Sampai waktu tertentu, Jerman Hitler tidak terlalu memperhatikan proyek pembangkit listrik turbin gas untuk kendaraan darat. Jadi, pada tahun 1941, unit pertama seperti itu dirakit untuk lokomotif eksperimental, tetapi pengujiannya dengan cepat dibatasi karena ketidakmampuan ekonomi dan adanya program prioritas yang lebih tinggi. Pekerjaan ke arah mesin turbin gas (GTE) untuk kendaraan darat hanya dilanjutkan pada tahun 1944, ketika beberapa fitur negatif dari teknologi dan industri yang ada sangat menonjol.
Pada tahun 1944, Direktorat Persenjataan Angkatan Darat meluncurkan proyek penelitian tentang GTE untuk tank. Ada dua alasan utama untuk mesin baru. Pertama, bangunan tank Jerman pada waktu itu mengarah ke kendaraan tempur yang lebih berat, yang membutuhkan penciptaan mesin berkekuatan tinggi dan berdimensi kecil. Kedua, semua kendaraan lapis baja yang tersedia menggunakan bensin langka, dan ini memberlakukan pembatasan tertentu terkait dengan operasi, ekonomi, dan logistik. Mesin turbin gas yang menjanjikan, seperti yang kemudian dipertimbangkan oleh para pemimpin industri Jerman, dapat mengkonsumsi lebih sedikit bahan bakar berkualitas tinggi dan, karenanya, lebih murah. Jadi, saat itu, dari sudut pandang ekonomi dan teknologi, satu-satunya alternatif mesin bensin adalah mesin turbin gas.
Pada tahap pertama, pengembangan mesin tangki yang menjanjikan dipercayakan kepada sekelompok desainer dari Porsche, yang dipimpin oleh insinyur O. Zadnik. Beberapa perusahaan terkait seharusnya membantu para insinyur Porsche. Secara khusus, Departemen Riset Mesin SS, yang dipimpin oleh Dr. Alfred Müller, terlibat dalam proyek tersebut. Sejak pertengahan tiga puluhan, ilmuwan ini telah bekerja pada subjek instalasi turbin gas dan berpartisipasi dalam pengembangan beberapa mesin jet pesawat. Pada saat pembuatan mesin turbin gas untuk tangki dimulai, Müller telah menyelesaikan proyek turbocharger, yang kemudian digunakan pada beberapa jenis mesin piston. Patut dicatat bahwa pada tahun 1943, Dr. Müller berulang kali mengajukan proposal mengenai dimulainya pengembangan mesin turbin gas tangki, tetapi pimpinan Jerman mengabaikannya.
Lima opsi dan dua proyek
Pada saat pekerjaan utama dimulai (pertengahan musim panas 1944), peran utama dalam proyek telah berpindah ke organisasi yang dipimpin oleh Müller. Pada saat ini, persyaratan untuk mesin turbin gas yang menjanjikan telah ditentukan. Itu seharusnya memiliki kekuatan sekitar 1000 hp. dan konsumsi udara urutan 8,5 kilogram per detik. Suhu di ruang bakar diatur oleh kerangka acuan pada 800 °. Karena beberapa fitur karakteristik pembangkit listrik turbin gas untuk kendaraan darat, beberapa tambahan harus dibuat sebelum pengembangan proyek utama dimulai. Sebuah tim insinyur yang dipimpin oleh Müller secara bersamaan menciptakan dan mempertimbangkan lima opsi untuk arsitektur dan tata letak mesin turbin gas.
Diagram skema mesin berbeda satu sama lain dalam jumlah tahapan kompresor, turbin, dan lokasi turbin daya yang terkait dengan transmisi. Selain itu, beberapa opsi untuk lokasi ruang bakar dipertimbangkan. Jadi, dalam tata letak GTE versi ketiga dan keempat, diusulkan untuk membagi aliran udara dari kompresor menjadi dua. Satu aliran dalam hal ini harus masuk ke ruang bakar dan dari sana ke turbin memutar kompresor. Bagian kedua dari udara yang masuk, pada gilirannya, disuntikkan ke ruang bakar kedua, yang mengirimkan gas panas langsung ke turbin listrik. Juga, opsi dipertimbangkan dengan posisi penukar panas yang berbeda untuk memanaskan udara yang masuk ke mesin.
Pada versi pertama dari mesin yang menjanjikan, yang mencapai tahap desain penuh, kompresor diagonal dan aksial, serta turbin dua tahap, seharusnya ditempatkan pada sumbu yang sama. Turbin kedua seharusnya ditempatkan secara koaksial di belakang yang pertama dan terhubung ke unit transmisi. Pada saat yang sama, turbin daya yang memasok daya ke transmisi diusulkan untuk dipasang pada porosnya sendiri, tidak terhubung ke poros kompresor dan turbin. Solusi ini dapat menyederhanakan desain mesin, jika bukan karena satu kelemahan serius. Jadi, saat melepas beban (misalnya, selama pergantian gigi), turbin kedua dapat berputar hingga kecepatan yang berisiko merusak bilah atau hub. Diusulkan untuk menyelesaikan masalah dengan dua cara: memperlambat turbin yang bekerja pada saat yang tepat, atau menghilangkan gas darinya. Berdasarkan hasil analisis, opsi pertama dipilih.
Namun, versi pertama dari tangki GTE yang dimodifikasi terlalu rumit dan mahal untuk produksi massal. Müller melanjutkan penelitian lebih lanjut. Untuk menyederhanakan desain, beberapa suku cadang asli diganti dengan unit terkait yang dipinjam dari mesin turbojet Heinkel-Hirt 109-011. Selain itu, beberapa bantalan dilepas dari desain mesin tangki, tempat as roda mesin ditahan. Mengurangi jumlah penopang poros menjadi dua rakitan yang disederhanakan, tetapi menghilangkan kebutuhan akan poros terpisah dengan turbin yang mentransmisikan torsi ke transmisi. Turbin daya dipasang pada poros yang sama di mana impeler kompresor dan turbin dua tahap sudah berada. Ruang bakar dilengkapi dengan nozel berputar asli untuk menyemprotkan bahan bakar. Secara teori, mereka memungkinkan untuk menyuntikkan bahan bakar lebih efisien, dan juga membantu menghindari panas berlebih pada bagian-bagian tertentu dari struktur. Versi terbaru dari proyek telah siap pada pertengahan September 1944.
Unit tabung gas pertama untuk kendaraan lapis baja
Unit tabung gas pertama untuk kendaraan lapis baja
Opsi ini juga bukan tanpa kekurangannya. Pertama-tama, klaim tersebut menyebabkan kesulitan dalam mempertahankan torsi pada poros keluaran, yang sebenarnya merupakan perpanjangan dari poros utama mesin. Solusi ideal untuk masalah transmisi daya dapat menggunakan transmisi listrik, tetapi kekurangan tembaga membuat sistem seperti itu dilupakan. Sebagai alternatif untuk transmisi listrik, transformator hidrostatik atau hidrodinamik dipertimbangkan. Saat menggunakan mekanisme seperti itu, efisiensi transmisi daya sedikit berkurang, tetapi jauh lebih murah daripada sistem dengan generator dan motor listrik.
Mesin GT 101
Pengembangan lebih lanjut dari versi kedua proyek menyebabkan perubahan lebih lanjut. Jadi, untuk menjaga kinerja GTE di bawah beban kejut (misalnya, selama ledakan tambang), bantalan poros ketiga ditambahkan. Selain itu, kebutuhan untuk menyatukan kompresor dengan mesin pesawat menyebabkan perubahan beberapa parameter operasi tangki GTE. Secara khusus, konsumsi udara telah meningkat sekitar seperempat. Setelah semua modifikasi, proyek mesin tangki menerima nama baru - GT 101. Pada tahap ini, pengembangan pembangkit listrik turbin gas untuk tangki mencapai tahap di mana dimungkinkan untuk memulai persiapan pembangunan prototipe pertama, dan kemudian tangki dilengkapi dengan mesin turbin gas.
Namun demikian, penyempurnaan mesin terus berlanjut dan pada akhir musim gugur 1944, pekerjaan memasang pembangkit listrik baru di tangki belum dimulai. Saat itu, para insinyur Jerman hanya mengerjakan penempatan mesin pada tangki yang ada. Awalnya direncanakan bahwa pangkalan untuk GTE eksperimental adalah tangki berat PzKpfw VI - "Tiger". Namun, kompartemen mesin kendaraan lapis baja ini tidak cukup besar untuk menampung semua unit yang diperlukan. Bahkan dengan perpindahan yang relatif kecil, mesin GT 101 terlalu panjang untuk Tiger. Untuk alasan ini, diputuskan untuk menggunakan tangki PzKpfw V, juga dikenal sebagai Panther, sebagai kendaraan uji dasar.
Pada tahap finalisasi mesin GT 101 untuk digunakan pada tangki Panther, pelanggan yang diwakili oleh Direktorat Persenjataan Angkatan Darat, dan pelaksana proyek, menentukan persyaratan untuk prototipe. Diasumsikan bahwa mesin turbin gas akan membawa kekuatan spesifik tank dengan berat tempur sekitar 46 ton ke level 25-27 hp. per ton, yang secara signifikan akan meningkatkan karakteristik larinya. Pada saat yang sama, persyaratan untuk kecepatan maksimum hampir tidak berubah. Getaran dan goncangan akibat berkendara dengan kecepatan tinggi secara signifikan meningkatkan risiko kerusakan pada komponen sasis. Akibatnya, kecepatan maksimum yang diizinkan dibatasi hingga 54-55 kilometer per jam.
Unit turbin gas GT 101 di tangki "Panther"
Seperti dalam kasus Tiger, kompartemen mesin Panther tidak cukup besar untuk menampung mesin baru. Namun demikian, para desainer di bawah kepemimpinan Dr. Miller berhasil memasukkan GT 101 GTE ke dalam volume yang tersedia. Benar, pipa knalpot mesin besar harus ditempatkan di lubang bundar di pelat baja belakang. Terlepas dari keanehan yang tampak, solusi seperti itu dianggap nyaman dan cocok bahkan untuk produksi massal. Mesin GT 101 itu sendiri pada "Panther" eksperimental seharusnya ditempatkan di sepanjang sumbu lambung, dengan pergeseran ke atas, ke atap kompartemen mesin. Di sebelah mesin, di spatbor lambung, beberapa tangki bahan bakar ditempatkan di proyek. Tempat untuk transmisi ditemukan langsung di bawah mesin. Perangkat asupan udara dibawa ke atap gedung.
Penyederhanaan desain mesin GT 101, karena kehilangan turbin terpisah yang terkait dengan transmisi, menimbulkan kesulitan yang sifatnya berbeda. Untuk digunakan dengan GTE baru, transmisi hidrolik baru harus dipesan. Organisasi ZF (Zahnradfabrik dari Friedrichshafen) dalam waktu singkat menciptakan konverter torsi tiga tahap dengan Gearbox 12-kecepatan (!). Setengah dari roda gigi itu untuk mengemudi di jalan raya, sisanya untuk mengemudi di luar jalan raya. Dalam pemasangan transmisi mesin tangki eksperimental, juga perlu untuk memperkenalkan otomatisasi yang memantau mode operasi mesin. Perangkat kontrol khusus seharusnya memantau kecepatan mesin dan, jika perlu, menambah atau mengurangi gigi, mencegah GTE memasuki mode operasi yang tidak dapat diterima.
Menurut perhitungan para ilmuwan, turbin gas GT 101 dengan transmisi dari ZF dapat memiliki karakteristik berikut. Tenaga maksimum turbin mencapai 3750 hp, 2600 di antaranya diambil oleh kompresor untuk memastikan pengoperasian mesin. Dengan demikian, "hanya" 1100-1150 tenaga kuda yang tersisa pada poros keluaran. Kecepatan putaran kompresor dan turbin, tergantung pada beban, berfluktuasi antara 14-14,5 ribu putaran per menit. Suhu gas di depan turbin dijaga pada tingkat yang telah ditentukan 800 °. Konsumsi udara adalah 10 kilogram per detik, konsumsi bahan bakar spesifik, tergantung pada mode operasi, adalah 430-500 g / hp h.
Mesin GT 102
Dengan daya tinggi yang unik, mesin turbin gas tangki GT 101 memiliki konsumsi bahan bakar yang sama luar biasa, kira-kira dua kali lebih tinggi dari mesin bensin yang tersedia saat itu di Jerman. Selain konsumsi bahan bakar, GTE GT 101 memiliki beberapa masalah teknis lagi yang memerlukan penelitian dan koreksi tambahan. Dalam hal ini, proyek baru GT 102 dimulai, di mana direncanakan untuk mempertahankan semua keberhasilan yang dicapai dan menghilangkan kekurangan yang ada.
Pada bulan Desember 1944, A. Müller sampai pada kesimpulan bahwa perlu untuk kembali ke salah satu ide sebelumnya. Untuk mengoptimalkan pengoperasian GTE baru, diusulkan untuk menggunakan turbin terpisah pada porosnya sendiri, yang terhubung ke mekanisme transmisi. Pada saat yang sama, turbin tenaga mesin GT 102 harus menjadi unit terpisah, tidak ditempatkan secara koaksial dengan unit utama, seperti yang diusulkan sebelumnya. Blok utama pembangkit listrik turbin gas baru adalah GT 101 dengan sedikit perubahan. Itu memiliki dua kompresor dengan sembilan tahap dan turbin tiga tahap. Saat mengembangkan GT 102, ternyata blok utama mesin GT 101 sebelumnya, jika perlu, tidak dapat ditempatkan di sepanjang, tetapi di seberang kompartemen mesin tangki Panther. Begitu pula saat merakit unit tangki percobaan. Perangkat asupan udara dari mesin turbin gas sekarang terletak di atap di sisi kiri, pipa knalpot di sisi kanan.
Unit turbin gas GT 102 di tangki "Panther"
Unit kompresor turbin gas GT 102
Antara kompresor dan ruang bakar blok mesin utama, disediakan pipa untuk mengalirkan udara ke ruang bakar dan turbin tambahan. Menurut perhitungan, 70% udara yang masuk ke kompresor harus melalui bagian utama mesin dan hanya 30% melalui bagian tambahan, dengan turbin tenaga. Lokasi blok tambahan menarik: sumbu ruang bakar dan turbin daya seharusnya terletak tegak lurus dengan sumbu blok mesin utama. Diusulkan untuk menempatkan unit turbin daya di bawah unit utama dan melengkapinya dengan pipa knalpot mereka sendiri, yang dibawa keluar di tengah atap kompartemen mesin.
"Penyakit bawaan" dari tata letak mesin turbin gas GT 102 adalah risiko memutar turbin listrik secara berlebihan dengan kerusakan atau kehancuran berikutnya. Diusulkan untuk memecahkan masalah ini dengan cara paling sederhana: menempatkan katup untuk mengontrol aliran dalam pipa yang memasok udara ke ruang bakar tambahan. Pada saat yang sama, perhitungan menunjukkan bahwa GT 102 GTE baru mungkin memiliki respons throttle yang tidak memadai karena kekhasan pengoperasian turbin daya yang relatif ringan. Spesifikasi desain, seperti daya poros keluaran atau daya turbin unit utama, tetap pada level yang sama dengan mesin GT 101 sebelumnya, yang dapat dijelaskan dengan hampir tidak adanya perubahan desain utama, kecuali tampilan daya. unit turbin. Perbaikan mesin lebih lanjut membutuhkan penggunaan solusi baru atau bahkan pembukaan proyek baru.
Turbin kerja terpisah untuk GT 102
Sebelum memulai pengembangan model GTE berikutnya, yang disebut GT 103, Dr. A. Müller berusaha memperbaiki tata letak GT 102 yang ada. Masalah utama desainnya adalah dimensi unit utama yang agak besar, yang membuat sulit untuk menempatkan seluruh mesin di kompartemen mesin dari tangki yang tersedia saat itu. Untuk mengurangi panjang unit transmisi mesin, diusulkan untuk merancang kompresor sebagai unit terpisah. Dengan demikian, tiga unit yang relatif kecil dapat ditempatkan di dalam kompartemen mesin tangki: kompresor, ruang bakar utama dan turbin, serta unit turbin daya dengan ruang bakarnya sendiri. Versi GTE ini diberi nama GT 102 Ausf. 2. Selain menempatkan kompresor di unit terpisah, upaya telah dilakukan untuk melakukan hal yang sama dengan ruang bakar atau turbin, tetapi tidak banyak berhasil. Desain mesin turbin gas tidak memungkinkan dirinya untuk dibagi menjadi sejumlah besar unit tanpa kehilangan kinerja yang nyata.
Mesin GT 103
Sebuah alternatif untuk mesin turbin gas GT 102 Ausf. 2 dengan kemungkinan pengaturan unit "bebas" dalam volume yang ada adalah pengembangan baru dari GT 103. Kali ini pembuat mesin Jerman memutuskan untuk tidak fokus pada kenyamanan penempatan, tetapi pada efisiensi kerja. Sebuah penukar panas dimasukkan ke dalam peralatan mesin. Diasumsikan bahwa dengan bantuannya gas buang akan memanaskan udara yang masuk melalui kompresor, yang akan mencapai penghematan bahan bakar yang nyata. Inti dari solusi ini adalah bahwa udara yang dipanaskan akan memungkinkan untuk menghabiskan lebih sedikit bahan bakar untuk mempertahankan suhu yang diperlukan di depan turbin. Menurut perhitungan awal, penggunaan heat exchanger bisa mengurangi konsumsi bahan bakar hingga 25-30 persen. Dalam kondisi tertentu, penghematan tersebut mampu membuat GTE baru cocok untuk penggunaan praktis.
Pengembangan penukar panas dipercayakan kepada "subkontraktor" dari perusahaan Brown Boveri. Perancang kepala unit ini adalah V. Khrinizhak, yang sebelumnya mengambil bagian dalam pembuatan kompresor untuk mesin turbin gas tangki. Selanjutnya, Chrynižak menjadi spesialis terkenal dalam penukar panas dan partisipasinya dalam proyek GT 103 mungkin merupakan salah satu prasyarat untuk ini. Ilmuwan menerapkan solusi yang agak berani dan orisinal: elemen utama penukar panas baru adalah drum berputar yang terbuat dari keramik berpori. Beberapa partisi khusus ditempatkan di dalam drum, yang memastikan sirkulasi gas. Selama operasi, gas buang panas masuk ke dalam drum melalui dinding berpori dan memanaskannya. Ini terjadi selama setengah putaran drum. Setengah putaran berikutnya digunakan untuk mentransfer panas ke udara yang lewat dari dalam ke luar. Berkat sistem penyekat di dalam dan di luar silinder, udara dan gas buang tidak bercampur satu sama lain, yang mengecualikan kerusakan mesin.
Penggunaan penukar panas menyebabkan kontroversi serius di antara penulis proyek. Beberapa ilmuwan dan desainer percaya bahwa penggunaan unit ini di masa depan akan memungkinkan untuk mencapai daya tinggi dan laju aliran udara yang relatif rendah. Yang lain, pada gilirannya, melihat di penukar panas hanya sarana yang meragukan, yang manfaatnya tidak dapat secara signifikan melebihi kerugian dari kerumitan desain. Dalam perselisihan tentang perlunya penukar panas, para pendukung unit baru menang. Di beberapa titik, bahkan ada proposal untuk melengkapi mesin turbin gas GT 103 dengan dua perangkat untuk memanaskan udara sekaligus. Penukar panas pertama dalam hal ini harus memanaskan udara untuk blok mesin utama, yang kedua untuk ruang bakar tambahan. Dengan demikian, GT 103 sebenarnya adalah GT 102 dengan penukar panas yang diperkenalkan ke dalam desain.
Mesin GT 103 tidak dibuat, itulah sebabnya Anda harus puas dengan karakteristik yang diperhitungkan saja. Selain itu, data yang tersedia pada GTE ini dihitung bahkan sebelum akhir pembuatan penukar panas. Oleh karena itu, sejumlah indikator dalam praktiknya, mungkin, bisa menjadi jauh lebih rendah dari yang diharapkan. Kekuatan unit utama, yang dihasilkan oleh turbin dan diserap oleh kompresor, seharusnya sama dengan 1400 tenaga kuda. Kecepatan desain maksimum putaran kompresor dan turbin unit utama adalah sekitar 19 ribu putaran per menit. Konsumsi udara di ruang bakar utama - 6 kg / s. Diasumsikan bahwa penukar panas akan memanaskan udara yang masuk hingga 500 °, dan gas di depan turbin akan memiliki suhu sekitar 800 °.
Turbin tenaga, menurut perhitungan, seharusnya berputar pada kecepatan hingga 25 ribu rpm dan memberikan 800 hp pada poros. Konsumsi udara dari unit tambahan adalah 2 kg / s. Parameter suhu udara masuk dan gas buang seharusnya sama dengan karakteristik yang sesuai dari unit utama. Konsumsi bahan bakar total seluruh mesin dengan penggunaan penukar panas yang sesuai tidak akan melebihi 200-230 g / hp h.
Hasil program
Pengembangan mesin turbin gas tangki Jerman dimulai hanya pada musim panas 1944, ketika peluang Jerman untuk memenangkan Perang Dunia Kedua semakin berkurang setiap hari. Tentara Merah menyerang Reich Ketiga dari timur, dan pasukan Amerika Serikat dan Inggris Raya datang dari barat. Dalam kondisi seperti itu, Jerman tidak memiliki peluang yang cukup untuk manajemen penuh dari banyak proyek yang menjanjikan. Semua upaya untuk membuat mesin baru yang fundamental untuk tank bertumpu pada kurangnya uang dan waktu. Karena itu, pada Februari 1945, sudah ada tiga proyek penuh mesin turbin gas tangki, tetapi tidak ada yang mencapai tahap perakitan prototipe. Semua pekerjaan terbatas hanya untuk studi teoritis dan tes unit percobaan individu.
Pada bulan Februari 1945, terjadi peristiwa yang dapat dianggap sebagai awal dari berakhirnya program Jerman untuk pembuatan mesin turbin gas tangki. Dr Alfred Müller telah dihapus dari jabatannya sebagai kepala proyek, dan senama, Max Adolf Müller, diangkat ke posisi yang kosong. MA Müller juga seorang spesialis terkemuka di bidang pembangkit listrik turbin gas, tetapi kedatangannya di proyek tersebut menghentikan perkembangan yang paling maju. Tugas utama di bawah pimpinan baru adalah menyempurnakan mesin GT 101 dan memulai produksi serialnya. Kurang dari tiga bulan tersisa sampai akhir perang di Eropa, itulah sebabnya perubahan kepemimpinan proyek tidak punya waktu untuk mengarah pada hasil yang diinginkan. Semua GTE tank Jerman tetap di atas kertas.
Menurut beberapa sumber, dokumentasi untuk proyek-proyek jalur "GT" jatuh ke tangan sekutu dan mereka menggunakannya dalam proyek mereka. Namun, hasil praktis pertama di bidang mesin turbin gas untuk kendaraan darat, yang muncul setelah akhir Perang Dunia II di luar Jerman, memiliki sedikit kesamaan dengan perkembangan kedua Dr. Müller. Adapun mesin turbin gas yang dirancang khusus untuk tangki, tangki seri pertama dengan pembangkit listrik seperti itu meninggalkan toko perakitan pabrik hanya seperempat abad setelah penyelesaian proyek Jerman.
