El GT 101 fue un turboeje de tipo motor de turbina de gas desarrollado a partir del BMW 003 motores de aviación, que fue considerado para su instalación en la Alemania nazi 's tanque de Pantera . La división de desarrollo del ejército alemán , la Heereswaffenamt (Junta de Artillería del Ejército), estudió varios motores de turbina de gas para su uso en tanques a partir de mediados de 1944. Aunque ninguno de estos se instaló operativamente, el GT 101 (GT para "Turbina de gas") alcanzó una etapa de desarrollo de calidad de producción. Se produjeron varios diseños durante la vida útil del programa, incluidos el GT 102 y el GT 103 .
Orígenes
Tan temprano como a mediados de 1943 Adolf Müller , anteriormente de la Junkers Jumo división motor aeronaves de la empresa matriz Junkers aviación en Dessau , y luego Heinkel-Hirth 's (Heinkel Strahltriebwerke) motor a reacción división, propuesto el uso de una turbina de gas para blindado motores de vehículos. Una turbina de gas sería mucho más liviana que los motores de pistón alternativo de gasolina de más de 600 hp que se utilizan en los tanques de próxima generación, que hasta ese momento se obtuvieron principalmente de la firma Maybach para los diseños de vehículos de combate blindados existentes de la Wehrmacht Heer . , que mejoraría considerablemente su relación potencia / peso y, por lo tanto, mejoraría el rendimiento a campo traviesa y, potencialmente, la velocidad absoluta. En ese momento, sin embargo, había desafíos considerables con el uso de motores de turbina de gas en esta función. En el caso de un turborreactor puro para fines de aviación, el escape caliente de la turbina se utiliza directamente solo para el empuje; pero en el caso de que se usara una turbina de gas para un motor de tracción, cualquier calor que saliera por el escape era esencialmente energía desperdiciada. El escape de la turbina estaba mucho más caliente que el de un motor de pistón, con motores de turbina de gas de diseño pionero que poseían cifras de economía de combustible terriblemente malas en comparación con los diseños tradicionales de motores de pistón alternativo. Por el lado positivo, el uso de queroseno económico y ampliamente disponible como combustible compensa esta desventaja al menos hasta cierto punto, por lo que la economía general de hacer funcionar los motores podría terminar siendo similar. Otro problema fue que el motor de turbina de gas solo funciona bien cerca de una velocidad de funcionamiento diseñada en particular, aunque a esa velocidad (o cerca de ella) puede proporcionar una amplia variedad de par de salida . Más específicamente, las turbinas ofrecen muy poco par a bajas velocidades, lo que es un problema mucho menor para un motor de pistón y nada en absoluto para un motor eléctrico. Para usar una turbina en la función de tanque, el diseño necesitaría usar una transmisión y un embrague avanzados que permitieran que el motor funcionara a un rango limitado de velocidades, o alternativamente usar algún otro método para extraer energía. Al principio, el Ejército no estaba interesado, y Müller se centró en el diseño de un turbocompresor avanzado para BMW (no está claro si este diseño vio su uso). Cuando se completó este trabajo en enero de 1944, una vez más se dedicó a los diseños del motor de tracción y finalmente se reunió con el Heereswaffenamt en junio de 1944 para presentar una serie de diseños propuestos para una unidad de 1000 caballos de fuerza. Dados los problemas extremos que Alemania tuvo con el suministro de combustible al final de la guerra, el uso de combustibles de bajo grado, sin importar cuánto se necesitara y usara, se consideró en realidad como una gran ventaja, y la razón principal por la que el Heereswaffenamt finalmente se interesó en el diseño.
Diseño preliminar
El primer diseño detallado de Müller fue una simple modificación de un motor a reacción tradicional, el motor central se basó en el Heinkel HeS 011 experimental , del cual solo se construyeron 19 ejemplos completos. En este diseño, se atornilló una turbina separada y un eje de toma de fuerza en el escape del núcleo del motor, los gases calientes del motor alimentaban la turbina y, por lo tanto, el tanque. Dado que el núcleo del motor estaba completamente separado de la toma de fuerza, el par estaba disponible de inmediato porque el núcleo podía dejarse funcionando a toda velocidad mientras generaba pequeñas cantidades de energía, y los gases innecesarios se "descargaban". Sin embargo, este diseño tenía un problema serio; cuando se quitaba la carga, durante los cambios de marcha, por ejemplo, la turbina de potencia se descargaba y podía correr fuera de control. O se tuvo que frenar la turbina de potencia durante estos períodos, o se tuvo que descargar el flujo de gas del núcleo del motor.
Otro problema era que el Heereswaffenamt estaba seriamente preocupado por la calidad de los combustibles que podían encontrar. A diferencia del rol de la aviación donde se esperaba que el combustible fuera altamente refinado, se consideró probable que el Ejército terminara con combustibles de menor calidad que podrían contener todo tipo de contaminantes pesados. Esto llevó a la posibilidad de que el combustible no tuviera tiempo de mezclarse correctamente en un diseño tradicional, lo que provocaría una mala combustión. Estaban particularmente interesados en que los inyectores de combustible giraran junto con el núcleo del motor, lo que podría conducir a una mezcla mucho mejor, con el beneficio adicional de reducir los puntos calientes en los estatores de la turbina . Desafortunadamente, el diseño de Müller no pareció poder adaptarse para usar estos inyectores, y el diseño fue finalmente rechazado el 12 de agosto de 1944.
Müller luego recurrió a diseños que eliminaron la turbina de potencia separada y en su lugar requirieron algún tipo de transmisión de mantenimiento de par. La mejor solución al problema habría sido impulsar un generador eléctrico y utilizar la energía para impulsar motores de tracción (un sistema que Porsche había intentado introducir varias veces), pero también había una grave escasez de cobre en este punto de la guerra. como su calidad relativamente mala durante la guerra por el uso eléctrico, de los recursos de mineral de cobre a los que podía acceder Alemania, descartó esta solución. En su lugar, se iba a utilizar algún tipo de transmisión hidráulica, aunque no se especificó inicialmente. Además, el nuevo diseño incluía los inyectores de combustible giratorios en la cámara de combustión que le interesaban al Heereswaffenamt. Müller presentó el nuevo diseño el 14 de septiembre, y el Heereswaffenamt demostró ser considerablemente más interesado: el deterioro de la situación del suministro de combustible en este punto puede haber sido un problema. factor también.
Curiosamente, luego sugirieron que cualquier núcleo de motor desarrollado para esta función también debería ser adecuado para el uso de la aviación, lo que llevó al abandono de los inyectores giratorios después de todo, y finalmente al uso de un núcleo BMW 003 modificado , de un bien probado diseño. El diseño básico tuvo que modificarse con la adición de un tercer cojinete cerca de la mitad del motor para ayudar a absorber las cargas de impacto, y se agregó una tercera etapa de turbina al final del motor para aprovechar más torque. A diferencia del diseño anterior, la toma de fuerza podía colocarse en cualquier lugar (no solo fuera de la etapa de turbina libre) y, de hecho, se movía hacia la parte delantera del motor para que el diseño fuera lo más compatible posible con los compartimentos del motor existentes. El diseño básico se completó a mediados de noviembre y se le asignó el nombre GT 101 .
Originalmente tenían la intención de montar el nuevo motor en el tanque Tiger diseñado por Henschel , pero aunque el motor era más pequeño, de manera diametral que el motor de pistón V-12 al que reemplazó, sus inicios como turborreactor de aviación BMW 003 con compresor axial. significaba que era demasiado largo para caber en el compartimento del motor del Tiger I. Luego, la atención se centró en el Panther, que en este punto de la guerra sería la base de toda la producción futura de tanques de todos modos (consulte la serie Entwicklung para obtener más detalles). Para el montaje experimental, Porsche proporcionó uno de los prototipos de cascos de Jagdtiger .
La instalación del GT 101 en el casco del Panther requirió cierto esfuerzo de diseño, pero finalmente se encontró una disposición adecuada. El escape del motor estaba equipado con un gran difusor divergente para reducir la velocidad y la temperatura del escape, lo que también permitió una tercera etapa de turbina más grande. Toda el área de escape se extendía desde la parte trasera del compartimiento del motor hacia el "aire libre", lo que lo hacía extremadamente vulnerable al fuego enemigo, y se comprendió que esto no era práctico para un sistema de producción.
Se construyó una nueva transmisión automática de Zahnradfabrik de Friedrichshafen (ZF) para el montaje, tenía tres niveles de embrague en el convertidor de par y doce velocidades. La transmisión también incluía un embrague operado eléctricamente que se desacoplaba mecánicamente del motor por completo a 5.000 rpm, por debajo del cual el motor no producía par en la salida. A plena velocidad, 14.000 rpm, el motor en sí también actuaba a la manera de un enorme volante, lo que mejoraba enormemente el rendimiento a campo traviesa al permitir que parte del exceso de velocidad del motor se vierte en la transmisión para tirar del tanque sobre los baches.
En términos de rendimiento, el GT 101 habría sido sorprendentemente efectivo. Habría producido un total de 3.750 hp, usando 2.600 hp para operar el compresor y dejando así 1.150 hp para alimentar la transmisión. Todo el conjunto del motor pesaba 450 kg (992 lb), sin incluir la transmisión. En comparación, el Maybach HL230 P30 existente al que reemplazó proporcionaba 620 hp pero pesaba 1.200 kg (2.646 lb) comparativamente enormes. Con el Maybach, el Panther tenía una potencia específica de alrededor de 13.5 hp / ton, con el GT 101 esto mejoraría a 27 hp / ton, superando a cualquier tanque de la Segunda Guerra Mundial por un amplio margen (por ejemplo, el T-34 tenía 16.2 hp / tonelada) y casi igualando la potencia máxima de 26,9 hp / tonelada del moderno tanque American M1 Abrams con turboeje . Por otras razones, esencialmente por desgaste, las velocidades de un Panther con motor GT 101 se limitarían deliberadamente a las de los Panther con motor de gasolina. Los únicos inconvenientes fueron un par deficiente en configuraciones de baja potencia y un consumo de combustible aproximadamente el doble que el del Maybach, que presentaba problemas para encontrar suficiente espacio para el tanque de combustible; un problema similar también existía con las primeras turbinas de gas alemanas utilizadas para la propulsión de aviones.
GT 102
Mientras continuaba el trabajo en el GT 101, Müller propuso otra forma de construir el motor de turbina libre que evitaba los problemas con sus diseños originales. En diciembre de 1944 presentó sus planos, que fueron aceptados para su desarrollo como GT 102 .
La idea básica del GT 102 era separar completamente la turbina de potencia del propio motor, utilizando este último como generador de gas . El motor central se hizo funcionar lo suficientemente caliente como para alimentarse solo y nada más, no se tomó energía del núcleo para impulsar el tanque. El aire comprimido del compresor del núcleo, el 30% del flujo de aire total, se purgó a través de una tubería a una turbina de dos etapas completamente separada con su propia cámara de combustión. Esto evitó los problemas de exceso de velocidad del diseño original; cuando se quitó la carga, simplemente apagar el flujo de aire a la turbina lo ralentizaría. Esto también significaba que el núcleo podía funcionar a máxima velocidad mientras que la turbina de potencia funcionaba a baja velocidad, proporcionando un par a baja velocidad significativamente mejorado. El único inconveniente del diseño era que la turbina de potencia ya no tenía la enorme masa giratoria del GT 101 y, por lo tanto, no ofrecía ningún almacenamiento significativo de energía en el volante .
Dado que la sección de la turbina del motor central ya no se alimentaba con todo el aire del compresor, se podía construir más pequeña que en el GT 101. Esto hizo que el motor fuera más corto en general, lo que le permitía instalarlo transversalmente en la parte superior del motor. compartimiento del motor del Panther, en el área más amplia sobre las vías. La turbina de potencia se instaló en el espacio vacío de abajo, montada en ángulo recto con el motor. Esto lo colocó en línea con la transmisión normal, que estaba ubicada en la parte delantera del vehículo, impulsándolo a través de un eje de potencia. El montaje era considerablemente más práctico que el del GT 101, y también completamente "bajo armadura". Aunque el GT 102 tenía una economía de combustible aproximadamente igual al GT 101, el montaje dejaba mucho más espacio vacío dentro del compartimiento del motor en el espacio que antes usaba el sistema de enfriamiento del motor que podría usarse para nuevas celdas de combustible, duplicando la capacidad total de combustible para 1.400 litros y, por lo tanto, ofrece la misma autonomía que el motor de gasolina original.
La mayor parte del trabajo de diseño para el GT 102 se completó a principios de 1945, y los planos debían haberse entregado el 15 de febrero (junto con los diseños finales para el GT 101). Parece que los planes no se entregaron, probablemente debido al deterioro de las condiciones de guerra.
GT 102 Ausf. 2
Para mejorar aún más el ajuste del GT 102 en el Panther, el GT 102 Ausf. 2 modificó varias secciones del diseño original del generador de gas para acortar el área del compresor y la cámara de combustión. Estos eran algo más largos en el GT 102 de lo que hubieran sido en un motor de avión comparable para permitir una mejor mezcla con combustibles de menor calidad. El Ausf. 2 los devolvió a sus dimensiones originales y, en su lugar, reintrodujo los inyectores de combustible giratorios de los diseños originales anteriores a GT 101. El compresor se redujo aún más en longitud al reducirlo de nueve a siete etapas, pero mantuvo la relación de compresión original al operar la primera etapa cerca de Mach 1 . Con estas reducciones de longitud, el motor podría encajar longitudinalmente en el compartimiento del motor, permitiendo que el espacio sobre las vías se usara para el almacenamiento de combustible, como se había hecho originalmente.
GT 103
Gran parte del bajo consumo de combustible de la turbina de gas en la función de tracción se debió al escape caliente, que esencialmente representaba la pérdida de energía. Para recuperar parte de esta energía, es posible utilizar el escape caliente para precalentar el aire del compresor antes de que fluya hacia la cámara de combustión, utilizando un intercambiador de calor . Aunque no es común, estos recuperadores se utilizan en varias aplicaciones en la actualidad.
W. Hryniszak de Asea Brown Boveri en Heidelberg diseñó un recuperador que se agregó al diseño GT 102 que de otro modo no se modificó para producir el GT 103 . El intercambiador de calor utilizó un cilindro cerámico poroso giratorio encajado en un conducto cruciforme. El aire del escape del generador de gas entró en el conducto fuera del cilindro a 500 ° C y sopló alrededor del cilindro, calentándolo y luego exhalando a unos 350 ° C. El cilindro de cerámica giró lentamente para evitar el sobrecalentamiento del lado "caliente". El aire comprimido que fluía hacia la turbina de potencia se canalizó a través del centro del cilindro, entrando a aproximadamente 180 ° C y saliendo a aproximadamente 300 ° C.
Esto significaba que el combustible no tenía que proporcionar 120 ° C de la temperatura final de 800 ° C del aire, lo que representa un ahorro bastante sustancial. Las estimaciones sugirieron una mejora de alrededor del 30% en el consumo de combustible. También se sugirió que se podría usar un segundo intercambiador de calor en el núcleo del motor del generador de gas, ahorrando otro 30%. Esto redujo el uso de combustible a la mitad en general, haciéndolo similar al motor de gasolina original. Estas estimaciones parecen poco razonables en retrospectiva, aunque General Motors experimentó con estos sistemas durante las décadas de 1960 y 1970.
Referencias
- Kay, Antony, Desarrollo alemán de turbinas de gas y motores a reacción 1930-1945 , Airlife Publishing, 2002, ISBN 9781840372946