БМВ ГТ 101

Эта статья включает список ссылок , связанных чтений или внешних ссылок , но ее источники остаются неясными, поскольку в ней отсутствуют встроенные цитаты . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, введя более точные цитаты. ( Март 2011 ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

BMW GT 101 был газотурбинным двигателем турбовального типа , разработанным на основе авиационного двигателя BMW 003 , который рассматривался для установки в танк Panther нацистской Германии . Отдел разработок немецкой армии , Heereswaffenamt (армейское управление вооружений), изучал ряд газотурбинных двигателей для использования в танках, начиная с середины 1944 года. Хотя ни один из них не был установлен на вооружение, GT 101 (GT для «Газовая турбина») достиг стадии разработки качества производства. За время существования программы было выпущено несколько конструкций, включая GT 102 и GT 103 .

Еще в середине 1943 года Адольф Мюллер, ранее работавший в подразделении Junkers Jumo по производству силовых установок для самолетов материнской авиационной фирмы Junkers в Дессау , а затем в подразделении реактивных двигателей Heinkel-Hirth ( Heinkel Strahltriebwerke) , предложил использовать газовую турбину для двигателей бронетехники. Газовая турбина была бы намного легче, чем поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением на бензине мощностью 600 л. с. и более, которые использовались в танках следующего поколения и к тому времени в основном поставлялись фирмой Maybach для существующих конструкций бронированных боевых машин вермахта Heer , что значительно улучшило бы их соотношение мощности к весу и, таким образом, улучшило бы характеристики проходимости и, потенциально, прямую скорость. Однако в то время существовали значительные проблемы с использованием газотурбинных двигателей в этой роли. В случае чисто турбореактивного двигателя для авиационных целей горячий выхлоп турбины используется непосредственно только для тяги; Но в случае использования газовой турбины для тягового двигателя любое тепло, выходящее из выхлопных газов, по сути, было пустой тратой мощности. Выхлоп турбины был намного горячее, чем у поршневого двигателя, а газотурбинные двигатели новаторской конструкции обладали ужасно плохими показателями экономии топлива по сравнению с традиционными конструкциями поршневых двигателей. С другой стороны, использование недорогого и широкодоступного керосина в качестве топлива компенсировало этот недостаток, по крайней мере, в некоторой степени, поэтому общая экономичность работы двигателей могла оказаться схожей. Другая проблема заключалась в том, что газотурбинный двигатель хорошо работает только вблизи определенной расчетной рабочей скорости, хотя на этой скорости (или около нее) он может обеспечивать широкий диапазон выходного крутящего момента . Точнее говоря, турбины обеспечивают очень небольшой крутящий момент на низких скоростях, что является гораздо меньшей проблемой для поршневого двигателя и совсем не является проблемой для электродвигателя. Чтобы использовать турбину в роли танка, конструкция должна была бы использовать усовершенствованную трансмиссию и сцепление, которые позволяли бы двигателю работать в ограниченном диапазоне скоростей, или альтернативно использовать какой-либо другой метод извлечения мощности. Сначала армия не проявила интереса, и Мюллер обратился к проекту усовершенствованного турбонагнетателя для BMW (неясно, была ли эта конструкция использована). Когда эта работа была завершена в январе 1944 года, он снова обратился к проектам тяговых двигателей и в конечном итоге встретился с Heereswaffenamt в июне 1944 года, чтобы представить ряд предлагаемых проектов для 1000-сильного агрегата. Учитывая чрезвычайные проблемы Германии с поставками топливаВ конце войны использование низкосортного топлива, независимо от того, сколько его требовалось и использовалось, на самом деле рассматривалось как важное преимущество и главная причина, по которой Управление вооруженных сил в конечном итоге заинтересовалось этой конструкцией.

Первый детальный проект Мюллера был простой модификацией традиционного реактивного двигателя, причем основной двигатель 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 основного двигателя, горячие газы двигателя приводили в действие турбину, а значит, и танк. Поскольку основной двигатель был отделен от отбора мощности, крутящий момент был доступен немедленно, поскольку основной двигатель мог работать на полной скорости, вырабатывая небольшое количество энергии, а ненужные газы «сбрасывались». Однако эта конструкция имела серьезную проблему: когда нагрузка снималась, например, во время переключения передач, силовая турбина разгружалась и могла выйти из-под контроля. Либо силовую турбину приходилось тормозить в эти периоды, либо поток газа из основного двигателя приходилось сбрасывать.

Другая проблема заключалась в том, что Heereswaffenamt был серьезно обеспокоен качеством топлива, которое они могли найти. В отличие от роли авиации, где ожидалось, что топливо будет высокоочищенным, считалось, что армия, скорее всего, получит топливо более низкого качества, которое, как можно было ожидать, будет содержать всевозможные тяжелые загрязняющие вещества. Это привело к возможности того, что топливо не успеет правильно смешаться в традиционной конструкции, что приведет к плохому сгоранию. Они были особенно заинтересованы в том, чтобы топливные инжекторы вращались вместе с ядром двигателя, что, как можно было ожидать, приведет к гораздо лучшему смешиванию, с дополнительным преимуществом в виде уменьшения горячих точек на статорах турбины . К сожалению, конструкция Мюллера, по-видимому, не могла быть адаптирована для использования этих инжекторов, и в конечном итоге 12 августа 1944 года конструкция была отклонена.

Затем Мюллер обратился к проектам, в которых убиралась отдельная силовая турбина и вместо этого требовалась какая-то трансмиссия, поддерживающая крутящий момент. Лучшим решением проблемы было бы приводить в действие электрический генератор и использовать мощность для привода двигателей для тяги (система, которую Порше пытался внедрить несколько раз), но серьезная нехватка меди к этому моменту войны — а также ее относительно низкое качество на протяжении всей войны для использования в электричестве из ресурсов медной руды , к которым Германия могла получить доступ — исключили это решение. Вместо этого должна была использоваться какая-то гидравлическая трансмиссия, хотя изначально это не было указано. Кроме того, новый проект включал вращающиеся топливные инжекторы в камере сгорания , в которых было заинтересовано Управление вооруженных сил. Мюллер представил новый проект 14 сентября, и Управление вооруженных сил проявило гораздо больший интерес — ухудшение ситуации с поставками топлива в этот момент также могло быть фактором.

Как ни странно, затем они предположили, что любой сердечник двигателя, разработанный для этой роли, должен также подходить для использования в авиации, что привело к отказу от вращающихся инжекторов в конце концов и в конечном итоге к использованию модифицированного сердечника BMW 003 из хорошо зарекомендовавшей себя конструкции. Базовую компоновку пришлось модифицировать, добавив третий подшипник около середины двигателя, чтобы помочь поглощать ударные нагрузки, а третья ступень турбины была добавлена ​​в конец двигателя, чтобы использовать больший крутящий момент. В отличие от более ранней конструкции, отбор мощности мог быть размещен в любом месте (не только вне ступени свободной турбины) и фактически был перемещен в переднюю часть двигателя, чтобы сделать конструкцию максимально совместимой с существующими отсеками двигателя. Базовая конструкция была завершена в середине ноября и получила название GT 101 .

Первоначально они намеревались установить новый двигатель в танке Tiger, разработанном Henschel , но хотя двигатель был меньше, в диаметральном смысле, чем поршневой двигатель V-12, который он заменил, его начало как авиационный турбореактивный двигатель BMW 003 с осевым компрессором означало, что он был слишком длинным, чтобы поместиться в моторный отсек Tiger I. Затем внимание переключилось на Panther, который к этому моменту войны в любом случае должен был стать основой всего будущего производства танков (подробности см. в серии Entwicklung ). Для экспериментальной установки Porsche предоставил один из прототипов корпусов Jagdtiger .

Установка GT 101 в корпус Panther потребовала некоторых конструкторских усилий, но в конечном итоге была найдена подходящая компоновка. Выхлоп двигателя был оснащен большим расходящимся диффузором для снижения скорости и температуры выхлопа, что также позволило использовать большую третью ступень турбины. Вся область выхлопа выходила из задней части моторного отсека в «свободный воздух», что делало его чрезвычайно уязвимым для огня противника, и было решено, что это непрактично для производственной системы.

Для установки была создана новая автоматическая коробка передач от Zahnradfabrik из Фридрихсхафена (ZF), которая имела три уровня сцепления в гидротрансформаторе и двенадцать скоростей. Трансмиссия также включала в себя электрическое сцепление, которое механически полностью отключалось от двигателя при 5000 об/мин, ниже которого двигатель не выдавал крутящего момента на выходе. На полной скорости, 14 000 об/мин, сам двигатель также действовал как огромный маховик, что значительно улучшало проходимость, позволяя сбрасывать часть избыточной скорости двигателя в трансмиссию, чтобы тянуть танк через неровности.

С точки зрения производительности GT 101 был бы на удивление эффективен. Он бы выдавал в общей сложности 3750 л. с., используя 2600 л. с. для работы компрессора и, таким образом, оставляя 1150 л. с. для питания трансмиссии. Весь узел двигателя весил 450 кг (992 фунта), не включая трансмиссию. Для сравнения, существующий Maybach HL230 P30 , который он заменил, выдавал 620 л. с., но весил сравнительно большие 1200 кг (2646 фунтов). С Maybach Panther имел удельную мощность около 13,5 л. с./тонну, с GT 101 она увеличивалась до 27 л. с./тонну, значительно превосходя любой танк Второй мировой войны (например, у Т-34 она составляла 16,2 л. с./тонну) и почти совпадая с максимальной мощностью современного американского танка M1 Abrams с турбовальным двигателем в 26,9 л. с./тонну. По другим причинам, в основном из-за износа, скорости для Panther с двигателем GT 101 были намеренно ограничены скоростями бензиновых Panther. Единственными недостатками были слабый крутящий момент на низких настройках мощности и расход топлива примерно вдвое больше, чем у Maybach, что создавало проблемы с поиском достаточного места для топливного бака — похожая проблема существовала и с ранними немецкими газовыми турбинами, которые использовались для движения самолетов.

Пока продолжалась работа над GT 101, Мюллер предложил другой способ создания двигателя со свободной турбиной, который позволил избежать проблем с его первоначальными проектами. В декабре 1944 года он представил свои планы, которые были приняты к разработке под названием 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 питать себя и ничего больше, никакой мощности не отбиралось из основного двигателя для приведения в движение танка. Сжатый воздух из компрессора основного двигателя, 30% от общего потока воздуха, отводился через трубу в совершенно отдельную двухступенчатую турбину с собственной камерой сгорания. Это позволило избежать проблем превышения скорости оригинальной конструкции; когда нагрузка снималась, простое отключение потока воздуха к турбине замедляло ее. Это также означало, что основной двигатель мог работать на полной скорости, в то время как силовая турбина работала на низкой скорости, обеспечивая значительно улучшенный крутящий момент на низкой скорости. Единственным недостатком конструкции было то, что силовая турбина больше не имела огромной вращающейся массы GT 101, и, таким образом, не предлагала никакого значительного накопления энергии маховика .

Поскольку турбинная секция основного двигателя больше не питалась всем воздухом от компрессора, ее можно было сделать меньше, чем в GT 101. Это сделало двигатель короче в целом, что позволило установить его поперечно в верхней части моторного отсека Panther, в более широкой области над гусеницами. Затем силовая турбина была установлена ​​в пустом пространстве внизу, смонтированном под прямым углом к ​​двигателю. Это расположило ее на одной линии с обычной трансмиссией, которая была расположена в передней части транспортного средства, приводя ее в движение через вал привода. Монтаж был значительно более практичным, чем у GT 101, и также полностью «под броней». Хотя GT 102 имел экономию топлива примерно такую ​​же, как у GT 101, монтаж оставил значительно больше пустого места в моторном отсеке в пространстве, ранее использовавшемся системой охлаждения двигателя, которое можно было использовать для новых топливных элементов, удваивая общую топливную емкость до 1400 литров и, таким образом, обеспечивая такой же запас хода, как и у оригинального бензинового двигателя.

Большая часть проектных работ по GT 102 была завершена к началу 1945 года, и чертежи должны были быть доставлены 15 февраля (вместе с окончательными чертежами GT 101). Похоже, чертежи не были доставлены, вероятно, из-за ухудшающихся военных условий.

Чтобы еще больше улучшить посадку GT 102 в Panther, конструкция GT 102 Ausf. 2 изменила несколько секций оригинальной компоновки газогенератора, чтобы сократить зону компрессора и камеру сгорания. Они были несколько длиннее в GT 102, чем они были бы в сопоставимом авиационном двигателе, чтобы обеспечить лучшее смешивание с топливом более низкого качества. Ausf. 2 вернул их к их первоначальным размерам и вместо этого снова ввел вращающиеся топливные инжекторы из оригинальных конструкций до GT 101. Компрессор был еще больше уменьшен в длине, сократив его с девяти до семи ступеней, но сохранил первоначальную степень сжатия , работая на первой ступени близкой к 1 Мах . Благодаря этим сокращениям длины двигатель можно было разместить продольно в моторном отсеке, что позволило использовать пространство над гусеницами для хранения топлива, как это было изначально.

Большая часть плохой топливной экономичности газовой турбины в тяговой роли была обусловлена ​​горячим выхлопом, который по сути представлял собой потерянную энергию. 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 не являются обычным явлением, они используются в ряде приложений сегодня.

W. Hryniszak из Brown Boveri в Гейдельберге спроектировал рекуператор, который был добавлен к неизмененной конструкции GT 102 для производства GT 103. Теплообменник использовал вращающийся пористый керамический цилиндр, вставленный в крестообразный канал. Воздух из выхлопа газогенератора поступал в канал снаружи цилиндра при температуре 500 °C и обдувал цилиндр, нагревая его, а затем выпуская при температуре около 350 °C. Керамический цилиндр вращался медленно, чтобы избежать перегрева «горячей» стороны. Сжатый воздух, поступающий в силовую турбину, подавался по трубе через середину цилиндра, входя при температуре около 180 °C и выходя при температуре около 300 °C.

Это означало, что 120 °C из 800 °C конечной температуры воздуха не должны были обеспечиваться топливом, что представляло собой довольно существенную экономию. Оценки предполагали улучшение расхода топлива примерно на 30%. Также предполагалось, что второй теплообменник может быть использован на ядре двигателя газогенератора, что сэкономит еще 30%. Это сократило потребление топлива в целом вдвое, сделав его похожим на оригинальный бензиновый двигатель. Эти оценки кажутся необоснованными в ретроспективе, хотя General Motors действительно экспериментировала с этими системами в течение 1960-х и 1970-х годов.

Сопутствующее развитие

• БМВ 003

• Кей, Энтони, Развитие немецких реактивных двигателей и газовых турбин 1930-1945 гг ., Airlife Publishing, 2002, ISBN  9781840372946