Kuni teatud ajani ei pööranud Hitleri Saksamaa maismaasõidukite gaasiturbiinielektrijaamade projektidele erilist tähelepanu. Nii pandi 1941. aastal esimene selline üksus kokku eksperimentaalse veduri jaoks, kuid selle katsetusi lühendati kiiresti majandusliku ebaotstarbekuse ja kõrgema prioriteediga programmide tõttu. Tööd gaasiturbiinmootorite (GTE) suunal maismaasõidukitele jätkusid alles 1944. aastal, kui mõned olemasoleva tehnoloogia ja tööstuse negatiivsed omadused olid eriti väljendunud.
1944. aastal käivitas armee relvastusdirektoraat uurimisprojekti tankide GTE kohta. Uutel mootoritel oli kaks peamist põhjust. Esiteks võttis tollane Saksa tankihoone kursi raskemate lahingumasinate poole, mis nõudis suure võimsuse ja väikeste mõõtmetega mootori loomist. Teiseks kasutasid kõik olemasolevad soomukid mingil määral vähe bensiini ja see seadis teatud piirangud, mis olid seotud töö, majanduse ja logistikaga. Paljutõotavad gaasiturbiinmootorid, nagu Saksa tööstuse juhid siis arvasid, võivad tarbida vähem kvaliteetset ja vastavalt odavamat kütust. Seega oli tol ajal ökonoomika ja tehnoloogia seisukohalt ainus alternatiiv bensiinimootoritele gaasiturbiinmootor.
Esimeses etapis usaldati paljutõotava paagimootori väljatöötamine Porsche disainerite rühmale eesotsas insener O. Zadnikuga. Mitmed seotud ettevõtted pidid abistama Porsche insenere. Eelkõige oli projekti kaasatud SS -mootori uurimise osakond, mida juhtis dr Alfred Müller. Alates kolmekümnendate aastate keskpaigast on see teadlane tegelenud gaasiturbiinide paigaldamisega ja osalenud mitmete lennukite reaktiivmootorite väljatöötamises. Selleks ajaks, kui hakati looma gaasiturbiinmootorit tankidele, oli Müller lõpetanud turbokompressori projekti, mida hiljem kasutati mitut tüüpi kolbmootorite puhul. Tähelepanuväärne on see, et 1943. aastal tegi dr Müller korduvalt ettepanekuid paakgaasiturbiinmootorite arendamise alustamise kohta, kuid Saksamaa juhtkond ignoreeris neid.
Viis võimalust ja kaks projekti
Põhitööde alguseks (1944. aasta suve keskpaigaks) oli projekti juhtiv roll läinud Mülleri juhitud organisatsioonile. Sel ajal määrati paljulubava gaasiturbiinmootori nõuded. Selle võimsus pidi olema umbes 1000 hj. ja õhutarve suurusjärgus 8,5 kilogrammi sekundis. Temperatuur põlemiskambris määrati lähteülesandega 800 °. Maapealseid sõidukeid käsitlevate gaasiturbiinielektrijaamade mõnede iseloomulike tunnuste tõttu tuli enne põhiprojekti väljatöötamist luua mitu abiseadet. Mülleri juhitud inseneride meeskond lõi ja kaalus samaaegselt viit gaasiturbiinmootori arhitektuuri ja paigutuse varianti.
Mootori skemaatilised skeemid erinesid üksteisest kompressori, turbiini astmete arvu ja jõuülekandega seotud jõuturbiini asukoha poolest. Lisaks kaaluti mitmeid võimalusi põlemiskambrite paigutamiseks. Niisiis tehti GTE paigutuse kolmandas ja neljandas versioonis ettepanek jagada õhuvool kompressorist kaheks. Üks vool pidi sel juhul minema põlemiskambrisse ja sealt edasi kompressorit pöörlevasse turbiini. Sissetuleva õhu teine osa süstiti omakorda teise põlemiskambrisse, mis viis kuumad gaasid otse elektriturbiini. Samuti kaaluti võimalusi soojusvaheti erineva asendiga mootorisse siseneva õhu eelsoojendamiseks.
Paljulubava mootori esimeses versioonis, mis jõudis täieõigusliku disaini staadiumini, oleksid diagonaal- ja aksiaalkompressor ning kaheastmeline turbiin pidanud paiknema samal teljel. Teine turbiin pidi asetama koaksiaalselt esimese taha ja olema ühendatud ülekandeseadmetega. Samal ajal tehti ettepanek, et jõuülekannet toitev turbiin paigaldatakse oma teljele, mitte ühendatakse kompressorite ja turbiinide teljega. See lahendus võib lihtsustada mootori konstruktsiooni, kui mitte ühe tõsise puuduse tõttu. Niisiis, kui koormat eemaldatakse (näiteks käiguvahetuse ajal), võib teine turbiin pöörduda selliste kiirusteni, millega kaasneb labade või rummu purunemise oht. Tehti ettepanek lahendada probleem kahel viisil: kas aeglustada töötavat turbiini õigel hetkel või eemaldada sealt gaasid. Analüüsi tulemuste põhjal valiti esimene variant.
Ja veel, paagi GTE muudetud esimene versioon oli masstootmiseks liiga keeruline ja kallis. Müller jätkas edasisi uuringuid. Disaini lihtsustamiseks asendati mõned originaalosad vastavate agregaatidega, mis olid laenatud turboreaktiivmootorilt Heinkel-Hirt 109-011. Lisaks eemaldati paagimootori konstruktsioonilt mitu laagrit, millel hoiti mootori telgi. Võllitugede arvu vähendamine kaheks lihtsustatud kokkupanekuks, kuid välistas vajaduse eraldi telje järele turbiiniga, mis edastab jõuülekandele pöördemomendi. Jõuturbiin paigaldati samale võllile, millel juba asusid kompressori tiivikud ja kaheastmeline turbiin. Põlemiskamber on varustatud originaalsete pöörlevate otsikutega kütuse pihustamiseks. Teoreetiliselt võimaldasid need kütust tõhusamalt sisse lasta ja aitasid vältida ka konstruktsiooni teatud osade ülekuumenemist. Projekti uuendatud versioon valmis septembri keskel 1944.
Esimene gaasitoruüksus soomukitele
Esimene gaasitoruüksus soomukitele
See valik ei olnud ka ilma puudusteta. Esiteks tekitasid väited raskusi pöördemomendi säilitamisega väljundvõllil, mis oli tegelikult mootori peavõlli pikendus. Ideaalne lahendus jõuülekande probleemile võiks olla elektriülekande kasutamine, kuid vase puudus pani sellise süsteemi unustama. Elektrilise ülekande alternatiivina kaaluti hüdrostaatilist või hüdrodünaamilist trafot. Selliste mehhanismide kasutamisel vähenes jõuülekande efektiivsus veidi, kuid need olid oluliselt odavamad kui generaatori ja elektrimootoritega süsteem.
GT 101 mootor
Projekti teise versiooni edasiarendamine tõi kaasa täiendavaid muudatusi. Niisiis, et säilitada GTE jõudlus löögikoormuste all (näiteks miiniplahvatuse ajal), lisati kolmas võlli laager. Lisaks põhjustas vajadus ühendada kompressor lennukimootoritega mõned muutused paagi GTE tööparameetrites. Eelkõige on õhutarbimine kasvanud umbes veerandi võrra. Pärast kõiki muudatusi sai paagimootori projekt uue nime - GT 101. Selles etapis jõudis tankide jaoks mõeldud gaasiturbiinide elektrijaama arendamine sellesse etappi, kui oli võimalik alustada ettevalmistusi esimese prototüübi ehitamiseks, ja seejärel gaasiturbiinmootoriga varustatud paak.
Sellele vaatamata venis mootori peenhäälestus ja 1944. aasta sügise lõpuks ei olnud tööd uue elektrijaama tankile paigaldamisega alanud. Sel ajal töötasid Saksa insenerid ainult mootori paigutamisel olemasolevatele paakidele. Algselt oli planeeritud, et eksperimentaalse GTE aluseks on raske tank PzKpfw VI - "Tiger". Selle soomusmasina mootoriruum ei olnud aga piisavalt suur, et kõik vajalikud üksused ära mahutada. Isegi suhteliselt väikese töömahuga oli GT 101 mootor Tiigri jaoks liiga pikk. Sel põhjusel otsustati baaskatsesõidukina kasutada tanki PzKpfw V, tuntud ka kui Panther.
GT 101 mootori Panther tankil kasutamiseks lõpetamise etapis määrasid maavägede relvastusdirektoraadi esindatud klient ja projekti elluviija prototüübile esitatavad nõuded. Eeldati, et gaasiturbiinmootor toob umbes 46 tonni lahingumassiga tanki erivõimsuse tasemele 25–27 hj. tonni kohta, mis parandab oluliselt selle sõiduomadusi. Samas ei ole maksimaalse kiiruse nõuded peaaegu muutunud. Kiirest sõidust tingitud vibratsioon ja šokk suurendasid oluliselt šassii komponentide kahjustamise ohtu. Seetõttu piirduti maksimaalse lubatud kiirusega 54–55 kilomeetrit tunnis.
Gaasiturbiiniseade GT 101 paagis "Panther"
Nagu Tiigri puhul, polnud ka Pantheri mootoriruum uue mootori mahutamiseks piisavalt suur. Sellegipoolest õnnestus disaineritel dr Milleri juhtimisel GT 101 GTE olemasolevatesse mahtudesse mahutada. Tõsi, suur mootori väljalasketoru tuli asetada tagumise soomusplaadi ümarasse auku. Vaatamata näilisele veidrusele peeti sellist lahendust mugavaks ja sobivaks isegi masstootmiseks. Eksperimentaalsel "Pantheril" asuv mootor GT 101 pidi asetama piki kere telge, nihutades ülespoole, mootoriruumi katusele. Mootori kõrvale, kere poritiibadesse paigutati projekti mitu kütusepaaki. Käigukasti koht leiti otse mootori alt. Õhu sisselaskeseadmed toodi hoone katusele.
Mootori GT 101 konstruktsiooni lihtsustamine, mille tõttu see kaotas käigukastiga seotud eraldi turbiini, tõi kaasa teistsuguseid raskusi. Kasutamiseks uue GTE -ga tuli tellida uus hüdrauliline käigukast. Organisatsioon ZF (Zahnradfabrik of Friedrichshafen) lõi lühikese ajaga kolmeastmelise 12-käigulise (!) Käigukastiga pöördemomendi muunduri. Pooled käikudest olid mõeldud maanteesõiduks, ülejäänud maastikusõiduks. Katsemahuti mootoriülekande paigalduses oli vaja sisse viia ka automaatika, mis jälgis mootori töörežiime. Spetsiaalne juhtseade pidi jälgima mootori pöörlemiskiirust ja vajadusel käiku suurendama või vähendama, takistades GTE -l lubamatutesse töörežiimidesse sisenemist.
Teadlaste arvutuste kohaselt võiks ZF ülekandega gaasiturbiinil GT 101 olla järgmised omadused. Turbiini maksimaalne võimsus ulatus 3750 hj -ni, millest 2600 võttis mootori töö tagamiseks kompressor. Seega jäi väljundvõllile “ainult” 1100–1150 hobujõudu. Kompressori ja turbiinide pöörlemiskiirus kõikus sõltuvalt koormusest 14-14,5 tuhande pöörde vahel minutis. Turbiini ees olevate gaaside temperatuur hoiti etteantud tasemel 800 °. Õhutarve oli 10 kilogrammi sekundis, kütusekulu oli sõltuvalt töörežiimist 430-500 g / hj.
Mootor GT 102
Ainulaadse suure võimsusega GT 101 paagiturbiinmootori kütusekulu oli sama märkimisväärne, umbes kaks korda suurem kui tol ajal Saksamaal saadaval olnud bensiinimootoritel. Lisaks kütusekulule oli GTE GT 101 -l veel mitmeid tehnilisi probleeme, mis vajasid täiendavaid uuringuid ja parandusi. Sellega seoses algas uus projekt GT 102, milles kavatseti säilitada kõik saavutatud õnnestumised ja vabaneda olemasolevatest puudustest.
Detsembris 1944 A. Müller jõudis järeldusele, et on vaja tagasi pöörduda ühe varasema idee juurde. Uue GTE töö optimeerimiseks tehti ettepanek kasutada oma teljel eraldi turbiini, mis on ühendatud ülekandemehhanismidega. Samal ajal pidi mootori GT 102 jõuturbiin olema eraldi seade, mitte paigutatud põhiseadmetega koaksiaalselt, nagu varem välja pakutud. Uue gaasiturbiinielektrijaama põhiplokk oli GT 101 minimaalsete muudatustega. Sellel oli kaks üheksa astmega kompressorit ja kolmeastmeline turbiin. GT 102 arendamisel selgus, et eelmise GT 101 mootori põhiploki saab vajadusel paigutada mitte piki, vaid üle Pantheri paagi mootoriruumi. Nii nad seda tegid katsepaagi üksuste kokkupanekul. Gaasiturbiinmootori õhu sisselaskeseadmed asusid nüüd katusel vasakul, väljalasketoru paremal.
Gaasiturbiiniseade GT 102 paagis "Panther"
Gaasiturbiini kompressoriseade GT 102
Kompressori ja peamootoriploki põlemiskambri vahele oli ette nähtud toru õhu väljalaskmiseks täiendavasse põlemiskambrisse ja turbiini. Arvutuste kohaselt pidi 70% kompressorisse sisenevast õhust läbima mootori põhiosa ja ainult 30% täiendava osa, jõuturbiiniga. Lisaploki asukoht on huvitav: selle põlemiskambri ja jõuturbiini telg oleks pidanud paiknema peamasina ploki teljega risti. Tehti ettepanek paigutada jõuturbiiniseadmed põhiseadme alla ja varustada need oma väljalasketoruga, mis toodi välja mootoriruumi katuse keskele.
GT 102 gaasiturbiinmootori paigutuse "kaasasündinud haigus" kujutas endast ohtu turboturbiini üle pöörlemisele ja sellele järgnevatele kahjustustele või hävimisele. Tehti ettepanek lahendada see probleem kõige lihtsamal viisil: paigutada ventiilid voolu reguleerimiseks torusse, mis varustab õhku täiendavasse põlemiskambrisse. Samas näitasid arvutused, et uuel GT 102 GTE -l võib olla suhteliselt väikese võimsusega turbiini töö iseärasuste tõttu ebapiisav gaasireaktsioon. Konstruktsiooni spetsifikatsioonid, nagu põhiseadme väljundvõlli võimsus või turbiini võimsus, jäid eelmise GT 101 mootoriga samale tasemele, mis on seletatav suurte konstruktsioonimuudatuste peaaegu täieliku puudumisega, välja arvatud võimsuse välimus turbiini agregaat. Mootori edasine täiustamine nõudis uute lahenduste kasutamist või isegi uue projekti avamist.
GT 102 jaoks eraldi töötav turbiin
Enne järgmise GTE mudeli GT 103 väljatöötamise alustamist proovis dr A. Müller parandada olemasoleva GT 102 paigutust. Selle disaini põhiprobleemiks olid põhiseadme üsna suured mõõtmed, mis kogu mootorit on raske paigutada sel ajal saadaval olevate paakide mootoriruumidesse. Mootori ülekandeüksuse pikkuse vähendamiseks tehti ettepanek kavandada kompressor eraldi üksusena. Seega sai paagi mootoriruumi paigutada kolm suhteliselt väikest seadet: kompressori, põhipõlemiskambri ja turbiini, samuti oma põlemiskambriga jõuturbiinseadme. Selle GTE versiooni nimi oli GT 102 Ausf. 2. Lisaks kompressori paigutamisele eraldi seadmesse on püütud sama teha ka põlemiskambri või turbiiniga, kuid see pole olnud eriti edukas. Gaasiturbiinmootori konstruktsioon ei lasknud end suureks osadeks jagada ilma märgatavate jõudluskaotusteta.
Mootor GT 103
Alternatiiv GT 102 Ausf gaasiturbiinmootorile. 2 koos võimalusega üksusi "tasuta" paigutada olemasolevasse mahtusse oli GT 103. uus arendus. Seekord otsustasid Saksa mootoriehitajad keskenduda mitte paigutuse mugavusele, vaid töö tõhususele. Mootoriseadmetesse sisestati soojusvaheti. Eeldati, et tema abiga soojendavad heitgaasid kompressori kaudu sisenevat õhku, millega saavutatakse käegakatsutav kütusesääst. Selle lahenduse olemus seisnes selles, et eelsoojendatud õhk võimaldaks kulutada vähem kütust, et hoida turbiini ees vajalik temperatuur. Esialgsete arvutuste kohaselt võib soojusvaheti kasutamine vähendada kütusekulu 25-30 protsenti. Teatud tingimustel suutis selline kokkuhoid uue GTE praktiliseks kasutamiseks sobivaks muuta.
Soojusvaheti arendamine usaldati firma "Brown Boveri" "alltöövõtjatele". Selle üksuse peadisainer oli V. Khrinizhak, kes oli varem osalenud tankide gaasiturbiinmootorite kompressorite loomisel. Hiljem sai Chrynižakist soojusvahetite tunnustatud spetsialist ja tema osalemine projektis GT 103 oli ilmselt üks selle eeldusi. Teadlane rakendas üsna julget ja originaalset lahendust: uue soojusvaheti põhielemendiks oli poorsest keraamikast valmistatud pöörlev trummel. Trumli sisse paigutati mitu spetsiaalset vaheseina, mis tagasid gaaside ringluse. Töötamise ajal läksid kuumad heitgaasid trumlisse läbi selle poorsete seinte ja soojendasid neid. See juhtus poole trummipöörde ajal. Järgmist poolpööret kasutati soojuse ülekandmiseks õhku, mis liigub seest väljapoole. Tänu silindrisiseste ja -väliste deflektorite süsteemile ei segunenud õhk ja heitgaasid omavahel, mis välistas mootori talitlushäired.
Soojusvaheti kasutamine tekitas projekti autorites tõsiseid vaidlusi. Mõned teadlased ja disainerid uskusid, et selle seadme kasutamine tulevikus võimaldab saavutada suure võimsuse ja suhteliselt väikese õhuvoolu. Teised omakorda nägid soojusvahetis ainult kahtlast vahendit, mille eelised ei saanud oluliselt ületada disaini keerukusest tulenevat kahju. Vaidluses soojusvaheti vajaduse üle võitsid uue üksuse toetajad. Mingil hetkel tuli isegi ettepanek varustada gaasiturbiinmootor GT 103 kahe seadmega õhu eelsoojendamiseks korraga. Esimene soojusvaheti pidi sel juhul õhku soojendama peamasina ploki jaoks, teine täiendava põlemiskambri jaoks. Seega oli GT 103 tegelikult disainiga tutvustatud soojusvahetitega GT 102.
GT 103 mootorit ei ehitatud, mistõttu tuleb rahulduda ainult selle arvutatud omadustega. Lisaks arvutati selle GTE kohta saadaolevad andmed juba enne soojusvaheti loomise lõppu. Seetõttu võivad mitmed praktikas kasutatavad näitajad osutuda oodatust oluliselt madalamaks. Põhiseadme võimsus, mille tekitas turbiin ja neelas kompressor, pidi olema võrdne 1400 hobujõuga. Põhiseadme kompressori ja turbiini maksimaalne pöörlemiskiirus on umbes 19 tuhat pööret minutis. Õhutarbimine põhipõlemiskambris - 6 kg / s. Eeldati, et soojusvaheti soojendab sissetuleva õhu temperatuurini 500 ° ja turbiini ees olevate gaaside temperatuur on umbes 800 °.
Elektriturbiin pidi arvutuste kohaselt pöörlema kiirusega kuni 25 tuhat pööret minutis ja andma võllile 800 hj. Lisaseadme õhutarve oli 2 kg / s. Sisselaskeõhu ja heitgaaside temperatuuri parameetrid pidid olema võrdsed põhiseadme vastavate omadustega. Kogu mootori kütusekulu sobivate soojusvahetite kasutamisel ei ületaks 200–230 g / hj.
Programmi tulemused
Saksa tankiturbiinmootorite väljatöötamine algas alles 1944. aasta suvel, kui Saksamaa võimalused Teist maailmasõda võita kahanesid iga päevaga. Punaarmee ründas idast Kolmandat Reichi ning USA ja Suurbritannia väed tulid läänest. Sellistes tingimustes puudusid Saksamaal piisavad võimalused paljulubavate projektide massi täieõiguslikuks haldamiseks. Kõik katsed luua tankidele põhimõtteliselt uus mootor põhinesid raha- ja ajapuudusel. Seetõttu oli 1945. aasta veebruariks juba kolm täisväärtuslikku gaasiturbiinmootorite projekti, kuid ükski neist ei jõudnud isegi prototüübi kokkupaneku etappi. Kõik tööd piirdusid ainult teoreetiliste uuringute ja üksikute katseüksuste testidega.
1945. aasta veebruaris toimus sündmus, mida võib pidada Saksa tankiturbiinmootorite loomise programmi lõpu alguseks. Projekti juhi kohalt kõrvaldati doktor Alfred Müller ja vabale kohale määrati tema nimekaim Max Adolf Müller. M. A. Müller oli ka silmapaistev spetsialist gaasiturbiinielektrijaamade valdkonnas, kuid tema saabumine projektile takistas kõige arenenumaid arenguid. Peamine ülesanne uue pea all oli GT 101 mootori peenhäälestamine ja selle seeriatootmise alustamine. Sõja lõpuni Euroopas jäi vähem kui kolm kuud, mistõttu ei olnud projektijuhtimise vahetusel aega soovitud tulemuseni jõuda. Kõik Saksa tankide GTE -d jäid paberile.
Mõne allika andmetel sattus "GT" liini projektide dokumentatsioon liitlaste kätte ja nad kasutasid seda oma projektides. Esimestel praktilistel tulemustel maismaasõidukite gaasiturbiinmootorite vallas, mis ilmusid pärast Teise maailmasõja lõppu väljaspool Saksamaad, oli aga dr Dr Mülleri arengutega vähe ühist. Mis puudutab spetsiaalselt tankidele mõeldud gaasiturbiinmootoreid, siis esimesed sellise elektrijaamaga seeriapaagid lahkusid tehaste kokkupanekutest alles veerand sajandit pärast Saksa projektide valmimist.
