Hasta cierto tiempo, la Alemania de Hitler no prestó mucha atención a los proyectos de centrales eléctricas de turbinas de gas para vehículos terrestres. Entonces, en 1941, la primera unidad de este tipo se ensambló para una locomotora experimental, pero sus pruebas se redujeron rápidamente debido a la falta de conveniencia económica y la presencia de programas de mayor prioridad. El trabajo en la dirección de los motores de turbina de gas (GTE) para vehículos terrestres continuó solo en 1944, cuando algunas de las características negativas de la tecnología y la industria existentes fueron especialmente pronunciadas.
En 1944, la Dirección de Armamento del Ejército lanzó un proyecto de investigación sobre GTE para tanques. Hubo dos razones principales para los nuevos motores. En primer lugar, la construcción de tanques alemana en ese momento tomó un rumbo hacia vehículos de combate más pesados, lo que requirió la creación de un motor de alta potencia y pequeñas dimensiones. En segundo lugar, todos los vehículos blindados disponibles utilizaban hasta cierto punto gasolina escasa, lo que impuso ciertas restricciones relacionadas con la operación, la economía y la logística. Los prometedores motores de turbina de gas, como lo consideraron entonces los líderes de la industria alemana, podrían consumir menos combustible de alta calidad y, en consecuencia, más barato. Así, en ese momento, desde el punto de vista económico y tecnológico, la única alternativa a los motores de gasolina era un motor de turbina de gas.
En la primera etapa, el desarrollo de un motor tanque prometedor se confió a un grupo de diseñadores de Porsche, encabezados por el ingeniero O. Zadnik. Se suponía que varias empresas relacionadas ayudarían a los ingenieros de Porsche. En particular, el Departamento de Investigación de Motores SS, dirigido por el Dr. Alfred Müller, participó en el proyecto. Desde mediados de los años treinta, este científico trabaja en el tema de las instalaciones de turbinas de gas y participó en el desarrollo de varios motores a reacción de aviones. Cuando comenzó la creación de un motor de turbina de gas para tanques, Müller había completado el proyecto del turbocompresor, que luego se utilizó en varios tipos de motores de pistón. Es de destacar que en 1943, el Dr. Müller hizo repetidamente propuestas con respecto al inicio del desarrollo de motores de turbina de gas de tanque, pero el liderazgo alemán las ignoró.
Cinco opciones y dos proyectos
Cuando comenzó el trabajo principal (mediados del verano de 1944), el papel principal en el proyecto había pasado a la organización encabezada por Müller. En este momento, se determinaron los requisitos para un motor de turbina de gas prometedor. Se suponía que tenía una potencia de unos 1000 CV. y un consumo de aire del orden de 8,5 kilogramos por segundo. La temperatura en la cámara de combustión se estableció por los términos de referencia en 800 °. Debido a algunas características de las centrales eléctricas de turbinas de gas para vehículos terrestres, se tuvieron que crear varias auxiliares antes de que comenzara el desarrollo del proyecto principal. Un equipo de ingenieros dirigido por Müller creó y consideró simultáneamente cinco opciones para la arquitectura y el diseño del motor de turbina de gas.
Los diagramas esquemáticos del motor diferían entre sí en el número de etapas del compresor, la turbina y la ubicación de la turbina de potencia asociada con la transmisión. Además, se consideraron varias opciones para la ubicación de las cámaras de combustión. Entonces, en la tercera y cuarta versiones del diseño GTE, se propuso dividir el flujo de aire del compresor en dos. En este caso, una corriente tenía que ir a la cámara de combustión y de allí a la turbina que hacía girar el compresor. La segunda parte del aire entrante, a su vez, se inyectaba en la segunda cámara de combustión, que entregaba gases calientes directamente a la turbina de potencia. Además, se consideraron opciones con una posición diferente del intercambiador de calor para precalentar el aire que ingresa al motor.
En la primera versión del prometedor motor, que alcanzó la etapa de diseño completo, un compresor diagonal y axial, así como una turbina de dos etapas, deberían haberse ubicado en el mismo eje. Se suponía que la segunda turbina se colocaría coaxialmente detrás de la primera y se conectaría a las unidades de transmisión. Al mismo tiempo, se propuso que la turbina de potencia que suministra potencia a la transmisión se montara sobre su propio eje, no conectada al eje de los compresores y turbinas. Esta solución podría simplificar el diseño del motor, si no fuera por un serio inconveniente. Por lo tanto, al retirar la carga (por ejemplo, durante un cambio de marcha), la segunda turbina podría girar a velocidades a las que existía el riesgo de que se destruyeran las palas o el cubo. Se propuso resolver el problema de dos maneras: o para ralentizar la turbina en funcionamiento en los momentos adecuados o para eliminar los gases de la misma. Con base en los resultados del análisis, se eligió la primera opción.
Y, sin embargo, la primera versión modificada del tanque GTE era demasiado complicada y costosa para la producción en masa. Müller continuó investigando. Para simplificar el diseño, algunas piezas originales fueron reemplazadas con unidades correspondientes tomadas del motor turborreactor Heinkel-Hirt 109-011. Además, se quitaron varios cojinetes del diseño del motor tanque, en el que se sujetaban los ejes del motor. Se redujo el número de soportes del eje a dos conjuntos simplificados, pero se eliminó la necesidad de un eje separado con una turbina que transmita el par a la transmisión. La turbina de potencia se instaló en el mismo eje en el que ya se encontraban los impulsores del compresor y la turbina de dos etapas. La cámara de combustión está equipada con boquillas giratorias originales para rociar combustible. En teoría, permitieron inyectar combustible de manera más eficiente y también ayudaron a evitar el sobrecalentamiento de ciertas partes de la estructura. Una versión actualizada del proyecto estaba lista a mediados de septiembre de 1944.
La primera unidad de tubos de gas para vehículos blindados.
La primera unidad de tubos de gas para vehículos blindados.
Esta opción tampoco estuvo exenta de inconvenientes. En primer lugar, las reclamaciones causaron dificultades para mantener el par en el eje de salida, que en realidad era una extensión del eje principal del motor. La solución ideal al problema de la transmisión de energía podría ser el uso de una transmisión eléctrica, pero la escasez de cobre hizo que tal sistema se olvidara. Como alternativa a la transmisión eléctrica, se consideró un transformador hidrostático o hidrodinámico. Al usar tales mecanismos, la eficiencia de la transmisión de energía se redujo ligeramente, pero eran significativamente más baratos que un sistema con un generador y motores eléctricos.
Motor GT 101
Un mayor desarrollo de la segunda versión del proyecto dio lugar a más cambios. Por lo tanto, para preservar el rendimiento del GTE bajo cargas de impacto (por ejemplo, durante la explosión de una mina), se agregó un tercer cojinete de eje. Además, la necesidad de unificar el compresor con los motores de los aviones provocó un cambio en algunos parámetros del funcionamiento del tanque GTE. En particular, el consumo de aire se ha incrementado en aproximadamente una cuarta parte. Después de todas las modificaciones, el proyecto del motor tanque recibió un nuevo nombre: GT 101. En esta etapa, el desarrollo de una planta de energía de turbina de gas para tanques llegó a la etapa en que fue posible comenzar los preparativos para la construcción del primer prototipo, y luego el tanque equipado con un motor de turbina de gas.
Sin embargo, el ajuste del motor se prolongó y, a fines del otoño de 1944, no se habían iniciado los trabajos de instalación de una nueva central eléctrica en el tanque. En ese momento, los ingenieros alemanes solo estaban trabajando en colocar el motor en los tanques existentes. Originalmente se planeó que la base para el GTE experimental sería el tanque pesado PzKpfw VI - "Tiger". Sin embargo, el compartimiento del motor de este vehículo blindado no era lo suficientemente grande para acomodar todas las unidades necesarias. Incluso con una cilindrada relativamente pequeña, el motor del GT 101 era demasiado largo para un Tiger. Por esta razón, se decidió utilizar el tanque PzKpfw V, también conocido como Panther, como vehículo de prueba base.
En la etapa de finalización del motor GT 101 para su uso en el tanque Panther, el cliente, representado por la Dirección de Armamento de las Fuerzas Terrestres, y el ejecutor del proyecto, determinaron los requisitos para el prototipo. Se asumió que el motor de turbina de gas llevaría la potencia específica de un tanque con un peso de combate de aproximadamente 46 toneladas al nivel de 25-27 hp. por tonelada, lo que mejorará significativamente sus características de funcionamiento. Al mismo tiempo, los requisitos de velocidad máxima apenas han cambiado. La vibración y el impacto de la conducción a alta velocidad aumentaron significativamente el riesgo de daños a los componentes del chasis. Como resultado, la velocidad máxima permitida se limitó a 54-55 kilómetros por hora.
Unidad de turbina de gas GT 101 en el tanque "Panther"
Como en el caso del Tiger, el compartimiento del motor del Panther no era lo suficientemente grande para acomodar el nuevo motor. Sin embargo, los diseñadores bajo el liderazgo del Dr. Miller lograron encajar el GT 101 GTE en los volúmenes disponibles. Es cierto que el gran tubo de escape del motor tuvo que colocarse en un orificio redondo en la placa de blindaje trasera. A pesar de la aparente extrañeza, tal solución se consideró conveniente y adecuada incluso para la producción en masa. Se suponía que el motor GT 101 en el "Panther" experimental debía colocarse a lo largo del eje del casco, con un desplazamiento hacia arriba, hasta el techo del compartimiento del motor. Junto al motor, en los guardabarros del casco, se colocaron varios tanques de combustible en el proyecto. El lugar para la transmisión se encuentra directamente debajo del motor. Los dispositivos de entrada de aire se llevaron al techo del edificio.
La simplificación del diseño del motor GT 101, por la que perdió su turbina separada asociada a la transmisión, supuso dificultades de distinta índole. Para su uso con el nuevo GTE, se tuvo que pedir una nueva transmisión hidráulica. La organización ZF (Zahnradfabrik of Friedrichshafen) creó en poco tiempo un convertidor de par de tres etapas con una caja de cambios de 12 velocidades (!). La mitad de las marchas eran para conducción en carretera y el resto para conducción todoterreno. En la instalación motor-transmisión del tanque experimental, también fue necesario introducir una automatización que monitoreara los modos de operación del motor. Se suponía que un dispositivo de control especial monitoreaba la velocidad del motor y, si era necesario, aumentaba o disminuía la marcha, evitando que el GTE ingresara en modos de operación inaceptables.
Según los cálculos de los científicos, la turbina de gas GT 101 con una transmisión de ZF podría tener las siguientes características. La potencia máxima de la turbina alcanzó los 3750 CV, 2600 de los cuales fueron tomados por el compresor para asegurar el funcionamiento del motor. Por lo tanto, "sólo" 1100-1150 caballos de fuerza permanecieron en el eje de salida. La velocidad de rotación del compresor y las turbinas, dependiendo de la carga, fluctuó entre 14-14,5 mil revoluciones por minuto. La temperatura de los gases frente a la turbina se mantuvo a un nivel predeterminado de 800 °. El consumo de aire fue de 10 kilogramos por segundo, el consumo específico de combustible, según el modo de funcionamiento, fue de 430-500 g / hp h.
Motor GT 102
Con una potencia excepcionalmente alta, el motor de turbina de gas del tanque GT 101 tenía un consumo de combustible igualmente notable, aproximadamente el doble que el de los motores de gasolina disponibles en ese momento en Alemania. Además del consumo de combustible, el GTE GT 101 tenía varios problemas técnicos más que requerían investigación y corrección adicionales. En este sentido, se inició un nuevo proyecto GT 102, en el que se planificó mantener todos los éxitos conseguidos y deshacerse de las carencias existentes.
En diciembre de 1944, A. Müller llegó a la conclusión de que era necesario volver a una de las ideas anteriores. Para optimizar el funcionamiento del nuevo GTE, se propuso utilizar una turbina separada en su propio eje, conectada a los mecanismos de transmisión. Al mismo tiempo, la turbina de potencia del motor GT 102 tenía que ser una unidad separada, no colocada coaxialmente con las unidades principales, como se propuso anteriormente. El bloque principal de la nueva central eléctrica de turbinas de gas fue GT 101 con cambios mínimos. Tenía dos compresores de nueve etapas y una turbina de tres etapas. Al desarrollar el GT 102, resultó que el bloque principal del motor GT 101 anterior, si es necesario, se puede colocar no a lo largo, sino a través del compartimiento del motor del tanque Panther. Así lo hicieron al montar las unidades del tanque experimental. Los dispositivos de admisión de aire del motor de turbina de gas estaban ahora ubicados en el techo en el lado izquierdo, el tubo de escape en el lado derecho.
Unidad de turbina de gas GT 102 en el tanque "Panther"
Unidad compresora de turbina de gas GT 102
Entre el compresor y la cámara de combustión del bloque del motor principal, se proporcionó una tubería para purgar el aire a la cámara de combustión y la turbina adicionales. Según cálculos, el 70% del aire que entraba al compresor tenía que pasar por la parte principal del motor y solo el 30% por la adicional, con una turbina de potencia. La ubicación del bloque adicional es interesante: el eje de su cámara de combustión y turbina de potencia debería haberse ubicado perpendicular al eje del bloque principal del motor. Se propuso colocar las unidades de turbina de potencia debajo de la unidad principal y equiparlas con su propio tubo de escape, que se llevó a cabo en el medio del techo del compartimiento del motor.
La "enfermedad congénita" del diseño del motor de turbina de gas del GT 102 era el riesgo de hacer girar demasiado la turbina de potencia con el consiguiente daño o destrucción. Se propuso solucionar este problema de la forma más sencilla: colocar válvulas para controlar el caudal en la tubería que suministra aire a la cámara de combustión adicional. Al mismo tiempo, los cálculos mostraron que el nuevo GT 102 GTE puede tener una respuesta de aceleración insuficiente debido a las peculiaridades del funcionamiento de una turbina de potencia relativamente ligera. Las especificaciones de diseño, como la potencia del eje de salida o la potencia de la turbina de la unidad principal, se mantuvieron al mismo nivel que el motor GT 101 anterior, lo que puede explicarse por la ausencia casi total de cambios de diseño importantes, excepto por la apariencia de la potencia. Unidad de turbina. La mejora adicional del motor requirió el uso de nuevas soluciones o incluso la apertura de un nuevo proyecto.
Turbina de trabajo independiente para GT 102
Antes de comenzar el desarrollo del siguiente modelo de GTE, llamado GT 103, el Dr. A. Müller intentó mejorar el diseño del GT 102 existente. El principal problema de su diseño eran las dimensiones bastante grandes de la unidad principal, lo que hizo Es difícil colocar todo el motor en los compartimentos del motor de los tanques disponibles en ese momento. Para reducir la longitud de la unidad de transmisión del motor, se propuso diseñar el compresor como una unidad separada. Así, se podrían colocar tres unidades relativamente pequeñas dentro del compartimiento del motor del tanque: un compresor, una cámara de combustión principal y una turbina, así como una unidad de turbina de potencia con su propia cámara de combustión. Esta versión del GTE se denominó GT 102 Ausf. 2. Además de colocar el compresor en una unidad separada, se ha intentado hacer lo mismo con la cámara de combustión o turbina, pero no han tenido mucho éxito. El diseño del motor de turbina de gas no permitía dividirse en una gran cantidad de unidades sin pérdidas notables en el rendimiento.
Motor GT 103
Una alternativa al motor de turbina de gas GT 102 Ausf. 2 con la posibilidad de una disposición "gratuita" de unidades en el volumen existente fue el nuevo desarrollo del GT 103. Esta vez, los fabricantes de motores alemanes decidieron centrarse no en la conveniencia de la colocación, sino en la eficiencia del trabajo. Se introdujo un intercambiador de calor en el equipo del motor. Se asumió que con su ayuda los gases de escape calentarán el aire que ingresa por el compresor, lo que logrará ahorros tangibles de combustible. La esencia de esta solución era que el aire precalentado permitiría gastar menos combustible para mantener la temperatura requerida frente a la turbina. Según cálculos preliminares, el uso de un intercambiador de calor podría reducir el consumo de combustible entre un 25 y un 30 por ciento. Bajo ciertas condiciones, tales ahorros pudieron hacer que el nuevo GTE fuera adecuado para un uso práctico.
El desarrollo del intercambiador de calor se confió a "subcontratistas" de la empresa Brown Boveri. El diseñador jefe de esta unidad fue V. Khrinizhak, quien previamente había participado en la creación de compresores para motores de turbina de gas tanque. Posteriormente, Chrynižak se convirtió en un reconocido especialista en intercambiadores de calor y su participación en el proyecto GT 103 fue probablemente uno de los requisitos previos para ello. El científico aplicó una solución bastante atrevida y original: el elemento principal del nuevo intercambiador de calor era un tambor giratorio de cerámica porosa. Se colocaron varias particiones especiales dentro del tambor, que aseguraron la circulación de gases. Durante el funcionamiento, los gases de escape calientes pasaron dentro del tambor a través de sus paredes porosas y los calentaron. Esto sucedió durante medio turno de tambor. La siguiente media vuelta se utilizó para transferir calor al aire que pasaba del interior al exterior. Gracias al sistema de deflectores dentro y fuera del cilindro, el aire y los gases de escape no se mezclaban entre sí, lo que excluía el mal funcionamiento del motor.
El uso del intercambiador de calor provocó una seria controversia entre los autores del proyecto. Algunos científicos y diseñadores creían que el uso de esta unidad en el futuro permitiría lograr una alta potencia y tasas de flujo de aire relativamente bajas. Otros, a su vez, vieron en el intercambiador de calor solo un medio dudoso, cuyos beneficios no podrían exceder significativamente las pérdidas por la complicación del diseño. En la disputa sobre la necesidad de un intercambiador de calor, ganaron los partidarios de la nueva unidad. En algún momento, incluso hubo una propuesta para equipar el motor de turbina de gas GT 103 con dos dispositivos para precalentar el aire a la vez. El primer intercambiador de calor en este caso tenía que calentar el aire para el bloque principal del motor, el segundo para la cámara de combustión adicional. Por lo tanto, el GT 103 era en realidad un GT 102 con intercambiadores de calor introducidos en el diseño.
El motor GT 103 no se construyó, por lo que es necesario contentarse solo con sus características calculadas. Además, los datos disponibles sobre este GTE se calcularon incluso antes del final de la creación del intercambiador de calor. Por lo tanto, varios indicadores en la práctica, probablemente, podrían resultar significativamente más bajos de lo esperado. Se suponía que la potencia de la unidad principal, generada por la turbina y absorbida por el compresor, era igual a 1400 caballos de fuerza. La velocidad máxima de diseño de rotación del compresor y la turbina de la unidad principal es de aproximadamente 19 mil revoluciones por minuto. Consumo de aire en la cámara de combustión principal - 6 kg / s. Se asumió que el intercambiador de calor calentará el aire entrante a 500 ° y que los gases frente a la turbina tendrán una temperatura de aproximadamente 800 °.
Se suponía que la turbina de potencia, según los cálculos, giraría a una velocidad de hasta 25 mil rpm y daría 800 hp en el eje. El consumo de aire de la unidad adicional fue de 2 kg / s. Se suponía que los parámetros de temperatura del aire de entrada y los gases de escape eran iguales a las características correspondientes de la unidad principal. El consumo total de combustible de todo el motor con el uso de intercambiadores de calor adecuados no excedería de 200-230 g / hp h.
Resultados del programa
El desarrollo de los motores de turbina de gas de tanque alemán no comenzó hasta el verano de 1944, cuando las posibilidades de que Alemania ganara la Segunda Guerra Mundial disminuían cada día. El Ejército Rojo atacó el Tercer Reich desde el este, y las tropas de Estados Unidos y Gran Bretaña llegaron desde el oeste. En tales condiciones, Alemania no tenía suficientes oportunidades para la gestión completa de la masa de proyectos prometedores. Todos los intentos de crear un motor fundamentalmente nuevo para tanques se basaron en la falta de dinero y tiempo. Debido a esto, en febrero de 1945, ya había tres proyectos completos de motores de turbina de gas tanque, pero ninguno de ellos llegó a la etapa de ensamblaje de prototipos. Todo el trabajo se limitó únicamente a estudios teóricos y pruebas de unidades experimentales individuales.
En febrero de 1945, tuvo lugar un evento que puede considerarse el inicio del fin del programa alemán para la creación de motores de turbina de gas tanque. El Dr. Alfred Müller fue destituido de su cargo como director del proyecto y su homónimo, Max Adolf Müller, fue designado para el puesto vacante. MAMÁ. Müller también fue un destacado especialista en el campo de las centrales eléctricas de turbinas de gas, pero su llegada al proyecto paralizó los desarrollos más avanzados. La tarea principal bajo la nueva dirección fue afinar el motor GT 101 y comenzar su producción en serie. Faltaban menos de tres meses para el final de la guerra en Europa, por lo que el cambio de dirección del proyecto no tuvo tiempo de llevar al resultado deseado. Todos los GTE de tanques alemanes permanecieron en el papel.
Según algunas fuentes, la documentación de los proyectos de la línea "GT" cayó en manos de los aliados y la utilizaron en sus proyectos. Sin embargo, los primeros resultados prácticos en el campo de los motores de turbina de gas para vehículos terrestres, que aparecieron tras el final de la Segunda Guerra Mundial fuera de Alemania, tenían poco en común con los desarrollos tanto del Dr. Müller. En cuanto a los motores de turbina de gas diseñados específicamente para tanques, los primeros tanques en serie con una planta de energía de este tipo salieron de los talleres de ensamblaje de las fábricas solo un cuarto de siglo después de la finalización de los proyectos alemanes.
