GT 101 - GT 101

В GT 101 был турбовальный -тип газотурбинный двигатель разработан на основе BMW 003 авиационный двигатель, который рассматривался к установке в нацистская Германия с Танк пантера. В Немецкая армия отдел развития, Heereswaffenamt (Army Ordnance Board) изучил ряд газотурбинных двигателей для использования в танки с середины 1944 г. Хотя ни один из них не был установлен в рабочем состоянии, GT 101 (GT для «Газовая турбина») достиг стадии развития производственного качества. За время существования программы было создано несколько дизайнов, включая GT 102 и GT 103.

Происхождение

Еще в середине 1943 г. Адольф Мюллер, ранее Юнкерс Юмо подразделение силовой установки самолетов головной авиационной компании Junkers в г. Дессау, а потом Хейнкель-Херт с (Heinkel Strahltriebwerke) реактивный двигатель дивизия, предложила использовать газовую турбину для двигателей бронетехники. Газовая турбина будет намного легче, чем бензиновые поршневые двигатели класса мощностью 600 л.с., которые используются в танках следующего поколения, которые в то время в основном производились Maybach фирма для Вермахт Хеер существующие конструкции боевых бронированных машин, что это значительно улучшит их удельная мощность и тем самым улучшить проходимость и, возможно, прямую скорость. Однако в то время возникли серьезные проблемы с использованием газотурбинных двигателей в этой роли. В случае чисто турбореактивного двигателя для авиационных целей горячий выхлоп турбины используется непосредственно для создания тяги; но в случае использования газовой турбины в качестве тягового двигателя любое тепло, выходящее из выхлопных газов, было, по сути, потраченной впустую мощностью. Выхлоп турбины был намного горячее, чем выхлоп поршневого двигателя, а газотурбинные двигатели новаторской конструкции обладали ужасно плохими характеристиками. экономия топлива цифры по сравнению с традиционными поршневыми двигателями с возвратно-поступательным движением. Положительным моментом является использование недорогих и широко доступных керосин поскольку топливо компенсирует этот недостаток, по крайней мере, в некоторой степени, поэтому общая экономическая эффективность работы двигателей может оказаться аналогичной. Другая проблема заключалась в том, что газотурбинный двигатель хорошо работает только при определенной проектной рабочей скорости, хотя на этой (или близкой к ней) скорости он может обеспечивать широкий диапазон выходной мощности. крутящий момент. В частности, турбины предлагают очень небольшой крутящий момент на низких скоростях, что намного меньше проблем для поршневого двигателя, а вовсе не для электродвигателя. Чтобы использовать турбину в роли танка, в конструкции необходимо было бы использовать усовершенствованную трансмиссию и сцепление, которые позволяли двигателю работать в ограниченном диапазоне скоростей, или, альтернативно, использовать какой-либо другой метод для извлечения мощности. Поначалу армия не заинтересовалась, и Мюллер обратился к разработке передового турбокомпрессор за BMW (неясно, пользовалась ли эта конструкция). Когда эта работа была завершена в январе 1944 года, он снова обратился к конструкции тяговых двигателей и в конце концов встретился с Heereswaffenamt в июне 1944 г. представить ряд предложенных проектов 1000-сильного агрегата. Данный крайние проблемы Германии с поставками топлива В конце войны использование низкосортного топлива, независимо от того, сколько оно было необходимо и использовалось, фактически рассматривалось как главное преимущество и основная причина, по которой Heereswaffenamt в конечном итоге заинтересовалась этой конструкцией.

Предварительный проект

Первый детальный проект Мюллера был простой модификацией традиционного реактивного двигателя, основной двигатель был основан на экспериментальном Heinkel HeS 011, из которых когда-либо было построено только 19 полных экземпляров. В этой конструкции отдельная турбина и вал отбора мощности были прикреплены болтами к выхлопу сердечника двигателя, горячие газы двигателя приводили в действие турбину и, следовательно, бак. Поскольку сердечник двигателя был полностью отделен от коробки отбора мощности, крутящий момент был доступен немедленно, потому что сердечник можно было оставить работать на полной скорости при выработке небольшого количества энергии, при этом ненужные газы «сбрасывались». Однако у этой конструкции была серьезная проблема; когда нагрузка была снята, например, при переключении передач, силовая турбина была разгружена и могла выйти из-под контроля. Либо в эти периоды приходилось тормозить силовую турбину, либо нужно было сбрасывать поток газа из активной зоны двигателя.

Другая проблема заключалась в том, что Heereswaffenamt серьезно беспокоился о качестве топлива, которое они могли найти. В отличие от авиации, когда ожидалось, что топливо будет сильно очищено, считалось, что армия, скорее всего, получит топливо более низкого качества, которое, как ожидается, будет содержать все виды тяжелых загрязняющих веществ. Это привело к тому, что топливо не успеет смешаться должным образом в традиционной конструкции, что приведет к плохому сгоранию. Они были особенно заинтересованы в том, чтобы топливные форсунки вращались вместе с сердечником двигателя, что, как можно было ожидать, приведет к гораздо лучшему перемешиванию с дополнительным преимуществом в виде уменьшения горячих точек на турбине. статоры. К сожалению, конструкция Мюллера, похоже, не могла быть адаптирована для использования этих форсунок, и 12 августа 1944 года она была отклонена.

Затем Мюллер обратился к конструкции, в которой была удалена отдельная силовая турбина и вместо этого требовалась какая-то передача с поддержанием крутящего момента. Лучшим решением проблемы было бы привести в действие электрический генератор и использовать мощность для привода двигателей для тяги (система Порше несколько раз пытался ввести), но серьезная нехватка медь к этому моменту в войне - а также его относительно низкое качество на протяжении всей войны для использования электричества, от ресурсы медной руды что Германия могла получить доступ - исключил это решение. Вместо этого должна была использоваться какая-то гидравлическая трансмиссия, хотя изначально не оговоренная. Кроме того, новый дизайн включал вращающиеся топливные форсунки в камера сгорания что заинтересовало Heereswaffenamt. Мюллер представил новый дизайн 14 сентября, и Heereswaffenamt проявил гораздо больший интерес - ухудшение ситуации с поставками топлива на этом этапе, возможно, также сыграло свою роль.

Сохранившийся авиационный двигатель BMW 003 - основа турбовального двигателя GT 101.

Как ни странно, затем они предположили, что любое ядро ​​двигателя, разработанное для этой роли, также должно подходить для использования в авиации, что в конце концов привело к отказу от вращающихся форсунок и, в конечном итоге, к использованию модифицированных BMW 003 сердечник, от проверенной конструкции. Базовая компоновка должна была быть изменена с добавлением третьего подшипника около середины двигателя, чтобы помочь поглощать ударные нагрузки, а третья ступень турбины была добавлена ​​в конец двигателя, чтобы использовать больший крутящий момент. В отличие от более ранней конструкции, коробку отбора мощности можно было разместить где угодно (а не только за пределами свободной ступени турбины), и фактически она была перемещена в переднюю часть двигателя, чтобы сделать конструкцию максимально совместимой с существующими отсеками двигателя. Базовый проект был завершен в середине ноября, и ему было присвоено название GT 101.

Первоначально предполагалось установить новый двигатель в Танк Tiger, разработанный Henschel, но хотя двигатель был меньше по диаметру, чем поршневой двигатель V-12, который он заменил, его начало как осевой компрессор Авиационный турбореактивный двигатель BMW 003 означал, что он был слишком длинным, чтобы поместиться в моторном отсеке Tiger I. Затем внимание переключилось на Panther, которая к тому моменту войны должна была стать основой всего будущего производства танков (см. Серия Entwicklung подробнее). Для экспериментальной примерки компания Porsche предоставила один из прототипов. Ягдтигер корпуса.

Установка GT 101 в корпус Panther потребовала некоторых дизайнерских усилий, но в конце концов подходящее расположение было найдено. Выхлоп двигателя был снабжен большим расходящимся диффузором для снижения скорости и температуры выхлопа, что также позволило установить третью ступень турбины большего размера. Вся выхлопная труба выходила из задней части моторного отсека в «свободный воздух», что делало его чрезвычайно уязвимым для вражеского огня, и было понятно, что это непрактично для производственной системы.

Новый автоматическая коробка передач от Zahnradfabrik из Фридрихсхафена (ZF) был построен для фитинга, он имел три уровня сцепления в гидротрансформатор и двенадцать скоростей. Трансмиссия также включала электрическую муфту, которая механически полностью отключалась от двигателя при 5000 об / мин, ниже которых двигатель не создавал крутящего момента на выходе. На полной скорости, 14000 об / мин, сам двигатель также действовал как огромный маховик, что значительно улучшало проходимость, позволяя передавать часть избыточной скорости двигателя в трансмиссию, чтобы буксировать танк на неровностях.

С точки зрения производительности GT 101 оказался бы на удивление эффективным. В общей сложности он выдавал бы 3750 л.с., используя 2600 л.с. для работы компрессора и, таким образом, оставляя 1150 л.с. для привода трансмиссии. Весь двигатель в сборе весил 450 кг (992 фунта), не считая трансмиссии. Для сравнения, существующие Майбах HL230 P30 он заменил его мощностью 620 л.с., но при этом весил сравнительно огромные 1200 кг (2646 фунтов). С Maybach Panther имел удельную мощность около 13,5 л.с. на тонну, с GT 101 она увеличилась до 27 л.с. на тонну, значительно превосходя любой танк времен Второй мировой войны (например, Т-34 составляла 16,2 л.с. / тонну) и почти соответствовала современным американским турбовальным двигателям. M1 Abrams собственный танк 26,9 л.с. на тонну высший рейтинг. По другим причинам, главным образом из-за износа, скорость Panther с двигателем GT 101 была намеренно ограничена скоростью Panther с бензиновым двигателем. Единственными недостатками были низкий крутящий момент при низких настройках мощности и расход топлива примерно вдвое больше, чем у Maybach, что создавало проблемы с поиском достаточного места для топливных баков - аналогичная проблема существовала и с ранними немецкими газовыми турбинами, используемыми для движения самолетов.

GT 102

В то время как работа над GT 101 продолжалась, Мюллер предложил другой способ создания двигателя со свободной турбонаддувом, который позволил избежать проблем с его оригинальной конструкцией. В декабре 1944 года он представил свои планы, которые были приняты к разработке как GT 102.

Основная идея GT 102 заключалась в том, чтобы полностью отделить силовую турбину от самого двигателя, используя последний в качестве газогенератор. Основной двигатель был достаточно горячим, чтобы приводить в действие сам себя, и ничего больше, никакой энергии не потреблялось для привода танка. Сжатый воздух из компрессора активной зоны, составлявший 30% от общего потока воздуха, отводился по трубопроводу в полностью отдельную двухступенчатую турбину с собственной камерой сгорания. Это позволило избежать проблем с превышением скорости, присущих оригинальной конструкции; когда нагрузка была снята, простое отключение потока воздуха к турбине замедлило бы ее. Это также означало, что сердечник мог работать на полной скорости, в то время как силовая турбина работала на низкой скорости, обеспечивая значительно улучшенный крутящий момент на низкой скорости. Единственным недостатком конструкции было то, что силовая турбина больше не имела огромной вращающейся массы, как у GT 101, и, следовательно, не давала никаких значительных преимуществ. маховик хранилище энергии.

Поскольку в турбинную секцию основного двигателя больше не поступал весь воздух из компрессора, ее можно было сделать меньше, чем в GT 101. Это сделало двигатель короче в целом, что позволило установить его поперечно в верхней части. моторный отсек Пантеры, в более широкой области над гусеницами. Затем в пустом пространстве внизу установили силовую турбину под прямым углом к ​​двигателю. Это расположило его на одной линии с обычной трансмиссией, которая была расположена в передней части автомобиля, приводя ее в движение через вал отбора мощности. Крепление было значительно более практичным, чем у GT 101, и к тому же полностью «под броней». Хотя у GT 102 была примерно такая же экономия топлива, как у GT 101, установка оставила значительно больше пустого места в моторном отсеке в пространстве, ранее используемом системой охлаждения двигателя, которое можно было использовать для новых топливных элементов, что удвоило общий запас топлива до 1400 литров, что обеспечивает запас хода, равный оригинальному бензиновому двигателю.

Большая часть проектных работ по GT 102 была завершена к началу 1945 года, и планы должны были быть выполнены 15 февраля (вместе с окончательными проектами GT 101). Похоже, что планы не были реализованы, вероятно, из-за ухудшения военных условий.

GT 102 Ausf. 2

Чтобы еще больше улучшить посадку GT 102 на Panther, GT 102 Ausf. 2 Конструкция модифицировала несколько секций первоначальной компоновки газогенератора, чтобы сократить площадь компрессора и камеру сгорания. В GT 102 они были несколько длиннее, чем в аналогичном авиационном двигателе, чтобы обеспечить лучшее смешивание с топливом более низкого качества. Модель Ausf. 2 вернул им их первоначальные размеры, а вместо этого заново представил вращающиеся топливные форсунки из оригинальных конструкций до GT 101. Компрессор был дополнительно уменьшен в длине, уменьшив его с девяти до семи ступеней, но сохранил оригинальный коэффициент сжатия за счет эксплуатации первой ступени близко к Мах 1. При таком уменьшении длины двигатель можно было разместить по длине в моторном отсеке, что позволило использовать пространство над гусеницами для хранения топлива, как это было изначально.

GT 103

Большая часть плохой экономии топлива газовой турбины в роли тяги была связана с горячим выхлопом, который по существу представлял собой потерянную энергию. Чтобы регенерировать часть этой энергии, можно использовать горячий выхлоп для предварительного нагрева воздуха из компрессора перед его поступлением в камеру сгорания, используя теплообменник. Хотя эти рекуператоры сегодня используются в ряде приложений.

В. Гринишак из Асеа Браун Бовери в Гейдельберг спроектировал рекуператор, который был добавлен к неизмененной конструкции GT 102 для производства GT 103. В теплообменнике используется вращающийся пористый керамика цилиндр вписался в крестообразный канал. Воздух из выхлопа газогенератора входил в канал за пределами цилиндра при 500 ° C и обдувался вокруг цилиндра, нагревая его, а затем выходя из него примерно до 350 ° C. Керамический цилиндр вращался медленно, чтобы избежать перегрева «горячей» стороны. Сжатый воздух, поступающий в силовую турбину, проходил через середину цилиндра, входя при температуре около 180 ° C и выходя при температуре около 300 ° C.

Это означало, что 120 ° C из конечной температуры воздуха 800 ° C не обязательно должны были обеспечиваться топливом, что давало довольно существенную экономию. По оценкам, потребление топлива улучшилось примерно на 30%. Было также предложено использовать второй теплообменник в активной зоне газогенераторного двигателя, что сэкономит еще 30%. Это снизило расход топлива вдвое, сделав его похожим на оригинальный бензиновый двигатель. В ретроспективе эти оценки кажутся необоснованными, хотя Дженерал Моторс экспериментировали с этими системами на протяжении 1960-х и 70-х годов.

Рекомендации

• Кей, Энтони, Разработка немецких реактивных двигателей и газовых турбин 1930-1945 гг., Эйрлайф Паблишинг, 2002, ISBN  9781840372946