Sehingga waktu tertentu, Jerman Hitler tidak banyak memperhatikan projek pembangkit tenaga turbin gas untuk kenderaan darat. Oleh itu, pada tahun 1941, unit pertama dipasang untuk lokomotif eksperimental, tetapi ujiannya dengan cepat dikurangkan kerana ketidakmampuan ekonomi dan adanya program prioriti yang lebih tinggi. Kerja ke arah mesin turbin gas (GTE) untuk kenderaan darat hanya dilanjutkan pada tahun 1944, ketika beberapa ciri negatif dari teknologi dan industri yang ada sangat jelas.
Pada tahun 1944, Direktorat Senjata Angkatan Darat melancarkan projek penyelidikan mengenai GTE untuk kereta kebal. Terdapat dua sebab utama enjin baru. Pertama, bangunan tangki Jerman pada masa itu mengambil jalan menuju kenderaan tempur yang lebih berat, yang memerlukan penciptaan mesin berkuasa tinggi dan dimensi kecil. Kedua, semua kenderaan perisai yang ada digunakan untuk petrol yang sedikit, dan ini mengenakan sekatan tertentu yang berkaitan dengan operasi, ekonomi dan logistik. Enjin turbin gas yang menjanjikan, seperti yang dipertimbangkan oleh pemimpin industri Jerman, dapat menggunakan bahan bakar yang lebih berkualiti tinggi dan, dengan itu, lebih murah. Oleh itu, pada waktu ekonomi, dan teknologi, satu-satunya alternatif untuk enjin petrol adalah mesin turbin gas.
Pada tahap pertama, pengembangan mesin tangki yang menjanjikan dipercayakan kepada sekumpulan pereka dari Porsche, yang diketuai oleh jurutera O. Zadnik. Beberapa syarikat berkaitan seharusnya membantu jurutera Porsche. Khususnya, Jabatan Penyelidikan Enjin SS, yang diketuai oleh Dr. Alfred Müller, terlibat dalam projek ini. Sejak pertengahan tiga puluhan, saintis ini telah mengusahakan pemasangan turbin gas dan mengambil bahagian dalam pengembangan beberapa mesin jet pesawat. Pada masa penciptaan mesin turbin gas untuk tangki bermula, Müller telah menyelesaikan projek turbocharger, yang kemudian digunakan pada beberapa jenis mesin omboh. Perlu diperhatikan bahawa pada tahun 1943, Dr. Müller berulang kali mengemukakan cadangan mengenai permulaan pembangunan mesin turbin gas tangki, tetapi kepemimpinan Jerman mengabaikannya.
Lima pilihan dan dua projek
Pada saat pekerjaan utama dimulakan (pertengahan musim panas 1944), peranan utama dalam projek ini telah diserahkan kepada organisasi yang diketuai oleh Müller. Pada masa ini, keperluan untuk mesin turbin gas yang menjanjikan telah ditentukan. Ia sepatutnya mempunyai kekuatan sekitar 1000 hp. dan penggunaan udara sebanyak 8.5 kilogram sesaat. Suhu di ruang pembakaran ditetapkan oleh terma rujukan pada 800 °. Oleh kerana beberapa ciri khas loji kuasa turbin gas untuk kenderaan darat, beberapa pembantu perlu dibuat sebelum pembangunan projek utama dimulakan. Sepasukan jurutera yang diketuai oleh Müller secara serentak membuat dan mempertimbangkan lima pilihan untuk seni bina dan susun atur mesin turbin gas.
Diagram skematik mesin berbeza antara satu sama lain dalam jumlah tahap pemampat, turbin dan lokasi turbin kuasa yang berkaitan dengan transmisi. Sebagai tambahan, beberapa pilihan untuk lokasi ruang pembakaran dipertimbangkan. Oleh itu, dalam susun atur GTE versi ketiga dan keempat, dicadangkan untuk membahagikan aliran udara dari pemampat menjadi dua. Satu aliran dalam kes ini harus masuk ke ruang pembakaran dan dari sana ke turbin memutar pemampat. Bahagian kedua udara masuk, pada gilirannya, disuntikkan ke ruang pembakaran kedua, yang menyampaikan gas panas terus ke turbin tenaga. Juga, pilihan dipertimbangkan dengan kedudukan penukar haba yang berbeza untuk memanaskan udara memasuki mesin.
Dalam versi pertama mesin yang menjanjikan, yang mencapai tahap reka bentuk penuh, pemampat pepenjuru dan paksi, serta turbin dua tahap, seharusnya berada pada paksi yang sama. Turbin kedua seharusnya diletakkan secara sepaksi di belakang yang pertama dan disambungkan ke unit penghantaran. Pada masa yang sama, turbin kuasa yang membekalkan tenaga ke transmisi dicadangkan untuk dipasang pada paksi sendiri, tidak disambungkan ke paksi pemampat dan turbin. Penyelesaian ini dapat mempermudah reka bentuk mesin, jika tidak kerana satu kekurangan yang serius. Oleh itu, semasa melepaskan beban (misalnya, semasa pertukaran gear), turbin kedua dapat berputar hingga kecepatan seperti itu di mana terdapat risiko kemusnahan bilah atau hub. Diusulkan untuk menyelesaikan masalah dengan dua cara: baik untuk memperlambat turbin yang berfungsi pada saat yang tepat, atau untuk membuang gas dari itu. Berdasarkan hasil analisis, pilihan pertama dipilih.
Namun, versi pertama tangki GTE yang diubahsuai terlalu rumit dan mahal untuk pengeluaran besar-besaran. Müller meneruskan penyelidikan lebih lanjut. Untuk mempermudah reka bentuk, beberapa bahagian asli diganti dengan unit yang sesuai yang dipinjam dari mesin turbojet Heinkel-Hirt 109-011. Di samping itu, beberapa galas dikeluarkan dari reka bentuk mesin tangki, di mana gandar mesin dipegang. Mengurangkan bilangan pendukung poros kepada dua pemasangan yang dipermudah, tetapi menghilangkan keperluan untuk gandar yang terpisah dengan turbin yang memancarkan tork ke transmisi. Turbin kuasa dipasang pada poros yang sama di mana pendesak pemampat dan turbin dua peringkat sudah berada. Ruang pembakaran dilengkapi dengan muncung berputar asli untuk menyemburkan bahan bakar. Secara teori, mereka memungkinkan untuk menyuntikkan bahan bakar dengan lebih cekap, dan juga membantu untuk mengelakkan pemanasan bahagian tertentu dari struktur. Versi terkini projek siap pada pertengahan September 1944.
Unit tiub gas pertama untuk kenderaan berperisai
Unit tiub gas pertama untuk kenderaan berperisai
Pilihan ini juga bukan kekurangannya. Pertama sekali, tuntutan tersebut menyebabkan kesukaran untuk mengekalkan tork pada poros keluaran, yang sebenarnya merupakan lanjutan dari poros utama mesin. Penyelesaian yang ideal untuk masalah transmisi daya adalah penggunaan transmisi elektrik, tetapi kekurangan tembaga menjadikan sistem seperti itu dapat dilupakan. Sebagai alternatif untuk penghantaran elektrik, transformer hidrostatik atau hidrodinamik dipertimbangkan. Semasa menggunakan mekanisme sedemikian, kecekapan transmisi kuasa sedikit berkurang, tetapi jauh lebih murah daripada sistem dengan generator dan motor elektrik.
Enjin GT 101
Perkembangan selanjutnya dari versi kedua projek ini membawa kepada perubahan lebih lanjut. Oleh itu, untuk mengekalkan prestasi GTE di bawah beban kejutan (misalnya, semasa letupan lombong), bantalan poros ketiga ditambahkan. Di samping itu, keperluan untuk menyatukan pemampat dengan mesin pesawat menyebabkan perubahan dalam beberapa parameter operasi tangki GTE. Khususnya, penggunaan udara telah meningkat sekitar satu perempat. Setelah semua pengubahsuaian, projek mesin tangki mendapat nama baru - GT 101. Pada tahap ini, pembangunan loji kuasa turbin gas untuk tangki mencapai tahap ketika mungkin untuk memulai persiapan untuk pembinaan prototaip pertama, dan maka tangki dilengkapi dengan enjin turbin gas.
Walaupun begitu, penyempurnaan mesin diseret dan pada akhir musim luruh tahun 1944, kerja memasang loji kuasa baru di tangki belum bermula. Pada masa itu, jurutera Jerman hanya berusaha meletakkan enjin pada tangki yang ada. Pada mulanya dirancang bahawa pangkalan untuk GTE eksperimen adalah tangki berat PzKpfw VI - "Tiger". Walau bagaimanapun, ruang enjin kenderaan berperisai ini tidak cukup besar untuk menampung semua unit yang diperlukan. Walaupun dengan perpindahan yang agak kecil, enjin GT 101 terlalu panjang untuk Tiger. Atas sebab ini, diputuskan untuk menggunakan tangki PzKpfw V, juga dikenal sebagai Panther, sebagai kenderaan ujian asas.
Pada tahap akhir mesin GT 101 untuk digunakan pada tangki Panther, pelanggan, yang diwakili oleh Direktorat Angkatan Darat Angkatan Darat, dan pelaksana proyek, menentukan syarat untuk prototaip. Diandaikan bahawa mesin turbin gas akan membawa kekuatan khusus tangki dengan berat tempur sekitar 46 tan ke level 25-27 hp. per tan, yang akan meningkatkan ciri lariannya dengan ketara. Pada masa yang sama, keperluan untuk kelajuan maksimum hampir tidak berubah. Getaran dan kejutan dari pemanduan berkelajuan tinggi secara signifikan meningkatkan risiko kerosakan pada komponen casis. Akibatnya, kelajuan maksimum yang dibenarkan terhad kepada 54-55 kilometer sejam.
Unit turbin gas GT 101 di tangki "Panther"
Seperti halnya Tiger, ruang mesin Panther tidak cukup besar untuk menampung enjin baru. Walaupun begitu, pereka di bawah kepimpinan Dr. Miller berjaya memasukkan GT 101 GTE ke dalam jumlah yang tersedia. Benar, paip ekzos mesin yang besar harus diletakkan di lubang bulat di plat perisai belakang. Walaupun kelihatan aneh, penyelesaian seperti itu dianggap mudah dan sesuai walaupun untuk pengeluaran besar-besaran. Enjin GT 101 itu sendiri pada eksperimen "Panther" seharusnya diletakkan di sepanjang sumbu lambung, dengan pergeseran ke atas, ke bumbung ruang mesin. Di sebelah mesin, di fender lambung kapal, beberapa tangki bahan bakar diletakkan di dalam projek. Tempat penghantaran dijumpai tepat di bawah enjin. Peranti pengambilan udara dibawa ke bumbung bangunan.
Penyederhanaan reka bentuk enjin GT 101, kerana ia kehilangan turbinnya yang berasingan yang berkaitan dengan transmisi, memerlukan kesulitan yang berbeza. Untuk digunakan dengan GTE baru, transmisi hidraulik baru harus dipesan. Organisasi ZF (Zahnradfabrik of Friedrichshafen) dalam masa yang singkat mencipta penukar tork tiga peringkat dengan Gearbox 12-kelajuan (!). Separuh dari gear itu adalah untuk pemanduan di jalan raya, selebihnya untuk pemanduan di jalan raya. Dalam pemasangan transmisi enjin tangki eksperimen, juga perlu memperkenalkan automasi yang memantau modus operasi mesin. Peranti kawalan khas seharusnya memantau kecepatan mesin dan, jika perlu, meningkatkan atau menurunkan roda gigi, mencegah GTE memasuki mod operasi yang tidak dapat diterima.
Menurut perhitungan para saintis, turbin gas GT 101 dengan transmisi dari ZF dapat memiliki ciri-ciri berikut. Kuasa turbin maksimum mencapai 3750 hp, 2600 daripadanya diambil oleh pemampat untuk memastikan operasi mesin. Oleh itu, "hanya" tenaga 1100-1150 kekal pada poros output. Kelajuan putaran pemampat dan turbin, bergantung pada beban, berubah-ubah antara 14-14,5 ribu putaran seminit. Suhu gas di hadapan turbin disimpan pada tahap yang telah ditentukan 800 °. Penggunaan udara adalah 10 kilogram sesaat, penggunaan bahan bakar tertentu, bergantung pada modus operasi, adalah 430-500 g / hp j.
Enjin GT 102
Dengan tenaga yang sangat tinggi, enjin turbin gas tangki GT 101 mempunyai penggunaan bahan bakar yang sama luar biasa, kira-kira dua kali lebih tinggi daripada enjin petrol yang ada pada waktu itu di Jerman. Selain penggunaan bahan bakar, GTE GT 101 mempunyai beberapa masalah teknikal yang memerlukan penyelidikan dan pembetulan tambahan. Dalam hal ini, sebuah proyek baru GT 102 dimulakan, di mana ia dirancang untuk mempertahankan semua kejayaan yang dicapai dan menyingkirkan kekurangan yang ada.
Pada bulan Disember 1944, A. Müller sampai pada kesimpulan bahawa perlu untuk kembali kepada salah satu idea sebelumnya. Untuk mengoptimumkan operasi GTE baru, diusulkan untuk menggunakan turbin terpisah pada gandarnya sendiri, yang dihubungkan dengan mekanisme transmisi. Pada masa yang sama, turbin kuasa enjin GT 102 harus menjadi unit yang terpisah, tidak ditempatkan secara sepaksi dengan unit utama, seperti yang dicadangkan sebelumnya. Blok utama loji kuasa turbin gas baru adalah GT 101 dengan perubahan minimum. Ia mempunyai dua pemampat dengan sembilan tahap dan turbin tiga peringkat. Ketika mengembangkan GT 102, ternyata blok utama enjin GT 101 sebelumnya, jika perlu, tidak boleh diletakkan di sepanjang, tetapi melintasi ruang enjin tangki Panther. Jadi mereka melakukannya semasa memasang unit tangki eksperimen. Peranti pengambilan udara enjin turbin gas kini terletak di bumbung di sebelah kiri, paip ekzos di sebelah kanan.
Unit turbin gas GT 102 di tangki "Panther"
Unit pemampat turbin gas GT 102
Di antara pemampat dan ruang pembakaran blok enjin utama, paip disediakan untuk pendarahan udara ke ruang pembakaran tambahan dan turbin. Menurut perhitungan, 70% udara yang memasuki pemampat harus melalui bahagian utama mesin dan hanya 30% melalui tambahan, dengan turbin tenaga. Lokasi blok tambahan menarik: paksi ruang pembakaran dan turbin kuasa seharusnya terletak tegak lurus dengan paksi blok enjin utama. Dianjurkan untuk meletakkan unit turbin tenaga di bawah unit utama dan melengkapkannya dengan paip ekzos mereka sendiri, yang dibawa keluar di tengah-tengah bumbung ruang mesin.
"Penyakit kongenital" susun atur turbin gas GT 102 adalah risiko putaran turbin kuasa yang berlebihan dengan kerosakan atau kemusnahan berikutnya. Dicadangkan untuk menyelesaikan masalah ini dengan cara yang paling mudah: meletakkan injap untuk mengawal aliran dalam paip yang membekalkan udara ke ruang pembakaran tambahan. Pada masa yang sama, perhitungan menunjukkan bahawa GT 102 GTE baru mungkin mempunyai tindak balas pendikit yang tidak mencukupi kerana keunikan operasi turbin tenaga yang agak ringan. Spesifikasi reka bentuk, seperti daya poros output atau kekuatan turbin unit utama, tetap pada tahap yang sama dengan enjin GT 101 sebelumnya, yang dapat dijelaskan oleh ketiadaan hampir keseluruhan perubahan reka bentuk utama, kecuali penampilan kuasa unit turbin. Peningkatan enjin lebih lanjut memerlukan penggunaan penyelesaian baru atau bahkan pembukaan projek baru.
Turbin kerja berasingan untuk GT 102
Sebelum memulakan pengembangan model GTE berikutnya, yang disebut GT 103, Dr. A. Müller berusaha untuk memperbaiki susun atur GT 102 yang ada. Masalah utama reka bentuknya adalah dimensi unit utama yang agak besar, yang membuat sukar untuk meletakkan keseluruhan enjin di ruang enjin tangki yang ada pada masa itu. Untuk mengurangkan panjang unit transmisi mesin, diusulkan untuk merancang pemampat sebagai unit terpisah. Oleh itu, tiga unit yang agak kecil dapat ditempatkan di dalam ruang mesin tangki: pemampat, ruang pembakaran utama dan turbin, serta unit turbin tenaga dengan ruang pembakaran sendiri. Versi GTE ini diberi nama GT 102 Ausf. 2. Selain meletakkan kompresor dalam unit terpisah, usaha telah dilakukan untuk melakukan hal yang sama dengan ruang pembakaran atau turbin, tetapi mereka tidak memperoleh banyak kejayaan. Reka bentuk enjin turbin gas tidak membiarkannya dibahagikan kepada sebilangan besar unit tanpa penurunan prestasi.
Enjin GT 103
Alternatif untuk enjin turbin gas GT 102 Ausf. 2 dengan kemungkinan susunan unit "bebas" dalam volume yang ada adalah pengembangan baru GT 103. Kali ini pembangun mesin Jerman memutuskan untuk tidak fokus pada kemudahan penempatan, tetapi pada kecekapan kerja. Penukar haba diperkenalkan ke dalam peralatan mesin. Diandaikan bahawa dengan bantuannya gas buang akan memanaskan udara yang masuk melalui pemampat, yang akan mencapai penjimatan bahan bakar yang nyata. Inti dari penyelesaian ini adalah bahawa udara yang dipanaskan akan memungkinkan untuk menghabiskan lebih sedikit bahan bakar untuk mempertahankan suhu yang diperlukan di depan turbin. Menurut perhitungan awal, penggunaan penukar haba dapat mengurangkan penggunaan bahan bakar sebanyak 25-30 persen. Dalam keadaan tertentu, penjimatan tersebut dapat menjadikan GTE baru sesuai untuk penggunaan praktikal.
Pembangunan penukar haba diamanahkan kepada "subkontraktor" dari syarikat Brown Boveri. Ketua perancang unit ini adalah V. Khrinizhak, yang sebelumnya telah mengambil bahagian dalam pembuatan pemampat untuk mesin turbin gas tangki. Selepas itu, Chrynižak menjadi pakar terkenal dalam penukar haba dan penyertaannya dalam projek GT 103 mungkin merupakan salah satu prasyarat untuk ini. Saintis itu menggunakan penyelesaian yang lebih berani dan asli: elemen utama penukar haba baru adalah gendang berputar yang diperbuat daripada seramik berpori. Beberapa partisi khas diletakkan di dalam drum, yang memastikan peredaran gas. Semasa operasi, gas ekzos panas masuk ke dalam tong melalui dinding berpori dan memanaskannya. Ini berlaku semasa giliran setengah gendang. Separuh pusingan seterusnya digunakan untuk memindahkan haba ke udara yang mengalir dari dalam ke luar. Terima kasih kepada sistem sesekat di dalam dan di luar silinder, udara dan gas ekzos tidak bercampur antara satu sama lain, yang tidak termasuk kerosakan enjin.
Penggunaan penukar haba menimbulkan kontroversi serius di kalangan pengarang projek. Beberapa saintis dan pereka percaya bahawa penggunaan unit ini pada masa akan datang memungkinkan untuk mencapai daya tinggi dan kadar aliran udara yang relatif rendah. Yang lain, pada gilirannya, melihat di penukar haba hanya cara yang meragukan, yang faedahnya tidak dapat melebihi kerugian dengan ketara dari kerumitan reka bentuk. Dalam pertikaian mengenai perlunya penukar haba, penyokong unit baru menang. Pada satu ketika, bahkan ada cadangan untuk melengkapkan mesin turbin gas GT 103 dengan dua alat untuk memanaskan udara sekaligus. Penukar haba pertama dalam kes ini harus memanaskan udara untuk blok enjin utama, yang kedua untuk ruang pembakaran tambahan. Oleh itu, GT 103 sebenarnya adalah GT 102 dengan penukar haba yang diperkenalkan ke dalam reka bentuk.
Enjin GT 103 tidak dibina, oleh sebab itu perlu puas dengan ciri-ciri yang dikira sahaja. Lebih-lebih lagi, data yang ada pada GTE ini dikira bahkan sebelum akhir penciptaan penukar haba. Oleh itu, sebilangan petunjuk dalam praktiknya, mungkin, ternyata jauh lebih rendah daripada yang dijangkakan. Kekuatan unit utama, dihasilkan oleh turbin dan diserap oleh pemampat, seharusnya sama dengan 1400 kuasa kuda. Kelajuan reka bentuk maksimum putaran pemampat dan turbin unit utama adalah sekitar 19 ribu putaran seminit. Penggunaan udara di ruang pembakaran utama - 6 kg / s. Diasumsikan bahawa penukar haba akan memanaskan udara masuk hingga 500 °, dan gas di depan turbin akan mempunyai suhu sekitar 800 °.
Turbin kuasa, menurut perhitungan, seharusnya berputar pada kecepatan hingga 25 ribu rpm dan memberikan 800 hp pada poros. Penggunaan udara unit tambahan adalah 2 kg / s. Parameter suhu udara masuk dan gas ekzos seharusnya sama dengan ciri sepadan dari unit utama. Jumlah penggunaan bahan bakar keseluruhan enjin dengan penggunaan penukar haba yang sesuai tidak akan melebihi 200-230 g / hp j.
Hasil program
Pembangunan mesin turbin gas tangki Jerman hanya bermula pada musim panas 1944, ketika peluang Jerman untuk memenangi Perang Dunia Kedua semakin berkurang setiap hari. Tentera Merah menyerang Reich Ketiga dari timur, dan tentera Amerika Syarikat dan Britain datang dari barat. Dalam keadaan seperti itu, Jerman tidak memiliki peluang yang cukup untuk pengurusan penuh projek yang menjanjikan. Semua usaha untuk mencipta enjin baru yang asasnya untuk kereta kebal bergantung pada kekurangan wang dan masa. Oleh kerana itu, pada Februari 1945, sudah ada tiga proyek enjin turbin gas tangki yang lengkap, tetapi tidak ada yang mencapai tahap pemasangan prototaip. Semua kerja hanya terhad kepada kajian teori dan ujian unit eksperimen individu.
Pada bulan Februari 1945, sebuah peristiwa berlangsung yang dapat dianggap sebagai permulaan akhir program Jerman untuk membuat mesin turbin gas tangki. Dr. Alfred Müller disingkirkan dari jawatannya sebagai ketua projek, dan namanya, Max Adolf Müller, dilantik ke jawatan kosong. M. A. Müller juga merupakan pakar terkemuka dalam bidang pembangkit tenaga turbin gas, tetapi kedatangannya dalam projek itu menghentikan perkembangan paling maju. Tugas utama di bawah kepala baru adalah menyempurnakan enjin GT 101 dan memulakan pengeluaran bersiri. Kurang dari tiga bulan lagi hingga akhir perang di Eropah, sebab itulah perubahan kepemimpinan projek tidak mempunyai masa untuk membawa kepada hasil yang diinginkan. Semua tangki GTE Jerman kekal di atas kertas.
Menurut beberapa sumber, dokumentasi untuk projek-projek garis "GT" jatuh ke tangan sekutu dan mereka menggunakannya dalam projek mereka. Namun, hasil praktikal pertama di bidang mesin turbin gas untuk kenderaan darat, yang muncul setelah berakhirnya Perang Dunia II di luar Jerman, tidak banyak persamaan dengan perkembangan kedua Dr. Müller. Bagi enjin turbin gas yang direka khusus untuk tangki, tangki bersiri pertama dengan loji janakuasa meninggalkan kedai pemasangan kilang hanya seperempat abad setelah projek Jerman selesai.
