Iki tam tikro laiko Hitlerio Vokietija nekreipė daug dėmesio į antžeminių transporto priemonių dujų turbinų jėgainių projektus. Taigi, 1941 m. Pirmasis toks mazgas buvo surinktas eksperimentiniam lokomotyvui, tačiau jo bandymai buvo greitai sutrumpinti dėl ekonominio netinkamumo ir aukštesnio prioriteto programų. Darbas antžeminių transporto priemonių dujų turbininių variklių (GTE) kryptimi buvo tęsiamas tik 1944 m., Kai kai kurios neigiamos esamos technologijos ir pramonės savybės buvo ypač ryškios.
1944 m. Armijos ginkluotės direkcija pradėjo tankų GTE tyrimų projektą. Buvo dvi pagrindinės naujų variklių priežastys. Pirma, vokiečių tankų pastatas tuo metu ėmėsi sunkesnių kovinių transporto priemonių, todėl reikėjo sukurti didelės galios ir mažų matmenų variklį. Antra, visos turimos šarvuotos transporto priemonės tam tikru mastu naudojo mažai benzino, ir tai nustatė tam tikrus apribojimus, susijusius su eksploatavimu, ekonomika ir logistika. Daug žadantys dujų turbinų varikliai, kaip tuomet svarstė Vokietijos pramonės lyderiai, galėtų sunaudoti mažiau kokybiškų ir atitinkamai pigesnių degalų. Taigi tuo metu ekonomikos ir technologijų požiūriu vienintelė alternatyva benzininiams varikliams buvo dujų turbininis variklis.
Pirmajame etape perspektyvaus bako variklio kūrimas buvo patikėtas inžinieriaus O. Zadniko vadovaujamai „Porsche“dizainerių grupei. Kelios susijusios įmonės turėjo padėti „Porsche“inžinieriams. Visų pirma projekte dalyvavo SS variklių tyrimų skyrius, kuriam vadovavo daktaras Alfredas Mülleris. Nuo trečiojo dešimtmečio vidurio šis mokslininkas dirbo dujų turbinų įrengimo tema ir dalyvavo kuriant kelis orlaivių reaktyvinius variklius. Tuo metu, kai buvo pradėtas kurti dujų turbininis variklis rezervuarams, Mülleris baigė turbokompresoriaus projektą, kuris vėliau buvo naudojamas kelių tipų stūmokliniuose varikliuose. Pažymėtina, kad 1943 m. Daktaras Mülleris ne kartą teikė pasiūlymus dėl tankų dujų turbininių variklių kūrimo pradžios, tačiau Vokietijos vadovybė į juos nekreipė dėmesio.
Penki variantai ir du projektai
Prasidėjus pagrindiniam darbui (1944 m. Vasaros viduryje), pagrindinis vaidmuo projekte atiteko Müllerio vadovaujamai organizacijai. Šiuo metu buvo nustatyti reikalavimai perspektyviam dujų turbininiam varikliui. Ji turėjo turėti apie 1000 AG galią. o oro suvartojimas yra maždaug 8,5 kilogramo per sekundę. Temperatūra degimo kameroje buvo nustatyta pagal normas 800 °. Dėl kai kurių antžeminėms transporto priemonėms skirtų dujų turbinų jėgainių charakteristikų, prieš pradedant pagrindinio projekto kūrimą, reikėjo sukurti keletą pagalbinių. Müllerio vadovaujama inžinierių komanda vienu metu sukūrė ir apsvarstė penkias dujų turbinos variklio architektūros ir išdėstymo galimybes.
Variklio schemos skyrėsi viena nuo kitos pagal kompresoriaus, turbinos pakopų skaičių ir su transmisija susijusios galios turbinos vietą. Be to, buvo apsvarstyti keli degimo kamerų išdėstymo variantai. Taigi, trečioje ir ketvirtoje GTE išdėstymo versijose buvo pasiūlyta oro srautą iš kompresoriaus padalyti į dvi dalis. Vienas srautas šiuo atveju turėjo patekti į degimo kamerą, o iš ten - į turbiną, sukančią kompresorių. Antroji įeinančio oro dalis savo ruožtu buvo įpurškiama į antrąją degimo kamerą, kuri tiekė karštas dujas tiesiai į jėgainę. Be to, buvo apsvarstytos galimybės su kitokia šilumokaičio padėtimi iš anksto pašildyti į variklį patenkantį orą.
Pirmoje perspektyvaus variklio versijoje, kuri pasiekė visaverčio dizaino etapą, įstrižas ir ašinis kompresorius, taip pat dviejų pakopų turbina turėjo būti toje pačioje ašyje. Antroji turbina turėjo būti uždėta bendraašiškai už pirmosios ir prijungta prie perdavimo agregatų. Tuo pačiu metu jėgainę, tiekiančią energiją į transmisiją, buvo pasiūlyta montuoti ant savo ašies, o ne prijungti prie kompresorių ir turbinų ašies. Šis sprendimas galėtų supaprastinti variklio konstrukciją, jei ne vienas rimtas trūkumas. Taigi, pašalinus apkrovą (pavyzdžiui, perjungiant pavarą), antroji turbina gali suktis tokiu greičiu, kai kyla peilių ar stebulės sunaikinimo pavojus. Buvo pasiūlyta problemą išspręsti dviem būdais: arba reikiamu momentu pristabdyti veikiančią turbiną, arba iš jos pašalinti dujas. Remiantis analizės rezultatais, buvo pasirinktas pirmasis variantas.
Ir vis dėlto modifikuota pirmoji GTE bako versija buvo per daug sudėtinga ir brangi masinei gamybai. Mülleris tęsė tolesnius tyrimus. Siekiant supaprastinti dizainą, kai kurios originalios dalys buvo pakeistos atitinkamais agregatais, pasiskolintais iš „Heinkel-Hirt 109-011“turboreaktyvinio variklio. Be to, iš bako variklio konstrukcijos buvo pašalinti keli guoliai, ant kurių buvo laikomos variklio ašys. Sumažinus veleno atramų skaičių iki dviejų supaprastintų surinkimų, tačiau nebereikia atskiros ašies su turbina, kuri perduoda sukimo momentą transmisijai. Jėgos turbina buvo sumontuota ant to paties veleno, ant kurio jau buvo kompresoriaus sparnuotės ir dviejų pakopų turbina. Degimo kameroje yra originalūs besisukantys purkštukai degalams purkšti. Teoriškai jie leido efektyviau įpurkšti degalų, taip pat padėjo išvengti tam tikrų konstrukcijos dalių perkaitimo. Atnaujinta projekto versija buvo paruošta 1944 m. Rugsėjo viduryje.
Pirmasis dujų vamzdžių blokas šarvuočiams
Pirmasis dujų vamzdžių blokas šarvuočiams
Ši galimybė taip pat nebuvo be trūkumų. Visų pirma, teiginiai sukėlė sunkumų išlaikant išėjimo veleno sukimo momentą, kuris iš tikrųjų buvo variklio pagrindinio veleno pratęsimas. Idealus energijos perdavimo problemos sprendimas galėtų būti elektrinės transmisijos naudojimas, tačiau dėl vario trūkumo tokia sistema buvo pamiršta. Kaip alternatyva elektriniam perdavimui buvo svarstomas hidrostatinis arba hidrodinaminis transformatorius. Naudojant tokius mechanizmus, galios perdavimo efektyvumas buvo šiek tiek sumažintas, tačiau jie buvo žymiai pigesni nei sistema su generatoriumi ir elektros varikliais.
GT 101 variklis
Tolesnė antrosios projekto versijos plėtra lėmė tolesnius pakeitimus. Taigi, siekiant išsaugoti GTE veikimą esant smūgio apkrovoms (pavyzdžiui, sprogimo minoje metu), buvo pridėtas trečias veleno guolis. Be to, būtinybė sujungti kompresorių su orlaivių varikliais pakeitė kai kuriuos GTE veikimo parametrus. Visų pirma, oro suvartojimas padidėjo maždaug ketvirtadaliu. Po visų pakeitimų cisternos variklio projektas gavo naują pavadinimą - GT 101. Šiame etape dujų turbinų jėgainės rezervuarams kūrimas pasiekė etapą, kai buvo galima pradėti ruoštis pirmojo prototipo statybai, ir tada bakas su dujų turbinos varikliu.
Nepaisant to, variklio patikslinimas užsitęsė ir 1944 m. Rudens pabaigoje nebuvo pradėti darbai ties naujos elektrinės įrengimu bake. Tuo metu vokiečių inžinieriai dirbo tik padėdami variklį ant esamų bakų. Iš pradžių buvo planuojama, kad eksperimentinio GTE pagrindas bus sunkusis tankas PzKpfw VI - „Tiger“. Tačiau šios šarvuotos transporto priemonės variklio skyrius nebuvo pakankamai didelis, kad tilptų visi reikalingi agregatai. Net ir palyginti nedidelis darbinis tūris, „GT 101“variklis buvo per ilgas „Tiger“. Dėl šios priežasties buvo nuspręsta kaip pagrindinę bandomąją transporto priemonę naudoti „PzKpfw V“baką, dar žinomą kaip „Panther“.
Baigiant kurti GT 101 variklį, skirtą naudoti „Panther“tanke, klientas, atstovaujamas Sausumos pajėgų ginkluotės direkcijos, ir projekto vykdytojas nustatė reikalavimus prototipui. Buvo manoma, kad dujų turbininis variklis padidins maždaug 46 tonų kovinio svorio bako savitąją galią iki 25–27 AG. už toną, o tai žymiai pagerins jo važiavimo charakteristikas. Tuo pačiu metu reikalavimai maksimaliam greičiui beveik nepasikeitė. Važiuojant dideliu greičiu vibracija ir smūgis žymiai padidino važiuoklės komponentų pažeidimo riziką. Dėl to maksimalus leistinas greitis buvo apribotas iki 54–55 kilometrų per valandą.
Dujų turbinų blokas GT 101 bake „Panther“
Kaip ir „Tiger“atveju, „Panther“variklio skyrius nebuvo pakankamai didelis, kad tilptų naujas variklis. Nepaisant to, dizaineriai, vadovaujami daktaro Millerio, sugebėjo pritaikyti GT 101 GTE į turimus kiekius. Tiesa, didelį variklio išmetimo vamzdį reikėjo įdėti į apvalią skylę galinėje šarvų plokštėje. Nepaisant atrodančių keistenybių, toks sprendimas buvo laikomas patogiu ir tinkamu net masinei gamybai. Pats eksperimentinis „Panther“variklis „GT 101“turėjo būti dedamas išilgai korpuso ašies, perkeliant į viršų, iki variklio skyriaus stogo. Šalia variklio, korpuso sparnuose, projekte buvo patalpinti keli degalų bakai. Vieta transmisijai buvo rasta tiesiai po varikliu. Oro įsiurbimo įtaisai buvo atnešti ant pastato stogo.
Supaprastinus „GT 101“variklio dizainą, dėl kurio jis neteko atskiros turbinos, susijusios su transmisija, kilo kitokio pobūdžio sunkumų. Norint naudoti su naujuoju GTE, reikėjo užsisakyti naują hidraulinę transmisiją. Organizacija ZF (Zahnradfabrik iš Friedrichshafen) per trumpą laiką sukūrė trijų pakopų sukimo momento keitiklį su 12 greičių (!) Pavarų dėže. Pusė pavarų buvo skirta važiavimui kelyje, likusi dalis-važiavimui bekele. Įrengiant eksperimentinio bako variklio transmisiją, taip pat reikėjo įdiegti automatiką, kuri stebėjo variklio darbo režimus. Specialus valdymo įtaisas turėjo stebėti variklio greitį ir, jei reikia, padidinti arba sumažinti pavarą, neleisdamas GTE įjungti nepriimtinų darbo režimų.
Remiantis mokslininkų skaičiavimais, dujų turbina GT 101 su transmisija iš ZF gali turėti šias charakteristikas. Didžiausia turbinos galia siekė 3750 AG, iš kurių 2600 paėmė kompresorius, kad užtikrintų variklio darbą. Taigi ant išėjimo veleno liko „tik“1100–1150 arklio galių. Kompresoriaus ir turbinų sukimosi greitis, priklausomai nuo apkrovos, svyravo tarp 14–14,5 tūkst. Dujų temperatūra priešais turbiną buvo laikoma iš anksto nustatytu 800 ° lygiu. Oro sąnaudos buvo 10 kilogramų per sekundę, specifinės degalų sąnaudos, priklausomai nuo darbo režimo, buvo 430–500 g / AG.
GT 102 variklis
Unikaliai didelės galios „GT 101“bakų dujų turbinų variklis sunaudojo tokias pat nepaprastas kuro sąnaudas, maždaug du kartus daugiau nei tuo metu Vokietijoje turimų benzininių variklių. Be degalų sąnaudų, „GTE GT 101“turėjo dar keletą techninių problemų, dėl kurių reikėjo papildomų tyrimų ir pataisymų. Šiuo atžvilgiu prasidėjo naujas projektas „GT 102“, kuriame buvo planuojama išlaikyti visas pasiektas sėkmes ir atsikratyti esamų trūkumų.
1944 metų gruodį A. Mülleris padarė išvadą, kad būtina grįžti prie vienos iš ankstesnių idėjų. Siekiant optimizuoti naujojo GTE veikimą, buvo pasiūlyta naudoti atskirą turbiną savo ašyje, prijungtą prie transmisijos mechanizmų. Tuo pačiu metu „GT 102“variklio galios turbina turėjo būti atskiras agregatas, o ne išdėstytas koaksialiai su pagrindiniais agregatais, kaip buvo pasiūlyta anksčiau. Pagrindinis naujos dujų turbinų jėgainės blokas buvo GT 101 su minimaliais pakeitimais. Jame buvo du kompresoriai su devyniais pakopomis ir trijų pakopų turbina. Kuriant GT 102 paaiškėjo, kad ankstesnio GT 101 variklio pagrindinis blokas, jei reikia, gali būti dedamas ne išilgai, o skersai „Panther“bako variklio skyriaus. Taip jie padarė surinkdami eksperimentinio bako agregatus. Dujų turbinos variklio oro įsiurbimo įtaisai dabar buvo ant stogo kairėje pusėje, o išmetimo vamzdis - dešinėje.
Dujų turbinų blokas GT 102 bake „Panther“
Dujų turbinos kompresoriaus blokas GT 102
Tarp kompresoriaus ir pagrindinio variklio bloko degimo kameros buvo įrengtas vamzdis orui išleisti į papildomą degimo kamerą ir turbiną. Remiantis skaičiavimais, 70% oro, patenkančio į kompresorių, turėjo praeiti per pagrindinę variklio dalį, o tik 30% - per papildomą, su galios turbina. Įdomi papildomo bloko vieta: jo degimo kameros ir galios turbinos ašis turėjo būti statmena pagrindinio variklio bloko ašiai. Buvo pasiūlyta jėgainių turbinos agregatus pastatyti žemiau pagrindinio įrenginio ir įrengti savo išmetimo vamzdį, kuris buvo išvestas variklio skyriaus stogo viduryje.
„GT 102“dujų turbinų variklio išdėstymo „įgimta liga“buvo pavojus, kad galios turbina per daug suksis, o vėliau bus sugadinta ar sunaikinta. Šią problemą buvo pasiūlyta išspręsti paprasčiausiu būdu: įdėti vožtuvus srauto valdymui vamzdyje, tiekiančiame orą į papildomą degimo kamerą. Kartu skaičiavimai parodė, kad naujasis „GT 102 GTE“gali turėti nepakankamą droselio atsaką dėl palyginti lengvos galios turbinos veikimo ypatumų. Konstrukcijos specifikacijos, tokios kaip pagrindinio agregato išėjimo veleno galia arba turbinos galia, išliko tame pačiame lygyje kaip ir ankstesnis GT 101 variklis, o tai galima paaiškinti tuo, kad beveik visiškai nebuvo atlikta didelių konstrukcijos pakeitimų, išskyrus galios išvaizdą turbinos agregatas. Norint toliau tobulinti variklį, reikėjo naudoti naujus sprendimus ar net pradėti naują projektą.
Atskira darbinė turbina GT 102
Prieš pradėdamas kurti kitą GTE modelį, pavadintą GT 103, daktaras A. Mülleris bandė patobulinti esamo GT 102 išdėstymą. Pagrindinė jo dizaino problema buvo gana dideli pagrindinio įrenginio matmenys. sunku sumontuoti visą variklį į tuo metu turimų bakų variklių skyrius. Siekiant sutrumpinti variklio pavarų dėžės ilgį, buvo pasiūlyta kompresorių suprojektuoti kaip atskirą agregatą. Taigi, bako variklio skyriuje buvo galima patalpinti tris santykinai mažus agregatus: kompresorių, pagrindinę degimo kamerą ir turbiną, taip pat galios turbiną su savo degimo kamera. Ši GTE versija buvo pavadinta GT 102 Ausf. 2. Be to, kad kompresorius buvo patalpintas į atskirą įrenginį, tą patį buvo bandyta padaryti ir su degimo kamera ar turbina, tačiau tai nepadarė didelės sėkmės. Dujų turbinų variklio konstrukcija neleido savęs suskirstyti į daugybę agregatų be pastebimų eksploatacinių nuostolių.
GT 103 variklis
Alternatyva GT 102 Ausf dujų turbinos varikliui. 2 su galimybe „nemokamai“išdėstyti agregatus esamu tūriu buvo nauja GT 103. Šį kartą vokiečių variklių gamintojai nusprendė sutelkti dėmesį ne į išdėstymo patogumą, o į darbo efektyvumą. Į variklio įrangą buvo įvestas šilumokaitis. Buvo manoma, kad su jo pagalba išmetamosios dujos šildys per kompresorių patekusį orą, o tai leis apčiuopiamai sutaupyti degalų. Šio sprendimo esmė buvo ta, kad iš anksto pašildytas oras leis išleisti mažiau degalų palaikyti reikiamą temperatūrą priešais turbiną. Remiantis preliminariais skaičiavimais, naudojant šilumokaitį degalų sąnaudos gali sumažėti 25–30 proc. Esant tam tikroms sąlygoms, sutaupius naująjį GTE buvo galima pritaikyti praktiniam naudojimui.
Šilumokaičio kūrimas buvo patikėtas „subrangovams“iš bendrovės „Brown Boveri“. Vyriausias šio agregato projektuotojas buvo V. Khrinizhakas, anksčiau dalyvavęs kuriant kompresorius, skirtus bakų dujų turbinų varikliams. Vėliau Chrynižakas tapo žinomu šilumokaičių specialistu ir jo dalyvavimas projekte GT 103 tikriausiai buvo viena iš būtinų sąlygų. Mokslininkas pritaikė gana drąsų ir originalų sprendimą: pagrindinis naujo šilumokaičio elementas buvo besisukantis būgnas, pagamintas iš akytos keramikos. Būgno viduje buvo įrengtos kelios specialios pertvaros, kurios užtikrino dujų cirkuliaciją. Eksploatacijos metu karštos išmetamosios dujos pro akytas sienas pateko į būgno vidų ir jas įkaitino. Tai atsitiko per pusę būgno apsisukimo. Kitas pusės posūkis buvo naudojamas šilumai perduoti į orą, einantį iš vidaus į išorę. Dėl pertvarų sistemos cilindro viduje ir išorėje oras ir išmetamosios dujos nesimaišė tarpusavyje, o tai pašalino variklio veikimo sutrikimus.
Šilumokaičio naudojimas sukėlė rimtų ginčų tarp projekto autorių. Kai kurie mokslininkai ir dizaineriai tikėjo, kad naudojant šį įrenginį ateityje bus galima pasiekti didelę galią ir palyginti mažą oro srautą. Kiti, savo ruožtu, šilumokaityje matė tik abejotiną priemonę, kurios nauda negalėjo žymiai viršyti nuostolių dėl dizaino komplikacijos. Ginče dėl šilumokaičio poreikio laimėjo naujojo bloko šalininkai. Tam tikru momentu net buvo pasiūlyta įrengti dujų turbiną GT 103 su dviem įtaisais iš karto orui pašildyti. Pirmasis šilumokaitis šiuo atveju turėjo šildyti pagrindinio variklio bloko orą, antrasis - papildomai degimo kamerai. Taigi GT 103 iš tikrųjų buvo GT 102 su šilumokaičiais, įvestais į dizainą.
GT 103 variklis nebuvo sukurtas, todėl reikia tenkintis tik jo apskaičiuotomis charakteristikomis. Be to, turimi duomenys apie šį GTE buvo apskaičiuoti dar nepasibaigus šilumokaičio sukūrimui. Todėl praktikoje daugelis rodiklių tikriausiai gali pasirodyti gerokai mažesni, nei tikėtasi. Turbinos sugeneruoto ir kompresoriaus sugerto pagrindinio įrenginio galia turėjo būti lygi 1400 arklio galių. Didžiausias pagrindinio įrenginio kompresoriaus ir turbinos sukimosi greitis yra apie 19 tūkstančių apsisukimų per minutę. Oro sąnaudos pagrindinėje degimo kameroje - 6 kg / s. Buvo daroma prielaida, kad šilumokaitis sušildys įeinantį orą iki 500 °, o priešais turbiną esančių dujų temperatūra bus apie 800 °.
Galios turbina, skaičiavimais, turėjo suktis iki 25 tūkstančių aps / min greičiu ir ant veleno duoti 800 AG. Papildomo įrenginio oro sąnaudos buvo 2 kg / s. Įeinančio oro ir išmetamųjų dujų temperatūros parametrai turėjo atitikti atitinkamas pagrindinio įrenginio charakteristikas. Bendros viso variklio degalų sąnaudos naudojant atitinkamus šilumokaičius neviršytų 200-230 g / AG h.
Programos rezultatai
Vokiškų tankų dujų turbinų variklių kūrimas prasidėjo tik 1944 m. Vasarą, kai Vokietijos galimybės laimėti Antrąjį pasaulinį karą kasdien mažėjo. Raudonoji armija atakavo Trečiąjį Reichą iš rytų, o JAV ir Didžiosios Britanijos kariai atvyko iš vakarų. Tokiomis sąlygomis Vokietija neturėjo pakankamai galimybių visapusiškai valdyti perspektyvių projektų masę. Visi bandymai sukurti iš esmės naują tankų variklį rėmėsi pinigų ir laiko stoka. Dėl šios priežasties iki 1945 m. Vasario mėn. Jau buvo trys pilnaverčiai bakų dujų turbinų variklių projektai, tačiau nė vienas iš jų net nepasiekė prototipo surinkimo etapo. Visas darbas apsiribojo tik teoriniais tyrimais ir atskirų eksperimentinių vienetų bandymais.
1945 m. Vasario mėn. Įvyko įvykis, kurį galima laikyti Vokietijos tankų dujų turbininių variklių kūrimo programos pabaigos pradžia. Daktaras Alfredas Mülleris buvo pašalintas iš projekto vadovo pareigų, o jo laisvalaikis Maksas Adolfas Mülleris buvo paskirtas į laisvas pareigas. M. A. Mülleris taip pat buvo žymus dujų turbinų jėgainių specialistas, tačiau jo dalyvavimas projekte sustabdė pažangiausius pokyčius. Pagrindinė užduotis pagal naująją galvutę buvo patikslinti GT 101 variklį ir pradėti jo serijinę gamybą. Iki karo pabaigos Europoje liko mažiau nei trys mėnesiai, todėl pasikeitusi projekto vadovybė nespėjo pasiekti norimo rezultato. Visi vokiečių tankų GTE liko ant popieriaus.
Kai kurių šaltinių teigimu, „GT“linijos projektų dokumentacija pateko į sąjungininkų rankas ir jie ją panaudojo savo projektuose. Tačiau pirmieji praktiniai rezultatai antžeminių transporto priemonių dujų turbininių variklių srityje, pasirodę pasibaigus Antrajam pasauliniam karui už Vokietijos ribų, turėjo mažai ką bendro su abiejų daktaro Müllerio įvykiais. Kalbant apie dujų turbininius variklius, specialiai sukurtus cisternoms, pirmieji serijiniai rezervuarai su tokia jėgaine gamyklų surinkimo cechus paliko tik praėjus ketvirčiui amžiaus po Vokietijos projektų pabaigos.
