Jusqu'à un certain temps, l'Allemagne hitlérienne n'a pas prêté beaucoup d'attention aux projets de centrales électriques à turbine à gaz pour véhicules terrestres. Ainsi, en 1941, la première unité de ce type a été assemblée pour une locomotive expérimentale, mais ses tests ont été rapidement réduits en raison de l'inopportunité économique et de la présence de programmes plus prioritaires. Les travaux en direction des moteurs à turbine à gaz (GTE) pour les véhicules terrestres ne se sont poursuivis qu'en 1944, lorsque certaines des caractéristiques négatives de la technologie et de l'industrie existantes étaient particulièrement prononcées.
En 1944, la Direction de l'Armement de l'Armée lance un projet de recherche sur le GTE pour les chars. Il y avait deux raisons principales pour les nouveaux moteurs. Tout d'abord, la construction de chars allemands de l'époque s'orienta vers des véhicules de combat plus lourds, ce qui nécessitait la création d'un moteur de grande puissance et de petites dimensions. Deuxièmement, tous les véhicules blindés disponibles utilisaient dans une certaine mesure de l'essence rare, ce qui imposait certaines restrictions liées à l'exploitation, à l'économie et à la logistique. Les moteurs à turbine à gaz prometteurs, comme le considéraient alors les leaders de l'industrie allemande, pourraient consommer moins de carburant de haute qualité et, par conséquent, moins cher. Ainsi, à cette époque, du point de vue économique et technologique, la seule alternative aux moteurs à essence était un moteur à turbine à gaz.
Dans un premier temps, le développement d'un moteur de char prometteur a été confié à un groupe de designers de Porsche, dirigé par l'ingénieur O. Zadnik. Plusieurs entreprises liées étaient censées aider les ingénieurs Porsche. En particulier, le SS Engine Research Department, dirigé par le Dr Alfred Müller, a été impliqué dans le projet. Depuis le milieu des années trente, ce scientifique travaille sur le sujet des installations de turbines à gaz et a participé au développement de plusieurs moteurs d'avions. Au moment où la création d'un moteur à turbine à gaz pour réservoirs a commencé, Müller avait achevé le projet de turbocompresseur, qui a ensuite été utilisé sur plusieurs types de moteurs à pistons. Il est à noter qu'en 1943, le Dr Müller a fait à plusieurs reprises des propositions concernant le début du développement de moteurs à turbine à gaz de réservoir, mais les dirigeants allemands les ont ignorés.
Cinq options et deux projets
Au moment où les travaux principaux ont commencé (mi-été 1944), le rôle principal dans le projet était passé à l'organisation dirigée par Müller. À cette époque, les exigences d'un moteur à turbine à gaz prometteur ont été déterminées. Il était censé avoir une puissance d'environ 1000 ch. et une consommation d'air de l'ordre de 8,5 kilogrammes par seconde. La température dans la chambre de combustion a été fixée par le cahier des charges à 800°. En raison de certaines caractéristiques des centrales électriques à turbine à gaz pour véhicules terrestres, plusieurs installations auxiliaires ont dû être créées avant le début du développement du projet principal. Une équipe d'ingénieurs dirigée par Müller a simultanément créé et examiné cinq options pour l'architecture et la disposition du moteur à turbine à gaz.
Les diagrammes schématiques du moteur différaient les uns des autres par le nombre d'étages du compresseur, de la turbine et l'emplacement de la turbine de puissance associée à la transmission. De plus, plusieurs options pour l'emplacement des chambres de combustion ont été envisagées. Ainsi, dans les troisième et quatrième versions du schéma GTE, il a été proposé de diviser le flux d'air du compresseur en deux. Un flux dans ce cas devait aller dans la chambre de combustion et de là à la turbine faisant tourner le compresseur. La deuxième partie de l'air entrant était à son tour injectée dans la deuxième chambre de combustion, qui délivrait les gaz chauds directement à la turbine de puissance. En outre, des options ont été envisagées avec une position différente de l'échangeur de chaleur pour préchauffer l'air entrant dans le moteur.
Dans la première version du moteur prometteur, qui a atteint le stade de la conception à part entière, un compresseur diagonal et axial, ainsi qu'une turbine à deux étages, auraient dû être situés sur le même axe. La deuxième turbine était censée être placée coaxialement derrière la première et reliée aux unités de transmission. Dans le même temps, il a été proposé que la turbine de puissance alimentant la transmission soit montée sur son propre axe, non reliée à l'axe des compresseurs et turbines. Cette solution pourrait simplifier la conception du moteur, si ce n'est pour un inconvénient sérieux. Ainsi, lors de la suppression de la charge (par exemple, lors d'un changement de vitesse), la deuxième turbine pouvait tourner jusqu'à des vitesses telles qu'il y avait un risque de destruction des aubes ou du moyeu. Il a été proposé de résoudre le problème de deux manières: soit en ralentissant la turbine de travail aux bons moments, soit en en évacuant les gaz. Sur la base des résultats de l'analyse, la première option a été choisie.
Et pourtant, la première version modifiée du char GTE était trop compliquée et coûteuse pour une production en série. Müller a poursuivi ses recherches. Pour simplifier la conception, certaines pièces d'origine ont été remplacées par des unités correspondantes empruntées au turboréacteur Heinkel-Hirt 109-011. De plus, plusieurs roulements ont été retirés de la conception du moteur du réservoir, sur lesquels les essieux du moteur étaient maintenus. Réduction du nombre de supports d'arbre à deux assemblage simplifié, mais élimination du besoin d'un essieu séparé avec une turbine qui transmet le couple à la transmission. La turbine de puissance était installée sur le même arbre sur lequel se trouvaient déjà les roues du compresseur et la turbine à deux étages. La chambre de combustion est équipée de buses rotatives d'origine pour la pulvérisation de carburant. En théorie, ils ont permis d'injecter le carburant plus efficacement, et ont également permis d'éviter la surchauffe de certaines parties de la structure. Une version mise à jour du projet était prête à la mi-septembre 1944.
Le premier tube à gaz pour véhicules blindés
Le premier tube à gaz pour véhicules blindés
Cette option n'était pas non plus sans inconvénients. Tout d'abord, les réclamations ont causé des difficultés avec le maintien du couple sur l'arbre de sortie, qui était en fait une extension de l'arbre principal du moteur. La solution idéale au problème de la transmission d'énergie pourrait être l'utilisation d'une transmission électrique, mais la pénurie de cuivre a fait oublier un tel système. Comme alternative à la transmission électrique, un transformateur hydrostatique ou hydrodynamique a été envisagé. Lors de l'utilisation de tels mécanismes, l'efficacité de la transmission de puissance était légèrement réduite, mais ils étaient nettement moins chers qu'un système avec un générateur et des moteurs électriques.
Moteur GT101
Le développement ultérieur de la deuxième version du projet a conduit à d'autres changements. Ainsi, afin de préserver les performances du GTE sous des charges de choc (par exemple, lors d'une explosion de mine), un troisième palier d'arbre a été ajouté. De plus, la nécessité d'unifier le compresseur avec les moteurs d'avion a conduit à une modification de certains paramètres du fonctionnement du réservoir GTE. En particulier, la consommation d'air a augmenté d'environ un quart. Après toutes les modifications, le projet de moteur de réservoir a reçu un nouveau nom - GT 101. À ce stade, le développement d'une centrale à turbine à gaz pour réservoirs a atteint le stade où il était possible de commencer les préparatifs pour la construction du premier prototype, et puis le réservoir équipé d'un moteur à turbine à gaz.
Néanmoins, la mise au point du moteur s'éternisa et à la fin de l'automne 1944, les travaux d'installation d'une nouvelle centrale électrique sur le char n'avaient pas commencé. A cette époque, les ingénieurs allemands ne travaillaient qu'à placer le moteur sur des chars existants. Il était initialement prévu que la base du GTE expérimental serait le char lourd PzKpfw VI - "Tiger". Cependant, le compartiment moteur de ce véhicule blindé n'était pas assez grand pour accueillir toutes les unités nécessaires. Même avec une cylindrée relativement faible, le moteur de la GT 101 était trop long pour un Tigre. Pour cette raison, il a été décidé d'utiliser le char PzKpfw V, également connu sous le nom de Panther, comme véhicule d'essai de base.
Au stade de la finalisation du moteur GT 101 destiné à être utilisé sur le char Panther, le client, représenté par la Direction de l'Armement des Forces Terrestres, et le maître d'œuvre du projet, ont déterminé les besoins du prototype. On supposait que le moteur à turbine à gaz porterait la puissance spécifique d'un char d'un poids de combat d'environ 46 tonnes au niveau de 25-27 ch. par tonne, ce qui améliorera considérablement ses caractéristiques de fonctionnement. Dans le même temps, les exigences en matière de vitesse maximale n'ont pratiquement pas changé. Les vibrations et les chocs dus à la conduite à grande vitesse ont considérablement augmenté le risque d'endommager les composants du châssis. En conséquence, la vitesse maximale autorisée a été limitée à 54-55 kilomètres par heure.
Groupe turbine à gaz GT 101 dans le réservoir "Panther"
Comme dans le cas du Tigre, le compartiment moteur du Panther n'était pas assez grand pour accueillir le nouveau moteur. Néanmoins, les concepteurs sous la direction du Dr Miller ont réussi à intégrer la GT 101 GTE dans les volumes disponibles. Certes, le gros tuyau d'échappement du moteur devait être placé dans un trou rond dans la plaque de blindage arrière. Malgré l'étrangeté apparente, une telle solution était considérée comme pratique et adaptée même à la production de masse. Le moteur GT 101 lui-même sur le "Panther" expérimental était censé être placé le long de l'axe de la coque, avec un décalage vers le haut, jusqu'au toit du compartiment moteur. À côté du moteur, dans les ailes de la coque, plusieurs réservoirs de carburant ont été placés dans le projet. L'emplacement de la transmission a été trouvé directement sous le moteur. Les dispositifs d'admission d'air ont été amenés sur le toit du bâtiment.
La simplification de la conception du moteur GT 101, en raison de laquelle il a perdu sa turbine séparée associée à la transmission, a entraîné des difficultés d'une autre nature. Pour une utilisation avec la nouvelle GTE, une nouvelle transmission hydraulique a dû être commandée. L'organisation ZF (Zahnradfabrik de Friedrichshafen) a créé en peu de temps un convertisseur de couple à trois étages avec une boîte de vitesses à 12 vitesses (!). La moitié des vitesses étaient destinées à la conduite sur route, le reste à la conduite hors route. Dans l'installation moteur-transmission du bassin expérimental, il a également été nécessaire d'introduire une automatisation qui surveillait les modes de fonctionnement du moteur. Un dispositif de contrôle spécial était censé surveiller la vitesse du moteur et, si nécessaire, augmenter ou diminuer le rapport, empêchant le GTE d'entrer dans des modes de fonctionnement inacceptables.
Selon les calculs des scientifiques, la turbine à gaz GT 101 avec une transmission de ZF pourrait avoir les caractéristiques suivantes. La puissance maximale de la turbine atteint 3750 ch, dont 2600 sont prélevés par le compresseur pour assurer le fonctionnement du moteur. Ainsi, «seulement» 1100-1150 chevaux sont restés sur l'arbre de sortie. La vitesse de rotation du compresseur et des turbines, en fonction de la charge, oscillait entre 14 et 14,5 mille tours par minute. La température des gaz devant la turbine était maintenue à un niveau prédéterminé de 800°. La consommation d'air était de 10 kilogrammes par seconde, la consommation de carburant spécifique, selon le mode de fonctionnement, était de 430 à 500 g / ch/h.
Moteur GT 102
Avec une puissance exceptionnellement élevée, le moteur à turbine à gaz à réservoir GT 101 avait une consommation de carburant tout aussi remarquable, environ deux fois plus élevée que celle des moteurs à essence disponibles à l'époque en Allemagne. En plus de la consommation de carburant, la GTE GT 101 présentait plusieurs autres problèmes techniques qui nécessitaient des recherches et des corrections supplémentaires. À cet égard, un nouveau projet GT 102 a commencé, dans lequel il était prévu de maintenir tous les succès obtenus et de se débarrasser des lacunes existantes.
En décembre 1944, A. Müller est arrivé à la conclusion qu'il était nécessaire de revenir à l'une des idées précédentes. Pour optimiser le fonctionnement du nouveau GTE, il a été proposé d'utiliser une turbine séparée sur son propre essieu, connectée aux mécanismes de transmission. Dans le même temps, la turbine de puissance du moteur GT 102 devait être une unité distincte, non placée coaxialement avec les unités principales, comme proposé précédemment. Le bloc principal de la nouvelle centrale électrique à turbine à gaz était le GT 101 avec des changements minimes. Il avait deux compresseurs à neuf étages et une turbine à trois étages. Lors du développement du GT 102, il s'est avéré que le bloc principal du moteur GT 101 précédent, si nécessaire, pouvait être placé non pas le long, mais à travers le compartiment moteur du char Panther. C'est ce qu'ils ont fait lors de l'assemblage des unités du réservoir expérimental. Les dispositifs d'admission d'air du moteur à turbine à gaz étaient désormais situés sur le toit du côté gauche, le tuyau d'échappement du côté droit.
Groupe turbine à gaz GT 102 dans le réservoir "Panther"
Groupe compresseur à turbine à gaz GT 102
Entre le compresseur et la chambre de combustion du bloc moteur principal, un tuyau était prévu pour purger l'air vers la chambre de combustion supplémentaire et la turbine. D'après les calculs, 70% de l'air entrant dans le compresseur devait passer par la partie principale du moteur et seulement 30% par l'appoint, avec une turbine de puissance. L'emplacement du bloc supplémentaire est intéressant: l'axe de sa chambre de combustion et de sa turbine de puissance aurait dû être situé perpendiculairement à l'axe du bloc moteur principal. Il a été proposé de placer les groupes de turbines de puissance sous le groupe principal et de les équiper de leur propre tuyau d'échappement, qui a été sorti au milieu du toit du compartiment moteur.
La « maladie congénitale » de la configuration du moteur à turbine à gaz du GT 102 était le risque de faire tourner la turbine de puissance avec des dommages ou une destruction ultérieurs. Il a été proposé de résoudre ce problème de la manière la plus simple: placer des vannes pour contrôler le débit dans la conduite d'alimentation en air de la chambre de combustion supplémentaire. Dans le même temps, les calculs ont montré que la nouvelle GT 102 GTE peut avoir une réponse de l'accélérateur insuffisante en raison des particularités du fonctionnement d'une turbine de puissance relativement légère. Les spécifications de conception, telles que la puissance de l'arbre de sortie ou la puissance de la turbine de l'unité principale, sont restées au même niveau que le moteur GT 101 précédent, ce qui peut s'expliquer par l'absence presque totale de changements de conception majeurs, à l'exception de l'apparition de la puissance unité de turbine. La poursuite de l'amélioration du moteur a nécessité l'utilisation de nouvelles solutions voire l'ouverture d'un nouveau projet.
Turbine de travail séparée pour GT 102
Avant de commencer le développement du prochain modèle GTE, appelé GT 103, le Dr A. Müller a tenté d'améliorer la disposition du GT 102 existant. Le principal problème de sa conception était les dimensions assez grandes de l'unité principale, ce qui rendait il était difficile de placer l'ensemble du moteur dans les compartiments moteurs des réservoirs disponibles à ce moment-là. Pour réduire la longueur de l'unité moteur-transmission, il a été proposé de concevoir le compresseur comme une unité distincte. Ainsi, trois unités relativement petites pourraient être placées à l'intérieur du compartiment moteur du réservoir: un compresseur, une chambre de combustion principale et une turbine, ainsi qu'une unité de turbine de puissance avec sa propre chambre de combustion. Cette version de la GTE s'appelait GT 102 Ausf. 2. En plus de placer le compresseur dans une unité séparée, des tentatives ont été faites pour faire de même avec la chambre de combustion ou la turbine, mais elles n'ont pas eu beaucoup de succès. La conception du moteur à turbine à gaz ne s'est pas permise de se diviser en un grand nombre d'unités sans pertes notables de performances.
Moteur GT 103
Une alternative au moteur à turbine à gaz GT 102 Ausf. 2 avec la possibilité de disposer "gratuitement" des unités dans le volume existant était le nouveau développement de la GT 103. Cette fois, les constructeurs de moteurs allemands ont décidé de se concentrer non pas sur la commodité du placement, mais sur l'efficacité du travail. Un échangeur de chaleur a été introduit dans l'équipement du moteur. Il a été supposé qu'avec son aide, les gaz d'échappement réchaufferaient l'air entrant par le compresseur, ce qui permettrait de réaliser des économies de carburant tangibles. L'essence de cette solution était que l'air préchauffé permettrait de dépenser moins de carburant pour maintenir la température requise devant la turbine. Selon des calculs préliminaires, l'utilisation d'un échangeur de chaleur pourrait réduire la consommation de carburant de 25 à 30 %. Sous certaines conditions, ces économies ont pu rendre le nouveau GTE adapté à une utilisation pratique.
Le développement de l'échangeur de chaleur a été confié à des "sous-traitants" de la société Brown Boveri. Le concepteur en chef de cette unité était V. Khrinizhak, qui avait auparavant participé à la création de compresseurs pour les moteurs à turbine à gaz de réservoir. Par la suite, Chrynižak est devenu un spécialiste reconnu des échangeurs de chaleur et sa participation au projet GT 103 en était probablement l'une des conditions préalables. Le scientifique a appliqué une solution plutôt audacieuse et originale: l'élément principal du nouvel échangeur de chaleur était un tambour rotatif en céramique poreuse. Plusieurs cloisons spéciales ont été placées à l'intérieur du tambour, ce qui a assuré la circulation des gaz. Pendant le fonctionnement, les gaz d'échappement chauds passaient à l'intérieur du tambour à travers ses parois poreuses et les chauffaient. Cela s'est produit pendant un demi-tour de tambour. Le demi-tour suivant servait à transférer la chaleur à l'air passant de l'intérieur vers l'extérieur. Grâce au système de chicanes à l'intérieur et à l'extérieur du cylindre, l'air et les gaz d'échappement ne se mélangeaient pas, ce qui excluait les dysfonctionnements du moteur.
L'utilisation de l'échangeur de chaleur a provoqué une sérieuse controverse parmi les auteurs du projet. Certains scientifiques et concepteurs pensaient que l'utilisation de cette unité à l'avenir permettrait d'atteindre une puissance élevée et des débits d'air relativement faibles. D'autres, à leur tour, ne voyaient dans l'échangeur de chaleur qu'un moyen douteux, dont les avantages ne pouvaient pas dépasser de manière significative les pertes dues à la complication de la conception. Dans le différend sur la nécessité d'un échangeur de chaleur, les partisans de la nouvelle unité ont gagné. À un moment donné, il a même été proposé d'équiper le moteur à turbine à gaz GT 103 de deux dispositifs pour préchauffer l'air à la fois. Le premier échangeur de chaleur devait dans ce cas chauffer l'air pour le bloc moteur principal, le second pour la chambre de combustion supplémentaire. Ainsi, le GT 103 était en fait un GT 102 avec des échangeurs de chaleur introduits dans la conception.
Le moteur GT 103 n'a pas été construit, c'est pourquoi il faut se contenter de ses caractéristiques calculées uniquement. De plus, les données disponibles sur ce GTE ont été calculées avant même la fin de la création de l'échangeur de chaleur. Par conséquent, un certain nombre d'indicateurs dans la pratique pourraient probablement s'avérer nettement inférieurs aux attentes. La puissance de l'unité principale, générée par la turbine et absorbée par le compresseur, était censée être égale à 1400 chevaux. La vitesse de rotation maximale de conception du compresseur et de la turbine de l'unité principale est d'environ 19 000 tours par minute. Consommation d'air dans la chambre de combustion principale - 6 kg / s. Il a été supposé que l'échangeur de chaleur réchauffera l'air entrant à 500 ° et que les gaz devant la turbine auront une température d'environ 800 °.
La turbine de puissance, selon les calculs, était censée tourner à une vitesse pouvant atteindre 25 000 tr/min et donner 800 ch sur l'arbre. La consommation d'air de l'unité supplémentaire était de 2 kg/s. Les paramètres de température de l'air d'admission et des gaz d'échappement étaient supposés être égaux aux caractéristiques correspondantes de l'unité principale. La consommation totale de carburant de l'ensemble du moteur avec l'utilisation d'échangeurs de chaleur appropriés ne dépasserait pas 200-230 g / hp h.
Résultats du programme
Le développement des moteurs allemands à turbine à gaz n'a commencé qu'à l'été 1944, lorsque les chances de l'Allemagne de gagner la Seconde Guerre mondiale diminuaient chaque jour. L'Armée rouge a attaqué le Troisième Reich par l'est et les troupes des États-Unis et de la Grande-Bretagne sont venues de l'ouest. Dans de telles conditions, l'Allemagne n'avait pas suffisamment d'opportunités pour une gestion à part entière de la masse des projets prometteurs. Toutes les tentatives pour créer un moteur fondamentalement nouveau pour les chars reposaient sur un manque d'argent et de temps. Pour cette raison, en février 1945, il y avait déjà trois projets à part entière de moteurs à turbine à gaz de réservoir, mais aucun d'entre eux n'a même atteint le stade de l'assemblage du prototype. Tous les travaux se sont limités uniquement à des études théoriques et à des tests d'unités expérimentales individuelles.
En février 1945 eut lieu un événement que l'on peut considérer comme le début de la fin du programme allemand de création de moteurs à turbine à gaz. Le Dr Alfred Müller a été démis de ses fonctions de chef du projet et son homonyme, Max Adolf Müller, a été nommé au poste vacant. M. A. Müller était également un spécialiste de premier plan dans le domaine des centrales électriques à turbine à gaz, mais son arrivée sur le projet a bloqué les développements les plus avancés. La tâche principale sous la nouvelle tête était de peaufiner le moteur GT 101 et de démarrer sa production en série. Il restait moins de trois mois avant la fin de la guerre en Europe, c'est pourquoi le changement de chef de projet n'a pas eu le temps d'aboutir au résultat souhaité. Tous les GTE de chars allemands sont restés sur papier.
Selon certaines sources, la documentation des projets de la ligne "GT" est tombée entre les mains des alliés et ils l'ont utilisé dans leurs projets. Cependant, les premiers résultats pratiques dans le domaine des moteurs à turbine à gaz pour véhicules terrestres, apparus après la fin de la Seconde Guerre mondiale hors d'Allemagne, n'avaient pas grand-chose en commun avec les développements des deux Dr. Müller. Quant aux moteurs à turbine à gaz conçus spécifiquement pour les réservoirs, les premiers réservoirs de série dotés d'une telle centrale ont quitté les ateliers d'assemblage des usines seulement un quart de siècle après l'achèvement des projets allemands.
