Até certo momento, a Alemanha de Hitler não prestava muita atenção aos projetos de usinas de turbinas a gás para veículos terrestres. Assim, em 1941, a primeira dessas unidades foi montada para uma locomotiva experimental, mas seus testes foram rapidamente interrompidos devido à inadequação econômica e à presença de programas de maior prioridade. O trabalho na direção de motores de turbina a gás (GTE) para veículos terrestres continuou apenas em 1944, quando algumas das características negativas da tecnologia e da indústria existentes foram especialmente pronunciadas.
Em 1944, a Diretoria de Armamentos do Exército lançou um projeto de pesquisa sobre GTE para tanques. Houve duas razões principais para os novos motores. Em primeiro lugar, a construção de tanques alemães da época seguia rumo a veículos de combate mais pesados, o que exigia a criação de um motor de alta potência e pequenas dimensões. Em segundo lugar, todos os veículos blindados disponíveis usavam, em certa medida, gasolina escassa, e isso impunha certas restrições relacionadas à operação, economia e logística. Os promissores motores de turbina a gás, como os líderes da indústria alemã consideraram então, poderiam consumir menos combustível de alta qualidade e, conseqüentemente, mais barato. Assim, naquela época, do ponto de vista econômico e tecnológico, a única alternativa aos motores a gasolina era um motor de turbina a gás.
Numa primeira fase, o desenvolvimento de um motor tanque promissor foi confiado a um grupo de designers da Porsche, chefiados pelo engenheiro O. Zadnik. Várias empresas relacionadas deveriam ajudar os engenheiros da Porsche. Em particular, o Departamento de Pesquisa de Motores SS, chefiado pelo Dr. Alfred Müller, estava envolvido no projeto. Desde meados dos anos 30, o cientista trabalha no tema das instalações de turbinas a gás e participou do desenvolvimento de diversos motores a jato para aeronaves. Quando começou a criação de um motor de turbina a gás para tanques, Müller havia concluído o projeto do turboalimentador, que mais tarde foi usado em vários tipos de motores a pistão. É digno de nota que, em 1943, o Dr. Müller fez várias propostas a respeito do início do desenvolvimento de motores de turbina a gás de tanque, mas a liderança alemã as ignorou.
Cinco opções e dois projetos
Quando o trabalho principal começou (meados do verão de 1944), a liderança do projeto havia passado para a organização chefiada por Müller. Neste momento, os requisitos para um motor de turbina a gás promissor foram determinados. Era suposto ter uma potência de cerca de 1000 CV. e um consumo de ar da ordem de 8,5 quilogramas por segundo. A temperatura na câmara de combustão foi fixada pelos termos de referência em 800 °. Devido a algumas características das usinas de turbinas a gás para veículos terrestres, várias outras auxiliares tiveram que ser criadas antes do início do desenvolvimento do projeto principal. Uma equipe de engenheiros liderada por Müller simultaneamente criou e considerou cinco opções para a arquitetura e o layout do motor de turbina a gás.
Os diagramas esquemáticos do motor diferiam entre si no número de estágios do compressor, turbina e na localização da turbina de força associada à transmissão. Além disso, várias opções para a localização das câmaras de combustão foram consideradas. Assim, na terceira e quarta versões do layout GTE, foi proposto dividir o fluxo de ar do compressor em dois. Um fluxo, neste caso, teve que ir para a câmara de combustão e de lá para a turbina girando o compressor. A segunda parte do ar que entrava, por sua vez, era injetada na segunda câmara de combustão, que fornecia gases quentes diretamente para a turbina de força. Além disso, foram consideradas opções com uma posição diferente do trocador de calor para pré-aquecer o ar que entra no motor.
Na primeira versão do promissor motor, que atingiu o estágio de projeto completo, um compressor diagonal e axial, bem como uma turbina de dois estágios, deveriam estar localizados no mesmo eixo. A segunda turbina deveria ser colocada coaxialmente atrás da primeira e conectada às unidades de transmissão. Ao mesmo tempo, foi proposto que a turbina de força que fornece energia à transmissão fosse montada em seu próprio eixo, não conectada ao eixo dos compressores e turbinas. Esta solução poderia simplificar o design do motor, se não fosse por uma séria desvantagem. Assim, ao remover a carga (por exemplo, durante uma mudança de marcha), a segunda turbina poderia girar a tais velocidades nas quais haveria o risco de destruição das pás ou cubo. Foi proposto resolver o problema de duas maneiras: desacelerar a turbina de trabalho nos momentos certos ou remover gases dela. Com base nos resultados da análise, a primeira opção foi escolhida.
E ainda, a primeira versão modificada do tanque GTE era muito complicada e cara para produção em massa. Müller continuou a pesquisa adicional. Para simplificar o projeto, algumas peças originais foram substituídas por unidades correspondentes emprestadas do motor turbojato Heinkel-Hirt 109-011. Além disso, vários rolamentos foram removidos do projeto do motor tanque, no qual os eixos do motor eram mantidos. A redução do número de suportes de eixo para dois simplificou a montagem, mas eliminou a necessidade de um eixo separado com uma turbina que transmite torque à transmissão. A turbina de força foi instalada no mesmo eixo em que os impulsores do compressor e a turbina de dois estágios já estavam localizados. A câmara de combustão está equipada com bicos rotativos originais para pulverização de combustível. Em tese, eles possibilitaram a injeção de combustível de forma mais eficiente e também ajudaram a evitar o superaquecimento de algumas partes da estrutura. Uma versão atualizada do projeto ficou pronta em meados de setembro de 1944.
A primeira unidade de tubo de gás para veículos blindados
A primeira unidade de tubo de gás para veículos blindados
Essa opção também tinha suas desvantagens. Em primeiro lugar, as reclamações dificultavam a manutenção do torque no eixo de saída, que na verdade era uma extensão do eixo principal do motor. A solução ideal para o problema de transmissão de energia poderia ser o uso de uma transmissão elétrica, mas a escassez de cobre fez com que tal sistema fosse esquecido. Como alternativa à transmissão elétrica, foi considerado um transformador hidrostático ou hidrodinâmico. Ao usar tais mecanismos, a eficiência de transmissão de energia era ligeiramente reduzida, mas eram significativamente mais baratos do que um sistema com gerador e motores elétricos.
Motor GT 101
O desenvolvimento da segunda versão do projeto levou a outras mudanças. Portanto, a fim de preservar o desempenho do GTE sob cargas de choque (por exemplo, durante a explosão de uma mina), um terceiro rolamento de eixo foi adicionado. Além disso, a necessidade de unificar o compressor com os motores das aeronaves levou a uma mudança em alguns parâmetros de operação do tanque GTE. Em particular, o consumo de ar aumentou cerca de um quarto. Após todas as modificações, o projeto do motor tanque ganhou um novo nome - GT 101. Nesta fase, o desenvolvimento de uma usina de turbina a gás para tanques atingiu o estágio em que foi possível iniciar os preparativos para a construção do primeiro protótipo, e em seguida, o tanque equipado com um motor de turbina a gás.
No entanto, o ajuste fino do motor se arrastou e, no final do outono de 1944, os trabalhos de instalação de uma nova usina no tanque não haviam começado. Naquela época, os engenheiros alemães estavam trabalhando apenas para colocar o motor nos tanques existentes. Foi planejado originalmente que a base para o GTE experimental seria o tanque pesado PzKpfw VI - "Tiger". No entanto, o compartimento do motor deste veículo blindado não era grande o suficiente para acomodar todas as unidades necessárias. Mesmo com um deslocamento relativamente pequeno, o motor do GT 101 era muito longo para um Tiger. Por esse motivo, decidiu-se usar o tanque PzKpfw V, também conhecido como Panther, como veículo de teste básico.
Na fase de finalização do motor GT 101 para uso no tanque Panther, o cliente, representado pela Diretoria de Armamentos das Forças Terrestres, e o executor do projeto, determinaram os requisitos para o protótipo. Foi assumido que o motor de turbina a gás traria a potência específica de um tanque com peso de combate de cerca de 46 toneladas ao nível de 25-27 cv. por tonelada, o que melhorará significativamente suas características de funcionamento. Ao mesmo tempo, os requisitos para velocidade máxima quase não mudaram. A vibração e o choque da direção em alta velocidade aumentaram significativamente o risco de danos aos componentes do chassi. Como resultado, a velocidade máxima permitida foi limitada a 54-55 quilômetros por hora.
Unidade de turbina a gás GT 101 no tanque "Panther"
Como no caso do Tiger, o compartimento do motor do Panther não era grande o suficiente para acomodar o novo motor. No entanto, os designers sob a liderança do Dr. Miller conseguiram encaixar o GT 101 GTE nos volumes disponíveis. É verdade que o grande tubo de escape do motor teve de ser colocado em um orifício redondo na placa de blindagem traseira. Apesar da aparente estranheza, tal solução foi considerada conveniente e adequada até mesmo para produção em massa. O próprio motor GT 101 no "Panther" experimental deveria ser colocado ao longo do eixo do casco, com uma mudança para cima, até o teto do compartimento do motor. Ao lado do motor, nas defensas do casco, vários tanques de combustível foram colocados no projeto. O local para a transmissão foi encontrado diretamente sob o motor. Os dispositivos de entrada de ar foram levados para o telhado do prédio.
A simplificação do projeto do motor GT 101, devido ao qual ele perdeu sua turbina separada associada à transmissão, acarretou dificuldades de outra natureza. Para uso com o novo GTE, uma nova transmissão hidráulica teve que ser encomendada. A organização ZF (Zahnradfabrik de Friedrichshafen) em pouco tempo criou um conversor de torque de três estágios com uma caixa de engrenagens de 12 velocidades (!). Metade das marchas era para condução em estrada, o resto para condução fora de estrada. Na instalação motor-transmissão do tanque experimental, também foi necessário introduzir uma automação que monitorasse os modos de operação do motor. Um dispositivo de controle especial deveria monitorar a rotação do motor e, se necessário, aumentar ou diminuir a marcha, evitando que o GTE entrasse em modos de operação inaceitáveis.
De acordo com os cálculos dos cientistas, a turbina a gás GT 101 com transmissão da ZF poderia ter as seguintes características. A potência máxima da turbina atingiu 3.750 cv, dos quais 2.600 foram retirados do compressor para garantir o funcionamento do motor. Assim, “apenas” 1100-1150 cavalos permaneceram no eixo de saída. A velocidade de rotação do compressor e das turbinas, dependendo da carga, oscilou entre 14-14,5 mil rotações por minuto. A temperatura dos gases em frente à turbina foi mantida em um nível predeterminado de 800 °. O consumo de ar foi de 10 quilogramas por segundo, o consumo específico de combustível, dependendo do modo de operação, foi de 430-500 g / hp h.
Motor GT 102
Com uma potência excepcionalmente alta, o motor de turbina a gás GT 101 tinha um consumo de combustível igualmente notável, aproximadamente o dobro dos motores a gasolina disponíveis na época na Alemanha. Além do consumo de combustível, o GTE GT 101 tinha vários outros problemas técnicos que exigiam pesquisa e correção adicionais. Neste sentido, iniciou-se um novo projeto GT 102, no qual se planejou manter todos os sucessos alcançados e se livrar das deficiências existentes.
Em dezembro de 1944, A. Müller chegou à conclusão de que era necessário retornar a uma das ideias anteriores. Para otimizar a operação do novo GTE, foi proposto o uso de uma turbina separada em seu próprio eixo, conectada aos mecanismos de transmissão. Ao mesmo tempo, a turbina de força do motor GT 102 precisava ser uma unidade separada, não colocada coaxialmente com as unidades principais, como proposto anteriormente. O bloco principal da nova usina de turbina a gás era o GT 101 com mudanças mínimas. Tinha dois compressores com nove estágios e uma turbina de três estágios. Ao desenvolver o GT 102, descobriu-se que o bloco principal do motor GT 101 anterior, se necessário, pode ser colocado não ao longo, mas ao longo do compartimento do motor do tanque Panther. Foi o que fizeram ao montar as unidades do tanque experimental. Os dispositivos de entrada de ar do motor de turbina a gás estavam agora localizados no teto do lado esquerdo, o tubo de escape do lado direito.
Unidade de turbina a gás GT 102 no tanque "Panther"
Unidade de compressor de turbina a gás GT 102
Entre o compressor e a câmara de combustão do bloco do motor principal, um tubo foi fornecido para sangrar o ar para a câmara de combustão adicional e a turbina. Pelos cálculos, 70% do ar que entrava no compressor tinha que passar pela parte principal do motor e apenas 30% pelo adicional, com turbina de força. A localização do bloco adicional é interessante: o eixo de sua câmara de combustão e turbina de força deveria estar localizado perpendicularmente ao eixo do bloco do motor principal. Foi proposto colocar as unidades de turbina de força abaixo da unidade principal e equipá-las com seu próprio tubo de escape, que era retirado no meio do teto do compartimento do motor.
A "doença congênita" do layout do motor de turbina a gás do GT 102 era o risco de girar demais a turbina de força com danos ou destruição subsequentes. Foi proposto resolver este problema da maneira mais simples: colocar válvulas para controlar o fluxo na tubulação que fornece ar para a câmara de combustão adicional. Ao mesmo tempo, cálculos mostraram que o novo GT 102 GTE pode ter resposta insuficiente do acelerador devido às peculiaridades da operação de uma turbina de potência relativamente leve. As especificações do projeto, como potência do eixo de saída ou potência da turbina da unidade principal, permaneceram no mesmo nível do motor GT 101 anterior, o que pode ser explicado pela quase completa ausência de grandes mudanças no projeto, exceto para a aparência da potência unidade de turbina. O aprimoramento posterior do motor exigiu o uso de novas soluções ou mesmo a abertura de um novo projeto.
Turbina de trabalho separada para GT 102
Antes de iniciar o desenvolvimento do próximo modelo GTE, denominado GT 103, o Dr. A. Müller fez uma tentativa de melhorar o layout do GT 102 existente. O principal problema de seu design eram as dimensões bastante grandes da unidade principal, o que tornava é difícil colocar todo o motor nos compartimentos de motor dos tanques disponíveis naquele momento. Para reduzir o comprimento da unidade motor-transmissão, foi proposto projetar o compressor como uma unidade separada. Assim, três unidades relativamente pequenas poderiam ser colocadas dentro do compartimento do motor do tanque: um compressor, uma câmara de combustão principal e uma turbina, bem como uma unidade de turbina de força com sua própria câmara de combustão. Esta versão do GTE foi batizada de GT 102 Ausf. 2. Além de colocar o compressor em uma unidade separada, foram feitas tentativas de fazer o mesmo com a câmara de combustão ou turbina, mas não tiveram muito sucesso. O projeto do motor de turbina a gás não se permitiu ser dividido em um grande número de unidades sem perdas perceptíveis de desempenho.
Motor GT 103
Uma alternativa ao motor de turbina a gás GT 102 Ausf. 2 com a possibilidade de arranjo "livre" das unidades no volume existente foi o novo desenvolvimento do GT 103. Desta vez, os construtores de motores alemães decidiram focar não na conveniência da colocação, mas na eficiência do trabalho. Um trocador de calor foi introduzido no equipamento do motor. Presumiu-se que, com sua ajuda, os gases de exaustão aquecerão o ar que entra pelo compressor, o que proporcionará uma economia de combustível tangível. A essência dessa solução era que o ar pré-aquecido permitiria gastar menos combustível para manter a temperatura exigida na frente da turbina. De acordo com cálculos preliminares, o uso de um trocador de calor pode reduzir o consumo de combustível em 25-30 por cento. Sob certas condições, essas economias tornaram o novo GTE adequado para o uso prático.
O desenvolvimento do trocador de calor foi confiado a "subcontratados" da empresa Brown Boveri. O projetista-chefe desta unidade foi V. Khrinizhak, que já havia participado da criação de compressores para motores de turbina a gás de tanque. Posteriormente, Chrynižak tornou-se um renomado especialista em trocadores de calor e sua participação no projeto GT 103 foi provavelmente um dos pré-requisitos para isso. O cientista aplicou uma solução bastante ousada e original: o elemento principal do novo trocador de calor era um tambor rotativo feito de cerâmica porosa. Várias divisórias especiais foram colocadas dentro do tambor, o que garantiu a circulação dos gases. Durante a operação, os gases de exaustão quentes passaram dentro do tambor através de suas paredes porosas e os aqueceram. Isso aconteceu durante meia volta do tambor. A meia volta seguinte foi usada para transferir calor para o ar passando de dentro para fora. Graças ao sistema de defletores dentro e fora do cilindro, o ar e os gases de escapamento não se misturavam, o que excluía o mau funcionamento do motor.
O uso do trocador de calor causou sérias polêmicas entre os autores do projeto. Alguns cientistas e designers acreditavam que o uso desta unidade no futuro tornaria possível alcançar alta potência e taxas de fluxo de ar relativamente baixas. Outros, por sua vez, viam no trocador de calor apenas um meio duvidoso, cujos benefícios não podiam exceder significativamente as perdas com a complicação do projeto. Na disputa sobre a necessidade de trocador de calor, venceram os torcedores da nova unidade. Em algum momento, houve até a proposta de equipar o motor de turbina a gás GT 103 com dois dispositivos de pré-aquecimento do ar ao mesmo tempo. O primeiro trocador de calor, neste caso, tinha que aquecer o ar para o bloco do motor principal, o segundo para a câmara de combustão adicional. Portanto, o GT 103 era na verdade um GT 102 com trocadores de calor introduzidos no projeto.
O motor GT 103 não foi construído, por isso é necessário se contentar apenas com suas características calculadas. Além disso, os dados disponíveis sobre este GTE foram calculados antes mesmo do final da criação do trocador de calor. Portanto, uma série de indicadores na prática, provavelmente, podem vir a ser significativamente mais baixos do que o esperado. A potência da unidade principal, gerada pela turbina e absorvida pelo compressor, deveria ser igual a 1400 cavalos. A velocidade máxima de rotação projetada do compressor e da turbina da unidade principal é de cerca de 19 mil rotações por minuto. Consumo de ar na câmara de combustão principal - 6 kg / s. Foi assumido que o trocador de calor aquecerá o ar de entrada a 500 °, e os gases na frente da turbina terão uma temperatura de cerca de 800 °.
A turbina de força, segundo cálculos, deveria girar a uma velocidade de até 25 mil rpm e dar 800 cv no eixo. O consumo de ar da unidade adicional foi de 2 kg / s. Os parâmetros de temperatura do ar de entrada e dos gases de exaustão deveriam ser iguais às características correspondentes da unidade principal. O consumo total de combustível de todo o motor com o uso de trocadores de calor apropriados não ultrapassaria 200-230 g / hp h.
Resultados do programa
O desenvolvimento de motores alemães de turbina a gás de tanque começou apenas no verão de 1944, quando as chances da Alemanha de vencer a Segunda Guerra Mundial diminuíam a cada dia. O Exército Vermelho atacou o Terceiro Reich pelo leste, e as tropas dos Estados Unidos e da Grã-Bretanha vieram do oeste. Em tais condições, a Alemanha não tinha oportunidades suficientes para uma gestão completa da massa de projetos promissores. Todas as tentativas de criar um motor fundamentalmente novo para tanques basearam-se na falta de dinheiro e tempo. Por conta disso, em fevereiro de 1945, já havia três projetos completos de motores a tanque de turbina a gás, mas nenhum deles sequer chegou à fase de montagem do protótipo. Todo o trabalho foi limitado apenas a estudos teóricos e testes de unidades experimentais individuais.
Em fevereiro de 1945, ocorreu um evento que pode ser considerado o início do fim do programa alemão de criação de motores de turbina a gás tanque. O Dr. Alfred Müller foi destituído de seu cargo como chefe do projeto, e seu homônimo, Max Adolf Müller, foi nomeado para o cargo vago. M. A. Müller também era um especialista proeminente na área de usinas de turbinas a gás, mas sua chegada ao projeto paralisou os desenvolvimentos mais avançados. A principal tarefa sob o novo chefe era ajustar o motor GT 101 e iniciar sua produção em série. Faltavam menos de três meses para o fim da guerra na Europa, razão pela qual a mudança na liderança do projeto não teve tempo de levar ao resultado desejado. Todos os GTEs de tanques alemães permaneceram no papel.
Segundo algumas fontes, a documentação dos projetos da linha "GT" caiu nas mãos dos aliados e estes a utilizaram em seus projetos. No entanto, os primeiros resultados práticos no campo dos motores de turbina a gás para veículos terrestres, que surgiram após o fim da Segunda Guerra Mundial fora da Alemanha, tinham pouco em comum com os desenvolvimentos de ambos Dr. Müller. Quanto aos motores de turbina a gás projetados especificamente para tanques, os primeiros tanques em série com tal usina deixaram as oficinas de montagem das fábricas apenas um quarto de século após a conclusão dos projetos alemães.
