malými rozměry. Za druhé, všechna dostupná obrněná vozidla do určité míry používala vzácný benzín, a to ukládalo určitá omezení související s provozem, ekonomikou a logistikou. Slibné motory s plynovými turbínami, jak tehdy představitelé německého průmyslu usoudili, mohly spotřebovávat méně kvalitního a tedy i levnějšího paliva. Tehdy tedy byla z hlediska ekonomiky a technologie jedinou alternativou k benzínovým motorům motor s plynovou turbínou.
V první fázi byl vývoj slibného tankového motoru svěřen skupině konstruktérů z Porsche v čele s inženýrem O. Zadnikem. Několik spřízněných podniků mělo pomáhat inženýrům Porsche. Na projektu se podílelo zejména oddělení výzkumu motorů SS v čele s Dr. Alfredem Müllerem. Od poloviny třicátých let se tento vědec zabývá tématem instalací plynových turbín a podílel se na vývoji několika leteckých proudových motorů. V době, kdy začala tvorba motoru s plynovou turbínou pro tanky, dokončil Müller projekt turbodmychadla, který byl později použit na několika typech pístových motorů. Je pozoruhodné, že v roce 1943 Dr. Müller opakovaně předkládal návrhy týkající se zahájení vývoje tankových plynových turbínových motorů, ale německé vedení je ignorovalo.
Pět možností a dva projekty
V době, kdy začala hlavní práce (v polovině léta 1944), přešla hlavní role v projektu na organizaci vedenou Müllerem. V této době byly stanoveny požadavky na slibný motor s plynovou turbínou. Údajně měl mít výkon kolem 1000 koní. a spotřeba vzduchu řádově 8,5 kilogramu za sekundu. Teplota ve spalovací komoře byla stanovena referenčními podmínkami na 800 °. Vzhledem k některým charakteristickým rysům elektráren s plynovými turbínami pro pozemní vozidla bylo nutné před zahájením vývoje hlavního projektu vytvořit několik pomocných. Tým inženýrů vedený Müllerem současně vytvořil a zvážil pět možností pro architekturu a uspořádání motoru s plynovou turbínou.
Schematická schémata motoru se od sebe lišila počtem stupňů kompresoru, turbíny a umístěním výkonové turbíny spojené s převodovkou. Kromě toho bylo zvažováno několik možností umístění spalovacích komor. Takže ve třetí a čtvrté verzi uspořádání GTE bylo navrženo rozdělit proud vzduchu z kompresoru na dva. Jeden proud v tomto případě musel jít do spalovací komory a odtud do turbíny otáčející kompresor. Druhá část přiváděného vzduchu byla zase vstřikována do druhé spalovací komory, která dodávala horké plyny přímo do energetické turbíny. Rovněž byly zvažovány možnosti s jinou polohou výměníku tepla pro předehřívání vzduchu vstupujícího do motoru.
V první verzi slibného motoru, který dosáhl stádia plnohodnotného designu, měl být na stejné ose umístěn diagonální a axiální kompresor, stejně jako dvoustupňová turbína. Druhá turbína měla být umístěna souose za první a připojena k převodovým jednotkám. Současně bylo navrženo, aby výkonová turbína dodávající energii do převodovky byla namontována na vlastní osu, nebyla spojena s osou kompresorů a turbín. Toto řešení by mohlo zjednodušit konstrukci motoru, nebýt jedné vážné nevýhody. Takže při odstraňování zátěže (například při změně rychlostního stupně) se druhá turbína mohla roztočit až na takové rychlosti, při kterých hrozilo zničení lopatek nebo náboje. Bylo navrženo vyřešit problém dvěma způsoby: buď zpomalit pracovní turbínu ve správných okamžicích, nebo z ní odstranit plyny. Na základě výsledků analýzy byla zvolena první možnost.
A přesto byla upravená první verze tankového GTE příliš komplikovaná a drahá pro sériovou výrobu. Müller pokračoval v dalším výzkumu. Pro zjednodušení konstrukce byly některé původní díly nahrazeny odpovídajícími jednotkami vypůjčenými z proudového motoru Heinkel-Hirt 109-011. Kromě toho bylo z konstrukce tankového motoru odstraněno několik ložisek, na kterých byly drženy nápravy motoru. Snížení počtu podpěr hřídele na dvě zjednodušené montáže, ale odstraněna potřeba samostatné nápravy s turbínou, která přenáší točivý moment na převodovku. Výkonová turbína byla instalována na stejný hřídel, na kterém už byla umístěna oběžná kola kompresoru a dvoustupňová turbína. Spalovací komora je vybavena originálními rotačními tryskami pro stříkání paliva. Teoreticky umožnily efektivnější vstřikování paliva a také pomohly zabránit přehřívání určitých částí konstrukce. Aktualizovaná verze projektu byla připravena v polovině září 1944.
První jednotka plynových trubek pro obrněná vozidla
První jednotka plynových trubek pro obrněná vozidla
Tato možnost také nebyla bez nevýhod. Za prvé, nároky způsobily potíže s udržením točivého momentu na výstupním hřídeli, což bylo ve skutečnosti prodloužení hlavního hřídele motoru. Ideálním řešením problému přenosu energie by mohlo být použití elektrického přenosu, ale nedostatek mědi způsobil, že se na takový systém zapomnělo. Jako alternativa k elektrické převodovce byl zvažován hydrostatický nebo hydrodynamický transformátor. Při použití takových mechanismů byla účinnost přenosu energie mírně snížena, ale byly výrazně levnější než systém s generátorem a elektromotory.
Motor GT 101
Další vývoj druhé verze projektu vedl k dalším změnám. Aby byla zachována výkonnost GTE při rázovém zatížení (například při výbuchu dolu), bylo přidáno třetí ložisko hřídele. Potřeba sjednotit kompresor s leteckými motory navíc vedla ke změně některých parametrů provozu tankového GTE. Zejména se spotřeba vzduchu zvýšila zhruba o čtvrtinu. Po všech úpravách dostal projekt tankového motoru nový název - GT 101. V této fázi dospěl vývoj elektrárny s plynovou turbínou pro tanky do fáze, kdy bylo možné zahájit přípravy na stavbu prvního prototypu, a pak nádrž vybavenou motorem s plynovou turbínou.
Přesto se dolaďování motoru protáhlo a do konce podzimu 1944 nezačaly práce na instalaci nové elektrárny na nádrž. V té době němečtí inženýři pracovali pouze na umístění motoru na stávající tanky. Původně se plánovalo, že základnou pro experimentální GTE bude těžký tank PzKpfw VI - „Tiger“. Motorový prostor tohoto obrněného vozidla však nebyl dostatečně velký, aby pojal všechny potřebné jednotky. I při relativně malém zdvihovém objemu byl motor GT 101 na Tigera příliš dlouhý. Z tohoto důvodu bylo rozhodnuto použít jako základní testovací vozidlo tank PzKpfw V, také známý jako Panther.
Ve fázi finalizace motoru GT 101 pro použití v tanku Panther zákazník, zastoupený ředitelstvím pro vyzbrojování pozemních sil a realizátor projektu, stanovil požadavky na prototyp. Předpokládalo se, že motor s plynovou turbínou přinese měrný výkon tanku s bojovou hmotností asi 46 tun na úroveň 25-27 koní. na tunu, což výrazně zlepší jeho jízdní vlastnosti. Přitom požadavky na maximální rychlost se téměř nezměnily. Vibrace a rázy při vysokorychlostní jízdě výrazně zvýšily riziko poškození součástí podvozku. V důsledku toho byla maximální přípustná rychlost omezena na 54–55 kilometrů za hodinu.
Jednotka plynové turbíny GT 101 v nádrži „Panther“
Stejně jako v případě Tigera nebyl motorový prostor Pantheru dostatečně velký, aby pojal nový motor. Přesto se konstruktérům pod vedením Dr. Millera podařilo vměstnat GT 101 GTE do dostupných svazků. Je pravda, že velká výfuková trubka motoru musela být umístěna v kulatém otvoru v zadní pancéřové desce. Navzdory zdánlivé podivnosti bylo takové řešení považováno za pohodlné a vhodné i pro sériovou výrobu. Samotný motor GT 101 na experimentálním „Pantheru“měl být umístěn podél osy trupu, s posunem nahoru, na střechu motorového prostoru. Vedle motoru, v náraznících trupu, bylo do projektu umístěno několik palivových nádrží. Místo pro převodovku bylo nalezeno přímo pod motorem. Zařízení pro přívod vzduchu byla přivedena na střechu budovy.
Zjednodušení konstrukce motoru GT 101, kvůli kterému ztratilo samostatnou turbínu spojenou s převodovkou, s sebou neslo potíže jiné povahy. Pro použití s novým GTE bylo nutné objednat novou hydraulickou převodovku. Organizace ZF (Zahnradfabrik z Friedrichshafenu) v krátké době vytvořila třístupňový měnič točivého momentu s 12stupňovou (!) Převodovkou. Polovina rychlostních stupňů byla pro jízdu na silnici, zbytek pro jízdu v terénu. V instalaci převodovky motoru experimentální nádrže bylo také nutné zavést automatizaci, která monitorovala provozní režimy motoru. Speciální ovládací zařízení mělo monitorovat otáčky motoru a v případě potřeby zvýšit nebo snížit rychlostní stupeň, aby se GTE nedostalo do nepřijatelných provozních režimů.
Podle výpočtů vědců by plynová turbína GT 101 s převodem od ZF mohla mít následující charakteristiky. Maximální výkon turbíny dosáhl 3750 koní, z čehož 2 600 bylo odebíráno kompresorem, aby byl zajištěn chod motoru. Na výstupním hřídeli tak zůstalo „jen“1100–1150 koní. Rychlost otáčení kompresoru a turbín se v závislosti na zatížení pohybovala mezi 14-14,5 tisíci otáček za minutu. Teplota plynů před turbínou byla udržována na předem stanovené úrovni 800 °. Spotřeba vzduchu byla 10 kilogramů za sekundu, měrná spotřeba paliva v závislosti na provozním režimu byla 430-500 g / hp h.
Motor GT 102
Díky jedinečnému vysokému výkonu měl motor s plynovou turbínou GT 101 stejně pozoruhodnou spotřebu paliva, přibližně dvakrát vyšší než u benzínových motorů dostupných v té době v Německu. Kromě spotřeby paliva měl GTE GT 101 ještě několik technických problémů, které vyžadovaly další výzkum a opravy. V tomto ohledu začal nový projekt GT 102, ve kterém bylo plánováno zachovat všechny dosažené úspěchy a zbavit se stávajících nedostatků.
V prosinci 1944 A. Müller dospěl k závěru, že je nutné vrátit se k jedné z dřívějších myšlenek. Pro optimalizaci provozu nového GTE bylo navrženo použít samostatnou turbínu na vlastní nápravě, připojenou k převodovým mechanismům. Výkonová turbína motoru GT 102 přitom musela být samostatnou jednotkou, která nebyla umístěna souose s hlavními jednotkami, jak se dříve navrhovalo. Hlavním blokem nové elektrárny s plynovou turbínou byl GT 101 s minimálními změnami. Měl dva kompresory s devíti stupni a třístupňovou turbínu. Při vývoji GT 102 se ukázalo, že hlavní blok předchozího motoru GT 101, pokud je to nutné, může být umístěn ne podél, ale přes motorový prostor nádrže Panther. To také udělali při sestavování jednotek experimentálního tanku. Zařízení pro sání vzduchu motoru s plynovou turbínou byla nyní umístěna na střeše na levé straně, výfukové potrubí na pravé straně.
Jednotka plynové turbíny GT 102 v nádrži „Panther“
Kompresorová jednotka plynové turbíny GT 102
Mezi kompresorem a spalovací komorou hlavního bloku motoru bylo upraveno potrubí pro odvádění vzduchu do přídavné spalovací komory a turbíny. Podle výpočtů muselo 70% vzduchu vstupujícího do kompresoru projít hlavní částí motoru a pouze 30% přídavným, a to pomocí výkonové turbíny. Zajímavé je umístění přídavného bloku: osa jeho spalovací komory a výkonové turbíny měla být umístěna kolmo na osu hlavního bloku motoru. Bylo navrženo umístit jednotky turbíny pod hlavní jednotku a vybavit je vlastním výfukovým potrubím, které bylo vyvedeno uprostřed střechy motorového prostoru.
„Vrozenou nemocí“uspořádání motoru plynové turbíny GT 102 bylo riziko přetočení energetické turbíny s následným poškozením nebo zničením. Bylo navrženo vyřešit tento problém nejjednodušším způsobem: umístit ventily pro řízení toku do potrubí přivádějícího vzduch do přídavné spalovací komory. Výpočty zároveň ukázaly, že nový GT 102 GTE může mít kvůli zvláštnostem provozu relativně lehké energetické turbíny nedostatečnou odezvu na plyn. Specifikace návrhu, jako je výkon výstupního hřídele nebo výkon turbíny hlavní jednotky, zůstaly na stejné úrovni jako předchozí motor GT 101, což lze vysvětlit téměř úplnou absencí zásadních konstrukčních změn, s výjimkou vzhledu výkonu turbínová jednotka. Další vylepšení motoru vyžadovalo použití nových řešení nebo dokonce otevření nového projektu.
Samostatná pracovní turbína pro GT 102
Před zahájením vývoje dalšího modelu GTE s názvem GT 103 se Dr. A. Müller pokusil zlepšit rozložení stávajícího modelu GT 102. Hlavním problémem jeho designu byly poměrně velké rozměry hlavní jednotky, což způsobilo je obtížné umístit celý motor do motorových prostor v té době dostupných nádrží. Aby se zmenšila délka jednotky motoru a převodovky, bylo navrženo navrhnout kompresor jako samostatnou jednotku. Do motorového prostoru nádrže tedy mohly být umístěny tři relativně malé jednotky: kompresor, hlavní spalovací komora a turbína, jakož i jednotka výkonové turbíny s vlastní spalovací komorou. Tato verze GTE dostala jméno GT 102 Ausf. 2. Kromě umístění kompresoru do samostatné jednotky byly provedeny pokusy provést totéž se spalovací komorou nebo turbínou, ale neměly velký úspěch. Konstrukce motoru s plynovou turbínou se nedala rozdělit na velký počet jednotek bez znatelných ztrát výkonu.
Motor GT 103
Alternativa k motoru s plynovou turbínou GT 102 Ausf. 2 s možností „volného“uspořádání jednotek ve stávajícím objemu byl nový vývoj GT 103. Němečtí stavitelé motorů se tentokrát rozhodli zaměřit nikoli na pohodlí umístění, ale na efektivitu práce. Do zařízení motoru byl zaveden výměník tepla. Předpokládalo se, že s jeho pomocí výfukové plyny ohřejí vzduch vstupující přes kompresor, čímž se dosáhne hmatatelné úspory paliva. Podstatou tohoto řešení bylo, že předehřátý vzduch umožní utratit méně paliva k udržení požadované teploty před turbínou. Podle předběžných výpočtů by použití výměníku tepla mohlo snížit spotřebu paliva o 25-30 procent. Za určitých podmínek takové úspory dokázaly učinit nový GTE vhodným pro praktické použití.
Vývojem výměníku tepla byli pověřeni „subdodavatelé“od společnosti Brown Boveri. Hlavním konstruktérem této jednotky byl V. Khrinizhak, který se dříve podílel na tvorbě kompresorů pro tankové motory s plynovými turbínami. Následně se z Chrynižaka stal uznávaný specialista na výměníky tepla a jeho účast v projektu GT 103 k tomu byla pravděpodobně jedním z předpokladů. Vědec použil poměrně odvážné a originální řešení: hlavním prvkem nového výměníku tepla byl rotující buben z porézní keramiky. Do bubnu bylo umístěno několik speciálních přepážek, které zajišťovaly cirkulaci plynů. Během provozu procházely horké výfukové plyny dovnitř bubnu přes jeho porézní stěny a zahřívaly je. Stalo se to během půl otáčky bubnu. Další půl otáčka byla použita k přenosu tepla do vzduchu procházejícího zevnitř ven. Díky systému přepážek uvnitř a vně válce se vzduch a výfukové plyny navzájem nemísily, což vylučovalo poruchy motoru.
Použití výměníku tepla způsobilo vážnou kontroverzi mezi autory projektu. Někteří vědci a designéři věřili, že použití této jednotky v budoucnosti umožní dosáhnout vysokého výkonu a relativně nízkých průtoků vzduchu. Jiní zase viděli ve výměníku tepla jen pochybný prostředek, jehož výhody nemohly výrazně převýšit ztráty z komplikací konstrukce. Ve sporu o potřebu výměníku tepla zvítězili příznivci nové jednotky. V určitém okamžiku byl dokonce návrh vybavit motor plynové turbíny GT 103 dvěma zařízeními pro předehřívání vzduchu najednou. První výměník tepla v tomto případě musel ohřívat vzduch pro hlavní blok motoru, druhý pro přídavnou spalovací komoru. GT 103 byl tedy ve skutečnosti GT 102 s výměníky tepla zavedenými do konstrukce.
Motor GT 103 nebyl postaven, a proto je nutné se spokojit pouze s jeho vypočítanými charakteristikami. Kromě toho byla dostupná data o tomto GTE vypočítána ještě před koncem vytvoření výměníku tepla. Proto by řada indikátorů v praxi pravděpodobně mohla být výrazně nižší, než se očekávalo. Výkon hlavní jednotky, generovaný turbínou a absorbovaný kompresorem, měl být roven 1400 koňským silám. Maximální konstrukční rychlost otáčení kompresoru a turbíny hlavní jednotky je asi 19 tisíc otáček za minutu. Spotřeba vzduchu v hlavní spalovací komoře - 6 kg / s. Předpokládalo se, že výměník tepla ohřeje přiváděný vzduch na 500 ° a plyny před turbínou budou mít teplotu asi 800 °.
Výkonová turbína se podle výpočtů měla otáčet rychlostí až 25 tisíc otáček za minutu a dávat na hřídel 800 koní. Spotřeba vzduchu přídavné jednotky byla 2 kg / s. Teplotní parametry vstupního vzduchu a výfukových plynů měly být stejné jako odpovídající charakteristiky hlavní jednotky. Celková spotřeba paliva celého motoru s použitím vhodných výměníků tepla nepřesáhne 200-230 g / hp h.
Výsledky programu
Vývoj německých tankových plynových turbínových motorů začal až v létě 1944, kdy se šance Německa na vítězství ve druhé světové válce každým dnem zmenšovaly. Rudá armáda zaútočila na Třetí říši z východu a vojska Spojených států a Velké Británie pocházela ze západu. V takových podmínkách nemělo Německo dostatečné příležitosti pro plnohodnotné řízení masy slibných projektů. Všechny pokusy o vytvoření zásadně nového motoru pro tanky spočívaly na nedostatku peněz a času. Z tohoto důvodu již v únoru 1945 existovaly tři plnohodnotné projekty tankových plynových turbínových motorů, ale žádný z nich nedosáhl ani fáze prototypové montáže. Veškerá práce byla omezena pouze na teoretické studie a testy jednotlivých experimentálních jednotek.
V únoru 1945 došlo k události, kterou lze považovat za začátek konce německého programu na výrobu tankových plynových turbínových motorů. Dr. Alfred Müller byl odvolán z funkce vedoucího projektu a na uvolněné místo byl jmenován jeho jmenovec Max Adolf Müller. M. A. Müller byl také prominentním specialistou v oblasti elektráren s plynovými turbínami, ale jeho příchod do projektu zastavil nejpokročilejší vývoj. Hlavním úkolem pod novou hlavou bylo doladit motor GT 101 a zahájit jeho sériovou výrobu. Do konce války v Evropě zbývaly necelé tři měsíce, a proto změna vedení projektu nestihla vést k požadovanému výsledku. Všechny německé tankové GTE zůstaly na papíře.
Podle některých zdrojů se dokumentace k projektům linie „GT“dostala do rukou spojenců a ti ji použili ve svých projektech. První praktické výsledky v oblasti motorů s plynovými turbínami pro pozemní vozidla, které se objevily po skončení druhé světové války mimo Německo, však měly s vývojem obou Dr. Müllera pramálo společného. Pokud jde o motory s plynovou turbínou určené speciálně pro tanky, první sériové nádrže s takovou elektrárnou opustily montážní závody továren až čtvrt století po dokončení německých projektů.
