GT 101 - GT 101
Le GT 101 est un turbomoteur de type moteur à turbine à gaz développé à partir de la BMW 003 moteur de l' aviation, qui a été considéré pour l' installation dans l' Allemagne nazie de char Panther . La division de développement de l' armée allemande , le Heereswaffenamt (Army Ordnance Board), a étudié un certain nombre de moteurs à turbine à gaz destinés à être utilisés dans des chars à partir de la mi-1944. Bien qu'aucun de ceux-ci n'ait été installé de manière opérationnelle, la GT 101 (GT pour "Gas Turbine") a atteint un stade de développement de qualité de production. Plusieurs modèles ont été produits au cours de la durée de vie du programme, y compris les GT 102 et GT 103 .
Origines
Dès la mi-1943 Adolf Müller , ancien membre de la Junkers Jumo division centrale électrique de l' avion de la mère compagnie d'aviation Junkers à Dessau , puis Heinkel-Hirth de (Heinkel Strahltriebwerke) moteur à réaction division, a proposé l'utilisation d'une turbine à gaz pour blindé moteurs de véhicules. Une turbine à gaz serait beaucoup plus légère que les moteurs à pistons alternatifs à essence de 600 ch et plus utilisés dans les réservoirs de nouvelle génération, à cette époque principalement fournis par la société Maybach pour les conceptions de véhicules de combat blindés existants de la Wehrmacht Heer . , que cela améliorerait considérablement leur rapport puissance / poids et améliorerait ainsi les performances tout-terrain, et potentiellement la vitesse pure et simple. À cette époque, l'utilisation de moteurs à turbine à gaz dans ce rôle posait cependant des défis considérables. Dans le cas d'un turboréacteur pur à des fins aéronautiques, l'échappement chaud de la turbine est utilisé directement pour la seule poussée; mais dans le cas d'une turbine à gaz utilisée pour un moteur de traction, toute chaleur s'échappant de l'échappement était essentiellement une perte d'énergie. L'échappement de la turbine était beaucoup plus chaud que celui d'un moteur à piston, les moteurs à turbine à gaz de conception pionnière possédant des chiffres de consommation de carburant atrocement mauvais par rapport aux moteurs à piston alternatifs traditionnels. Du côté positif, l'utilisation de kérosène peu coûteux et largement disponible comme carburant a compensé cet inconvénient au moins dans une certaine mesure, de sorte que l'économie globale de fonctionnement des moteurs pourrait finir par être similaire. Un autre problème était que le moteur à turbine à gaz ne fonctionne bien qu'à proximité d'une vitesse de fonctionnement conçue particulière, bien qu'à (ou près de) cette vitesse, il puisse fournir une grande variété de couple de sortie . Plus précisément, les turbines offrent très peu de couple à bas régime, ce qui est beaucoup moins problématique pour un moteur à pistons, et pas du tout pour un moteur électrique. Afin d'utiliser une turbine dans le rôle de réservoir, la conception aurait besoin d'utiliser une transmission et un embrayage avancés qui permettaient au moteur de fonctionner à une plage de vitesses limitée, ou d'utiliser une autre méthode pour extraire la puissance. Au début, l'armée n'était pas intéressée et Müller s'est tourné vers la conception d'un turbosupercompresseur avancé pour BMW (on ne sait pas si cette conception a vu son utilisation). Une fois ces travaux terminés en janvier 1944, il se tourna de nouveau vers les conceptions des moteurs de traction et rencontra finalement le Heereswaffenamt en juin 1944 pour présenter un certain nombre de conceptions proposées pour une unité de 1000 chevaux. Compte tenu des problèmes extrêmes que l'Allemagne avait avec l'approvisionnement en carburant à la fin de la guerre, l'utilisation de carburants de faible qualité, quelle que soit la quantité nécessaire et utilisée, était en fait considérée comme un avantage majeur, et la principale raison pour laquelle le Heereswaffenamt s'est finalement intéressé la conception.
Conception preliminaire
La première conception détaillée de Müller était une simple modification d'un moteur à réaction traditionnel, le moteur principal étant basé sur le Heinkel HeS 011 expérimental , dont seulement 19 exemples complets ont été construits. Dans cette conception, une turbine et un arbre de prise de force séparés étaient boulonnés sur l'échappement du noyau du moteur, les gaz chauds du moteur alimentant la turbine, et donc le réservoir. Le cœur du moteur étant entièrement séparé de la prise de force, le couple était immédiatement disponible car le cœur pouvait être laissé tourner à plein régime tout en générant de petites quantités de puissance, les gaz inutiles étant «déchargés». Cette conception posait cependant un sérieux problème; lorsque la charge a été retirée, lors des changements de vitesse par exemple, la turbine de puissance était déchargée et pouvait devenir incontrôlable. Soit la turbine de puissance a dû être freinée pendant ces périodes, soit le flux de gaz provenant du cœur du moteur a dû être vidé.
Un autre problème était que le Heereswaffenamt était sérieusement préoccupé par la qualité des carburants qu'il pouvait trouver. Contrairement au rôle de l'aviation où l'on s'attendait à ce que le carburant soit hautement raffiné, on a considéré que l'armée se retrouverait probablement avec des carburants de qualité inférieure susceptibles de contenir toutes sortes de contaminants lourds. Cela a conduit à la possibilité que le carburant n'aurait pas le temps de se mélanger correctement dans une conception traditionnelle, conduisant à une mauvaise combustion. Ils étaient particulièrement intéressés par la rotation des injecteurs de carburant avec le noyau du moteur, ce qui pourrait conduire à un meilleur mélange, avec l'avantage supplémentaire de réduire les points chauds sur les stators de la turbine . Malheureusement, la conception de Müller ne semblait pas pouvoir être adaptée pour utiliser ces injecteurs, et la conception a finalement été rejetée le 12 août 1944.
Müller s'est ensuite tourné vers des conceptions qui supprimaient la turbine de puissance séparée et nécessitaient à la place une sorte de transmission de maintien du couple. La meilleure solution au problème aurait été de conduire un générateur électrique et d'utiliser la puissance pour entraîner des moteurs de traction (un système que Porsche avait tenté d'introduire à plusieurs reprises), mais une grave pénurie de cuivre à ce stade de la guerre - ainsi car sa qualité relativement médiocre tout au long de la guerre pour l'utilisation électrique, à partir de ressources de minerai de cuivre auxquelles l'Allemagne pouvait accéder - a exclu cette solution. Au lieu de cela, une sorte de transmission hydraulique devait être utilisée, bien que non spécifiée initialement. En outre, la nouvelle conception incluait les injecteurs de carburant rotatifs dans la chambre de combustion qui intéressaient le Heereswaffenamt. Müller a présenté le nouveau design le 14 septembre, et le Heereswaffenamt s'est avéré beaucoup plus intéressé - la détérioration de la situation d'approvisionnement en carburant à ce stade pourrait avoir été un facteur aussi.
Curieusement, ils ont ensuite suggéré que tout noyau moteur développé pour ce rôle devrait également être adapté à une utilisation aéronautique, ce qui a conduit à l'abandon des injecteurs rotatifs après tout, et finalement à l'utilisation d'un noyau BMW 003 modifié , issu d'un noyau bien éprouvé. conception. La disposition de base a dû être modifiée avec l'ajout d'un troisième roulement près du milieu du moteur pour aider à absorber les charges de choc, et un troisième étage de turbine a été ajouté à l'extrémité du moteur pour exploiter plus de couple. Contrairement à la conception précédente, la prise de force pouvait être placée n'importe où (pas seulement à l'extérieur de l'étage de turbine libre) et était en fait déplacée à l'avant du moteur afin de rendre la conception aussi compatible que possible avec les compartiments moteurs existants. La conception de base a été achevée à la mi-novembre et a reçu le nom de GT 101 .
À l'origine, ils avaient l'intention de monter le nouveau moteur dans le char Tiger conçu par Henschel , mais bien que le moteur était plus petit, de manière diamétrale que le moteur à pistons V-12 qu'il a remplacé, ses débuts en tant que turboréacteur d'aviation BMW 003 à compresseur axial. signifiait qu'il était trop long pour rentrer dans le compartiment moteur du Tiger I. L'attention s'est ensuite tournée vers le Panther, qui à ce stade de la guerre devait de toute façon être la base de toute future production de chars (voir la série Entwicklung pour plus de détails). Pour le montage expérimental, Porsche a fourni l'un des prototypes de coques Jagdtiger .
Le montage de la GT 101 dans la coque Panther a demandé un certain effort de conception, mais finalement un arrangement approprié a été trouvé. L'échappement du moteur était équipé d'un grand diffuseur divergent pour abaisser la vitesse et la température d'échappement, ce qui permettait également un troisième étage de turbine plus grand. La zone d'échappement entière s'étendait de l'arrière du compartiment moteur en "air libre", ce qui le rendait extrêmement vulnérable aux tirs ennemis, et on s'est rendu compte que ce n'était pas pratique pour un système de production.
Une nouvelle transmission automatique de Zahnradfabrik de Friedrichshafen (ZF) a été construite pour le montage, elle avait trois niveaux d'embrayage dans le convertisseur de couple et douze vitesses. La transmission comprenait également un embrayage à commande électrique qui se désengageait mécaniquement du moteur complètement à 5000 tr / min, en dessous duquel le moteur ne produisait aucun couple à la sortie. À plein régime, 14000 tr / min, le moteur lui-même agissait également à la manière d'un énorme volant d'inertie, ce qui améliorait considérablement les performances en cross-country en permettant à une partie de l'excès de vitesse du moteur d'être déversée dans la transmission pour tirer le réservoir sur les bosses.
En termes de performances, la GT 101 aurait été étonnamment efficace. Il aurait produit un total de 3 750 ch, utilisant 2 600 ch pour faire fonctionner le compresseur et laissant ainsi 1 150 ch pour alimenter la transmission. L'ensemble du moteur pesait 450 kg (992 lb), sans compter la transmission. En comparaison, le Maybach HL230 P30 existant qu'il a remplacé fournissait 620 chevaux tout en pesant un poids relativement énorme de 1 200 kg (2 646 lb). Avec le Maybach, le Panther avait une puissance spécifique d'environ 13,5 ch / tonne, avec la GT 101, cela passerait à 27 ch / tonne, surpassant de loin n'importe quel char de la Seconde Guerre mondiale (par exemple, le T-34 était de 16,2 ch / tonne) et correspond presque à la cote maximale de 26,9 ch / tonne du char américain M1 Abrams à turbomoteur moderne . Pour d'autres raisons, essentiellement l'usure, les vitesses d'une Panther à moteur GT 101 seraient délibérément limitées à celles des Panthers à essence. Les seuls inconvénients étaient un couple médiocre à faible puissance et une consommation de carburant environ le double de celle du Maybach, ce qui posait des problèmes pour trouver suffisamment d'espace pour le réservoir de carburant - un problème similaire existait également avec les premières turbines à gaz allemandes utilisées pour la propulsion des avions.
GT 102
Alors que les travaux sur la GT 101 se poursuivaient, Müller a proposé une autre façon de construire le moteur à turbine libre qui évitait les problèmes avec ses conceptions originales. En décembre 1944, il présenta ses plans, qui furent acceptés pour développement sous le nom de GT 102 .
L'idée de base de la GT 102 était de séparer complètement la turbine de puissance du moteur lui-même, en utilisant ce dernier comme générateur de gaz . Le moteur central a été suffisamment chauffé pour s'alimenter et rien de plus, aucune puissance n'a été prélevée sur le noyau pour entraîner le réservoir. L'air comprimé du compresseur du noyau, 30% du débit d'air global, était évacué par un tuyau vers une turbine à deux étages complètement séparée avec sa propre chambre de combustion. Cela a évité les problèmes de survitesse de la conception originale; lorsque la charge était supprimée, le simple fait de couper le flux d'air vers la turbine la ralentirait. Cela signifiait également que le noyau pouvait fonctionner à pleine vitesse tandis que la turbine de puissance fonctionnait à basse vitesse, offrant un couple à basse vitesse considérablement amélioré. Le seul inconvénient de la conception était que la turbine de puissance n'avait plus l'énorme masse tournante de la GT 101 et n'offrait donc pas de stockage d'énergie significatif au volant .
Étant donné que la section de turbine du moteur central n'était plus alimentée en tout l'air du compresseur, elle pouvait être construite plus petite que dans la GT 101. Cela rendait le moteur plus court dans l'ensemble, lui permettant d'être installé transversalement dans la partie supérieure de le compartiment moteur du Panther, dans la zone plus large au-dessus des voies. La turbine de puissance a ensuite été installée dans l'espace vide ci-dessous, montée à angle droit par rapport au moteur. Cela l'a positionné en ligne avec la transmission normale, qui était située à l'avant du véhicule, l'entraînant via un arbre de puissance. Le montage était considérablement plus pratique que le GT 101, et entièrement "sous blindage" également. Bien que la GT 102 ait une économie de carburant à peu près égale à celle de la GT 101, le montage a laissé beaucoup plus d'espace vide dans le compartiment moteur dans l'espace autrefois utilisé par le système de refroidissement du moteur qui pouvait être utilisé pour les nouvelles piles à combustible, doublant la capacité globale 1400 litres et offrant ainsi une autonomie égale au moteur à essence d'origine.
La plupart des travaux de conception de la GT 102 étaient terminés au début de 1945 et les plans devaient être livrés le 15 février (avec les conceptions finales de la GT 101). Il semble que les plans n'ont pas été livrés, probablement en raison de la détérioration des conditions de guerre.
GT 102 Ausf. 2
Afin d'améliorer encore l'ajustement de la GT 102 dans la Panther, la GT 102 Ausf. La conception 2 a modifié plusieurs sections de la disposition originale du générateur de gaz pour raccourcir la zone du compresseur et la chambre de combustion. Celles-ci étaient un peu plus longues dans la GT 102 qu'elles ne l'auraient été dans un moteur d'avion comparable afin de permettre un meilleur mélange avec des carburants de qualité inférieure. L'Ausf. 2 les a ramenés à leurs dimensions d'origine et réintroduit à la place les injecteurs de carburant rotatifs des conceptions d'origine pré-GT 101. Le compresseur a été encore réduit en longueur en le réduisant de neuf à sept étages, mais a conservé le taux de compression d' origine en faisant fonctionner le premier étage à proximité de Mach 1 . Avec ces réductions de longueur, le moteur pouvait être installé dans le sens de la longueur dans le compartiment moteur, permettant à l'espace au-dessus des chenilles d'être utilisé pour le stockage du carburant, comme ils l'avaient fait à l'origine.
GT 103
Une grande partie de la faible économie de carburant de la turbine à gaz dans le rôle de traction était due à l'échappement chaud, qui représentait essentiellement une perte d'énergie. Afin de récupérer une partie de cette énergie, il est possible d'utiliser l'échappement chaud pour préchauffer l'air du compresseur avant qu'il ne pénètre dans la chambre de combustion, à l'aide d'un échangeur de chaleur . Bien que peu courants, ces récupérateurs sont aujourd'hui utilisés dans un certain nombre d'applications.
W. Hryniszak d' Asea Brown Boveri à Heidelberg a conçu un récupérateur qui a été ajouté à la conception GT 102 autrement non modifiée pour produire la GT 103 . L'échangeur de chaleur utilisait un cylindre en céramique poreux rotatif inséré dans un conduit cruciforme. L'air de l'échappement du générateur de gaz est entré dans le conduit à l'extérieur du cylindre à 500 ° C, et a soufflé autour du cylindre, le chauffant puis s'échappant à environ 350 ° C. Le cylindre en céramique tournait lentement afin d'éviter une surchauffe du côté "chaud". De l'air comprimé s'écoulant dans la turbine de puissance passait par le milieu du cylindre, entrant à environ 180 ° C et sortant à environ 300 ° C.
Cela signifiait que 120 ° C de la température finale de l'air à 800 ° C n'avaient pas à être fournis par le carburant, ce qui représentait une économie assez substantielle. Les estimations suggèrent une amélioration d'environ 30% de la consommation de carburant. Il a également été suggéré qu'un deuxième échangeur de chaleur pourrait être utilisé sur le noyau du moteur du générateur de gaz, économisant ainsi 30% supplémentaires. Cela a réduit la consommation de carburant de moitié dans l'ensemble, ce qui le rend similaire au moteur à essence d'origine. Rétrospectivement, ces estimations semblent déraisonnables, bien que General Motors ait expérimenté ces systèmes tout au long des années 60 et 70.
Les références
- Kay, Antony, Développement allemand de moteurs à réaction et de turbines à gaz 1930-1945 , Airlife Publishing, 2002, ISBN 9781840372946