GT 101 a fost o turbină motor , derivat din 003 BMW Turbojet folosit în aviație , care a fost conceput pentru puterea german Panther tanc de luptă .
Divizia dedicată dezvoltării componentei terestre a celui de-al Treilea Reich , Heereswaffenamt , a studiat mai multe motoare de tip turbină cu gaz pentru utilizare în tancuri, începând cu mijlocul anului 1944 . Deși niciunul dintre aceste motoare nu a fost instalat operațional, GT 101 (pentru „ Turbina cu gaz ”) a atins un stadiu de dezvoltare apropiat de cel necesar pentru producția de serie. Au fost produse mai multe concepte pe toată durata programului, inclusiv GT 102 și GT 103 .
De la mijlocul anului 1943 , Adolf Müller, fost angajat al Diviziei Junkers Jumo al firmei aeronautice Junkers la Dessau , și apoi împărțind motoarele cu reacție ale lui Heinkel-Hirth ( Heinkel Strahltriebwerke ), a propus utilizarea motoarelor cu turbină pentru propulsia vehicule blindate . Un motor cu turbină a oferit avantajul de a fi considerabil mai ușor decât motoarele cu piston pe benzină din gama de 600 CP care urmau să fie utilizate în rezervoarele generației următoare, aceste motoare fiind apoi produse în principal de compania Maybach și din concepte existente. Această greutate redusă ar îmbunătăți considerabil raportul greutate / putere al vehiculelor astfel echipate și, prin urmare, și performanța lor off-road și, potențial, viteza maximă. Cu toate acestea, la acel moment, utilizarea motoarelor cu turbină în acest rol a reprezentat provocări foarte mari pentru proiectanții lor.
În cazul unui turboreactor pur utilizat în aviație, evacuarea gazelor fierbinți din turbină este utilizată direct și numai pentru a produce împingere, dar în cazul unui motor cu turbină utilizat pentru a crea tracțiune într-un vehicul, orice căldură care scapă prin duză este în esență puterea deșeurilor. Temperatura gazelor de eșapament a fost mult mai ridicată decât cea a unui motor cu piston, iar primele modele de motoare cu turbosistem proiectate atunci erau extrem de slabe în ceea ce privește consumul de combustibil, comparativ cu omologii lor cu piston. În ceea ce privește aspectul pozitiv, utilizarea kerosenului , ieftină și disponibilă în cantități mari, a umplut în mare măsură acest defect major, astfel încât, pus unul lângă altul, cele două motoare au avut un cost de funcționare destul de similar.
O altă problemă a fost că motoarele cu arbore cu turbină funcționează bine doar la o anumită viteză de rotație, deși la această viteză pot dezvolta o gamă largă de cuplu. Mai precis, motoarele cu arbore turbo produc doar un cuplu foarte mic la turații mici, ceea ce, pe de altă parte, nu este o problemă majoră pentru un motor cu piston și absolut nu pentru un motor electric. Pentru a utiliza motorul cu turbină ca sistem de propulsie pentru rezervoare, a fost necesar să adăugați un sistem avansat de ambreiaj și transmisie, care să permită motorului să funcționeze la viteze destul de mici sau să găsească o altă modalitate de a extrage puterea.
La început, armata nu s-a arătat interesată, iar Müller a apelat la proiectarea unui turbocompresor avansat pentru BMW (nimeni nu știe dacă acest sistem a fost folosit vreodată). Când lucrarea sa a fost terminată, înIanuarie 1944, s-a întors din nou către proiectele de propulsie și în cele din urmă a întâlnit Heereswaffenamt înIunie 1944, pentru a-i prezenta mai multe concepte pentru o unitate cu o putere de 1000 CP . Având în vedere deficitul de combustibil cu care s-a confruntat Germania la vremea aceea la sfârșitul războiului, utilizarea combustibililor de calitate inferioară, indiferent de utilizarea lor, a fost mai degrabă privită ca un avantaj major, tocmai pentru aceasta De aceea biroul central german a început să arată un anumit interes pentru acest concept.
Primul design detaliat al lui Müller a fost o simplă modificare a unui turboreactor tradițional, inima motorului experimental Heinkel HeS 011 , din care au fost construiți în total doar 19. În acest concept, o turbină separată și un arbore de preluare a puterii au fost înșurubate la evacuarea motorului, gazele fierbinți conducând apoi turbina și, prin urmare, rezervorul. Deoarece miezul motorului a fost complet separat de secțiunea de putere, cuplul a fost disponibil imediat, deoarece miezul putea continua să funcționeze la maxim, chiar și cu o putere redusă, excesul de gaz fiind „umezit” de designul motorului. Cu toate acestea, designul a suferit un mare defect: atunci când „sarcina” a fost îndepărtată, cum ar fi atunci când se schimbă vitezele, turbina electrică se va roti în vid și ar putea scăpa de sub control. Pentru a remedia această problemă, fie turbina trebuia frânată în aceste scurte momente, fie gazele provenite din miezul motorului trebuiau evacuate din turbină.
O altă problemă a apărut din îngrijorarea Heereswaffenamt cu privire la calitatea combustibililor pe care i-ar putea găsi. Spre deosebire de lumea aviației, unde combustibilul folosit trebuia să fie foarte rafinat, s-a simțit că armata se poate mulțumi cu combustibili de calitate scăzută care ar putea conține tot felul de contaminanți grei. Acest lucru a dus la posibilitatea ca combustibilul să nu aibă timp să se amestece curat, provocând o combustie slabă. Aceștia erau interesați în mod deosebit să aibă injectoare care rulează de-a lungul miezului motorului, ceea ce ar duce la obținerea unui amestec mult mai bun, dar și la reducerea punctelor fierbinți pe statorul turbinei. Din păcate, conceptul lui Müller nu părea capabil să folosească astfel de injectoare și a fost respins pe12 august 1944.
Müller a apelat apoi la concepte care eliminau turbina de putere separată și, în schimb, necesitau un fel de transmisie, menținând cuplul permanent. Cea mai bună soluție ar fi fost să acționezi un generator electric și să folosești energia electrică produsă pentru a acționa motoare de tracțiune (un sistem pe care Porsche a încercat să îl introducă de mai multe ori), dar o lipsă gravă de cupru în acest moment al Războiului - pe lângă calitate slabă pe tot parcursul războiului pentru utilizarea sa electrică, datorită resurselor minerale limitate disponibile Germaniei - pune capăt acestei idei. În schimb, urma să fie utilizat un fel de acționare hidraulică, deși nu a fost specificat inițial. În plus, noul concept a inclus injectoare rotative de combustibil în camera de ardere pe care Heereswaffenamt le dorea deja înainte. Müller a prezentat noul concept pe14 septembrie, iar Heereswaffenamt a arătat mult mai mult interes. Deteriorarea aprovizionării cu combustibil în această perioadă ar fi putut fi, de asemenea, un factor important în aceste alegeri.
În mod ciudat, au sugerat apoi că fiecare motor dezvoltat pentru acest rol ar putea fi, de asemenea, compatibil pentru utilizare în aviație, ceea ce a dus în cele din urmă la abandonarea injectoarelor rotative și a dus la alegerea unui nucleu BMW modificat 003 , fiind considerat ca un concept mai dovedit. Așezarea de bază a trebuit schimbată, cu adăugarea unui al treilea lagăr lângă centrul motorului pentru a ajuta la absorbția stresului în timpul impactului și a fost adăugat un al treilea nivel de turbină la capătul motorului pentru a extrage mai mult. Spre deosebire de conceptele anterioare, arborele de decolare a cuplului ar putea fi amplasat fie în partea din față, fie în spatele motorului (și nu doar după turbina cu trei trepte) și, de fapt, a fost plasat în partea din față a motorului. pentru a face motorul cât mai compatibil cu compartimentele motorului existente. Proiectarea de bază a fost finalizată la mijlocul lunii noiembrie și a primit numele de GT 101 .
Inițial, s-a planificat instalarea noului motor în rezervorul Tiger proiectat de Henschel ( Tiger I ), dar, deși motorul era mai mic decât motorul cu piston V-12 pe care l-a înlocuit - în ceea ce privește diametrul -, debutul său ca axial -compressor BMW 003 aviație motor făcut prea mult timp pentru a se potrivi în Tiger I compartimentul motor . Atenția s-a îndreptat apoi către Panther , care în acest moment al războiului urma să devină baza pentru proiectarea tuturor viitoarelor tancuri Reich ( Entwicklungsseries ). Pentru teste experimentale de instalare, Porsche furnizează unul dintre șasiurile prototip ale Jagdpanzer VI .
Montarea GT 101 în șasiul Panther a necesitat un efort considerabil de proiectare, dar în cele din urmă a fost găsit un aspect adecvat. Eșapamentul motorului a fost prevăzut cu un difuzor divergent mare, pentru a reduce viteza și temperatura gazelor de ardere, ceea ce a permis și trecerea să adauge o a treia etapă de turbină . Întreaga zonă de evacuare s-a întins în aer liber din compartimentul motorului, făcând-o extrem de vulnerabilă la focul inamic și s-a realizat în cele din urmă că această soluție nu era viabilă pentru o singură producție de masă. O nouă transmisie automată a fost produsă pentru întreg. Proiectat de Zahnradfabrik de la Friedrichshafen ( ZF ), avea trei niveluri de ambreiaj în convertorul de cuplu și douăsprezece trepte. Avea, de asemenea, un ambreiaj acționat electric care se decupla mecanic complet de la motor când turația motorului era de 5.000 rpm , viteză sub care nu mai produce niciun cuplu pe arborele de acționare. La accelerație maximă, la 14.000 rpm , motorul în sine a acționat ca o roată liberă imensă, ceea ce a îmbunătățit foarte mult performanțele off-road, permițând ca o parte din viteza excesivă a motorului să fie canalizată către transmisia pentru a scoate rezervorul din umflături.
În ceea ce privește performanța, GT 101 ar fi fost surprinzător de eficient. Ar fi produs o putere totală de 3.750 CP , folosind 2.600 CP pentru a conduce supraalimentatorul și lăsând restul de 1.150 CP pentru a conduce transmisia. Ansamblul complet avea o masă de 450 kg , transmisie exclusă. În comparație, Maybach HL230 P30 pe care l-a înlocuit a produs doar 620 CP, în timp ce avea o masă de 1.200 kg . Cu Maybach, Panther avea o putere specifică de aproximativ 13,5 CP / tonă , în timp ce cu GT 101 această cifră a fost mărită la 27 CP / tonă , depășind cu mult performanța oricărui tanc din al doilea război mondial ( T-34 sovietic avea un valoare de 16,2 CP / tonă ). Această cifră a fost, de asemenea, destul de apropiată de cifrele la care au ajuns tancurile cu arbore turbo din epoca actuală, cum ar fi M1 Abrams și 26,9 CP / tonă .
Din alte motive, în primul rând uzura în funcțiune, viteza de deplasare a unei pantere cu motor GT 101 ar fi fost limitată în mod deliberat la cele de la Panther cu motoare convenționale. Singurele dezavantaje erau cuplul scăzut la o putere redusă și consumul de combustibil de aproximativ două ori mai mare decât cel al lui Maybach, ceea ce punea noi probleme în găsirea spațiului pentru stocarea combustibilului. O problemă similară a afectat și primele avioane germane.
Pe măsură ce lucrările la GT 101 au continuat, Müeller a venit cu un alt mod de a construi un motor cu turbină liberă, care a evitat problemele cu proiectele sale inițiale. El și-a prezentat planurile înDecembrie 1944și au fost acceptați pentru dezvoltare ca GT 102 .
Ideea de bază a GT 102 a fost separarea completă a turbinei de putere de motorul în sine, folosind-o ca generator de gaz . Motorul folosit ca inimă a fost pus în mișcare suficient pentru a conduce și a-și susține propria mișcare și nimic mai mult. Nu a fost luată nicio putere pentru propulsarea tancului. Aerul comprimat de la compresorul acestui motor, 30% din debitul total de aer, a fost ocolit printr-o conductă către o turbină cu două trepte complet separată, cu propria cameră de ardere . Acest lucru a evitat problemele de exces de viteză ale conceptului original; când sarcina a fost îndepărtată, simpla oprire a fluxului de aer către rotor ar încetini. De asemenea, a însemnat că generatorul de gaz ar putea fi acționat la maximă accelerație în timp ce turbina de putere se afla la turații reduse, îmbunătățind foarte mult cuplul la turații mici. Singura parte negativă a acestui concept a fost aceea că turbina de putere nu mai avea masa rotativă enormă a GT 101 și, prin urmare, nu avea capacități de stocare a energiei la fel de bune ca la predecesorul său.
Deoarece secțiunea turbinei a generatorului de gaz nu mai era alimentată cu tot aerul provenit de la compresor, acesta putea fi construit ca dimensiuni mai mici decât în GT 101. Această caracteristică a făcut ca motorul să fie mai scurt în ansamblu, permițând instalarea acestuia transversal în partea superioară a compartimentului motorului Panther , în partea cea mai lată de deasupra șinelor . Turbina de putere a fost apoi instalată în spațiul gol de mai jos, montat în unghi drept față de motor. Acest lucru l-a poziționat în conformitate cu transmisia normală, care a fost instalată în partea din față a vehiculului, conducând-o printr- un arbore de putere. Ansamblul a fost considerabil mai practic decât cel al modelului GT 101 și în întregime „sub armură”. Deși consumul de combustibil a fost cam același cu cel al modelului GT 101, echipamentul a lăsat mult mai mult spațiu liber în compartimentul motorului în care fusese folosit anterior sistemul de răcire. Aceste spații lăsate libere au făcut posibilă acomodarea rezervoarelor de combustibil noi, dublând capacitatea inițială la 1.400 de litri și, prin urmare, oferind o autonomie similară cu cea a motorului original pe benzină.
Majoritatea lucrărilor de proiectare pentru GT 102 au fost finalizate la începutul anului 1945 , iar planurile urmau să fie livrate la15 februarie(în același timp cu cele ale GT 101). Se pare că aceste planuri nu au fost niciodată îndeplinite, posibil din cauza schimbării evenimentelor de la sfârșitul conflictului.
Pentru a îmbunătăți și mai mult compatibilitatea dintre GT 102 și Panther , conceptul GT 102 Ausf. 2 au modificat mai multe secțiuni ale generatorului original de gaz, pentru a reduce dimensiunea zonei compresorului și a camerei de ardere. Au fost puțin mai lungi în GT 102 decât ar fi fost într-o instalație aeronautică, pentru a favoriza amestecul cu combustibili de calitate inferioară. Modelul Ausf. 2 au revenit la dimensiunile lor originale și au reintrodus injectoarele rotative din conceptele originale pre-GT 101. Lungimea compresorului a fost apoi redusă de la nouă la șapte trepte, dar raportul de compresie a fost menținut utilizând prima treaptă la o viteză apropiată de Mach 1 . Cu aceste reduceri, motorul ar putea fi instalat longitudinal în compartimentul motorului, permițând spații libere deasupra șinelor pentru a fi utilizate pentru stocarea combustibilului, așa cum a fost cazul modelelor.
Cauza principală a performanței slabe a motoarelor cu turbosistem în rolul sistemelor de tracțiune s-a datorat evacuării fierbinți, care în esență a reprezentat o pierdere de energie. Pentru a recupera o parte din această energie, este posibil să folosiți gazele de evacuare fierbinți pentru a preîncălzi aerul care vine de la compresor înainte de a intra în camera de ardere, folosind un schimbător de căldură . Deși puțin cunoscute, acești scavengers (în) sunt folosiți astăzi în multe aplicații.
W. Hryniszak de la Asea Brown Boveri , Heidelberg , a proiectat un recuperator care a fost adăugat conceptului nemodificat de GT 102 pentru a crea GT 103 . Schimbătorul de căldură a folosit un cilindru ceramic poros rotativ instalat într-o conductă cruciformă. Aerul din țeava de eșapament a generatorului de gaz care intră în conducta în exteriorul cilindrului , la o temperatură de 500 ° C și curge în jurul cilindrului înainte de a ieși la o temperatură de aproximativ 350 ° C . Cilindrul ceramic s-a rotit încet pentru a evita supraîncălzirea „părții fierbinți”. Aerul comprimat care curge în turbina puterea a fost alimentată prin mijlocul cilindrului, introducând la aproximativ 180 ° C și lăsând la aproximativ 300 ° C .
Aceasta a însemnat că 120 ° C din temperatura finală a aerului la 800 ° C nu a trebuit să fie furnizate de combustibil, reprezentând economii substanțiale. Estimările au sugerat o îmbunătățire a consumului de combustibil cu aproximativ 30%. De asemenea, s-a sugerat că un al doilea schimbător de căldură ar putea fi utilizat pe miezul generatorului de gaz, economisind încă 30%. Această instalație trebuia să reducă la jumătate consumul total, făcându-l similar cu cel al motorului original pe benzină. Retrospectiv, aceste estimări par nerezonabile, deși General Motors a experimentat cu aceste sisteme în anii 1960 și 1970.