עד תקופה מסוימת, גרמניה של היטלר לא הקדישה תשומת לב רבה לפרויקטים של תחנות כוח טורבינות גז לכלי רכב קרקעיים. אז, ב -1941, הורכבה היחידה הראשונה כזו עבור קטר ניסיוני, אך בדיקותיה הופחתו במהירות עקב חוסר תועלת כלכלית ונוכחות תוכניות בעדיפות גבוהה יותר. העבודה בכיוון מנועי טורבינת גז (GTE) לכלי רכב קרקעיים נמשכה רק בשנת 1944, כאשר חלק מהתכונות השליליות של הטכנולוגיה והתעשייה הקיימות בלטו במיוחד.
בשנת 1944, פתח משרד החימוש של הצבא פרויקט מחקר בנושא GTE לטנקים. היו שתי סיבות עיקריות למנועים החדשים. ראשית, בניין הטנקים הגרמני באותה תקופה לקח קורס לעבר כלי רכב קרביים כבדים יותר, מה שדרש יצירת מנוע בעל הספק גבוה וממדים קטנים. שנית, כל כלי המשוריין הזמינים השתמשו במידה מסוימת בבנזין דל, וזה הטיל מגבלות מסוימות הקשורות לתפעול, כלכלה ולוגיסטיקה. מנועי טורבינת גז מבטיחים, כפי ששקלו אז מנהיגי התעשייה הגרמנית, עלולים לצרוך דלק פחות איכותי ובהתאם לזול יותר. כך, באותה תקופה, מבחינת הכלכלה והטכנולוגיה, החלופה היחידה למנועי בנזין הייתה מנוע טורבינת גז.
בשלב הראשון הופקדה פיתוח מנוע טנקים מבטיח בידי קבוצת מעצבים מפורשה, בראשות המהנדס או. כמה מפעלים קשורים היו אמורים לסייע למהנדסי פורשה. בפרט, מחלקת מחקר מנוע SS, בראשות ד"ר אלפרד מולר, הייתה מעורבת בפרויקט. מאז אמצע שנות השלושים, מדען זה עבד בנושא התקנות טורבינות גז והשתתף בפיתוח מספר מנועי סילון מטוסים. עד שהחלה יצירת מנוע טורבינת גז לטנקים, מילר השלים את פרויקט מגדש הטורבו, ששימש מאוחר יותר למספר סוגים של מנועי בוכנה. ראוי לציין כי בשנת 1943 הציע ד"ר מולר שוב ושוב הצעות בנוגע לתחילת פיתוח מנועי טורבינת גז טנקים, אך ההנהגה הגרמנית התעלמה מהן.
חמש אופציות ושני פרויקטים
עם תחילת העבודות העיקריות (אמצע קיץ 1944), התפקיד המוביל בפרויקט עבר לארגון בראשותו של מולר. בשלב זה נקבעו הדרישות למנוע טורבינת גז מבטיח. הספק שלו היה אמור להיות כ- 1000 כ ס. וצריכת אוויר בסדר גודל של 8.5 קילוגרם לשנייה. הטמפרטורה בחדר הבעירה נקבעה על ידי תנאי ההתייחסות ל 800 °. בשל כמה מאפיינים אופייניים של תחנות כוח טורבינות גז לכלי רכב קרקעיים, היה צורך ליצור מספר עזר לפני תחילת פיתוח הפרויקט המרכזי. צוות מהנדסים בראשותו של מולר יצר ושקל בו זמנית חמש אפשרויות לאדריכלות ולפריסה של מנוע טורבינת הגז.
התרשימים הסכמטיים של המנוע היו שונים זה מזה במספר השלבים של המדחס, הטורבינה ומיקום טורבינת הכוח הקשורה לתיבת ההילוכים. בנוסף, נבדקו מספר אפשרויות למיקום תאי הבעירה.לכן, בגרסה השלישית והרביעית של פריסת GTE, הוצע לחלק את זרימת האוויר מהמדחס לשניים. נחל אחד במקרה זה היה צריך להיכנס לתא הבעירה ומשם לטורבינה שמסובבת את המדחס. החלק השני של האוויר הנכנס, בתורו, הוזרק לתא הבעירה השני, שהעביר גזים חמים ישירות לטורבינת החשמל. כמו כן, נבדקו אופציות עם מיקום אחר של מחליף החום לחימום מקדים של האוויר הנכנס למנוע.
בגרסה הראשונה של המנוע המבטיח, שהגיע לשלב העיצוב המלא, היה צריך לאתר אותו מדחס אלכסוני ואקסי, כמו גם טורבינה דו-שלבית. הטורבינה השנייה הייתה אמורה להיות ממוקמת בקואקסיאליות מאחורי הראשונה ומחוברת ליחידות ההולכה. במקביל, טורבינת החשמל המספקת כוח לשידור הוצעה להיות מותקנת על ציר משלה, לא מחובר לציר המדחסים והטורבינות. פתרון זה עשוי לפשט את עיצוב המנוע, אם לא מחסרון רציני אחד. לכן, בעת הסרת העומס (למשל, במהלך החלפת הילוך), הטורבינה השנייה יכולה להסתובב למהירויות כאלה בהן קיים סיכון להרס הלהבים או הרכזת. הוצע לפתור את הבעיה בשתי דרכים: או להאט את טורבינת העבודה ברגעים הנכונים, או להסיר ממנה גזים. בהתבסס על תוצאות הניתוח, האפשרות הראשונה נבחרה.
ובכל זאת, הגרסה הראשונה ששונתה של הטנק GTE הייתה מסובכת ויקרה מדי לייצור המוני. מולר המשיך במחקר נוסף. כדי לפשט את העיצוב, חלקים מקוריים הוחלפו ביחידות מקבילות שהושאלו ממנוע הטורבוג'ט Heinkel-Hirt 109-011. בנוסף, כמה מסבים הוסרו מתכנון מנוע הטנק, שעליהם הוחזקו ציר המנוע. הפחתת מספר תומכי הפיר לשתי הרכבות מפושטות, אך ביטלה את הצורך בציר נפרד עם טורבינה המעבירה מומנט לתיבת ההילוכים. טורבינת הכוח הותקנה על אותו פיר שעליו כבר היו ממוקמים מדחפי המדחס והטורבינה הדו-שלבית. תא הבעירה מצויד בחרירים מסתובבים מקוריים לריסוס דלק. בתיאוריה, הם איפשרו להזריק דלק ביעילות רבה יותר, וגם סייעו למנוע התחממות יתר של חלקים מסוימים של המבנה. גרסה מעודכנת של הפרויקט הייתה מוכנה באמצע ספטמבר 1944.
יחידת צינור הגז הראשונה לרכבים משוריינים
יחידת צינור הגז הראשונה לרכבים משוריינים
אפשרות זו גם לא הייתה נטולת חסרונותיה. קודם כל, הטענות גרמו לקשיים בשמירה על המומנט על פיר המוצא, שהיה למעשה הרחבה של הציר הראשי של המנוע. הפתרון האידיאלי לבעיית העברת הכוח יכול להיות שימוש בתיבת הילוכים חשמלית, אך המחסור בנחושת גרם למערכת כזאת להישכח. כחלופה להולכה חשמלית, נחשב שנאי הידרוסטטי או הידרודינמי. בעת שימוש במנגנונים כאלה, יעילות העברת הכוח הופחתה מעט, אך הם היו זולים משמעותית ממערכת עם גנרטור ומנועים חשמליים.
מנוע GT 101
פיתוח נוסף של הגרסה השנייה של הפרויקט הוביל לשינויים נוספים. לכן, על מנת לשמר את ביצועי ה- GTE בעומסי הלם (למשל, במהלך פיצוץ מכרה), נוספה מיסב פיר שלישי. בנוסף, הצורך לאחד את המדחס עם מנועי מטוסים הוביל לשינוי בכמה פרמטרים של פעולת הטנק GTE. בפרט, צריכת האוויר גדלה בערך כרבע. לאחר כל השינויים, פרויקט מנוע הטנקים קיבל שם חדש - GT 101. בשלב זה, פיתוח תחנת כוח של טורבינת גז לטנקים הגיע לשלב שבו ניתן היה להתחיל בהכנות לבניית אב הטיפוס הראשון, ו לאחר מכן הטנק מצויד במנוע טורבינת גז.
אף על פי כן, כוונון הדק של המנוע נמשך ובתום סתיו 1944 לא החלה העבודה על התקנת תחנת כוח חדשה על הטנק. באותה תקופה, מהנדסים גרמנים עבדו רק על הנחת המנוע על טנקים קיימים. במקור תוכנן כי הבסיס ל- GTE הניסיוני יהיה הטנק הכבד PzKpfw VI - "טייגר". עם זאת, תא המנוע של רכב משוריין זה לא היה גדול מספיק בכדי להכיל את כל היחידות הדרושות. אפילו עם תזוזה קטנה יחסית, מנוע ה- GT 101 היה ארוך מדי עבור טייגר. מסיבה זו הוחלט להשתמש במיכל PzKpfw V, המכונה גם הפנתר, כרכב המבחן הבסיסי.
בשלב סיום מנוע GT 101 לשימוש במיכל הפנתר, הלקוח, המיוצג על ידי מנהלת חימוש כוחות היבשה, ומנהל הפרויקט, קבעו את הדרישות לאב הטיפוס. ההנחה הייתה שמנוע טורבינת הגז יביא את העוצמה הספציפית של טנק במשקל קרבי של כ -46 טון לרמה של 25-27 כ ס. לטון, מה שישפר משמעותית את מאפייני הריצה שלו. יחד עם זאת, הדרישות למהירות מרבית כמעט ולא השתנו. רעידות והלם מנסיעה במהירות גבוהה הגדילו משמעותית את הסיכון לפגיעה ברכיבי השלדה. כתוצאה מכך, המהירות המרבית המותרת הוגבלה ל -54-55 קילומטרים לשעה.
יחידת טורבינת גז GT 101 במיכל "פנתר"
כמו במקרה של הנמר, תא המנוע של הפנתר לא היה גדול מספיק בכדי להכיל את המנוע החדש. עם זאת, המעצבים בראשותו של ד"ר מילר הצליחו להתאים את ה- GT 101 GTE לכרכים הזמינים. נכון, צינור הפליטה הגדול של המנוע היה צריך להיות ממוקם בחור עגול בצלחת השריון האחורית. למרות מוזרות לכאורה, פתרון כזה נחשב נוח ומתאים אפילו לייצור המוני. מנוע ה- GT 101 עצמו על ה"פנתר "הניסיוני היה אמור להיות ממוקם לאורך ציר הגוף, תוך הזזה כלפי מעלה, לגג תא המנוע. ליד המנוע, במגני הגוף, הונחו בפרויקט כמה מיכלי דלק. המקום לתיבת ההילוכים נמצא ישירות מתחת למנוע. מכשירי כניסת האוויר הובאו לגג הבניין.
פישוט עיצוב המנוע GT 101, שבגללו איבד את הטורבינה הנפרדת הקשורה לתיבת ההילוכים, גרר קשיים בעלי אופי אחר. לשימוש עם ה- GTE החדש, היה צריך להזמין תיבת הילוכים הידראולית חדשה. ארגון ZF (Zahnradfabrik מפרידריכסהאפן) יצר תוך זמן קצר ממיר מומנט תלת שלבי עם תיבת הילוכים (!). מחצית מההילוכים נועדו לנהיגה בכביש, השאר לנהיגת שטח. בהתקנת תיבת המנוע של מיכל הניסוי, היה צורך גם להציג אוטומציה שפקחה על מצבי הפעולה של המנוע. מכשיר בקרה מיוחד היה אמור לפקח על מהירות המנוע ובמידת הצורך להגדיל או להקטין את ההילוך ולמנוע מה- GTE להיכנס למצבי הפעלה לא מקובלים.
על פי חישובי מדענים, טורבינת הגז GT 101 עם שידור מ- ZF עשויה להיות בעלת המאפיינים הבאים. הספק הטורבינה המרבי הגיע ל 3750 כ"ס, מתוכם 2600 נלקחו על ידי המדחס כדי להבטיח את פעולת המנוע. כך, "רק" 1100-1150 כוחות סוס נותרו על פיר הפלט. מהירות הסיבוב של המדחס והטורבינות, בהתאם לעומס, נע בין 14-14.5 אלף סיבובים לדקה. טמפרטורת הגזים מול הטורבינה נשמרה ברמה שנקבעה מראש של 800 °. צריכת האוויר הייתה 10 ק"ג לשנייה, צריכת הדלק הספציפית, בהתאם למצב ההפעלה, הייתה 430-500 גרם / כ"ס.
מנוע GT 102
עם הספק גבוה באופן ייחודי, מנוע טורבינת הגז במיכל GT 101 היה בעל צריכת דלק לא פחות מרשימה, בערך פי שניים מזה של מנועי הבנזין הקיימים באותה תקופה בגרמניה. בנוסף לצריכת הדלק, ל- GTE GT 101 היו עוד כמה בעיות טכניות שדרשו מחקר ותיקון נוספים. בהקשר זה החל פרויקט חדש GT 102, בו תוכנן לשמור על כל ההצלחות שהושגו ולהיפטר מהחסרונות הקיימים.
בדצמבר 1944, א.מולר הגיע למסקנה כי יש צורך לחזור לאחד הרעיונות הקודמים. כדי לייעל את הפעולה של ה- GTE החדש, הוצע להשתמש בטורבינה נפרדת על ציר משלה, המחוברת למנגנוני השידור. במקביל, טורבינת ההספק של מנוע GT 102 הייתה חייבת להיות יחידה נפרדת, לא ממוקמת בקואקסיאליות עם היחידות העיקריות, כפי שהוצע בעבר. הבלוק העיקרי של תחנת הכוח החדשה של טורבינת הגז היה GT 101 עם שינויים מינימליים. היו לו שני מדחסים עם תשעה שלבים וטורבינה בת שלושה שלבים. כאשר פיתחו את ה- GT 102, התברר כי הבלוק הראשי של מנוע ה- GT 101 הקודם, במידת הצורך, יכול להיות ממוקם לא לאורך, אלא על פני תא המנוע של מיכל הפנתר. כך עשו כאשר הרכיבו את יחידות טנק הניסוי. מכשירי כניסת האוויר של מנוע טורבינת הגז היו ממוקמים כעת על הגג בצד שמאל, צינור הפליטה בצד ימין.
יחידת טורבינת גז GT 102 במיכל "פנתר"
יחידת מדחס טורבינת גז GT 102
בין המדחס לתא הבעירה של בלוק המנוע הראשי, סופק צינור לדימום אוויר לתא הבעירה והטורבינה הנוספים. על פי החישובים, 70% מהאוויר שנכנס למדחס נאלץ לעבור בחלקו העיקרי של המנוע ורק 30% דרך התוספת, עם טורבינת הספק. מיקומו של הבלוק הנוסף מעניין: ציר תא הבעירה שלו וטורבינת הכוח היו צריכים להיות ממוקמים בניצב לציר של בלוק המנוע הראשי. הוצע למקם את יחידות טורבינת הכוח מתחת ליחידה הראשית ולצייד אותן בצינור פליטה משלהן, שהוצא באמצע גג תא המנוע.
"המחלה המולדת" של פריסת מנוע טורבינת הגז של ה- GT 102 הייתה הסיכון להסתובב יתר על המידה בטורבינת הכוח עם נזק או הרס לאחר מכן. הוצע לפתור בעיה זו בצורה הפשוטה ביותר: הצבת שסתומים לבקרת הזרימה בצינור המספק אוויר לתא הבעירה הנוסף. יחד עם זאת, חישובים הראו כי ל- GT 102 GTE החדשה עשויה להיות תגובת מצערת לא מספקת בשל המוזרויות בהפעלת טורבינת הספק קלה יחסית. מפרטי העיצוב, כגון הספק פיר הפלט או הספק טורבינה של היחידה הראשית, נותרו ברמה זהה למנוע GT 101 הקודם, מה שניתן להסביר בהיעדר כמעט מוחלט של שינויי עיצוב גדולים, למעט מראה ההספק יחידת טורבינה. שיפור נוסף של המנוע דרש שימוש בפתרונות חדשים או אפילו פתיחת פרויקט חדש.
טורבינת עבודה נפרדת ל- GT 102
לפני שהתחיל בפיתוח דגם ה- GTE הבא, הנקרא GT 103, עשה ד ר א. מולר ניסיון לשפר את פריסת ה- GT 102 הקיימת. הבעיה העיקרית בעיצובו הייתה הממדים הגדולים למדי של היחידה הראשית, מה שגרם קשה למקם את כל המנוע בתאי המנוע של המיכלים הזמינים באותה עת. כדי לצמצם את אורך יחידת ההילוכים במנוע, הוצע לתכנן את המדחס כיחידה נפרדת. כך ניתן היה למקם שלוש יחידות קטנות יחסית בתוך תא המנוע של הטנק: מדחס, תא בעירה ראשי וטורבינה, כמו גם יחידת טורבינת כוח עם תא בעירה משלו. גרסה זו של ה- GTE נקראה GT 102 Ausf. 2. בנוסף להנחת המדחס ביחידה נפרדת, נעשו ניסיונות לעשות את אותו הדבר עם תא הבעירה או הטורבינה, אך הם לא זכו להצלחה רבה. תכנון מנוע טורבינת הגז לא אפשר לעצמו להתחלק למספר גדול של יחידות ללא הפסדים ניכרים בביצועים.
מנוע GT 103
חלופה למנוע טורבינת הגז GT 102 Ausf. 2 עם אפשרות לסידור "חינם" של יחידות בנפח הקיים הייתה הפיתוח החדש של ה- GT 103. הפעם בוני המנועים הגרמניים החליטו להתמקד לא בנוחות המיקום, אלא ביעילות העבודה. מחליף חום הוכנס לציוד המנוע.ההנחה היא שבעזרתו גזי הפליטה יחממו את האוויר הנכנס דרך המדחס, מה שישיג חיסכון מוחשי בדלק. מהות הפתרון הזה הייתה שהאוויר שחומם מראש יאפשר להוציא פחות דלק כדי לשמור על הטמפרטורה הנדרשת מול הטורבינה. על פי חישובים ראשוניים, שימוש במחליף חום עשוי להפחית את צריכת הדלק ב-25-30 אחוזים. בתנאים מסוימים, חיסכון כזה הצליח להפוך את ה- GTE החדש למתאים לשימוש מעשי.
פיתוח מחליף החום הופקד על "קבלני משנה" של חברת בראון בוברי. המעצב הראשי של יחידה זו היה V. Khrinizhak, שלקח בעבר חלק ביצירת מדחסים למנועי טורבינת גז טנקים. לאחר מכן, Chrynižak הפך למומחה בעל שם בתחום מחליפי חום והשתתפותו בפרויקט GT 103 הייתה כנראה אחד התנאים המוקדמים לכך. המדען יישם פתרון נועז ומקורי למדי: המרכיב העיקרי של מחליף החום החדש היה תוף מסתובב עשוי קרמיקה נקבובית. כמה מחיצות מיוחדות הונחו בתוך התוף, מה שהבטיח את זרימת הגזים. במהלך הפעולה, גזי פליטה חמים עברו בתוך התוף דרך קירותיו הנקבוביים וחיממו אותם. זה קרה במהלך חצי סיבוב תופים. חצי הסיבוב הבא שימש להעברת חום לאוויר העובר מבפנים כלפי חוץ. הודות למערכת הבפלים בתוך הצילינדר ומחוצה לו, אוויר וגזי פליטה לא התערבבו זה בזה, מה שמנע תקלות במנוע.
השימוש במחליף החום גרם למחלוקת רצינית בקרב כותבי הפרויקט. כמה מדענים ומעצבים האמינו כי השימוש ביחידה זו בעתיד יאפשר להשיג הספק גבוה וקצב זרימת אוויר נמוך יחסית. אחרים, בתורם, ראו במחליף החום רק אמצעי מפוקפק, שהיתרונות שלו לא יעלו משמעותית על ההפסדים מהסיבוך של העיצוב. במחלוקת על הצורך במחליף חום זכו תומכי היחידה החדשה. בשלב מסוים, הייתה אפילו הצעה לצייד את מנוע טורבינת הגז GT 103 בשני מכשירים לחימום מוקדם של האוויר בבת אחת. מחליף החום הראשון במקרה זה היה צריך לחמם את האוויר עבור בלוק המנוע הראשי, השני עבור תא הבעירה הנוסף. לפיכך, ה- GT 103 היה למעשה GT 102 עם מחליפי חום שהוכנסו לעיצוב.
מנוע GT 103 לא נבנה, ולכן יש להסתפק במאפייניו המחושבים בלבד. יתר על כן, הנתונים הזמינים על GTE זו חושבו עוד לפני סיום יצירת מחליף החום. לכן, מספר אינדיקטורים בפועל, כנראה, עלולים להתברר כנמוכים משמעותית מהצפוי. כוח היחידה הראשית, שנוצר על ידי הטורבינה ונספג על ידי המדחס, היה אמור להיות שווה ל -1400 כוחות סוס. מהירות הסיבוב המרבית של המדחס והטורבינה של היחידה הראשית היא כ -19 אלף סיבובים לדקה. צריכת אוויר בחדר הבעירה הראשי - 6 ק ג / ש '. ההנחה הייתה שמחליף החום יחמם את האוויר הנכנס ל -500 °, ולגזים מול הטורבינה תהיה טמפרטורה של כ -800 °.
טורבינת הכוח, על פי החישובים, הייתה אמורה להסתובב במהירות של עד 25 אלף סל"ד ולתת 800 כ"ס על הפיר. צריכת האוויר של היחידה הנוספת הייתה 2 ק"ג / ש. פרמטרי הטמפרטורה של אוויר הכניסה וגזי הפליטה היו אמורים להיות שווים למאפיינים המתאימים של היחידה הראשית. צריכת הדלק הכוללת של המנוע כולו בשימוש במחליפי חום מתאימים לא תעלה על 200-230 גרם / כ"ס.
תוצאות התוכנית
פיתוח מנועי טורבינת גז טנקים גרמניים החל רק בקיץ 1944, כאשר סיכויי גרמניה לזכות במלחמת העולם השנייה הלכו והצטמצמו מדי יום.הצבא האדום תקף את הרייך השלישי ממזרח, וכוחות ארצות הברית ובריטניה הגיעו ממערב. בתנאים כאלה, לגרמניה לא היו מספיק הזדמנויות לניהול מלא של המוני הפרויקטים המבטיחים. כל הניסיונות ליצור מנוע חדש מיסוד לטנקים נשענו על מחסור בכסף וזמן. בגלל זה, עד פברואר 1945, היו כבר שלושה פרויקטים מלאים של מנועי טורבינת גז טנקים, אך אף אחד מהם אפילו לא הגיע לשלב של הרכבת אב טיפוס. כל העבודה הוגבלה רק ללימודים תיאורטיים ומבחנים של יחידות ניסוי בודדות.
בפברואר 1945 התקיים אירוע שיכול להיחשב לתחילת סיומה של התוכנית הגרמנית ליצירת מנועי טורבינת גז טנקים. ד ר אלפרד מולר הודח מתפקידו כראש הפרויקט, ושמו, מקס אדולף מולר, מונה לתפקיד הפנוי. אִמָא. מולר היה גם מומחה בולט בתחום תחנות הכוח של טורבינות גז, אך הגעתו לפרויקט עצרה את ההתפתחויות המתקדמות ביותר. המשימה העיקרית מתחת לראש החדש הייתה לכוונן את מנוע GT 101 ולהתחיל בייצור הסדרתי שלו. נותרו פחות משלושה חודשים עד לסיום המלחמה באירופה, ולכן השינוי בהנהגת הפרויקטים לא הספיק להוביל לתוצאה הרצויה. כל ה- GTE של הטנק הגרמני נותרו על הנייר.
על פי כמה מקורות, התיעוד לפרויקטים של קו "GT" נפל לידי בעלות הברית והם השתמשו בו בפרויקטים שלהם. עם זאת, לתוצאות המעשיות הראשונות בתחום מנועי טורבינת גז לכלי רכב קרקעיים, שהופיעו לאחר תום מלחמת העולם השנייה מחוץ לגרמניה, לא היה מעט במשותף עם התפתחויות שניהם של ד"ר מולר. באשר למנועי טורבינת גז שתוכננו במיוחד לטנקים, הטנקים הסדרתיים הראשונים עם תחנת כוח כזו יצאו מחנויות ההרכבה של מפעלים רק רבע מאה לאחר השלמת הפרויקטים הגרמניים.
