Немецкие проекты танковых газотурбинных двигателей
До определенного времени гитлеровская Германия не уделяла большого внимания проектам газотурбинных силовых установок для наземных транспортных средств. Так, в 1941 году был собран первый подобный агрегат для экспериментального локомотива, но его испытания достаточно быстро свернули ввиду экономической нецелесообразности и наличия более приоритетных программ. Работы в направлении газотурбинных двигателей (ГТД) для наземных машин продолжились лишь в 1944 году, когда особенно ярко проявили себя некоторые негативные особенности существующей техники и промышленности.
В 1944 году Управление вооружений сухопутных войск запустило исследовательский проект по теме ГТД для танков. В пользу новых двигателей приводилось два основных довода. Во-первых, немецкое танкостроение на тот момент взяло курс на утяжеление боевых машин, что требовало создать двигатель большой мощности и малых габаритов. Во-вторых, вся имеющаяся бронетанковая техника использовала в некоторой мере дефицитный бензин, а это накладывало определенные ограничения, связанные с эксплуатацией, экономикой и логистикой. Перспективные газотурбинные двигатели, как тогда посчитали немецкие руководители промышленности, могли бы потреблять менее высококачественное и, соответственно, более дешевое топливо. Таким образом, на тот момент с точки зрения экономики и техники единственной альтернативой бензиновым моторам были ГТД.
На первом этапе разработку перспективного танкового двигателя доверили группе конструкторов фирмы Porsche, во главе которой стоял инженер О. Задник. Содействовать инженерам из «Порше» должны были несколько смежных предприятий. В частности, к проекту привлекли Научно-исследовательский отдел двигателей службы СС во главе с доктором Альфредом Мюллером. Этот ученый с середины тридцатых годов занимался тематикой газотурбинных установок и участвовал в разработке нескольких авиационных реактивных двигателей. К моменту начала создания ГТД для танков Мюллер завершил проект турбонагнетателя, в дальнейшем применявшегося на нескольких типах поршневых моторов. Примечательно, что в 1943 году доктор Мюллер неоднократно вносил предложения, касавшиеся начала разработки танковых газотурбинных двигателей, однако руководство Германии оставило их без внимания.
Пять вариантов и два проекта
Ко времени начала основных работ (середина лета 1944 года) главенствующая роль в проекте перешла к организации, возглавляемой Мюллером. В это время были определены требования к перспективному ГТД. Он должен был иметь мощность около 1000 л.с. и расход воздуха порядка 8,5 килограмма в секунду. Температура в камере сгорания задавалась техническим заданием на уровне 800°. Ввиду некоторых характерных особенностей газотурбинных силовых установок для наземной техники перед началом разработки основного проекта пришлось создать несколько вспомогательных. Команда инженеров под руководством Мюллера одновременно создала и рассмотрела пять вариантов архитектуры и компоновки ГТД.
Принципиальные схемы двигателя отличались друг от друга количеством ступеней компрессора, турбины и расположением силовой турбины, связанной с трансмиссией. Кроме того, рассматривались несколько вариантов расположения камер сгорания. Так, в третьей и четвертой версиях компоновки ГТД предлагалось разделять поток воздуха от компрессора на два. Один поток в таком случае должен был идти в камеру сгорания и оттуда на турбину, вращающую компрессор. Вторая часть поступающего воздуха, в свою очередь, нагнеталась во вторую камеру сгорания, выдававшую раскаленные газы прямо на силовую турбину. Также рассматривались варианты с различным положением теплообменника для предварительного прогрева поступающего в двигатель воздуха.
В первом варианте перспективного двигателя, дошедшем до стадии полноценного проектирования, на одной оси должны были находиться диагональный и осевой компрессор, а также двухступенчатая турбина. Вторую турбину предполагалось разместить соосно за первой и соединить с агрегатами трансмиссии. При этом силовую турбину, подающую мощность на трансмиссию, предложили монтировать на собственной оси, не связанной с осью компрессоров и турбины. Это решение могло упростить конструкцию двигателя, если бы не один серьезный недостаток. Так, при снятии нагрузки (например, во время переключения передач) вторая турбина могла раскручиваться до таких оборотов, на которых появлялся риск разрушения лопаток или ступицы. Решить проблему предлагалось двумя способами: либо притормаживать рабочую турбину в нужные моменты, либо отводить от нее газы. По результатам анализов выбрали первый вариант.
И все же доработанный первый вариант танкового ГТД был слишком сложным и дорогим для серийного производства. Мюллер продолжил дальнейшие изыскания. Для упрощения конструкции некоторые оригинальные детали заменили соответствующими агрегатами, заимствованными у турбореактивного двигателя Heinkel-Hirt 109-011. Кроме того, из конструкции танкового мотора убрали несколько подшипников, на которых держались оси двигателя. Сокращение количества опорных элементов вала до двух упростило сборку, но заставило отказаться от отдельной оси с турбиной, передающей крутящий момент на трансмиссию. Силовую турбину установили на тот же вал, на котором уже находились крыльчатки компрессора и двухступенчатая турбина. В камере сгорания предусмотрели оригинальные вращающиеся форсунки для распыления топлива. В теории они позволяли более эффективно впрыскивать горючее, а также помогали избежать перегрева определенных мест конструкции. Обновленный вариант проекта был готов уже в середине сентября 1944 года.
Первый газотрубинный агрегат для бронированных машин
Первый газотрубинный агрегат для бронированных машин
Этот вариант также не был лишен недостатков. В первую очередь, претензии вызвали сложности с поддержанием крутящего момента на выходном валу, фактически представлявшим собой продолжение основного вала двигателя. Идеальным решением проблемы передачи мощности могло стать применение электрической трансмиссии, но дефицит меди заставил забыть о такой системе. В качестве альтернативы электротрансмиссии рассматривались гидростатический или гидродинамический трансформатор. При использовании таких механизмов эффективность передачи мощности немного снижалась, но они были значительно дешевле системы с генератором и электромоторами.
Двигатель GT 101
Дальнейшая проработка второго варианта проекта привела к очередным изменениям. Так, для сохранения работоспособности ГТД при ударных нагрузках (например, при взрыве мины) был добавлен третий подшипник вала. Кроме того, необходимость унификации компрессора с авиационными двигателями привела к изменению некоторых параметров работы танкового ГТД. В частности, примерно на четверть увеличился расход воздуха. После всех доработок проект танкового двигателя получил новое название – GT 101. На этой стадии разработка газотурбинной силовой установки для танков дошла до той стадии, когда можно было начинать подготовку к строительству первого опытного образца, а затем и оборудованного ГТД танка.
Тем не менее, доводка двигателя затянулась и к концу осени 1944 года работы по установке новой силовой установки на танк так и не начались. В то время немецкие инженеры работали лишь над размещением двигателя на имеющихся танках. Первоначально планировалось, что базой для экспериментального ГТД станет тяжелый танк PzKpfw VI – «Тигр». Однако моторное отделение этой бронемашины оказалось недостаточно большим для размещения всех необходимых агрегатов. Даже имея сравнительно малый объем, двигатель GT 101 был слишком длинным для «Тигра». По этой причине решили в качестве базовой машины для испытаний использовать танк PzKpfw V, также известный под названием «Пантера».
На стадии доработки двигателя GT 101 для использования на танке «Пантера» заказчик в лице Управления вооружений сухопутных войск и исполнитель проекта определились с требованиями к опытной машине. Предполагалось, что ГТД позволит довести удельную мощность танка с боевым весом около 46 тонн до уровня 25-27 л.с. на тонну, что позволит значительно улучшить его ходовые характеристики. В то же время, требования по максимальной скорости почти не изменились. Из-за вибрации и ударов, возникающих при движении на высоких скоростях, значительно увеличивался риск повреждения деталей ходовой части. В результате максимально допустимую скорость движения ограничили 54-55 километрами в час.
Газотурбинная установка GT 101 в танке "Пантера"
Как и в случае с «Тигром», моторное отделение «Пантеры» имело недостаточные размеры для размещения нового двигателя. Тем не менее, конструкторам под руководством доктора Миллера удалось вписать ГТД GT 101 в имеющиеся объемы. Правда, крупный выхлопной патрубок двигателя пришлось поместить в круглом отверстии в кормовом броневом листе. Несмотря на кажущуюся странность, такое решение посчитали удобным и пригодным даже для серийного производства. Сам двигатель GT 101 на экспериментальной «Пантере» предполагалось размещать по оси корпуса, со сдвигом вверх, к крыше моторного отделения. Рядом с двигателем, в надгусеничных полках корпуса, в проекте поместили несколько топливных баков. Место для трансмиссии нашлось непосредственно под двигателем. Воздухозаборные устройства вывели на крышу корпуса.
Упрощение конструкции двигателя GT 101, из-за которых он лишился отдельной связанной с трансмиссией турбины, повлекло за собой сложности иного характера. Для использования с новым ГТД пришлось заказать новую гидравлическую трансмиссию. Организация ZF (Zahnradfabrik of Friedrichshafen) в короткие сроки создала трехступенчатый гидротрансформатор с 12-скоростной (!) коробкой передач. Половина передач предназначались для движения по дорогам, остальные – для преодоления бездорожья. В моторно-трансмиссионную установку экспериментального танка также пришлось ввести автоматику, следившую за режимами работы двигателя. Специальное управляющее устройство должно было следить за оборотами двигателя и при соответствующей необходимости повышать или понижать передачу, не допуская выход ГТД на недопустимые режимы работы.
Согласно расчетам ученых, газотурбинная установка GT 101 c трансмиссией от ZF могла иметь следующие характеристики. Максимальная мощность турбины достигала 3750 л.с., 2600 из которых отбиралось компрессором для обеспечения работы двигателя. Таким образом, на выходном валу оставалось «всего» 1100-1150 лошадиных сил. Скорость вращения компрессора и турбин, в зависимости от нагрузки, колебалась в пределах 14-14,5 тыс. оборотов в минуту. Температуру газов перед турбиной удалось удержать на заданном уровне в 800°. Расход воздуха составлял 10 килограмм в секунду, удельный расход топлива – в зависимости от режима работы 430-500 г/л.с.ч.
Двигатель GT 102
Имея уникально высокую мощность, танковый газотурбинный двигатель GT 101 обладал не менее примечательным расходом топлива, примерно в два раза превышавшим аналогичные показатели имевшихся на тот момент у Германии бензиновых моторов. Кроме расхода топлива ГТД GT 101 имел еще несколько проблем технического характера, требовавших проведения дополнительных исследований и исправления. В связи с этим начался новый проект GT 102, в котором планировалось сохранить все достигнутые успехи и избавиться от имеющихся недостатков.
В декабре 1944 года команда А. Мюллера пришла к выводу о необходимости возвращения к одной из ранних идей. Для оптимизации работы нового ГТД предлагалось использовать отдельную турбину на собственной оси, соединенную с механизмами трансмиссии. При этом силовая турбина двигателя GT 102 должна была представлять собой отдельный блок, не размещенный соосно с основными агрегатами, как предлагалось ранее. Основной блок новой газотурбинной силовой установки представлял собой GT 101 с минимальными изменениями. Он имел два компрессора с девятью ступенями и трехступенчатую турбину. При разработке GT 102 выяснилось, что основной блок предыдущего двигателя GT 101 при необходимости можно разместить не вдоль, а поперек моторного отделения танка «Пантера». Так и поступили при компоновке агрегатов экспериментального танка. Воздухозаборные устройства ГТД теперь размещались на крыше у левого борта, выхлопной патрубок – у правого.
Газотурбинная установка GT 102 в танке "Пантера"
Комрессорный узел газовой турбины GT 102
Между компрессором и камерой сгорания основного блока двигателя предусмотрели трубу для отбора воздуха на дополнительные камеру сгорания и турбину. По расчетам, 70% входящего в компрессор воздуха должно было идти через основную часть двигателя и только 30% через дополнительную, с силовой турбиной. Интересно расположение дополнительного блока: ось его камеры сгорания и силовой турбины должны были располагаться перпендикулярно к оси основного блока двигателя. Агрегаты силовой турбины предлагалось поместить ниже основного блока и оснастить собственным выхлопным патрубком, выведенным в середине крыши моторного отделения.
«Врожденной болезнью» примененной в GT 102 схемы газотурбинного двигателя являлся риск чрезмерной раскрутки силовой турбины с последующим ее повреждением или разрушением. Решить эту проблему предлагалось самым простым способом: поместить в трубе, подающей воздух в дополнительную камеру сгорания, клапаны для управления потоком. В то же время, расчеты показывали, что новый ГТД GT 102 может иметь недостаточную приемистость, обусловленную особенностями работы сравнительно легкой силовой турбины. Расчетные технические характеристики, такие как мощность на выходном валу или мощность турбины основного блока, остались на уровне предыдущего двигателя GT 101, что можно объяснить почти полным отсутствием серьезных изменений конструкции, за исключением появления блока силовой турбины. Дальнейшее совершенствование двигателя требовало применения новых решений или даже открытия нового проекта.
Отдельная рабочая турбина для GT 102
Перед началом разработки следующей модели ГТД под названием GT 103 доктор А. Мюллер предпринял попытку улучшить компоновку имеющегося GT 102. Главной проблемой его конструкции были достаточно крупные габариты основного блока, которые затрудняли размещение всего двигателя в моторных отделениях имевшихся на тот момент танков. Для уменьшения длины моторно-трансмиссионной установки было предложено выполнить компрессор в виде отдельного агрегата. Таким образом, внутри моторного отделения танка можно было разместить три сравнительно некрупных блока: компрессор, основную камеру сгорания и турбину, а также блок силовой турбины с собственной камерой сгорания. Такой вариант ГТД получил название GT 102 Ausf. 2. Помимо выведения компрессора в отдельный блок предпринимались попытки проделать то же самое и с камерой сгорания или турбиной, но они не имели особого успеха. Конструкция газотурбинного двигателя не позволяла делить себя на большое количество агрегатов без заметных потерь в характеристиках.
Двигатель GT 103
Альтернативой газотурбинному двигателю GT 102 Ausf. 2 с возможностью «свободной» компоновки агрегатов в имеющемся объеме стала новая разработка GT 103. На этот раз немецкие моторостроители решили заняться не удобством размещения, а эффективностью работы. В состав оборудования двигателя ввели теплообменник. Предполагалось, что с его помощью выхлопные газы будут нагревать поступающий через компрессор воздух, что позволит добиться ощутимой экономии топлива. Суть этого решения заключалась в том, что предварительно прогретый воздух дал бы возможность тратить меньшее количество горючего на поддержание необходимой температуры перед турбиной. Согласно предварительным расчетам, применение теплообменника могло снизить расход топлива на 25-30 процентов. При определенных условиях такая экономия была способна сделать новый ГТД пригодным для практического применения.
Разработку теплообменника поручили «смежникам» из фирмы Brown Boveri. Главным конструктором этого агрегата стал В. Хринижак, ранее принимавший участие в создании компрессоров для танковых ГТД. Впоследствии Хринижак стал известным специалистом по теплообменникам и его участие в проекте GT 103, вероятно, стало одной из предпосылок к этому. Ученый применил достаточно смелое и оригинальное решение: главным элементом нового теплообменника стал вращающийся барабан из пористой керамики. Внутри барабана размещалось несколько специальных перегородок, обеспечивавших циркуляцию газов. При работе горячие выхлопные газы проходили внутрь барабана сквозь его пористые стенки и прогревали их. Это происходило в течение половины оборота барабана. Следующие пол-оборота использовались для передачи тепла воздуху, проходившему изнутри наружу. Благодаря системе перегородок внутри и снаружи цилиндра воздух и выхлопные газы не перемешивались между собой, что исключало сбои в работе двигателя.
Применение теплообменника стало причиной серьезных споров среди авторов проекта. Одни ученые и конструкторы считали, что использование этого агрегата в перспективе позволит добиться высоких мощностей и сравнительно низких показателей расхода воздуха. Другие, в свою очередь, видели в теплообменнике лишь сомнительное средство, польза от которого не сможет заметно превысить потери от усложнения конструкции. В споре о необходимости теплообменника победили сторонники нового агрегата. В какой-то момент даже появилось предложение комплектовать ГТД GT 103 сразу двумя аппаратами для предварительного прогрева воздуха. Первый теплообменник в таком случае должен был нагревать воздух для основного блока двигателя, второй – для дополнительной камеры сгорания. Таким образом, GT 103 фактически представлял собой GT 102 с введенными в конструкцию теплообменниками.
Двигатель GT 103 не был построен, из-за чего приходится довольствоваться исключительно расчетными его характеристиками. Более того, имеющиеся данные об этом ГТД были рассчитаны даже до окончания создания теплообменника. Поэтому ряд показателей на практике, вероятно, мог бы оказаться заметно ниже, чем предполагалось. Мощность основного блока, вырабатываемая турбиной и поглощаемая компрессором, должна была равняться 1400 лошадиным силам. Максимальная расчетная скорость вращения компрессора и турбины основного блока – около 19 тыс. оборотов в минуту. Расход воздуха в основной камере сгорания – 6 кг/с. Предполагалось, что теплообменник будет прогревать поступающий воздух до 500°, а газы перед турбиной будут иметь температуру около 800°.
Силовая турбина, согласно расчетам, должна была вращаться со скоростью до 25 тыс. оборотов в минуту и давать на валу мощность 800 л.с. Расход воздуха дополнительного блока равнялся 2 кг/с. Параметры температуры поступающего воздуха и выбрасываемых газов, как предполагалось, должны были равняться соответствующим характеристикам основного блока. Общее потребление топлива всего двигателя при применении соответствующих теплообменников не превышало бы 200-230 г/л.с.ч.
Итоги программы
Разработка немецких танковых газотурбинных двигателей стартовала только летом 1944 года, когда шансы Германии на победу во Второй Мировой войне таяли с каждым днем. С восточного направления на Третий рейх наступала Красная Армия, а с западного шли войска Соединенных Штатов и Великобритании. В таких условиях у Германии не было достаточных возможностей для полноценного ведения массы перспективных проектов. Все попытки создать принципиально новый двигатель для танков упирались в дефицит денег и времени. Из-за этого к февралю 1945 года существовало уже три полноценных проекта танковых ГТД, но ни один из них не дошел даже до стадии сборки прототипа. Все работы ограничивались лишь теоретическими исследованиями и испытаниями отдельных экспериментальных агрегатов.
В феврале 45-го произошло событие, которое можно считать началом конца немецкой программы создания танковых газотурбинных двигателей. Доктора Альфреда Мюллера сняли с поста главы проекта, а на освободившееся место назначили его однофамильца, Макса Адольфа Мюллера. М.А. Мюллер также был видным специалистом в области газотурбинных силовых установок, но его приход в проект затормозил самые передовые разработки. Главной задачей при новом руководителе стала доводка двигателя GT 101 и начало его серийного производства. До конца войны в Европе оставалось менее трех месяцев, из-за чего смена руководства проекта так и не успела привести к требуемому результату. Все немецкие танковые ГТД остались на бумаге.
Согласно некоторым источникам, документация по проектам линейки «GT» попала в руки союзников и те использовали ее в своих проектах. Тем не менее, первые практические результаты в области газотурбинных двигателей для наземных машин, появившиеся уже после окончания Второй Мировой за пределами Германии, имели мало общего с разработками обоих докторов Мюллеров. Что касается ГТД, предназначенных именно для танков, то первые серийные танки с такой силовой установкой покинули сборочные цеха заводов только спустя четверть века после завершения немецких проектов.
По материалам:
http://alternathistory.org.ua/
http://shushpanzer-ru.livejournal.com/
http://army-guide.com/
Кей, Э.Л. История разработки и создания реактивных двигателей и газовых турбин в Германии. – Рыбинск: НПО «Сатурн», 2006
Информация