El BMW GT 101 era un motor de turbina de gas de tipo turboeje desarrollado a partir del motor de aviación BMW 003 , que se consideró para su instalación en el tanque Panther de la Alemania nazi . La división de desarrollo del ejército alemán , el Heereswaffenamt (Junta de Artillería del Ejército), estudió una serie de motores de turbina de gas para su uso en tanques a partir de mediados de 1944. Aunque ninguno de ellos se instaló operativamente, el GT 101 (GT por "Turbina de Gas") alcanzó una etapa de desarrollo de calidad de producción. Se produjeron varios diseños durante la vida útil del programa, incluidos el GT 102 y el GT 103 .
A mediados de 1943, Adolf Müller, ex miembro de la división de motores de aviación Junkers Jumo de la empresa matriz de aviación Junkers en Dessau , y luego de la división de motores a reacción de Heinkel-Hirth (Heinkel Strahltriebwerke) , propuso el uso de una turbina de gas para motores de vehículos blindados. Una turbina de gas sería mucho más ligera que los motores de pistón alternativos de gasolina de más de 600 hp que se usaban en los tanques de próxima generación, hasta ese momento obtenidos principalmente de la firma Maybach para los diseños de vehículos blindados de combate existentes de la Wehrmacht Heer , que mejoraría considerablemente su relación potencia-peso y, por lo tanto, mejoraría el rendimiento campo a través y potencialmente la velocidad absoluta. Sin embargo, en ese momento, existían desafíos considerables con el uso de motores de turbina de gas en esta función. En el caso de un motor turborreactor puro para fines de aviación, el escape caliente de la turbina se usa directamente solo para el empuje; Pero en el caso de una turbina de gas utilizada para un motor de tracción, cualquier calor que fluyera por el escape era esencialmente energía desperdiciada. El escape de la turbina era mucho más caliente que el de un motor de pistón, y los motores de turbina de gas de diseño pionero tenían cifras de economía de combustible atrozmente malas en comparación con los diseños tradicionales de motores de pistón alternativos. En el lado positivo, el uso de queroseno económico y ampliamente disponible como combustible compensó esta desventaja al menos en algún grado, por lo que la economía general de funcionamiento de los motores podría terminar siendo similar. Otro problema era que el motor de turbina de gas solo funciona bien cerca de una velocidad de funcionamiento diseñada particular, aunque a (o cerca de) esa velocidad puede proporcionar una amplia gama de par de salida . Más específicamente, las turbinas ofrecen muy poco par a bajas velocidades, lo que es un problema mucho menor para un motor de pistón, y en absoluto para un motor eléctrico. Para utilizar una turbina en el papel de tanque, el diseño necesitaría utilizar una transmisión y un embrague avanzados que permitieran al motor funcionar a un rango limitado de velocidades, o alternativamente utilizar algún otro método para extraer energía. Al principio, el ejército no estaba interesado y Müller se dedicó al diseño de un turbocompresor avanzado para BMW (no está claro si este diseño se utilizó). Cuando este trabajo se completó en enero de 1944, volvió a centrarse en los diseños de motores de tracción y, finalmente, se reunió con el Heereswaffenamt en junio de 1944 para presentar una serie de diseños propuestos para una unidad de 1000 caballos de fuerza. Dados los graves problemas que tenía Alemania con el suministro de combustible,A finales de la guerra, el uso de combustibles de baja calidad, sin importar la cantidad que se necesitara y utilizara, se consideraba en realidad una gran ventaja y la razón principal por la que el Heereswaffenamt finalmente se interesó en el diseño.
El primer diseño detallado de Müller fue una modificación sencilla de un motor a reacción tradicional, cuyo núcleo se basaba en el Heinkel HeS 011 experimental , del que sólo se construyeron 19 ejemplares completos. En este diseño, se atornillaron una turbina y un eje de toma de fuerza independientes al escape del núcleo del motor, de modo que los gases calientes del motor alimentaban la turbina y, por lo tanto, el tanque. Como el núcleo del motor estaba separado de la toma de fuerza, el par motor estaba disponible de inmediato porque el núcleo podía dejarse funcionando a plena velocidad mientras generaba pequeñas cantidades de energía, y los gases innecesarios se "descargaban". Sin embargo, este diseño tenía un problema grave: cuando se quitaba la carga, por ejemplo durante los cambios de marcha, la turbina de potencia se descargaba y podía funcionar sin control. O bien la turbina de potencia tenía que frenarse durante estos períodos, o bien el flujo de gas del núcleo del motor tenía que ser descargado.
Otro problema era que el Heereswaffenamt estaba seriamente preocupado por la calidad de los combustibles que pudieran encontrar. A diferencia de la función de aviación, donde se esperaba que el combustible fuera altamente refinado, se consideraba probable que el Ejército terminara con combustibles de menor calidad que podrían contener todo tipo de contaminantes pesados. Esto llevó a la posibilidad de que el combustible no tuviera tiempo de mezclarse adecuadamente en un diseño tradicional, lo que provocaría una combustión deficiente. Estaban particularmente interesados en que los inyectores de combustible giraran junto con el núcleo del motor, lo que podría conducir a una mezcla mucho mejor, con el beneficio adicional de reducir los puntos calientes en los estatores de la turbina . Desafortunadamente, el diseño de Müller no parecía poder adaptarse para usar estos inyectores, y el diseño finalmente fue rechazado el 12 de agosto de 1944.
Müller se centró entonces en diseños que eliminaban la turbina de potencia independiente y en su lugar exigían algún tipo de transmisión que mantuviera el par. La mejor solución al problema habría sido accionar un generador eléctrico y utilizar la energía para accionar motores de tracción (un sistema que Porsche había intentado introducir varias veces), pero la grave escasez de cobre en ese momento de la guerra (así como su calidad relativamente mala durante toda la guerra para uso eléctrico, procedente de recursos de mineral de cobre a los que Alemania podía acceder) descartaron esta solución. En su lugar se iba a utilizar algún tipo de transmisión hidráulica, aunque no se especificó inicialmente. Además, el nuevo diseño incluía los inyectores de combustible giratorios en la cámara de combustión en los que estaba interesado el Heereswaffenamt. Müller presentó el nuevo diseño el 14 de septiembre, y el Heereswaffenamt se mostró considerablemente más interesado; el deterioro de la situación del suministro de combustible en ese momento también pudo haber sido un factor.
Curiosamente, sugirieron que cualquier núcleo de motor desarrollado para esta función también debería ser adecuado para su uso en aviación, lo que llevó al abandono de los inyectores rotativos después de todo, y finalmente al uso de un núcleo BMW 003 modificado , a partir de un diseño bien probado. El diseño básico tuvo que modificarse con la adición de un tercer cojinete cerca del medio del motor para ayudar a absorber las cargas de impacto, y se agregó una tercera etapa de turbina al final del motor para aprovechar más par. A diferencia del diseño anterior, la toma de fuerza se podía colocar en cualquier lugar (no solo fuera de la etapa de turbina libre) y, de hecho, se movió a la parte delantera del motor para hacer que el diseño fuera lo más compatible posible con los compartimentos del motor existentes. El diseño básico se completó a mediados de noviembre y se le asignó el nombre de GT 101 .
En un principio, se había pensado montar el nuevo motor en el tanque Tiger diseñado por Henschel , pero aunque el motor era más pequeño, de manera diametral que el motor de pistón V-12 al que reemplazó, sus inicios como turborreactor de aviación BMW 003 basado en compresor axial significaron que era demasiado largo para caber en el compartimiento del motor del Tiger I. La atención se centró entonces en el Panther, que en este punto de la guerra iba a ser la base de toda la producción futura de tanques de todos modos (ver la serie Entwicklung para más detalles). Para el montaje experimental, Porsche proporcionó uno de los prototipos de cascos del Jagdtiger .
La instalación del GT 101 en el casco del Panther requirió un cierto esfuerzo de diseño, pero finalmente se encontró una disposición adecuada. El escape del motor se equipó con un gran difusor divergente para reducir la velocidad y la temperatura del escape, lo que también permitió una tercera etapa de turbina más grande. Toda la zona de escape se extendía desde la parte trasera del compartimiento del motor hacia el "aire libre", lo que lo hacía extremadamente vulnerable al fuego enemigo, y se comprendió que esto no era práctico para un sistema de producción.
Para la instalación se construyó una nueva caja de cambios automática de la fábrica de coches de Friedrichshafen (ZF), con tres niveles de embrague en el convertidor de par y doce marchas. La caja de cambios también incluía un embrague de accionamiento eléctrico que se desacoplaba mecánicamente por completo del motor a las 5.000 rpm, cuando el motor no generaba par. A plena velocidad, 14.000 rpm, el propio motor también actuaba como un enorme volante de inercia, lo que mejoraba enormemente el rendimiento todoterreno al permitir que parte del exceso de velocidad del motor se vertiera en la caja de cambios para impulsar el depósito de combustible en los baches.
En términos de rendimiento, el GT 101 habría sido sorprendentemente eficaz. Habría producido un total de 3.750 CV, utilizando 2.600 CV para operar el compresor y dejando así 1.150 CV para impulsar la transmisión. El conjunto del motor completo pesaba 450 kg (992 lb), sin incluir la transmisión. En comparación, el Maybach HL230 P30 existente al que reemplazó proporcionaba 620 CV, pero pesaba unos comparativamente enormes 1.200 kg (2.646 lb). Con el Maybach, el Panther tenía una potencia específica de unos 13,5 CV/tonelada, con el GT 101 esto mejoraría a 27 CV/tonelada, superando a cualquier tanque de la Segunda Guerra Mundial por un amplio margen (por ejemplo, el T-34 era de 16,2 CV/tonelada) y casi igualando la propia potencia máxima de 26,9 CV/tonelada del moderno tanque estadounidense M1 Abrams con motor turboeje . Por otras razones, fundamentalmente el desgaste, las velocidades de un Panther con motor GT 101 se limitarían deliberadamente a las de los Panther con motor de gasolina. Los únicos inconvenientes eran un par motor bajo a baja potencia y un consumo de combustible que era aproximadamente el doble del del Maybach, lo que planteaba problemas a la hora de encontrar suficiente espacio para el depósito de combustible (un problema similar existía también con las primeras turbinas de gas alemanas utilizadas para la propulsión de aviones).
Mientras continuaba el trabajo en el GT 101, Müller propuso otra forma de construir el motor de turbina libre que evitaba los problemas de sus diseños originales. En diciembre de 1944 presentó sus planos, que fueron aceptados para su desarrollo como GT 102 .
La idea básica del GT 102 era separar completamente la turbina de potencia del propio motor, utilizando este último como generador de gas . El motor principal se calentaba lo suficiente para alimentarse a sí mismo y nada más, no se extraía energía del núcleo para accionar el tanque. El aire comprimido del compresor del núcleo, el 30% del flujo de aire total, se purgaba a través de una tubería a una turbina de dos etapas completamente separada con su propia cámara de combustión. Esto evitaba los problemas de exceso de velocidad del diseño original; cuando se eliminaba la carga, simplemente cerrando el flujo de aire a la turbina la ralentizaba. Esto también significaba que el núcleo podía funcionar a plena velocidad mientras que la turbina de potencia funcionaba a baja velocidad, lo que proporcionaba un par motor a baja velocidad significativamente mejorado. El único inconveniente del diseño era que la turbina de potencia ya no tenía la enorme masa giratoria del GT 101 y, por lo tanto, no ofrecía ningún almacenamiento significativo de energía del volante de inercia .
Como la sección de la turbina del motor principal ya no recibía todo el aire del compresor, se podía construir más pequeño que en el GT 101. Esto hizo que el motor fuera más corto en general, lo que permitió instalarlo transversalmente en la parte superior del compartimiento del motor del Panther, en el área más ancha sobre las orugas. La turbina de potencia se colocó entonces en el espacio vacío debajo, montada en ángulo recto con el motor. Esto lo posicionó en línea con la transmisión normal, que estaba ubicada en la parte delantera del vehículo, y lo impulsaba a través de un eje de transmisión. El montaje era considerablemente más práctico que el del GT 101, y también completamente "bajo blindaje". Aunque el GT 102 tenía una economía de combustible aproximadamente igual al GT 101, el montaje dejó considerablemente más espacio vacío dentro del compartimiento del motor en el espacio anteriormente utilizado por el sistema de enfriamiento del motor que podría usarse para nuevas celdas de combustible, duplicando la capacidad total de combustible a 1.400 litros y proporcionando así una autonomía igual a la del motor de gasolina original.
La mayor parte del trabajo de diseño del GT 102 se completó a principios de 1945 y los planos debían haberse entregado el 15 de febrero (junto con los diseños finales del GT 101). Parece que los planos no se entregaron, probablemente debido al deterioro de las condiciones de guerra.
Para mejorar aún más el ajuste del GT 102 en el Panther, el diseño del GT 102 Ausf. 2 modificó varias secciones del diseño original del generador de gas para acortar el área del compresor y la cámara de combustión. Estos eran algo más largos en el GT 102 de lo que habrían sido en un motor de avión comparable para permitir una mejor mezcla con combustibles de menor calidad. El Ausf. 2 los devolvió a sus dimensiones originales y, en su lugar, reintrodujo los inyectores de combustible rotativos de los diseños originales anteriores al GT 101. El compresor se redujo aún más en longitud al reducirlo de nueve a siete etapas, pero mantuvo la relación de compresión original al operar la primera etapa cerca de Mach 1. Con estas reducciones de longitud, el motor podría encajar longitudinalmente en el compartimiento del motor, lo que permitió que el espacio sobre las orugas se usara para almacenar combustible, como se había hecho originalmente.
Gran parte del bajo consumo de combustible de la turbina de gas en la función de tracción se debía al escape caliente, que representaba esencialmente una pérdida de energía. Para recuperar parte de esta energía, es posible utilizar el escape caliente para precalentar el aire del compresor antes de que fluya hacia la cámara de combustión, utilizando un intercambiador de calor . Aunque no es habitual, estos recuperadores se utilizan en diversas aplicaciones en la actualidad.
W. Hryniszak, de Brown Boveri, en Heidelberg, diseñó un recuperador que se añadió al diseño del GT 102, que por lo demás no había sufrido modificaciones, para producir el GT 103. El intercambiador de calor utilizaba un cilindro cerámico poroso giratorio encajado en un conducto cruciforme. El aire procedente del escape del generador de gas entraba en el conducto por fuera del cilindro a 500 °C y circulaba por el cilindro, calentándolo y luego expulsándolo a unos 350 °C. El cilindro cerámico giraba lentamente para evitar el sobrecalentamiento del lado "caliente". El aire comprimido que fluía hacia la turbina de potencia se canalizaba por el centro del cilindro, entrando a unos 180 °C y saliendo a unos 300 °C.
Esto significaba que 120 °C de los 800 °C de temperatura final del aire no tenían que ser aportados por el combustible, lo que representaba un ahorro bastante sustancial. Las estimaciones sugerían una mejora de alrededor del 30% en el consumo de combustible. También se sugirió que se podría utilizar un segundo intercambiador de calor en el núcleo del motor del generador de gas, lo que ahorraría otro 30%. Esto redujo el uso de combustible a la mitad en general, haciéndolo similar al motor de gasolina original. Estas estimaciones parecen poco razonables en retrospectiva, aunque General Motors experimentó con estos sistemas a lo largo de los años 1960 y 1970.
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