БМВ ГТ 101

BMW GT 101 представлял собой турбовального типа, газотурбинный двигатель разработанный на основе авиационного двигателя BMW 003 , который рассматривался для установки на нацистской Германии танк «Пантера» . Отделение развития немецкой армии , Heereswaffenamt изучало ряд газотурбинных двигателей для использования в танках (Армейский совет по артиллерийскому вооружению), начиная с середины 1944 года . Хотя ни один из них не был введен в эксплуатацию, GT 101 (GT означает «газовая турбина») достигла стадии разработки производственного качества. За время существования программы было выпущено несколько моделей, в том числе GT 102 и GT 103 .

Происхождение

Еще в середине 1943 года Адольф Мюллер , бывший сотрудник подразделения авиационных силовых установок Junkers Jumo материнской авиационной фирмы Junkers в Дессау , а затем Хейнкель-Хирта ( Heinkel Strahltriebwerke) подразделения реактивных двигателей , предложил использовать газовую турбину для бронетехники. двигатели транспортных средств. Газовая турбина будет намного легче, чем двигатели класса мощностью 600 л.с. и выше. В танках следующего поколения будут использоваться поршневые бензиновые двигатели, которые в то время в основном поставлялись фирмой Maybach для Вермахта Heer. существующих конструкций боевых бронированных машин , что это значительно улучшит их удельную мощность и тем самым улучшит проходимость и, возможно, прямую скорость. Однако в то время существовали серьезные проблемы с использованием газотурбинных двигателей в этой роли. В случае чистого турбореактивного двигателя для авиационных целей горячий выхлоп турбины используется непосредственно только для создания тяги; но в случае использования газовой турбины в качестве тягового двигателя любое тепло, выходящее из выхлопных газов, по существу было пустой тратой энергии. Выхлоп турбины был намного горячее, чем у поршневого двигателя, а газотурбинные двигатели новаторской конструкции обладали ужасно плохими показатели экономии топлива по сравнению с традиционными конструкциями поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением. С другой стороны, использование недорогого и широко доступного керосина в качестве топлива компенсирует этот недостаток, по крайней мере, в некоторой степени, поэтому общая экономика эксплуатации двигателей может оказаться одинаковой. Другая проблема заключалась в том, что газотурбинный двигатель хорошо работал только вблизи определенной расчетной рабочей скорости, хотя на этой скорости (или около нее) он мог обеспечить широкий диапазон выходного крутящего момента . Точнее говоря, турбины обеспечивают очень небольшой крутящий момент на низких скоростях, что представляет собой гораздо меньшую проблему для поршневого двигателя, а не для электродвигателя. Чтобы использовать турбину в роли танка, в конструкции необходимо было использовать усовершенствованную трансмиссию и сцепление, которые позволяли бы двигателю работать в ограниченном диапазоне скоростей, или, альтернативно, использовать какой-либо другой метод для извлечения мощности. Поначалу армия не заинтересовалась, и Мюллер обратился к разработке усовершенствованного турбонагнетателя для BMW (неясно, использовалась ли эта конструкция). Когда эта работа была завершена в январе 1944 года, он снова обратился к конструкции тягового двигателя и в конце концов встретился с Heereswaffenamt в июне 1944 года представил ряд предлагаемых проектов 1000-сильного агрегата. Учитывая чрезвычайные проблемы Германии с поставками топлива в конце войны, использование низкосортного топлива, независимо от того, сколько его было необходимо и использовалось, на самом деле рассматривалось как главное преимущество и основная причина, по которой Heereswaffenamt в конечном итоге заинтересовался им. дизайн.

Предварительный проект

Первый детальный проект Мюллера представлял собой простую модификацию традиционного реактивного двигателя, основной двигатель которого был основан на экспериментальном Heinkel HeS 011 , из которых было построено всего 19 полных экземпляров. В этой конструкции отдельная турбина и вал отбора мощности были прикреплены болтами к выхлопу активной зоны двигателя, причем горячие газы двигателя приводили в действие турбину и, следовательно, танк. Поскольку сердечник двигателя был отделен от коробки отбора мощности, крутящий момент стал доступен сразу, поскольку сердечник можно было оставить работающим на полной скорости, генерируя при этом небольшое количество мощности, а ненужные газы «сбрасывались». Однако у этой конструкции была серьезная проблема; при снятии нагрузки, например, при переключении передач, силовая турбина разгружалась и могла выйти из-под контроля. В эти периоды приходилось либо тормозить силовую турбину, либо сбрасывать поток газа из активной зоны двигателя.

Другая проблема заключалась в том, что Heereswaffenamt серьезно беспокоилось о качестве топлива, которое они могли найти. В отличие от авиации, где ожидалось, что топливо будет тщательно очищено, считалось, что армия, скорее всего, в конечном итоге получит топливо более низкого качества, которое, как ожидалось, могло содержать все виды тяжелых загрязнителей. Это приводило к тому, что в традиционной конструкции топливо не успевало как следует перемешаться, что приводило к плохому сгоранию. турбины Они были особенно заинтересованы в том, чтобы топливные форсунки вращались вместе с сердцевиной двигателя, что, как можно было ожидать, привело бы к гораздо лучшему перемешиванию, а также к дополнительному преимуществу в виде уменьшения горячих точек на статорах . К сожалению, конструкцию Мюллера оказалось невозможно адаптировать для использования этих форсунок, и 12 августа 1944 года она была в конечном итоге отклонена.

Затем Мюллер обратился к проектам, в которых была удалена отдельная силовая турбина и вместо этого потребовалась какая-то трансмиссия, поддерживающая крутящий момент. Лучшим решением проблемы было бы запустить электрический генератор и использовать эту мощность для привода двигателей для тяги (систему, которую Порше пытался внедрить несколько раз), но серьезная нехватка меди к этому моменту войны возникла - а также поскольку его относительно низкое качество на протяжении всей войны для использования в электроэнергии из ресурсов медной руды , к которым могла получить доступ Германия, - исключило это решение. Вместо этого должна была использоваться какая-то гидравлическая трансмиссия, хотя изначально это не предусматривалось. Кроме того, новая конструкция включала вращающиеся топливные форсунки в камере сгорания , которыми заинтересовалось Heereswaffenamt. Мюллер представил новую конструкцию 14 сентября, и Heereswaffenamt проявила значительно больший интерес – ухудшение ситуации с поставками топлива на этом этапе могло быть причиной фактор тоже.

Сохранившийся авиационный двигатель BMW 003, основа турбовального GT 101.

Как ни странно, затем они предположили, что любой сердечник двигателя, разработанный для этой роли, также должен быть пригоден для использования в авиации, что в конце концов привело к отказу от вращающихся форсунок и, в конечном итоге, к использованию модифицированного сердечника BMW 003 , от хорошо зарекомендовавшего себя дизайн. Базовую компоновку пришлось изменить за счет добавления третьего подшипника ближе к середине двигателя, чтобы помочь поглощать ударные нагрузки, а в конце двигателя была добавлена ​​​​третья ступень турбины для увеличения крутящего момента. В отличие от более ранней конструкции, коробку отбора мощности можно было разместить где угодно (не только за свободной ступенью турбины), и фактически она была перенесена в переднюю часть двигателя, чтобы сделать конструкцию максимально совместимой с существующими моторными отсеками. Базовый проект был завершен в середине ноября и получил название GT 101 .

Первоначально они намеревались установить новый двигатель на танк «Тигр», разработанный Хеншелем , но, хотя двигатель был меньше по диаметру, чем поршневой двигатель V-12, который он заменил, он начинался как осевого компрессора авиационный турбореактивный двигатель BMW 003 на базе . означало, что он был слишком длинным, чтобы поместиться в моторный отсек Tiger I. Затем внимание переключилось на «Пантеру», которая к этому моменту войны в любом случае должна была стать основой всего будущего производства танков ( см. В серии «Entwicklung» подробности ). Для экспериментальной установки компания Porsche предоставила один из прототипов корпусов Jagdtiger .

Установка GT 101 в корпус Panther потребовала некоторых дизайнерских усилий, но в конечном итоге подходящее решение было найдено. Выхлоп двигателя был оснащен большим расширяющимся диффузором для снижения скорости и температуры выхлопных газов, что также позволило использовать третью ступень турбины большего размера. Вся выхлопная зона выходила за пределы задней части моторного отсека в «свободный воздух», что делало ее чрезвычайно уязвимой для огня противника, и стало понятно, что это непрактично для производственной системы.

Для штуцера была построена новая автоматическая коробка передач от Zahnradfabrik из Фридрихсхафена (ZF), имевшая три ступени сцепления в гидротрансформаторе и двенадцать скоростей. Трансмиссия также включала в себя сцепление с электрическим приводом, которое механически полностью отключалось от двигателя при частоте 5000 об/мин, ниже которой двигатель не создавал крутящего момента на выходе. На полной скорости, 14 000 об/мин, сам двигатель также действовал наподобие огромного маховика, что значительно улучшало проходимость, позволяя сбрасывать часть избыточных оборотов двигателя в трансмиссию, чтобы протаскивать танк по неровностям.

С точки зрения производительности GT 101 оказался на удивление эффективным. В общей сложности он выдавал бы 3750 л.с., из них 2600 л.с. использовалось бы для работы компрессора, а на трансмиссию оставалось бы 1150 л.с. Весь двигатель в сборе весил 450 кг (992 фунта), не считая трансмиссии. Для сравнения, существующий Maybach HL230 P30, который он заменил, имел мощность 620 л.с., но весил сравнительно огромные 1200 кг (2646 фунтов). У «Майбаха» «Пантера» имела удельную мощность около 13,5 л.с./тонну, у GT 101 она увеличивалась до 27 л.с./тонну, значительно превосходя любой танк времен Второй мировой войны (например, Т-34 имел мощность 16,2 л.с./тонну). с турбовальным двигателем мощностью M1 Abrams тонну) и почти соответствует максимальной мощности современного американского танка 26,9 л.с./тонну. По другим причинам, в основном из-за износа, скорость Panther с двигателем GT 101 будет намеренно ограничена скоростью Panther с бензиновым двигателем. Единственными недостатками были плохой крутящий момент при низкой мощности и расход топлива примерно вдвое больше, чем у Maybach, что создавало проблемы с поиском достаточного места для топливного бака - аналогичная проблема существовала и с ранними немецкими газовыми турбинами, использовавшимися для силовой установки самолетов.

ГТ 102

Пока работа над GT 101 продолжалась, Мюллер предложил другой способ создания двигателя со свободной турбиной, позволяющий избежать проблем с его оригинальной конструкцией. В декабре 1944 года он представил свои чертежи, которые были приняты в разработку как GT 102 .

Основная идея GT 102 заключалась в том, чтобы полностью отделить силовую турбину от самого двигателя, используя последний в качестве газогенератора . Основной двигатель работал достаточно горячим, чтобы обеспечить питание самого себя, и ничего более: от основного двигателя не отбиралось энергии для привода танка. Сжатый воздух от компрессора активной зоны, составлявший 30% общего воздушного потока, отводился по трубе в полностью отдельную двухступенчатую турбину с собственной камерой сгорания. Это позволило избежать проблем с превышением скорости, присущих оригинальной конструкции; когда нагрузка была снята, простое перекрытие потока воздуха в турбину замедлило бы его. Это также означало, что активная зона могла работать на полной скорости, в то время как силовая турбина работала на низкой скорости, обеспечивая значительно улучшенный крутящий момент на низких скоростях. Единственным недостатком конструкции было то, что силовая турбина больше не имела такой огромной вращающейся массы, как GT 101, и, следовательно, не обеспечивала какого-либо значительного накопления энергии на маховике .

Поскольку в турбинную секцию основного двигателя больше не подавался весь воздух из компрессора, ее можно было сделать меньше, чем в GT 101. Это сделало двигатель в целом короче, что позволило установить его поперечно в верхней части. Моторный отсек Пантеры, в более широкой области над гусеницами. Затем силовую турбину установили в пустом пространстве внизу под прямым углом к ​​двигателю. Это поставило его на одну линию с обычной трансмиссией, которая располагалась в передней части автомобиля и приводила его в движение через приводной вал. Установка была значительно более практичной, чем у GT 101, да еще и полностью «под броней». Хотя GT 102 имел примерно такую ​​же экономию топлива, как и GT 101, установка оставила значительно больше пустого места в моторном отсеке в пространстве, ранее использовавшемся системой охлаждения двигателя, которое можно было использовать для новых топливных элементов, что увеличило общий запас топлива вдвое. 1400 литров, что обеспечивает запас хода, равный оригинальному бензиновому двигателю.

Большая часть работ по проектированию GT 102 была завершена к началу 1945 года, а чертежи должны были быть представлены 15 февраля (вместе с окончательными проектами GT 101). Похоже, что планы не были реализованы, вероятно, из-за ухудшения военной обстановки.

ГТ 102 версия 2

Чтобы еще больше улучшить посадку GT 102 в Panther, GT 102 Ausf. В конструкции №2 были изменены несколько секций исходной компоновки газогенератора, чтобы сократить площадь компрессора и камеру сгорания. В GT 102 они были несколько длиннее, чем в сопоставимом авиационном двигателе, чтобы обеспечить лучшее смешивание с топливом более низкого качества. Аусф. 2 вернул им исходные размеры и вместо этого повторно представил вращающиеся топливные форсунки из исходных конструкций, существовавших до GT 101. Компрессор был дополнительно уменьшен в длине за счет сокращения его с девяти до семи ступеней, но сохранил первоначальную степень сжатия , работая на первой ступени близкой к 1 Махам . Благодаря такому уменьшению длины двигатель можно было разместить в моторном отсеке по длине, что позволило использовать пространство над гусеницами для хранения топлива, как это было изначально.

ГТ 103

Во многом низкая топливная экономичность газовой турбины, выполнявшей тяговую роль, была обусловлена ​​горячими выхлопами, которые, по сути, представляли собой потерю энергии. Чтобы вернуть часть этой энергии, можно использовать горячий выхлоп для предварительного нагрева воздуха из компрессора перед его поступлением в камеру сгорания с помощью теплообменника . Хотя эти рекуператоры и не являются обычным явлением, сегодня они используются во многих приложениях.

В. Хринишак из Asea Brown Boveri в Гейдельберге разработал рекуператор, который был добавлен к неизмененной конструкции GT 102 для производства GT 103 . В теплообменнике использовался вращающийся пористый керамический цилиндр, помещенный в крестообразный канал. Воздух из выхлопа газогенератора поступал в канал за пределами цилиндра при температуре 500 ° C и обдувал цилиндр, нагревая его, а затем выпуская воздух при температуре около 350 ° C. Керамический цилиндр вращался медленно, чтобы избежать перегрева «горячей» стороны. Сжатый воздух, поступающий в силовую турбину, подавался через середину цилиндра, входя при температуре около 180 °C и выходя при температуре около 300 °C.

Это означало, что 120 °C из конечной температуры воздуха 800 °C не нужно было обеспечивать за счет топлива, что представляло собой довольно существенную экономию. По оценкам, потребление топлива сократилось примерно на 30%. Также было предложено использовать второй теплообменник на активной зоне газогенераторного двигателя, что позволит сэкономить еще 30%. Это в целом сократило расход топлива вдвое, что сделало его похожим на оригинальный бензиновый двигатель. Оглядываясь назад, эти оценки кажутся необоснованными, хотя General Motors действительно экспериментировала с этими системами на протяжении 1960-х и 70-х годов.

См. также

Связанные разработки

• БМВ 003

Ссылки

• Кей, Энтони, Разработка немецких реактивных двигателей и газовых турбин в 1930–1945 гг. , Airlife Publishing, 2002 г., ISBN   9781840372946