Proyectos alemanes de turbinas de gas de tanque.
Hasta cierto momento, la Alemania de Hitler no prestó mucha atención a los proyectos de plantas de energía de turbinas de gas para vehículos terrestres. Así, en 1941, se armó la primera unidad de este tipo para una locomotora experimental, pero sus pruebas se rechazaron rápidamente debido a la falta de recursos económicos y la disponibilidad de programas de mayor prioridad. El trabajo en la dirección de motores de turbina de gas (GTE) para vehículos terrestres continuó solo en el año 1944, cuando algunas de las características negativas de la tecnología y la industria existentes eran especialmente vívidas.
En 1944, la Dirección de Armas de las Fuerzas Terrestres lanzó un proyecto de investigación sobre el tema de los motores de turbina de gas para tanques. A favor de los nuevos motores, se citaron dos razones principales. En primer lugar, la construcción de tanques alemanes en ese momento tomó un rumbo hacia vehículos de combate más pesados, lo que requirió la creación de un motor de alta potencia y pequeñas dimensiones. En segundo lugar, todos los vehículos blindados disponibles utilizaban en cierta medida escasa gasolina, y esto impuso ciertas restricciones relacionadas con la operación, la economía y la logística. Los prometedores motores de turbina de gas, como calcularon los líderes de la industria alemana, podrían consumir menos combustible de alta calidad y, en consecuencia, más barato. Por lo tanto, en ese momento, desde el punto de vista de la economía y la tecnología, los motores de turbina de gas eran la única alternativa a los motores de gasolina.
En la primera etapa, el desarrollo de un motor de tanque prometedor se confió a un grupo de diseñadores de Porsche, encabezados por el ingeniero O. Zadnik. Se suponía que varias empresas relacionadas ayudarían a los ingenieros de Porsche. En particular, el Departamento de Investigación de Motores SS, dirigido por el Dr. Alfred Müller, participó en el proyecto. Desde mediados de los años treinta, este científico trabaja en el tema de las instalaciones de turbinas de gas y participó en el desarrollo de varios aviación motores de jet. Cuando comenzó la creación de un motor de turbina de gas para tanques, Müller completó el proyecto del turbocompresor, que luego se utilizó en varios tipos de motores de pistón. Es de destacar que en 1943, el Dr. Müller hizo repetidamente propuestas con respecto al inicio del desarrollo de motores de turbina de gas de tanque, pero el liderazgo alemán las ignoró.
Cinco opciones y dos proyectos.
Cuando comenzaron las obras principales (a mediados de verano, 1944 del año), el papel principal en el proyecto se transfirió a la organización encabezada por Muller. En este momento, se determinaron los requisitos para un GTE prometedor. Debería haber tenido un poder sobre 1000 hp y flujo de aire del orden de 8,5 kilogramo por segundo. La temperatura en la cámara de combustión se ajustó por tarea técnica al nivel de 800 °. Debido a algunos rasgos característicos de las centrales eléctricas de turbinas de gas para equipos de tierra, antes de que se tuviera que crear el proyecto principal, se tuvieron que crear varios auxiliares. Un equipo de ingenieros liderado por Muller al mismo tiempo creó y revisó cinco versiones de la arquitectura y el diseño del CCD.
Los diagramas esquemáticos del motor diferían entre sí en el número de pasos del compresor, la turbina y la ubicación de la turbina de potencia asociada con la transmisión. Además, se consideraron varias opciones para la ubicación de las cámaras de combustión. Así, en la tercera y cuarta versiones de la disposición del CCD, se propuso dividir el flujo de aire del compresor en dos. En este caso, una corriente tenía que ir a la cámara de combustión y de allí a la turbina, que hace girar el compresor. La segunda parte del aire entrante, a su vez, se inyectó en la segunda cámara de combustión, que dio gases calientes directamente a la turbina de potencia. También se consideran opciones con diferentes posiciones del intercambiador de calor para precalentar el aire que ingresa al motor.
En la primera variante del prometedor motor, que alcanzó la etapa de diseño completo, los compresores diagonales y axiales, así como la turbina de dos etapas, deberían haber estado en el mismo eje. Se suponía que la segunda turbina debía colocarse coaxialmente detrás de la primera y conectada a las unidades de transmisión. En este caso, se propuso que la turbina de potencia, que suministra energía a la transmisión, se montara en su propio eje, no conectada con el eje de los compresores y la turbina. Esta solución podría simplificar el diseño del motor, si no fuera por un defecto grave. Por lo tanto, cuando se retira la carga (por ejemplo, durante los cambios de marcha), la segunda turbina podría girar a velocidades a las que existía un riesgo de destrucción de las cuchillas o del cubo. Se propuso resolver el problema de dos maneras: ya sea para reducir la velocidad de la turbina en funcionamiento en los momentos correctos o para desviar los gases de la misma. De acuerdo con los resultados de los análisis, elegimos la primera opción.
Y, sin embargo, la primera versión modificada del tanque GTE era demasiado complicada y costosa para la producción en masa. Muller continuó con la exploración. Para simplificar el diseño, algunas piezas originales fueron reemplazadas con unidades correspondientes tomadas del turborreactor Heinkel-Hirt 109-011. Además, se quitaron varios rodamientos del diseño del motor del tanque, que sostenía los ejes del motor. Reducir el número de elementos de soporte del eje a dos simplificó el ensamblaje, pero obligó a abandonar un eje separado con una turbina que transmite el par a la transmisión. La turbina de potencia se instaló en el mismo eje, en el que ya se encontraban los impulsores del compresor y la turbina de dos etapas. En la cámara de combustión proporcionaron las boquillas giratorias originales para pulverizar combustible. En teoría, permitieron que el combustible se inyectara más eficientemente y también ayudaron a evitar el sobrecalentamiento de ciertas partes de la estructura. Una versión actualizada del proyecto estaba lista a mediados de septiembre 1944.
La primera unidad de turbina de gas para vehículos blindados.
La primera unidad de turbina de gas para vehículos blindados.
Esta opción tampoco fue sin defectos. En primer lugar, las reclamaciones causaron dificultades para mantener el par de torsión en el eje de salida, que en realidad fue una continuación del eje principal del motor. La solución ideal al problema de la transmisión de energía podría ser el uso de una transmisión eléctrica, pero la escasez de cobre nos hizo olvidar este sistema. Como alternativa a la electrotransmisión, se consideró un transformador hidrostático o hidrodinámico. Al usar tales mecanismos, la eficiencia de transferencia de potencia disminuyó ligeramente, pero eran significativamente más baratos que un sistema con un generador y motores eléctricos.
Motor GT 101
Una mayor elaboración de la segunda versión del proyecto llevó a los próximos cambios. Por lo tanto, para preservar la eficiencia del CCD bajo cargas de choque (por ejemplo, cuando explotó una mina), se agregó un tercer rodamiento del eje. Además, la necesidad de unificar el compresor con los motores de los aviones llevó a un cambio en algunos de los parámetros del tanque GTE. En particular, el consumo de aire aumentó en alrededor de un cuarto. Después de todas las mejoras, el borrador del motor del tanque recibió un nuevo nombre: GT 101. En esta etapa, el desarrollo de una planta de energía de turbina de gas para tanques llegó a la etapa donde fue posible comenzar los preparativos para la construcción del primer prototipo, y luego el tanque GTD equipado.
Sin embargo, el refinamiento del motor se retrasó y, a fines de otoño de 1944, no se había iniciado el trabajo de instalación de una nueva central eléctrica en el tanque. En ese momento, los ingenieros alemanes trabajaron solo para ubicar el motor en los tanques existentes. Originalmente se planeó que la base para el GTE experimental sea un tanque pesado PzKpfw VI - "Tiger". Sin embargo, el compartimiento del motor de este vehículo blindado no era lo suficientemente grande como para acomodar todas las unidades necesarias. Incluso con un volumen relativamente pequeño, el motor GT 101 era demasiado largo para el Tiger. Por esta razón, se decidió utilizar el tanque PzKpfw V, también conocido como Panther, como una máquina de prueba de base.
En la etapa de finalización del motor GT 101 para uso en el tanque Panther, el cliente, representado por la Dirección de Armamentos del Ejército y el ejecutante del proyecto, determinó los requisitos para un vehículo experimental. Se asumió que el CCD llevará la potencia específica del tanque con un peso de combate de aproximadamente 46 toneladas al nivel de 25-27 hp. por tonelada, lo que mejorará significativamente su rendimiento de conducción. Al mismo tiempo, los requisitos de velocidad máxima casi no cambiaron. Debido a las vibraciones y los choques que se producen cuando se conduce a altas velocidades, el riesgo de daños en las piezas del tren de rodaje aumentó significativamente. Como resultado, la velocidad de movimiento máxima permitida se limitó a 54-55 kilómetros por hora.
Instalación de turbina de gas GT 101 en tanque Panther.
Como en el caso del "Tigre", el compartimiento del motor de la "Pantera" no era lo suficientemente grande para acomodar el nuevo motor. Sin embargo, los diseñadores, bajo el liderazgo del Dr. Miller, lograron encajar el GT 101 GTE en los volúmenes existentes. Es cierto que el gran tubo de escape del motor tenía que colocarse en un agujero redondo en la placa de la armadura de popa. A pesar de la aparente rareza, tal solución se consideró conveniente y adecuada incluso para la producción en masa. El motor GT 101 en el experimental "Panther" debía colocarse a lo largo del eje del casco, con un cambio hacia arriba, hacia el techo del compartimiento del motor. Junto al motor, en los estantes guardabarros del casco, en el proyecto se colocaron varios depósitos de combustible. El lugar para la transmisión se encontró directamente debajo del motor. Dispositivos de admisión de aire traídos al techo del casco.
La simplificación del diseño del motor GT 101, debido a que perdió una transmisión separada relacionada con la turbina, produjo una complejidad diferente. Para su uso con el nuevo GTE tuvo que pedir una nueva transmisión hidráulica. La organización ZF (Zahnradfabrik de Friedrichshafen) en poco tiempo creó un convertidor de par de tres etapas con una caja de cambios de velocidad 12 (!). La mitad de los engranajes estaban destinados a la conducción en carreteras, el resto, para superar la carretera. En la instalación de transmisión del motor del tanque experimental también se tuvo que ingresar a la automatización, que controlaba las condiciones de operación del motor. Un dispositivo de control especial tenía que controlar la velocidad del motor y, si era necesario, subir o bajar la transmisión, evitando que el GTE entrara en modos de operación inaceptables.
Según los cálculos de los científicos, la unidad de turbina de gas GT 101 con transmisión desde ZF podría tener las siguientes características. La potencia máxima de la turbina alcanzó el 3750 hp, cuyo compresor seleccionó el 2600 para garantizar el funcionamiento del motor. Por lo tanto, en el eje de salida quedaron "solo" los caballos de fuerza 1100-1150. La velocidad de rotación del compresor y las turbinas, según la carga, osciló entre 14-14,5 mil revoluciones por minuto. La temperatura del gas frente a la turbina se mantuvo en un nivel dado en 800 °. El consumo de aire fue de 10 kilogramo por segundo, consumo de combustible específico, dependiendo del modo de funcionamiento de 430-500 g / hp.h.
Motor GT 102
Teniendo una potencia excepcionalmente alta, el motor de turbina de gas de tanque GT 101 tuvo al menos un consumo de combustible notable, aproximadamente dos veces más alto que las cifras similares disponibles en ese momento en Alemania para motores de gasolina. Además del consumo de combustible, GTE GT 101 tenía varios problemas técnicos que requerían investigación y corrección adicionales. En este sentido, comenzó el nuevo proyecto GT 102, en el que se planificó preservar todos los éxitos logrados y deshacerse de las deficiencias existentes.
En diciembre, 1944, el equipo de A. Muller llegó a la conclusión de que era necesario volver a una de las ideas iniciales. Para optimizar el trabajo del nuevo GTE, se propuso utilizar una turbina separada en su propio eje, conectada a los mecanismos de transmisión. En este caso, la turbina de potencia del motor GT 102 debería haber sido una unidad separada, no colocada coaxialmente con las unidades principales, como se propuso anteriormente. La unidad principal de la nueva planta de energía de turbina de gas era un GT 101 con cambios mínimos. Tenía dos compresores con nueve etapas y una turbina de tres etapas. Al desarrollar el GT 102, resultó que la unidad principal del motor anterior del GT 101, si es necesario, puede colocarse no a lo largo, sino a través del compartimiento del motor del tanque Panther. Esto se hizo al ensamblar las unidades del tanque experimental. Las unidades de admisión de aire del CCD ahora están ubicadas en el techo en el lado izquierdo, el tubo de escape en el lado derecho.
Instalación de turbina de gas GT 102 en tanque Panther.
Unidad de compresor turbina de gas GT 102
Entre el compresor y la cámara de combustión del bloque principal del motor, se proporcionó una tubería para llevar aire a la cámara de combustión adicional y la turbina. Según los cálculos, el 70% del aire que entra al compresor tuvo que pasar por la parte principal del motor y solo el 30% a través de uno adicional, con una turbina de potencia. La ubicación de la unidad adicional es interesante: el eje de su cámara de combustión y la turbina de potencia deberían estar ubicadas perpendicularmente al eje del bloque del motor principal. Se propuso que las unidades de la turbina de potencia se colocaran debajo de la unidad principal y se equiparan con su propio tubo de escape, que se retiró en el centro del techo del compartimiento del motor.
La "enfermedad congénita" del esquema del motor de turbina de gas utilizado en GT 102 fue el riesgo de desenrollamiento excesivo de la turbina de potencia y su posterior daño o destrucción. Se propuso resolver este problema de la manera más simple: colocar válvulas para el control de flujo en la tubería que suministra aire a la cámara de combustión adicional. Al mismo tiempo, los cálculos mostraron que el nuevo GT 102 GTE puede tener una aceleración insuficiente debido a las peculiaridades de la turbina de potencia relativamente ligera. Las características técnicas estimadas, como la potencia en el eje de salida o la potencia de la turbina de la unidad principal, se mantuvieron al nivel del motor GT 101 anterior, lo que puede explicarse por la ausencia casi completa de cambios estructurales importantes, excepto por la aparición de una unidad de turbina de potencia. Una mejora adicional del motor requería el uso de nuevas soluciones o incluso la apertura de un nuevo proyecto.
Turbina separada para GT 102
Antes de comenzar el desarrollo del próximo modelo GTE llamado GT 103, el Dr. A. Muller intentó mejorar el diseño del GT 102 existente. El principal problema de su diseño fueron las dimensiones bastante grandes de la unidad principal, lo que dificultó la colocación de todo el motor en los compartimentos del motor de los tanques disponibles en ese momento. Para reducir la longitud de la instalación de la transmisión del motor, se propuso que el compresor funcione como una unidad separada. Así, dentro del compartimiento del motor del tanque fue posible colocar tres unidades relativamente pequeñas: un compresor, una cámara de combustión principal y una turbina, así como una unidad de turbina eléctrica con su propia cámara de combustión. Esta versión del GTE fue nombrada GT 102 Ausf. 2. Además de quitar el compresor en una unidad separada, se intentó hacer lo mismo con la cámara de combustión o la turbina, pero no tuvieron mucho éxito. El diseño del motor de turbina de gas no permitió dividirse en un gran número de unidades sin una pérdida notable en el rendimiento.
Motor GT 103
Una alternativa al motor de turbina de gas GT 102 Ausf. 2 con la capacidad de "liberar" el diseño de unidades en el volumen existente se ha convertido en un nuevo desarrollo GT 103. En este momento, los fabricantes de motores alemanes decidieron no hacer la conveniencia de la colocación y la eficiencia en el trabajo. La estructura del motor del equipo introdujo intercambiador de calor. Se supuso que con su ayuda, los gases de escape calentarán el aire que entra por el compresor, lo que permitirá lograr una economía de combustible tangible. La esencia de esta decisión fue que el aire precalentado brindaría la oportunidad de gastar una menor cantidad de combustible para mantener la temperatura requerida antes de la turbina. Según los cálculos preliminares, el uso de un intercambiador de calor podría reducir el consumo de combustible en un porcentaje de 25-30. Bajo ciertas condiciones, tales ahorros pudieron hacer que el nuevo GTE sea adecuado para el uso práctico.
El desarrollo del intercambiador de calor fue confiado al "accesorio" de la compañía Brown Boveri. El diseñador jefe de esta unidad fue V. Hrinizhak, que había participado anteriormente en la creación de compresores para el tanque GTE. Posteriormente, Hrinigak se hizo conocido como un experto en intercambiadores de calor y su participación en el proyecto GT 103 fue probablemente uno de los requisitos previos para esto. El científico aplicó una solución bastante audaz y original: el tambor giratorio hecho de cerámica porosa se convirtió en el elemento principal del nuevo intercambiador de calor. Dentro del tambor se colocaron varias particiones especiales que proporcionaban la circulación de gases. Durante la operación, los gases de escape calientes pasaron a través del interior del tambor a través de sus paredes porosas y los calentaron. Esto sucedió a media vuelta del tambor. Las siguientes medias vueltas se utilizaron para transferir calor al aire que fluye desde el interior hacia el exterior. Gracias al sistema de particiones dentro y fuera del cilindro, el aire y los gases de escape no se mezclaron entre sí, lo que excluyó el funcionamiento incorrecto del motor.
El uso de un intercambiador de calor ha causado una seria controversia entre los autores del proyecto. Algunos científicos y diseñadores creyeron que el uso de esta unidad en el futuro permitirá alcanzar una alta potencia y tasas de flujo de aire relativamente bajas. Otros, a su vez, vieron en el intercambiador de calor solo un medio dudoso, cuyos beneficios no podrían exceder significativamente las pérdidas por la complejidad de la estructura. En una disputa sobre la necesidad de un intercambiador de calor, los partidarios de la nueva unidad ganaron. En algún momento, hubo incluso una oferta para completar el GT 103 GTE con dos dispositivos a la vez para precalentar el aire. Se suponía que el primer intercambiador de calor en este caso calentaría el aire para el bloque del motor principal, y el segundo para la cámara de combustión adicional. Por lo tanto, el GT 103 representó al GT 102 con los intercambiadores de calor introducidos en el diseño.
El motor GT 103 no se construyó, lo que hace que sea necesario contentarse únicamente con sus características de diseño. Además, los datos disponibles en este CCD se calcularon incluso antes del final de la creación del intercambiador de calor. Por lo tanto, un número de indicadores en la práctica, probablemente, podría ser significativamente más bajo de lo esperado. La potencia de la unidad principal, producida por la turbina y absorbida por el compresor, tenía que ser 1400 caballos de fuerza. La velocidad máxima de rotación de diseño del compresor y la turbina de la unidad principal es de aproximadamente 19 mil revoluciones por minuto. El caudal de aire en la cámara de combustión principal es 6 kg / s. Se asumió que el intercambiador de calor calentará el aire entrante a 500 °, y los gases que se encuentran frente a la turbina tendrán una temperatura de aproximadamente 800 °.
Según los cálculos, la turbina de potencia debía girar a una velocidad de hasta 25 miles. Revoluciones por minuto y dar la potencia del 800 hp al eje. El flujo de aire de la unidad adicional fue 2 kg / s. Los parámetros de temperatura del aire entrante y los gases de escape, como se esperaba, deberían haber sido iguales a las características correspondientes de la unidad principal. El consumo total de combustible de todo el motor con el uso de intercambiadores de calor apropiados no excederá de 200-230 g / hp.h.
Resultados del programa
El desarrollo de los motores de turbinas de gas de tanques alemanes comenzó solo en el verano de 1944, cuando las posibilidades de Alemania de ganar la Segunda Guerra Mundial se desvanecieron todos los días. El Ejército Rojo avanzó desde el este hasta el Tercer Reich, y las tropas de los Estados Unidos y Gran Bretaña marcharon desde el oeste. En tales condiciones, Alemania no tuvo oportunidades suficientes para gestionar completamente la masa de proyectos prometedores. Todos los intentos de crear un motor fundamentalmente nuevo para tanques descansaron en la escasez de dinero y tiempo. Debido a esto, para febrero de 1945, ya había tres proyectos completos de tanques GTE, pero ninguno de ellos llegó a la etapa de ensamblaje del prototipo. Todo el trabajo se limitó a estudios teóricos y pruebas de unidades experimentales individuales.
En febrero, se produjo el evento 45-th, que puede considerarse el comienzo del fin del programa alemán para la creación de motores de turbinas de gas de tanque. El doctor Alfred Muller fue retirado del cargo de jefe del proyecto, y su homónimo, Max Adolf Muller, fue designado para el puesto vacante. M.A. Mueller también fue un destacado especialista en el campo de las centrales eléctricas de turbinas de gas, pero su llegada al proyecto frenó los desarrollos más avanzados. La tarea principal bajo el nuevo jefe fue el acabado del motor GT 101 y el comienzo de su producción en masa. Hasta el final de la guerra en Europa, quedaron menos de tres meses, por lo que el cambio en la gestión de proyectos no logró el resultado deseado. Todo el tanque alemán GTE quedó en el papel.
Según algunas fuentes, la documentación sobre los proyectos de la línea GT cayó en manos de los aliados y la utilizaron en sus proyectos. Sin embargo, los primeros resultados prácticos en el campo de los motores de turbina de gas para máquinas con base en tierra, que aparecieron después del final de la Segunda Guerra Mundial fuera de Alemania, tenían poco en común con los desarrollos de ambos, el Dr. Mullere. En cuanto al GTE, diseñado específicamente para tanques, los primeros tanques de producción con una central eléctrica de este tipo abandonaron los talleres de montaje de las fábricas solo un cuarto de siglo después de la finalización de los proyectos alemanes.
Residencia en:
http://alternathistory.org.ua/
http://shushpanzer-ru.livejournal.com/
http://army-guide.com/
Kay, E.L. historia Desarrollo y creación de motores a reacción y turbinas de gas en Alemania. - Rybinsk: NPO Saturn, 2006
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