До определено време хитлеристка Германия не обръщаше особено внимание на проектите на газотурбинни електроцентрали за наземни превозни средства. И така, през 1941 г. първият такъв агрегат е сглобен за експериментален локомотив, но тестовете му бързо са съкратени поради икономическата нецелесъобразност и наличието на програми с по -висок приоритет. Работата в посока на газотурбинни двигатели (GTE) за наземни превозни средства продължава едва през 1944 г., когато някои от отрицателните черти на съществуващите технологии и индустрия са особено изразени.
През 1944 г. Дирекцията по въоръженията на армията стартира изследователски проект за GTE за танкове. Имаше две основни причини за новите двигатели. Първо, немската танкова сграда по това време пое курс към по -тежки бойни машини, което изискваше създаването на двигател с висока мощност и малки размери. Второ, всички налични бронирани превозни средства използват до известна степен оскъден бензин и това налага определени ограничения, свързани с експлоатацията, икономиката и логистиката. Обещаващите газотурбинни двигатели, както тогава смятаха германските лидери в индустрията, биха могли да консумират по-малко висококачествено и съответно по-евтино гориво. Така по това време, от гледна точка на икономиката и технологиите, единствената алтернатива на бензиновите двигатели беше газотурбинен двигател.
На първия етап разработването на обещаващ танков двигател е поверено на група дизайнери от Porsche, начело с инженер О. Задник. Няколко свързани предприятия трябваше да помогнат на инженерите на Porsche. По -специално, отделът за изследване на двигателите на SS, ръководен от д -р Алфред Мюлер, беше включен в проекта. От средата на тридесетте години този учен работи по темата за газотурбинни инсталации и участва в разработването на няколко самолетни реактивни двигателя. По времето, когато започва създаването на газотурбинен двигател за резервоари, Мюлер завършва проекта за турбокомпресор, който по -късно се използва за няколко типа бутални двигатели. Трябва да се отбележи, че през 1943 г. д -р Мюлер многократно прави предложения относно началото на разработването на танкови газотурбинни двигатели, но германското ръководство ги игнорира.
Пет варианта и два проекта
По времето, когато започна основната работа (средата на лятото на 1944 г.), водещата роля в проекта беше прехвърлена на организацията, ръководена от Мюлер. По това време бяха определени изискванията за обещаващ газотурбинен двигател. Той трябваше да има мощност около 1000 к.с. и разход на въздух от порядъка на 8,5 килограма в секунда. Температурата в горивната камера беше зададена от заданието на 800 °. Поради някои характерни особености на газотурбинните електроцентрали за наземни превозни средства е трябвало да се създадат няколко спомагателни, преди да започне разработването на основния проект. Екип от инженери, ръководен от Мюлер, едновременно създава и разглежда пет варианта за архитектурата и разположението на газотурбинния двигател.
Схематичните схеми на двигателя се различават помежду си по броя на етапите на компресора, турбината и местоположението на силовата турбина, свързана с трансмисията. Освен това бяха разгледани няколко варианта за местоположението на горивните камери. Така че в третата и четвъртата версия на оформлението на GTE беше предложено да се раздели въздушния поток от компресора на две. В този случай един поток трябваше да отиде в горивната камера и оттам към турбината, въртяща компресора. Втората част от входящия въздух от своя страна се инжектира във втората горивна камера, която доставя горещи газове директно към силовата турбина. Също така бяха разгледани варианти с различно положение на топлообменника за предварително загряване на въздуха, постъпващ в двигателя.
В първата версия на обещаващия двигател, достигнал етапа на пълноценен дизайн, диагонален и аксиален компресор, както и двустепенна турбина, трябваше да бъдат разположени на същата ос. Втората турбина трябваше да бъде поставена коаксиално зад първата и свързана с трансмисионните блокове. В същото време се предлагаше силовата турбина, доставяща енергия към трансмисията, да бъде монтирана на собствена ос, а не свързана с оста на компресорите и турбините. Това решение би могло да опрости дизайна на двигателя, ако не и за един сериозен недостатък. Така че, когато сваляте товара (например при смяна на предавка), втората турбина може да се върти до такива скорости, при които съществува риск от разрушаване на лопатките или главината. Беше предложено да се реши проблемът по два начина: или да се забави работната турбина в подходящите моменти, или да се отстранят газовете от нея. Въз основа на резултатите от анализа беше избран първият вариант.
И все пак модифицираната първа версия на резервоара GTE беше твърде сложна и скъпа за масово производство. Мюлер продължи по -нататъшните изследвания. За да се опрости дизайна, някои оригинални части бяха заменени със съответни агрегати, заимствани от турбореактивния двигател Heinkel-Hirt 109-011. В допълнение, няколко лагера бяха премахнати от конструкцията на двигателя на резервоара, върху който бяха задържани осите на двигателя. Намаляване на броя на опорите на вала до два опростени монтажа, но елиминирана необходимостта от отделна ос с турбина, която предава въртящ момент към трансмисията. Силовата турбина е монтирана на същия вал, на който вече са били разположени работното колело на компресора и двустепенната турбина. Горивната камера е оборудвана с оригинални въртящи се дюзи за пръскане на гориво. На теория те направиха възможно впръскването на гориво по -ефективно, а също така помогнаха да се избегне прегряване на определени части от конструкцията. Актуализирана версия на проекта беше готова в средата на септември 1944 г.
Първият газо-тръбен агрегат за бронирани превозни средства
Първият газо-тръбен агрегат за бронирани превозни средства
Тази опция също не беше без недостатъци. На първо място, претенциите създадоха трудности при поддържането на въртящия момент на изходящия вал, който всъщност беше продължение на главния вал на двигателя. Идеалното решение на проблема с преноса на енергия може да бъде използването на електрическо предаване, но недостигът на мед направи такава система да бъде забравена. Като алтернатива на електрическото предаване се разглежда хидростатичен или хидродинамичен трансформатор. При използване на такива механизми ефективността на предаване на мощност беше леко намалена, но те бяха значително по -евтини от система с генератор и електродвигатели.
Двигател GT 101
По -нататъшното развитие на втората версия на проекта доведе до допълнителни промени. Така че, за да се запазят характеристиките на GTE при ударни натоварвания (например по време на експлозия на мина), е добавен трети лагер на вала. В допълнение, необходимостта от унифициране на компресора с самолетни двигатели доведе до промяна в някои параметри на работата на резервоара GTE. По -специално, потреблението на въздух се е увеличило с около една четвърт. След всички модификации проектът на танковия двигател получи ново име - GT 101. На този етап развитието на газотурбинна електроцентрала за резервоари достигна етапа, когато беше възможно да започне подготовката за изграждането на първия прототип, и след това резервоарът, оборудван с газотурбинен двигател.
Въпреки това фината настройка на двигателя се проточи и до края на есента на 1944 г. работата по инсталирането на нова електроцентрала на резервоара не беше започнала. По това време немските инженери са работили само по поставянето на двигателя върху съществуващи резервоари. Първоначално беше планирано, че базата за експерименталния GTE ще бъде тежкият танк PzKpfw VI - „Тигър“. Двигателният отсек на тази бронирана машина обаче не беше достатъчно голям, за да побере всички необходими единици. Дори и със сравнително малък работен обем, двигателят на GT 101 беше твърде дълъг за Tiger. Поради тази причина беше решено да се използва резервоарът PzKpfw V, известен още като Пантера, като базов автомобил за тестване.
На етапа на финализиране на двигателя GT 101 за използване на танка „Пантера“, клиентът, представляван от Дирекция „Въоръжение на Сухопътните войски“, и изпълнителят на проекта, определиха изискванията за прототипа. Предполагаше се, че газотурбинният двигател ще доведе специфичната мощност на резервоар с бойно тегло около 46 тона до ниво 25-27 к.с. на тон, което значително ще подобри неговите характеристики. В същото време изискванията за максимална скорост почти не са се променили. Вибрациите и ударите от високоскоростно шофиране значително увеличават риска от повреда на компонентите на шасито. В резултат на това максимално допустимата скорост беше ограничена до 54-55 километра в час.
Газотурбинен агрегат GT 101 в резервоара "Пантера"
Както в случая с Тигъра, двигателното отделение на Пантера не беше достатъчно голямо, за да побере новия двигател. Въпреки това дизайнерите под ръководството на д -р Милър успяха да впишат GT 101 GTE в наличните томове. Вярно е, че голямата изпускателна тръба на двигателя трябваше да бъде поставена в кръгъл отвор в задната броня. Въпреки привидната странност, такова решение се счита за удобно и подходящо дори за масово производство. Самият двигател GT 101 на експерименталната „Пантера“е трябвало да бъде поставен по оста на корпуса, с изместване нагоре, към покрива на двигателното отделение. До двигателя, в калниците на корпуса, в проекта бяха поставени няколко резервоара за гориво. Мястото за трансмисията беше намерено директно под двигателя. Устройствата за всмукване на въздух бяха докарани до покрива на сградата.
Опростяването на дизайна на двигателя GT 101, поради което той загуби отделната си турбина, свързана с трансмисията, доведе до трудности от различно естество. За използване с новия GTE трябваше да се поръча нова хидравлична трансмисия. Организацията ZF (Zahnradfabrik от Фридрихсхафен) за кратко време създаде тристепенен преобразувател на въртящ момент с 12-степенна (!) Скоростна кутия. Половината от предавките са за шофиране по пътя, останалите за шофиране извън пътя. В инсталацията за трансмисия на двигателя на експерименталния резервоар също беше необходимо да се въведе автоматизация, която да следи режимите на работа на двигателя. Специално устройство за управление трябваше да следи оборотите на двигателя и, ако е необходимо, да увеличава или намалява предавката, като предотвратява влизането на GTE в неприемливи режими на работа.
Според изчисленията на учените, газовата турбина GT 101 с трансмисия от ZF може да има следните характеристики. Максималната мощност на турбината достига 3750 к.с., от които 2600 са взети от компресора, за да се гарантира работата на двигателя. По този начин "само" 1100-1150 конски сили останаха на изходния вал. Скоростта на въртене на компресора и турбините, в зависимост от натоварването, варира между 14-14,5 хиляди оборота в минута. Температурата на газовете пред турбината се поддържа на предварително определено ниво от 800 °. Разходът на въздух е 10 килограма в секунда, специфичният разход на гориво, в зависимост от режима на работа, е 430-500 г / к.с.
Двигател GT 102
С уникално висока мощност, бензиновият турбинен двигател GT 101 имаше еднакво забележителен разход на гориво, приблизително два пъти по -висок от този на бензиновите двигатели, налични по това време в Германия. В допълнение към разхода на гориво, GTE GT 101 имаше още няколко технически проблеми, които изискваха допълнителни изследвания и корекции. В тази връзка започва нов проект GT 102, в който се планира да се запазят всички постигнати успехи и да се премахнат съществуващите недостатъци.
През декември 1944 г. А. Мюлер стигна до извода, че е необходимо да се върнем към една от по -ранните идеи. За оптимизиране на работата на новия GTE беше предложено да се използва отделна турбина на собствената си ос, свързана с трансмисионните механизми. В същото време силовата турбина на двигателя GT 102 трябваше да бъде отделен блок, който да не е поставен коаксиално с основните агрегати, както беше предложено по -рано. Основният блок на новата газова турбина е GT 101 с минимални промени. Той имаше два компресора с девет степени и тристепенна турбина. При разработването на GT 102 се оказа, че основният блок на предишния двигател GT 101, ако е необходимо, може да бъде поставен не по протежение, а през двигателното отделение на резервоара Panther. Така направиха при сглобяването на блоковете на експерименталния танк. Устройствата за всмукване на въздух на газотурбинния двигател сега бяха разположени на покрива от лявата страна, а изпускателната тръба от дясната страна.
Газотурбинен агрегат GT 102 в резервоара "Пантера"
Компресорен агрегат с газова турбина GT 102
Между компресора и горивната камера на основния блок на двигателя беше предвидена тръба за изпускане на въздух към допълнителната горивна камера и турбината. Според изчисленията 70% от въздуха, постъпващ в компресора, е трябвало да мине през основната част на двигателя и само 30% през допълнителната, с мощна турбина. Интересно е местоположението на допълнителния блок: оста на неговата горивна камера и силовата турбина трябва да са разположени перпендикулярно на оста на основния блок на двигателя. Предложено е силовите турбинни агрегати да се поставят под основния блок и да се оборудват със собствена изпускателна тръба, която беше извадена в средата на покрива на двигателното отделение.
"Вродената болест" на конструкцията на газотурбинен двигател на GT 102 беше рискът от прекалено въртене на силовата турбина с последващо увреждане или разрушаване. Беше предложено да се реши този проблем по най -простия начин: да се поставят клапани за контрол на потока в тръбата, подаваща въздух към допълнителната горивна камера. В същото време изчисленията показаха, че новият GT 102 GTE може да има недостатъчна реакция на дросела поради особеностите на работата на относително лека турбина с мощност. Конструктивните спецификации, като мощност на изходния вал или мощността на турбината на основния блок, останаха на същото ниво като предишния двигател GT 101, което може да се обясни с почти пълната липса на големи промени в дизайна, с изключение на външния вид на мощността турбинен агрегат. По -нататъшното подобряване на двигателя изисква използването на нови решения или дори откриването на нов проект.
Отделна работна турбина за GT 102
Преди да започне разработването на следващия модел GTE, наречен GT 103, д -р А. Мюлер направи опит да подобри оформлението на съществуващия GT 102. Основният проблем на неговия дизайн бяха доста големите размери на основния блок, което направи трудно е да се постави целият двигател в двигателните отделения на наличните по това време резервоари. За да се намали дължината на блока двигател-трансмисия, беше предложено да се проектира компресора като отделен блок. По този начин три относително малки блока могат да бъдат поставени в двигателното отделение на резервоара: компресор, основна горивна камера и турбина, както и силов турбинен агрегат със собствена горивна камера. Тази версия на GTE е наречена GT 102 Ausf. 2. В допълнение към поставянето на компресора в отделен блок, са направени опити да се направи същото с горивната камера или турбината, но те не са имали голям успех. Дизайнът на газотурбинния двигател не позволи да бъде разделен на голям брой агрегати без забележими загуби в производителността.
Двигател GT 103
Алтернатива на газотурбинния двигател GT 102 Ausf. 2 с възможност за "безплатно" подреждане на агрегати в съществуващия обем беше новото развитие на GT 103. Този път германските строители на двигатели решиха да се съсредоточат не върху удобството на поставяне, а върху ефективността на работата. В оборудването на двигателя беше въведен топлообменник. Предполагаше се, че с негова помощ отработените газове ще загряват въздуха, постъпващ през компресора, което ще постигне осезаеми икономии на гориво. Същността на това решение беше, че предварително загрятият въздух би позволил да се изразходва по -малко гориво за поддържане на необходимата температура пред турбината. Според предварителните изчисления използването на топлообменник може да намали разхода на гориво с 25-30 процента. При определени условия тези спестявания успяха да направят новия GTE подходящ за практическа употреба.
Разработването на топлообменника е поверено на „подизпълнители“от компанията Brown Boveri. Главен конструктор на този агрегат е В. Хринижак, който преди това е участвал в създаването на компресори за газотурбинни двигатели на танкове. Впоследствие Chrynižak става известен специалист по топлообменници и участието му в проекта GT 103 вероятно е една от предпоставките за това. Ученият приложи доста смело и оригинално решение: основният елемент на новия топлообменник беше въртящ се барабан, изработен от пореста керамика. Вътре в барабана бяха поставени няколко специални прегради, които осигуриха циркулацията на газове. По време на работа горещите отработени газове преминават през барабана през порестите му стени и ги нагряват. Това се случи по време на половин завъртане на барабана. Следващият полуоборот се използва за прехвърляне на топлина към въздуха, преминаващ отвътре навън. Благодарение на системата от прегради вътре и извън цилиндъра, въздухът и отработените газове не се смесват помежду си, което изключва неизправности в двигателя.
Използването на топлообменника предизвика сериозни спорове сред авторите на проекта. Някои учени и дизайнери смятат, че използването на този уред в бъдеще ще позволи да се постигне висока мощност и относително ниски скорости на въздушния поток. Други от своя страна виждат в топлообменника само съмнително средство, чиито ползи не могат да надхвърлят значително загубите от усложнението на дизайна. В спора за необходимостта от топлообменник победиха привържениците на новия агрегат. В един момент дори имаше предложение за оборудване на газотурбинния двигател GT 103 с две устройства за предварително загряване на въздуха наведнъж. Първият топлообменник в този случай трябваше да загрее въздуха за основния блок на двигателя, вторият за допълнителната горивна камера. По този начин GT 103 всъщност беше GT 102 с топлообменници, въведени в дизайна.
Двигателят GT 103 не е построен, поради което е необходимо да се задоволите само с изчислените му характеристики. Освен това наличните данни за този GTE бяха изчислени още преди края на създаването на топлообменника. Следователно редица показатели на практика вероятно биха могли да се окажат значително по -ниски от очакваното. Мощността на основния блок, генерирана от турбината и абсорбирана от компресора, трябваше да бъде равна на 1400 конски сили. Максималната проектна скорост на въртене на компресора и турбината на основния блок е около 19 хиляди оборота в минута. Консумация на въздух в основната горивна камера - 6 kg / s. Предполага се, че топлообменникът ще затопли входящия въздух до 500 °, а газовете пред турбината ще имат температура от около 800 °.
Силовата турбина според изчисленията е трябвало да се върти със скорост до 25 хиляди оборота в минута и да дава 800 к.с. на вала. Консумацията на въздух от допълнителния агрегат беше 2 кг / сек. Температурните параметри на входящия въздух и отработените газове трябваше да бъдат равни на съответните характеристики на основния блок. Общият разход на гориво на целия двигател с използването на подходящи топлообменници не би надвишил 200-230 g / hp h.
Резултати от програмата
Развитието на германските танкови газотурбинни двигатели започва едва през лятото на 1944 г., когато шансовете на Германия да спечели Втората световна война намаляват всеки ден. Червената армия атакува Третия райх от изток, а войските на САЩ и Великобритания идват от запад. При такива условия Германия нямаше достатъчно възможности за пълноценно управление на масата на обещаващи проекти. Всички опити за създаване на принципно нов двигател за танкове почиват на липса на пари и време. Поради това до февруари 1945 г. вече имаше три пълноценни проекта на танкови газотурбинни двигатели, но никой от тях дори не достигна етапа на сглобяване на прототип. Цялата работа беше ограничена само до теоретични изследвания и тестове на отделни експериментални единици.
През февруари 1945 г. се случи събитие, което може да се счита за начало на края на германската програма за създаване на танкови газотурбинни двигатели. Д -р Алфред Мюлер беше отстранен от поста си на ръководител на проекта, а неговият съименник Макс Адолф Мюлер беше назначен на овакантената позиция. М. А. Мюлер също беше виден специалист в областта на газотурбинните електроцентрали, но пристигането му в проекта забави най -напредналите разработки. Основната задача на новата глава беше да прецизира двигателя GT 101 и да започне серийното му производство. Остават по -малко от три месеца до края на войната в Европа, поради което промяната в ръководството на проекта няма време да доведе до желания резултат. Всички германски танкови GTE останаха на хартия.
Според някои източници документацията за проектите на линията "GT" попаднала в ръцете на съюзниците и те я използвали в своите проекти. Първите практически резултати в областта на газотурбинните двигатели за наземни превозни средства, които се появиха след края на Втората световна война извън Германия, нямаха много общо с развитието на д -р Мюлер. Що се отнася до газотурбинните двигатели, проектирани специално за резервоари, първите серийни резервоари с такава електроцентрала напуснаха монтажните цехове на заводите само четвърт век след завършването на германските проекти.
