BMW GT 101
BMW GT 101 var en gasturbinmotor av turboaxeltyp utvecklad från BMW 003 flygmotor, som övervägdes för installation i Nazitysklands Panther-tank . Den tyska arméns utvecklingsavdelning, Heereswaffenamt (Army Ordnance Board), studerade ett antal gasturbinmotorer för användning i tankar med början i mitten av 1944. Även om ingen av dessa var monterad operativt, nådde GT 101 (GT för "Gas Turbine") ett produktionskvalitetsstadium av utveckling. Flera mönster producerades under programmets livstid, inklusive GT 102 och GT 103 .
Ursprung
Redan i mitten av 1943 föreslog Adolf Müller, tidigare från Junkers Jumo flygkraftverksdivision av moderflygföretaget Junkers i Dessau , och sedan Heinkel-Hirths ( Heinkel Strahltriebwerke) jetmotordivision , användning av en gasturbin för pansar. fordonsmotorer. En gasturbin skulle vara mycket lättare än de bensindrivna kolvmotorer med 600 hk plus klass som används i nästa generations stridsvagnar, fram till den tiden främst hämtade från Maybach-företaget för Wehrmacht Heers befintliga konstruktioner av pansarstridsfordon , att det avsevärt skulle förbättra deras kraft-till-vikt-förhållande och därigenom förbättra längdåkningsprestanda och potentiellt direkt hastighet. På den tiden fanns det dock stora utmaningar med användningen av gasturbinmotorer i denna roll. I fallet med en ren turbojetmotor för flygändamål används det heta avgaserna från turbinen direkt för enbart dragkraft; men i fallet med en gasturbin som användes för dragmotorn var all värme som strömmade ut från avgaserna i huvudsak bortkastad kraft. Turbinavgaserna var mycket hetare än från en kolvmotor, med banbrytande designade gasturbinmotorer som hade fruktansvärt dåliga bränsleekonomisiffror jämfört med traditionella kolvmotorkonstruktioner. På uppsidan, användandet av billig och allmänt tillgänglig fotogen som bränsle kompenserade denna nackdel åtminstone till viss del, så den totala ekonomin för att köra motorerna kan sluta bli liknande. Ett annat problem var att gasturbinmotorn bara fungerar bra nära en viss designad arbetshastighet, även om den vid (eller nära) den hastigheten kan ge ett brett spektrum av utgående vridmoment . Mer specifikt erbjuder turbiner väldigt lite vridmoment vid låga hastigheter, vilket är mycket mindre problem för en kolvmotor och inte alls för en elmotor. För att kunna använda en turbin i tankrollen skulle konstruktionen behöva använda en avancerad transmission och koppling som gjorde att motorn kunde köras med ett begränsat varvtal, eller alternativt använda någon annan metod för att utvinna kraft. Först var armén ointresserad, och Müller vände sig till designen av en avancerad turbosupercharger för BMW (det är oklart om denna design såg användning). När detta arbete var avslutat i januari 1944 vände han sig återigen till dragmotorkonstruktionerna och träffade så småningom Heereswaffenamt i juni 1944 för att presentera ett antal föreslagna konstruktioner för en 1 000-hästars enhet. Med tanke på de extrema problem Tyskland hade med bränsleförsörjningen sent i kriget, sågs användningen av lågvärdiga bränslen, oavsett hur mycket av det som behövdes och användes, faktiskt som en stor fördel, och den främsta anledningen till att Heereswaffenamt så småningom blev intresserade av designen.
Preliminär design
Müllers första detaljerade design var en enkel modifiering av en traditionell jetmotor, där kärnmotorn var baserad på den experimentella Heinkel HeS 011 , av vilken endast 19 kompletta exemplar någonsin byggdes. I denna konstruktion skruvades en separat turbin- och kraftuttagsaxel fast på avgasröret från motorkärnan, de heta gaserna från motorn drev turbinen och därmed tanken. Eftersom motorkärnan var skild från kraftuttaget var vridmoment tillgängligt omedelbart eftersom kärnan kunde lämnas i full fart samtidigt som den genererade små mängder kraft, varvid de onödiga gaserna "dumpades". Denna design hade dock ett allvarligt problem; när lasten togs bort, till exempel vid växlingar, var kraftturbinen avlastad och kunde rasa utom kontroll. Antingen behövde kraftturbinen bromsas under dessa perioder, eller så behövde gasflödet från motorkärnan dumpas.
Ett annat problem var att Heereswaffenamt var allvarligt oroad över kvaliteten på de bränslen de kunde hitta. Till skillnad från luftfartsrollen där det förväntades att bränslet skulle vara mycket raffinerat, ansågs det troligt att armén skulle sluta med bränslen av lägre kvalitet som kunde förväntas innehålla alla typer av tunga föroreningar. Detta ledde till möjligheten att bränslet inte skulle hinna blandas ordentligt i en traditionell design, vilket ledde till dålig förbränning. De var särskilt intresserade av att låta bränsleinjektorerna rotera tillsammans med motorns kärna, vilket kunde förväntas leda till mycket bättre blandning, med den ytterligare fördelen att minska hot spots på turbinens statorer . Tyvärr verkade Müllers design inte kunna anpassas för att använda dessa injektorer, och designen förkastades så småningom den 12 augusti 1944.
Müller vände sig sedan till konstruktioner som tog bort den separata kraftturbinen och istället krävde någon form av vridmomentupprätthållande transmission. Den bästa lösningen på problemet skulle ha varit att driva en elektrisk generator och använda kraften för att driva motorer för dragkraft (ett system som Porsche hade försökt införa flera gånger), men en allvarlig brist på koppar vid denna tidpunkt i kriget - likaså eftersom dess relativt dåliga kvalitet under hela kriget för elektrisk användning, från kopparmalmresurser som Tyskland kunde komma åt — uteslöt denna lösning. Istället skulle någon sorts hydraulisk transmission användas, även om det inte var specificerat från början. Dessutom inkluderade den nya designen de roterande bränsleinjektorerna i förbränningskammaren som Heereswaffenamt var intresserade av. Müller presenterade den nya designen den 14 september, och Heereswaffenamt visade sig vara betydligt mer intresserad – den försämrade bränsletillförselsituationen vid denna tidpunkt kan ha varit en faktor likaså.
Konstigt nog föreslog de då att alla motorkärnor som utvecklats för denna roll också skulle vara lämpliga för flyganvändning, vilket ledde till att de roterande insprutarna trots allt övergavs, och så småningom till användningen av en modifierad BMW 003-kärna, från en väl beprövad design. Den grundläggande layouten måste modifieras med tillägg av ett tredje lager nära mitten av motorn för att hjälpa till att absorbera stötbelastningar, och ett tredje turbinsteg lades till i slutet av motorn för att utnyttja mer vridmoment. Till skillnad från den tidigare designen kunde kraftuttaget placeras var som helst (inte bara utanför det fria turbinsteget) och flyttades i själva verket till framsidan av motorn för att göra designen så kompatibel som möjligt med befintliga motorrum. Grundkonstruktionen blev klar i mitten av november, och fick namnet GT 101 .
Ursprungligen hade de tänkt att montera den nya motorn i den Henschel-designade Tiger-tanken , men även om motorn var mindre, på ett diametralt sätt än V-12-kolvmotorn som den ersatte, började dess början som den axialkompressorbaserade BMW 003 flygturbojet. innebar att den var för lång för att få plats i Tiger I:s motorrum. Uppmärksamheten vändes sedan till Pantern, som vid denna tidpunkt i kriget ändå skulle vara grunden för all framtida stridsvagnsproduktion (se Entwicklung- serien för detaljer). För experimentell montering tillhandahöll Porsche ett av prototypen Jagdtiger- skrov.
Montering av GT 101 i Panther-skrovet tog en del designansträngning, men så småningom fann man ett lämpligt arrangemang. Motoravgaserna var försedda med en stor divergerande diffusor för att sänka avgashastigheten och temperaturen, vilket också möjliggjorde ett större tredje turbinsteg. Hela avgasområdet sträckte sig ut från den bakre delen av motorrummet till "fri luft", vilket gjorde det extremt sårbart för fiendens eld, och man insåg att detta inte var praktiskt för ett produktionssystem.
En ny automatlåda från Zahnradfabrik i Friedrichshafen (ZF) byggdes för beslaget, den hade tre kopplingsnivåer i momentomvandlaren och tolv växlar. Transmissionen inkluderade också en elektriskt manövrerad koppling som mekaniskt kopplade ur motorn helt vid 5 000 rpm, under vilken motorn inte producerade något vridmoment på utgången. Vid full hastighet, 14 000 rpm, fungerade även själva motorn på samma sätt som ett enormt svänghjul, vilket avsevärt förbättrade längdåkningsprestandan genom att tillåta en del av motorns överhastighet att dumpas i transmissionen för att dra tanken över gupp.
När det gäller prestanda skulle GT 101 ha varit förvånansvärt effektiv. Den skulle ha producerat totalt 3 750 hk, använda 2 600 hk för att driva kompressorn och därmed lämna 1 150 hk för att driva transmissionen. Hela motorenheten vägde 450 kg (992 lb), exklusive transmissionen. I jämförelse, den befintliga Maybach HL230 P30 som den ersatte gav 620 hk men vägde ändå jämförelsevis enorma 1 200 kg (2 646 lb). Med Maybach hade Pantern en specifik effekt på cirka 13,5 hk/ton, med GT 101 skulle detta förbättras till 27 hk/ton, och överträffa alla stridsvagnar från andra världskriget med stor marginal (till exempel var T-34 16,2 hk/ ton ) ton) och nästan matchar den moderna, turboaxeldrivna amerikanska M1 Abrams -tankens egna toppbetyg på 26,9 hk/ton. Av andra skäl, huvudsakligen slitage, skulle hastigheterna för en GT 101-driven Panther medvetet begränsas till de bensindrivna Panthers. De enda nackdelarna var dåligt vridmoment vid låga effektinställningar och en bränsleförbrukning ungefär dubbelt så stor som Maybach, vilket gav problem med att hitta tillräckligt med utrymme för bränsletankage - ett liknande problem fanns också med tidiga tyska gasturbiner som användes för framdrivning av flygplan.
GT 102
Medan arbetet med GT 101 fortsatte, föreslog Müller ett annat sätt att bygga friturbinmotorn som undvek problemen med hans ursprungliga konstruktioner. I december 1944 presenterade han sina planer, som accepterades för utveckling som GT 102 .
Grundidén med GT 102 var att helt separera kraftturbinen från själva motorn genom att använda den senare som en gasgenerator . Kärnmotorn kördes tillräckligt varm för att driva sig själv och inget mer, ingen kraft togs från kärnan för att driva tanken. Tryckluft från kärnans kompressor, 30 % av det totala luftflödet, släpptes ut genom ett rör till en helt separat tvåstegsturbin med egen förbränningskammare. Detta undvek överhastighetsproblemen med den ursprungliga designen; när belastningen togs bort, skulle det helt enkelt bromsa luftflödet till turbinen. Detta innebar också att kärnan kunde köras med full hastighet medan kraftturbinen gick med låg hastighet, vilket gav avsevärt förbättrat vridmoment vid låg hastighet. Den enda nackdelen med konstruktionen var att kraftturbinen inte längre hade den enorma spinnmassan som GT 101:an och därmed inte erbjöd någon betydande svänghjulsenergilagring .
Eftersom turbindelen av kärnmotorn inte längre matades all luft från kompressorn, kunde den byggas mindre än i GT 101. Detta gjorde att motorn totalt sett blev kortare, vilket gjorde att den kunde installeras på tvären i den övre delen av motorn. Panterns motorrum, i det bredare området ovanför spåren. Kraftturbinen monterades sedan i det tomma utrymmet nedanför, monterad i rät vinkel mot motorn. Detta placerade den i linje med den normala transmissionen, som var placerad framtill på fordonet, och drev den via en kraftaxel. Monteringen var betydligt mer praktisk än GT 101, och helt "under armor" också. Även om GT 102 hade en bränsleekonomi som var ungefär lika med GT 101, lämnade monteringen betydligt mer tomt utrymme i motorrummet i det utrymme som tidigare användes av motorns kylsystem och som kunde användas för nya bränsleceller, vilket fördubblade den totala bränslekapaciteten till 1 400 liter och ger därmed samma räckvidd som den ursprungliga bensinmotorn.
Det mesta av designarbetet för GT 102 var klart i början av 1945, och planerna skulle ha levererats den 15 februari (tillsammans med de slutliga designerna för GT 101). Det verkar som om planerna inte levererades, troligen på grund av det försämrade krigstillståndet.
GT 102 Ausf. 2
För att ytterligare förbättra passformen hos GT 102 i Panther, GT 102 Ausf. 2 designen modifierade flera sektioner av den ursprungliga gasgeneratorns layout för att förkorta kompressorområdet och förbränningskammaren. Dessa var något längre i GT 102 än de skulle ha varit i en jämförbar flygplansmotor för att möjliggöra bättre blandning med bränslen av lägre kvalitet. Ausf. 2 återförde dessa till sina ursprungliga dimensioner och återinförde istället de roterande bränsleinjektorerna från de ursprungliga pre-GT 101-designerna. Kompressorn reducerades ytterligare i längd genom att minska den från nio till sju steg, men behöll det ursprungliga kompressionsförhållandet genom att köra det första steget nära Mach 1 . Med dessa längdminskningar kunde motorn passas på längden i motorrummet, vilket gör att utrymmet ovanför spåren kan användas för bränslelagring, som de hade ursprungligen.
GT 103
Mycket av gasturbinens dåliga bränsleekonomi i dragningsrollen berodde på de heta avgaserna, som i huvudsak representerade förlorad energi. För att återvinna en del av denna energi är det möjligt att använda det heta utblåset för att förvärma luften från kompressorn innan den strömmar in i förbränningskammaren, med hjälp av en värmeväxlare . Även om de inte är vanliga, används dessa recuperatorer i ett antal tillämpningar idag.
W. Hryniszak från Asea Brown Boveri i Heidelberg designade en recuperator som lades till den annars omodifierade GT 102-designen för att producera GT 103 . Värmeväxlaren använde en roterande porös keramisk cylinder som passade in i en korsformad kanal. Luft från gasgeneratorns utblås kom in i kanalen utanför cylindern vid 500 °C, och blåste runt cylindern, värmde upp den och släppte sedan ut vid cirka 350 °C. Den keramiska cylindern roterade långsamt för att undvika överhettning av den "heta" sidan. Tryckluft som strömmade in i kraftturbinen leds genom cylinderns mitt, in med cirka 180 °C och ut vid cirka 300 °C.
Detta innebar att 120 °C av luftens sluttemperatur på 800 °C inte behövde tillhandahållas av bränslet, vilket innebär en ganska betydande besparing. Uppskattningar föreslog en förbättring av bränsleförbrukningen med cirka 30 %. Det föreslogs också att en andra värmeväxlare skulle kunna användas på gasgeneratorns motorkärna, vilket sparar ytterligare 30 %. Detta minskade bränsleförbrukningen med hälften totalt, vilket gör den lik den ursprungliga bensinmotorn. Dessa uppskattningar verkar orimliga i efterhand, även om General Motors experimenterade med dessa system under hela 1960- och 70-talen.
Se även
Relaterad utveckling
- Kay, Antony, tysk jetmotor och gasturbinutveckling 1930-1945 , Airlife Publishing, 2002, ISBN 9781840372946