Fino a un certo momento, la Germania di Hitler non prestò molta attenzione ai progetti di centrali elettriche a turbina a gas per veicoli terrestri. Così, nel 1941, fu assemblata la prima unità del genere per una locomotiva sperimentale, ma i suoi test furono rapidamente ridotti a causa dell'inopportunità economica e della presenza di programmi a priorità più elevata. I lavori in direzione dei motori a turbina a gas (GTE) per veicoli terrestri sono proseguiti solo nel 1944, quando alcune delle caratteristiche negative della tecnologia e dell'industria esistenti erano particolarmente pronunciate.
Nel 1944, la direzione degli armamenti dell'esercito lanciò un progetto di ricerca sul GTE per i carri armati. C'erano due ragioni principali per i nuovi motori. In primo luogo, la costruzione di carri armati tedeschi a quel tempo seguiva un corso verso veicoli da combattimento più pesanti, che richiedevano la creazione di un motore di alta potenza e dimensioni ridotte. In secondo luogo, tutti i veicoli blindati disponibili utilizzavano in una certa misura benzina scarsa, e ciò imponeva alcune restrizioni relative al funzionamento, all'economia e alla logistica. I promettenti motori a turbina a gas, come allora consideravano i leader dell'industria tedesca, potevano consumare meno carburante di alta qualità e, di conseguenza, meno costoso. Quindi, a quel tempo, dal punto di vista economico e tecnologico, l'unica alternativa ai motori a benzina era un motore a turbina a gas.
Nella prima fase, lo sviluppo di un promettente motore a serbatoio fu affidato a un gruppo di designer di Porsche, guidati dall'ingegnere O. Zadnik. Diverse imprese collegate avrebbero dovuto assistere gli ingegneri Porsche. In particolare, nel progetto è stato coinvolto il dipartimento di ricerca sui motori delle SS, guidato dal dott. Alfred Müller. Dalla metà degli anni Trenta, questo scienziato ha lavorato sul tema delle installazioni di turbine a gas e ha partecipato allo sviluppo di diversi motori a reazione per aerei. Quando iniziò la creazione di un motore a turbina a gas per serbatoi, Müller aveva completato il progetto del turbocompressore, che fu successivamente utilizzato su diversi tipi di motori a pistoni. È interessante notare che nel 1943, il dott. Müller fece ripetutamente proposte sull'inizio dello sviluppo di motori a turbina a gas per serbatoi, ma la leadership tedesca le ignorò.
Cinque opzioni e due progetti
All'inizio dei lavori principali (metà estate 1944), il ruolo guida del progetto era passato all'organizzazione guidata da Müller. A quel tempo, furono determinati i requisiti per un promettente motore a turbina a gas. Doveva avere una potenza di circa 1000 CV. e un consumo d'aria dell'ordine di 8,5 chilogrammi al secondo. La temperatura in camera di combustione è stata fissata da termini di riferimento a 800°. A causa di alcune caratteristiche delle centrali elettriche a turbina a gas per veicoli terrestri, è stato necessario creare diverse centrali ausiliarie prima dell'inizio dello sviluppo del progetto principale. Un team di ingegneri guidati da Müller ha creato e considerato contemporaneamente cinque opzioni per l'architettura e il layout del motore a turbina a gas.
I diagrammi schematici del motore differivano l'uno dall'altro per il numero di stadi del compressore, della turbina e della posizione della turbina di potenza associata alla trasmissione. Inoltre, sono state prese in considerazione diverse opzioni per l'ubicazione delle camere di combustione. Quindi, nella terza e quarta versione del layout GTE, è stato proposto di dividere in due il flusso d'aria dal compressore. Un flusso in questo caso doveva andare nella camera di combustione e da lì alla turbina che faceva ruotare il compressore. La seconda parte dell'aria in ingresso, a sua volta, veniva iniettata nella seconda camera di combustione, che forniva gas caldi direttamente alla turbina di potenza. Inoltre, sono state prese in considerazione opzioni con una diversa posizione dello scambiatore di calore per il preriscaldamento dell'aria che entra nel motore.
Nella prima versione del promettente motore, che ha raggiunto la fase di progettazione a tutti gli effetti, un compressore diagonale e assiale, oltre a una turbina a due stadi, avrebbe dovuto essere posizionato sullo stesso asse. La seconda turbina doveva essere posta coassialmente dietro la prima e collegata alle unità di trasmissione. Allo stesso tempo, la turbina di potenza che fornisce potenza alla trasmissione è stata proposta per essere montata sul proprio asse, non collegata all'asse dei compressori e delle turbine. Questa soluzione potrebbe semplificare la progettazione del motore, se non fosse per un grave inconveniente. Quindi, quando si rimuove il carico (ad esempio, durante un cambio di marcia), la seconda turbina potrebbe girare a velocità tali a cui esiste il rischio di distruzione delle pale o del mozzo. È stato proposto di risolvere il problema in due modi: o per rallentare la turbina funzionante nei momenti giusti, o per rimuovere i gas da essa. Sulla base dei risultati dell'analisi, è stata scelta la prima opzione.
Eppure, la prima versione modificata del serbatoio GTE era troppo complicata e costosa per la produzione di massa. Müller ha continuato ulteriori ricerche. Per semplificare il design, alcune parti originali sono state sostituite con unità corrispondenti prese in prestito dal motore turbogetto Heinkel-Hirt 109-011. Inoltre, sono stati rimossi diversi cuscinetti dal design del motore del serbatoio, su cui erano tenuti gli assi del motore. Riducendo il numero di supporti dell'albero a due montaggio semplificato, ma eliminata la necessità di un assale separato con una turbina che trasmette la coppia alla trasmissione. La turbina di potenza è stata installata sullo stesso albero su cui erano già posizionate le giranti del compressore e la turbina bistadio. La camera di combustione è dotata di originali ugelli rotanti per l'irrorazione del carburante. In teoria, hanno permesso di iniettare carburante in modo più efficiente e hanno anche aiutato a evitare il surriscaldamento di alcune parti della struttura. Una versione aggiornata del progetto era pronta a metà settembre 1944.
Il primo tubo a gas per veicoli blindati
La prima unità tubo gas per veicoli blindati
Anche questa opzione non era priva di inconvenienti. In primo luogo, i reclami hanno causato difficoltà nel mantenimento della coppia sull'albero di uscita, che era in realtà un'estensione dell'albero principale del motore. La soluzione ideale al problema della trasmissione di potenza potrebbe essere l'utilizzo di una trasmissione elettrica, ma la scarsità di rame ha reso tale sistema da dimenticare. In alternativa alla trasmissione elettrica è stato considerato un trasformatore idrostatico o idrodinamico. Quando si utilizzavano tali meccanismi, l'efficienza della trasmissione di potenza era leggermente ridotta, ma erano significativamente più economici di un sistema con generatore e motori elettrici.
Motore GT 101
L'ulteriore sviluppo della seconda versione del progetto ha portato a ulteriori modifiche. Quindi, al fine di preservare le prestazioni del GTE sotto carichi d'urto (ad esempio, durante l'esplosione di una miniera), è stato aggiunto un terzo cuscinetto dell'albero. Inoltre, la necessità di unificare il compressore con i motori degli aerei ha portato a modificare alcuni parametri del funzionamento del serbatoio GTE. In particolare, il consumo di aria è aumentato di circa un quarto. Dopo tutte le modifiche, il progetto del motore del serbatoio ha ricevuto un nuovo nome: GT 101. In questa fase, lo sviluppo di una centrale elettrica a turbina a gas per serbatoi ha raggiunto la fase in cui è stato possibile iniziare i preparativi per la costruzione del primo prototipo e poi il serbatoio dotato di un motore a turbina a gas.
Tuttavia, la messa a punto del motore si trascinò e alla fine dell'autunno del 1944 non erano ancora iniziati i lavori per l'installazione di una nuova centrale elettrica sul serbatoio. A quel tempo, gli ingegneri tedeschi stavano solo lavorando per posizionare il motore sui serbatoi esistenti. Inizialmente era previsto che la base per il GTE sperimentale fosse il carro pesante PzKpfw VI - "Tiger". Tuttavia, il vano motore di questo veicolo blindato non era abbastanza grande per ospitare tutte le unità necessarie. Anche con una cilindrata relativamente piccola, il motore della GT 101 era troppo lungo per una Tiger. Per questo motivo è stato deciso di utilizzare il carro armato PzKpfw V, noto anche come Panther, come veicolo di prova di base.
Nella fase di finalizzazione del motore GT 101 per l'uso sul carro armato Panther, il cliente, rappresentato dalla Direzione degli armamenti delle forze terrestri, e l'esecutore del progetto, hanno determinato i requisiti per il prototipo. Si presumeva che il motore a turbina a gas avrebbe portato la potenza specifica di un carro armato con un peso di combattimento di circa 46 tonnellate al livello di 25-27 CV. per tonnellata, che migliorerà significativamente le sue caratteristiche di marcia. Allo stesso tempo, i requisiti per la velocità massima non sono cambiati. Le vibrazioni e gli urti causati dalla guida ad alta velocità hanno aumentato significativamente il rischio di danni ai componenti del telaio. Di conseguenza, la velocità massima consentita è stata limitata a 54-55 chilometri all'ora.
Turbina a gas GT 101 nel serbatoio "Panther"
Come nel caso della Tiger, il vano motore della Panther non era abbastanza grande per ospitare il nuovo motore. Tuttavia, i progettisti sotto la guida del Dr. Miller sono riusciti a inserire la GT 101 GTE nei volumi disponibili. È vero, il grande tubo di scarico del motore doveva essere posizionato in un foro rotondo nella piastra di armatura posteriore. Nonostante l'apparente stranezza, una tale soluzione era considerata conveniente e adatta anche per la produzione di massa. Lo stesso motore GT 101 sulla "Panther" sperimentale doveva essere posizionato lungo l'asse dello scafo, con uno spostamento verso l'alto, fino al tetto del vano motore. Accanto al motore, nei parafanghi dello scafo, sono stati collocati diversi serbatoi di carburante nel progetto. Il posto per la trasmissione è stato trovato direttamente sotto il motore. I dispositivi di aspirazione dell'aria sono stati portati sul tetto dell'edificio.
La semplificazione del design del motore GT 101, a causa del quale ha perso la sua turbina separata associata alla trasmissione, ha comportato difficoltà di diversa natura. Per l'utilizzo con la nuova GTE è stato necessario ordinare una nuova trasmissione idraulica. L'organizzazione ZF (Zahnradfabrik di Friedrichshafen) ha creato in breve tempo un convertitore di coppia a tre stadi con un cambio a 12 velocità (!). Metà delle marce erano per la guida su strada, il resto per la guida fuoristrada. Nell'installazione motore-trasmissione del serbatoio sperimentale, era anche necessario introdurre un'automazione che monitorasse le modalità di funzionamento del motore. Uno speciale dispositivo di controllo avrebbe dovuto monitorare la velocità del motore e, se necessario, aumentare o diminuire la marcia, impedendo alla GTE di entrare in modalità operative inaccettabili.
Secondo i calcoli degli scienziati, la turbina a gas GT 101 con una trasmissione di ZF potrebbe avere le seguenti caratteristiche. La potenza massima della turbina ha raggiunto i 3750 CV, di cui 2600 prelevati dal compressore per garantire il funzionamento del motore. Pertanto, sull'albero di uscita sono rimasti "solo" 1100-1150 cavalli. La velocità di rotazione del compressore e delle turbine, a seconda del carico, oscillava tra 14-14,5 mila giri al minuto. La temperatura dei gas davanti alla turbina è stata mantenuta ad un livello predeterminato di 800°. Il consumo d'aria era di 10 chilogrammi al secondo, il consumo specifico di carburante, a seconda della modalità operativa, era di 430-500 g / CV h.
Motore GT 102
Con una potenza straordinariamente elevata, il motore a turbina a gas con serbatoio GT 101 aveva un consumo di carburante altrettanto notevole, circa il doppio di quello dei motori a benzina disponibili all'epoca in Germania. Oltre al consumo di carburante, la GTE GT 101 aveva molti altri problemi tecnici che richiedevano ulteriori ricerche e correzioni. A questo proposito, è iniziato un nuovo progetto GT 102, in cui è stato pianificato di mantenere tutti i successi ottenuti e di eliminare le carenze esistenti.
Nel dicembre 1944 l'A. Müller è giunto alla conclusione che era necessario tornare a una delle idee precedenti. Per ottimizzare il funzionamento della nuova GTE, è stato proposto di utilizzare una turbina separata sul proprio asse, collegata ai meccanismi di trasmissione. Allo stesso tempo, la turbina di potenza del motore GT 102 doveva essere un'unità separata, non posta coassialmente alle unità principali, come precedentemente proposto. Il blocco principale della nuova centrale a turbina a gas era GT 101 con modifiche minime. Aveva due compressori a nove stadi e una turbina a tre stadi. Durante lo sviluppo della GT 102, si è scoperto che il blocco principale del precedente motore GT 101, se necessario, può essere posizionato non lungo, ma attraverso il vano motore del serbatoio Panther. Così hanno fatto durante l'assemblaggio delle unità del serbatoio sperimentale. I dispositivi di aspirazione dell'aria del motore a turbina a gas erano ora posizionati sul tetto sul lato sinistro, il tubo di scarico sul lato destro.
Turbina a gas GT 102 nel serbatoio "Panther"
Compressore a turbina a gas GT 102
Tra il compressore e la camera di combustione del blocco motore principale è stato previsto un tubo per lo spurgo dell'aria nella camera di combustione aggiuntiva e nella turbina. Secondo i calcoli, il 70% dell'aria che entrava nel compressore doveva passare attraverso la parte principale del motore e solo il 30% attraverso quella aggiuntiva, con una turbina di potenza. Interessante la posizione del blocco aggiuntivo: l'asse della sua camera di combustione e della turbina di potenza avrebbe dovuto essere posizionato perpendicolarmente all'asse del blocco motore principale. È stato proposto di posizionare le unità della turbina di potenza sotto l'unità principale e dotarle di un proprio tubo di scarico, che è stato portato al centro del tetto del vano motore.
La "malattia congenita" del layout del motore a turbina a gas della GT 102 era il rischio di far girare eccessivamente la turbina di potenza con conseguente danno o distruzione. È stato proposto di risolvere questo problema nel modo più semplice: posizionare valvole per controllare il flusso nel tubo che fornisce aria alla camera di combustione aggiuntiva. Allo stesso tempo, i calcoli hanno mostrato che la nuova GT 102 GTE potrebbe avere una risposta dell'acceleratore insufficiente a causa delle peculiarità del funzionamento di una turbina di potenza relativamente leggera. Le specifiche di progetto, come la potenza dell'albero di uscita o la potenza della turbina dell'unità principale, sono rimaste allo stesso livello del precedente motore GT 101, il che può essere spiegato dalla quasi completa assenza di importanti modifiche progettuali, tranne che per l'aspetto della potenza unità turbina. L'ulteriore miglioramento del motore ha richiesto l'uso di nuove soluzioni o addirittura l'apertura di un nuovo progetto.
Turbina di lavoro separata per GT 102
Prima di iniziare lo sviluppo del successivo modello GTE, chiamato GT 103, il Dr. A. Müller tentò di migliorare il layout dell'attuale GT 102. Il problema principale del suo design erano le dimensioni piuttosto grandi dell'unità principale, che rendevano difficile posizionare l'intero motore nei vani motore dei serbatoi disponibili in quel momento. Per ridurre la lunghezza dell'unità motore-trasmissione, è stato proposto di progettare il compressore come un'unità separata. Pertanto, tre unità relativamente piccole potrebbero essere collocate all'interno del vano motore del serbatoio: un compressore, una camera di combustione principale e una turbina, nonché un'unità turbina di potenza con una propria camera di combustione. Questa versione della GTE è stata denominata GT 102 Ausf. 2. Oltre a posizionare il compressore in un'unità separata, sono stati fatti tentativi per fare lo stesso con la camera di combustione o la turbina, ma non hanno avuto molto successo. Il design del motore a turbina a gas non si è permesso di essere suddiviso in un gran numero di unità senza evidenti perdite di prestazioni.
Motore GT 103
Un'alternativa al motore a turbina a gas GT 102 Ausf. 2 con la possibilità di disposizione "libera" delle unità nel volume esistente era il nuovo sviluppo della GT 103. Questa volta i costruttori di motori tedeschi decisero di concentrarsi non sulla comodità del posizionamento, ma sull'efficienza del lavoro. Uno scambiatore di calore è stato introdotto nell'attrezzatura del motore. Si presumeva che con il suo aiuto i gas di scarico riscaldessero l'aria che entra attraverso il compressore, il che otterrà un risparmio tangibile di carburante. L'essenza di questa soluzione era che l'aria preriscaldata avrebbe permesso di spendere meno carburante per mantenere la temperatura richiesta davanti alla turbina. Secondo calcoli preliminari, l'uso di uno scambiatore di calore potrebbe ridurre il consumo di carburante del 25-30 percento. In determinate condizioni, tali risparmi sono stati in grado di rendere la nuova GTE adatta all'uso pratico.
Lo sviluppo dello scambiatore di calore è stato affidato a "subappaltatori" della ditta Brown Boveri. Il capo progettista di questa unità era V. Khrinizhak, che in precedenza aveva preso parte alla creazione di compressori per motori a turbina a gas per serbatoi. Successivamente, Chrysnižak divenne un rinomato specialista in scambiatori di calore e la sua partecipazione al progetto GT 103 fu probabilmente uno dei prerequisiti per questo. Lo scienziato ha applicato una soluzione piuttosto audace e originale: l'elemento principale del nuovo scambiatore di calore era un tamburo rotante in ceramica porosa. All'interno del tamburo erano poste diverse partizioni speciali, che assicuravano la circolazione dei gas. Durante il funzionamento, i gas di scarico caldi sono passati all'interno del tamburo attraverso le sue pareti porose e li hanno riscaldati. Questo è successo durante mezzo giro di tamburo. Il mezzo giro successivo serviva a trasferire calore all'aria passando dall'interno verso l'esterno. Grazie al sistema di deflettori all'interno e all'esterno del cilindro, aria e gas di scarico non si mescolavano tra loro, il che escludeva malfunzionamenti del motore.
L'uso dello scambiatore di calore ha causato gravi controversie tra gli autori del progetto. Alcuni scienziati e progettisti ritenevano che l'uso di questa unità in futuro avrebbe consentito di ottenere un'elevata potenza e portate d'aria relativamente basse. Altri, a loro volta, vedevano nello scambiatore di calore solo un mezzo dubbio, i cui benefici non potevano superare significativamente le perdite dovute alla complicazione del design. Nella disputa sulla necessità di uno scambiatore di calore, hanno vinto i sostenitori della nuova unità. Ad un certo punto, c'è stata persino una proposta per dotare il motore a turbina a gas GT 103 di due dispositivi per preriscaldare l'aria contemporaneamente. Il primo scambiatore di calore in questo caso doveva riscaldare l'aria per il blocco motore principale, il secondo per la camera di combustione aggiuntiva. Pertanto, la GT 103 era in realtà una GT 102 con scambiatori di calore introdotti nel design.
Il motore GT 103 non è stato costruito, motivo per cui è necessario accontentarsi solo delle sue caratteristiche calcolate. Inoltre, i dati disponibili su questo GTE sono stati calcolati anche prima della fine della realizzazione dello scambiatore di calore. Pertanto, un numero di indicatori in pratica, probabilmente, potrebbe rivelarsi significativamente inferiore al previsto. La potenza del gruppo principale, generata dalla turbina ed assorbita dal compressore, doveva essere pari a 1400 cavalli. La velocità massima di rotazione di progetto del compressore e della turbina dell'unità principale è di circa 19 mila giri al minuto. Consumo d'aria nella camera di combustione principale - 6 kg / s. Si presumeva che lo scambiatore di calore riscaldasse l'aria in ingresso a 500 ° e che i gas davanti alla turbina avessero una temperatura di circa 800 °.
La turbina di potenza, secondo i calcoli, avrebbe dovuto ruotare a una velocità fino a 25 mila giri / min e fornire 800 CV sull'albero. Il consumo d'aria dell'unità aggiuntiva era di 2 kg/s. I parametri di temperatura dell'aria in ingresso e dei gas di scarico dovevano essere uguali alle caratteristiche corrispondenti dell'unità principale. Il consumo totale di carburante dell'intero motore con l'utilizzo di opportuni scambiatori di calore non supererebbe i 200-230 g/cv h.
Risultati del programma
Lo sviluppo dei motori a turbina a gas per serbatoi tedeschi iniziò solo nell'estate del 1944, quando le possibilità della Germania di vincere la seconda guerra mondiale diminuivano ogni giorno. L'Armata Rossa attaccò il Terzo Reich da est e le truppe degli Stati Uniti e della Gran Bretagna arrivarono da ovest. In tali condizioni, la Germania non aveva sufficienti opportunità per una gestione a pieno titolo della massa di progetti promettenti. Tutti i tentativi di creare un motore fondamentalmente nuovo per i carri armati si basavano sulla mancanza di tempo e denaro. Per questo motivo, nel febbraio 1945, c'erano già tre progetti a pieno titolo di motori a turbina a gas per serbatoi, ma nessuno di loro raggiunse nemmeno la fase di assemblaggio del prototipo. Tutto il lavoro è stato limitato solo a studi teorici e prove di singole unità sperimentali.
Nel febbraio 1945 si verificò un evento che può essere considerato l'inizio della fine del programma tedesco per la realizzazione di motori a turbina a gas cisterna. Il Dr. Alfred Müller è stato rimosso dal suo incarico di capo del progetto e il suo omonimo, Max Adolf Müller, è stato nominato al posto vacante. M. A. Müller era anche uno specialista di spicco nel campo delle centrali elettriche a turbina a gas, ma il suo arrivo al progetto ha bloccato gli sviluppi più avanzati. Il compito principale sotto la nuova testa era mettere a punto il motore GT 101 e iniziare la sua produzione in serie. Mancavano meno di tre mesi alla fine della guerra in Europa, motivo per cui il cambio di direzione del progetto non ha avuto il tempo di portare al risultato desiderato. Tutti i GTE di carri armati tedeschi sono rimasti sulla carta.
Secondo alcune fonti, la documentazione per i progetti della linea "GT" è caduta nelle mani degli alleati e l'hanno utilizzata nei loro progetti. Tuttavia, i primi risultati pratici nel campo dei motori a turbina a gas per veicoli terrestri, apparsi dopo la fine della seconda guerra mondiale fuori dalla Germania, avevano poco in comune con gli sviluppi di entrambi il Dr. Müller. Per quanto riguarda i motori a turbina a gas progettati specificamente per i serbatoi, i primi serbatoi di serie con una tale centrale hanno lasciato le officine di assemblaggio delle fabbriche solo un quarto di secolo dopo il completamento dei progetti tedeschi.
