Los motores de turbina de gas Whirlfire de GM fueron desarrollados en la década de 1950 por la división de investigación de General Motors Corporation y se instalaron en vehículos conceptuales, incluidos los autos conceptuales Firebird , los autobuses Turbo-Cruiser y los camiones Turbo-Titan durante la década de 1960. Son máquinas de turboeje de turbina libre con dos carretes: un turboeje de compresor/gasificador y un turboeje de potencia/salida que comparten un eje común sin acoplamiento mecánico entre ellos. El consumo de combustible del GT-300 de primera generación era alto en comparación con los motores de pistón, por lo que se agregaron regeneradores térmicos de ruedas al GT-304 de segunda generación , reduciendo el consumo en aproximadamente 1 ⁄ 2 .
Inicialmente, los motores fueron construidos por GM Research, pero a partir de la tercera generación del GT-305 , la división Allison Engine asumió la responsabilidad de comercializar la tecnología de turbinas de gas. Esta división, luego fusionada con Detroit Diesel y rebautizada como Detroit Diesel Allison, produciría aproximadamente cien de los motores GT-404 del diseño final , que incorporaban componentes cerámicos. El coste, impulsado por aleaciones y materiales exóticos de las turbinas, y el consumo de combustible resultaron ser problemas insolubles en comparación con los motores de pistón convencionales y, a principios de los años 1980, se interrumpió el desarrollo de motores de turbina de gas en General Motors.
Debido a que los motores Whirlfire son máquinas de turbina libre, el par máximo se desarrolla cuando el eje de salida está calado (sin girar) y es aproximadamente el doble del par desarrollado a plena potencia. Además, el menor consumo de combustible se consigue a plena potencia. [1] : 45–46
En el GT/GMT-305 de tercera generación , la entrada de aire está dispuesta axialmente con los turboejes, que comparten un eje horizontal común. El compresor rotativo de una etapa aspira aire en condiciones atmosféricas a través de la admisión y expulsa aire comprimido radialmente a los compartimentos laterales, donde los regeneradores giratorios en forma de tambor precalientan el aire comprimido utilizando el calor extraído de los gases de escape. El aire comprimido se canaliza a través de las cámaras de combustión, donde se mezcla con el combustible y se quema, y los gases de combustión resultantes se expanden primero a través de la turbina gasificadora, que está en el mismo eje y se utiliza para accionar el compresor rotativo, luego a través de la turbina de potencia. turbina, que está en el eje de salida. [1] : 43–44
En la entrada de la turbina del gasificador, la temperatura de diseño es de 1650 °F (900 °C). Para el GMT-305 , la velocidad de rotación del eje del gasificador/compresor es de 33.000 RPM, mientras que el eje de potencia gira a 24.000 RPM a máxima potencia; La velocidad del eje de potencia se reduce a 3500 RPM mediante un engranaje reductor en la salida para hacerlo compatible con los componentes automotrices. Un gobernador permite que el eje de salida gire hasta 4500 RPM. [1] : 43–44 Un eje accesorio es accionado desde el eje del gasificador/compresor para los accesorios del motor, incluida una bomba de aceite lubricante de tipo engranaje. [1] : 44
Inicialmente, los primeros motores desarrollados ( GT-300 y 302 ) no tenían regenerador, pero se descubrió que agregar regeneración para recuperar el calor de los gases de escape reducía el consumo de combustible en 1 ⁄ 2 para la segunda generación GT-304 , por lo que los posteriores generaciones de motores de turbina de gas Whirlfire de GM incorporaron un regenerador.
Para el GT/GMT-305 , dos regeneradores de tambor están dispuestos a cada lado de los turboejes en grandes compartimentos; los regeneradores giran a aproximadamente 30 RPM. Dentro de cada compartimento lateral, un mamparo vertical divide los regeneradores en secciones de escape de baja presión (que ocupan aproximadamente 2 ⁄ 3 del regenerador) y de entrada de alta presión (el 1 ⁄ 3 restante ). A medida que un regenerador gira a través de la sección de escape, recoge el calor residual de los gases de escape y luego, a medida que continúa girando hacia la sección de entrada, el calor se transfiere al aire comprimido, precalentándolo antes de agregar combustible a las cámaras de combustión. [1] : 44
Además de mejorar la eficiencia termodinámica, los regeneradores sirven para amortiguar el ruido y el calor del motor, reduciendo las temperaturas de escape. [1] : 44 La sección de escape opera a una presión más baja que la sección de entrada, por lo que el sellado del regenerador es importante para minimizar la pérdida de aire comprimido a alta presión. [2]
En un motor de pistón convencional, el freno motor se puede utilizar para reducir la velocidad de un vehículo sin utilizar los frenos de fricción; Debido a que la turbina de potencia no está conectada mecánicamente al compresor en un motor turboeje de turbina libre, no se puede lograr un efecto similar. Durante el desarrollo de los motores Whirlfire , GM descubrió que la turbina del gasificador podía generar más energía de la necesaria para operar el compresor, por lo que para la quinta generación del GT-309 (1964), GM y Allison acoplaron el turboeje del gasificador y el de potencia mediante un embrague. para extraer parte de ese excedente de poder. El sistema resultante, que Allison denominó Power Transfer , le dio al GT-309 un efecto de frenado del motor y mejoró la economía de combustible con carga parcial. [3]
Como motores de combustión externa , las turbinas de gas Whirlfire de GM eran capaces de quemar una amplia variedad de combustibles; por ejemplo, a principios de los años 1980 se instalaron motores de turbina que quemaban carbón en polvo en un Cadillac Eldorado y un Oldsmobile Delta 88 como respuesta a la crisis del petróleo de 1979 . [4] [5] Otras fuentes potenciales de combustible incluyeron metanol , etanol , carbón licuado y petróleo de esquisto . [6]
El primer motor, que llevaba la designación interna GT-300 (1953), no tenía regenerador. El GT-300 tenía una potencia de 370 hp (280 kW) cuando la turbina del gasificador (compresor) giraba a 26.000 RPM y la turbina libre (de potencia) giraba a 13.000 RPM. El peso de toda la unidad del motor era de 352 kg (775 lb). El GT-300 se instaló en un autobús de tránsito "Old Look", que tenía la marca "Turbo-Cruiser" . [11] Para reducir el tamaño total, el único quemador grande fue reemplazado por dos quemadores más pequeños y el motor fue redesignado como GT-302 , que se instaló en el Firebird I (XP-21). [1] : 43 [9] [12] [13]
El GT-300 fue diseñado con una relación de compresión de 3,5:1 y velocidades nominales de diseño del turboeje de 24.000 RPM (gasificador) y 12.000 RPM (potencia). Los accesorios del motor son impulsados por el turboeje del gasificador a través de una disposición de engranajes cónicos perpendiculares ; Se utiliza un motor de arranque automotriz convencional para hacer girar el eje impulsor accesorio (y el turboeje del gasificador). [14] Se desarrolló y patentó una nueva aleación a base de níquel, denominada GMR-235, para las palas de la turbina del motor Whirlfire . [15] [16]
Externamente, el Turbo-Cruiser se distinguía de los autobuses de pistón por las letras "turbocruiser" en los costados, las ventanas traseras ocultas y una gran chimenea de escape central en el techo. Los asientos traseros fueron reemplazados por "un laboratorio móvil completo con un gran panel de instrumentación [orientado hacia atrás]" para dos ingenieros. [17] : 22 La experiencia operativa con el Turbo-Cruiser demostró la durabilidad mecánica del motor; Según WA Turunen, "en varias ocasiones han pasado piezas de instrumentación a través de la máquina. Los álabes de la turbina estaban doblados, pero en ningún caso fallaron, ni siquiera después del funcionamiento posterior de piezas dañadas". [17] : 23 El autobús acumuló 9.000 millas (14.000 km) en las pruebas. [18] : 330
El consumo de combustible específico de frenos (BSFC) fue un problema notable, que con 1,63 lb/hp·h [19] fue significativamente mayor que el de un motor diésel Detroit Diesel 8V71 comparable (aproximadamente 0,40 lb/hp·h), [20] a pesar de que la turbina era 680 kg (1.500 lb) más ligera. Otras mejoras planificadas apuntarían al retraso del acelerador, causado por la aceleración de la turbina del gasificador a su velocidad máxima, y la falta de freno motor. [21]
GT-304 (1956) fue la primera turbina de gas de GM que incluyó un regenerador, que utilizaba el calor del escape para calentar el aire de entrada, mejorando el consumo de combustible a 0,77 lb/hp·h. [19] Tal como estaba instalado en el Firebird II, la potencia del GT-304 era de 200 hp (150 kW) a una velocidad de la turbina del gasificador de 35.000 RPM. La turbina del gasificador funcionó a 15.000 RPM y la turbina de potencia operó a hasta 28.000 RPM. La relación de compresión general en la etapa del gasificador fue de 3,5:1. [22] La temperatura de entrada de la turbina se aumentó a 1650 °F (900 °C) desde 1500 °F (820 °C); después de que GM Research volviera a calificar la resistencia a la temperatura de la superaleación GMR-235. Con los regeneradores, el peso del motor aumentó a 390 kg (850 lb); [23] : 31 cada regenerador pesaba 150 lb (68 kg). [18] : El engranaje reductor 340 7.27:1 hizo que la velocidad del eje de salida fuera compatible con los accesorios de automóviles convencionales. Se utilizó un acoplamiento de entrada de fluido entre el motor y la transmisión; Además, los accesorios más grandes recibían energía de la transmisión, no del turboeje del gasificador, ya que se había descubierto que en ralentí, el consumo de energía de los accesorios podía exceder el excedente de energía disponible. [23] : 31–32
El GT-304 también se instaló en el primer Turbo-Titan , un camión-tractor Chevrolet modelo 10413 de servicio pesado con ejes traseros en tándem; Turbo-Titan se probó con varias cargas, demostrando una aceleración y capacidad de ascenso superiores en comparación con el motor Loadmaster V-8 que se eliminó, un V-8 de válvulas en cabeza de 322 pulgadas cúbicas (5,3 L) con 195 hp (145 kW) de potencia. [17]
El GT-305 (1958) instalado en el Firebird III tenía una potencia de 225 hp (168 kW) (a velocidades de turbina de gasificador de 33 000 RPM / 27 000 RPM de potencia) [24] y un peso de 600 a 650 lb (270 a 290 kg). . [25] Con un regenerador y refinamientos de componentes adicionales, el GT-305 logró un consumo de combustible específico de frenos de 0,55 lb/hp·h, [19] una mejora del 25% en comparación con el GT-304 anterior ; Asimismo, el peso del motor del GT-305 se redujo en un 25% respecto al 304 . Las dimensiones externas eran 37 pulgadas (940 mm) de largo, 27,8 pulgadas (710 mm) de alto y 26 pulgadas (660 mm) de ancho. [26] La temperatura de escape se había reducido considerablemente; el escape del GT-305 era de 520 °F (271 °C) a máxima potencia, disminuyendo a 275 °F (135 °C) en ralentí. [18] : 346
El Firebird III tenía una unidad de potencia auxiliar de dos cilindros para accesorios y un retardador de grado especial para simular el frenado del motor, lo que Jan Norbye criticó como resultado de "la negativa de los expertos en turbinas a abordar los problemas en la base... estos dos sistemas parecen de valor dudoso excepto en una aplicación donde el costo no es un problema". [18] : 358–359
El motor fue redesignado GMT-305 en 1959 y GM Research pasó el desarrollo adicional para la producción regular a Allison Transmission . [19] [1] : 43 Como el GMT-305 , incorporó aproximadamente 30 lb (14 kg) de níquel en aleaciones, incluidas las palas de la turbina (GMR-235), las ruedas de la turbina (16-25-6), los turboejes ( 4340 ), pernos de turbina ( Inconel X), carcasas de turbina y mamparo (SAE 60347) y cámaras de combustión ( Hastelloy X). [27] Los primeros prototipos GMT-305 comenzaron a enviarse en noviembre de 1959 para su instalación en vehículos militares estadounidenses, incluido el M56 Scorpion y un barco de personal de 28 pies. [28] El M56 propulsado por Whirlfire se sometió a pruebas en condiciones invernales y acumuló 1.600 km (1.000 millas) de servicio con pocos problemas. [29] Además, el GMT-305 se instaló en un camión de transporte de mineral en una mina de níquel a cielo abierto en Sudbury, Ontario . [27]
El GT-307 , un sucesor propuesto del GT-305 , fue diseñado en 1960 pero nunca construido. [18] : 369 En cambio, GM se alejó de los automóviles de pasajeros con el GT-309 (1964), que fue diseñado para aplicaciones de servicio pesado, como lo demuestra su uso en la camioneta Chevrolet Turbo Titan III y los autobuses Turbo-Cruiser II/III. ; Para este motor actualizado, la turbina del gasificador y el compresor fueron diseñados para funcionar a 35.700 RPM, generando 280 hp (210 kW) a una velocidad del eje de potencia de 35.000 RPM (con engranaje reductor, 4.000 RPM). El par de calado fue de 875 lb⋅ft (1186 N⋅m) al ralentí. [30] [9] Además, el GT-309 se instaló en un tractor cabover convencional GMC Astro -95 y en el prototipo de autobús de tránsito RTX de 1969. [18] : 379, 382
En comparación con los motores anteriores, la temperatura de entrada de la turbina volvió a aumentar a 930 °C (1700 °F). [31] El eje del gasificador (compresor) estaba en ralentí a 15.000 RPM y el BSFC era de 0,45 lb/hp·h. Se utilizó un sistema de "transferencia de potencia" para conectar parte de la turbina del gasificador al eje de salida; Con esto activado, el freno motor estaba disponible con una efectividad de dos a tres veces el efecto equivalente al uso de un motor de pistón. El motor utilizaba un único regenerador de tambor giratorio, trasladado a la parte superior del motor con una única cámara de combustión. [32] Con esta reconfiguración, GT-309 midió 36 pulgadas (910 mm) de largo, 30 pulgadas (760 mm) de ancho y 35,5 pulgadas (900 mm) de alto, consumiendo aire a una velocidad de 4 lb/s (110 kg/s). min) con una relación de compresión de 3,9:1. [18] : 370–371 Siempre que la transmisión estaba en marcha, el motor funcionaba a una velocidad de ralentí de 19.300 RPM (turboreje del gasificador) y era capaz de acelerar a 32.130 RPM en 2,7 segundos para combatir el retraso del acelerador. [18] : 371–373 El regenerador único precalentó el aire comprimido de 400 a 1100 °F (204 a 593 °C), lo que resultó en temperaturas de los gases de escape de menos de 500 °F (260 °C). [18] : 375
A diferencia del GT-305 , el desarrollo comercial del GT-309 estuvo a cargo de Detroit Diesel . Sin embargo, Detroit Diesel y Allison se fusionaron en 1970, dando como resultado la División Detroit Diesel Allison de General Motors Corporation (DDAD), reuniendo el desarrollo de turbinas de gas para vehículos de carretera en GM. [18] : 382
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La evolución final del motor de turbina de gas de GM fue el GT-404 , que fue desarrollado por DDAD y había abandonado la marca Whirlfire . La potencia del GT-404 fue de 325 hp (242 kW) a velocidades del gasificador/turbina de potencia de 37,103 / 30,830 RPM, con un par de parada de 595 lb⋅ft (807 N⋅m) y BSFC de 0,475 lb/hp·h. [33] En comparación con el GT-309 anterior , el 404 volvió a usar regeneradores laterales dobles, aunque el 404 usaba discos en lugar de tambores. [34] : 79 El 404 era considerablemente más grande y pesado que el 309 anterior , con 47 x 28 x 39 pulgadas (1190 mm x 710 mm x 990 mm) (ancho x largo x alto) y 1700 libras (770 kg). . [18] : 383 Se planeó acoplar una versión especial de la transmisión automática de servicio pesado Allison Transmission HT-740 con el GT-404 , lo que omitió el convertidor de par y ahorró algo de espacio. [18] : 386
Los primeros motores GT-404 se enviaron desde la planta Detroit Diesel Allison en Indianápolis a Detroit y Portland, Oregón, en 1971, para su instalación en prototipos de tractores de carretera. [35] Además, sirvió en el grupo electrógeno de energía eléctrica para la unidad de disparo de misiles tierra-aire MIM-104 Patriot . [36] El precio de lista de las primeras versiones, de 9.000 dólares estadounidenses (equivalente a 50.000 dólares en 2023), era "apenas adecuado para cubrir los costos de producción" y no era competitivo con los motores diésel convencionales. [18] : La producción en serie del 387 estaba programada para comenzar en 1972, y se planeó que le siguieran las variantes GT-505 y 606 en 1973, con potencias aumentadas de 400 a 450 hp (300 a 340 kW) ( 505 ) y 550 hp (410 kilovatios) ( 606 ). [37] Se obtuvo una experiencia de campo limitada con el 404 entre 1974 y 1977, [38] incluido el uso en autobuses MC-7 Super 7 Turbocruiser para Greyhound. [39] Las versiones posteriores del 404 utilizaron materiales avanzados, incluidos regeneradores de discos cerámicos de silicato de aluminio . [34] : 79
El prototipo candidato GM RTS-3T (1972) probado bajo el Programa Transbus también utilizó un GT-404 . A finales de la década de 1970, los Departamentos de Energía y Transporte de EE. UU. llevaron a cabo conjuntamente el Programa de demostración de autobuses de tránsito con turbinas de gas, utilizando la turbina de gas DDA GT-404 tanto en autobuses de tránsito como en autocares de carretera . [40] [41] Se construyeron 11 motores GT-404-4 para este programa; esta versión tenía una potencia nominal de 300 hp (220 kW) con una temperatura de entrada de la turbina de 1875 °F (1024 °C); [34] : 77 tal como se enviaron, la potencia del motor probada varió de 282,8 a 304,3 hp (210,9 a 226,9 kW), con BSFC entre 0,428 y 0,447 lb/hp·h. [34] : 92 En el marco del programa de demostración, se pusieron en servicio rentable cuatro autobuses de tránsito RTS-II (T8H-603) con motor GT-404 y cuatro autocares MCI MC-8 Americruiser para la MTA (en Baltimore, Maryland ) y Greyhound. Líneas , respectivamente. La MTA puso fin a su prueba en julio de 1981 después de tres meses de servicio fiscal; [34] : 51 cuando el estudio concluyó en 1983, se había colocado bajo los auspicios de la NASA . [42]
Debido a que GM se negó a convertir los autobuses RTS-II para acomodar los motores de turbina, se contrató a un fabricante para que los instalara a medida; Los motores GT-404-4 se construyeron a mano a un costo unitario de 250.000 dólares estadounidenses (equivalente a 1.170.000 dólares en 2023). [42] : I-5, I-6 Externamente, los autobuses de turbina RTS-II modificados para MTA requirieron una cubierta cuadrada en la parte trasera del autobús para acomodar el condensador de aire acondicionado reubicado, cambiando el perfil de un extremo trasero inclinado a uno más cuadrado. mirar. [34] : 117 Los motores de turbina se instalaron en los números de flota Greyhound MC-8 5991 (motor T6), 5992 (T5, más tarde T8), 5993 (T7) y 5994 (T5, más tarde T9); y los números de flota MTA RTS-II 3318 (T11), 3319 (T11, más tarde T14), 3320 (T14, más tarde T13) y 3321 (T13, más tarde T15 y T12). El motor T10 fue canibalizado en busca de piezas antes de instalarlo en un autobús. [34] : Apéndice C Durante 170.610 mi (274.570 km) de servicio con Greyhound, los cuatro autobuses MC-8 promediaron 4,26 mpg - EE. UU. (55,2 L/100 km), menos eficientes que los autocares pares con motor diésel de pistón, que alcanzaron 5,66 mpg -EE.UU. (41,6 L/100 km) en promedio. De manera similar, en más de 19,660 mi (31,640 km) de servicio comercial con MTA, los cuatro autobuses RTS-II promediaron 2,7 mpg -EE.UU. (87 L/100 km), consumiendo más que los autobuses de tránsito pares, que promediaron 4,3 mpg -EE.UU. (55 L /100 km) en rutas similares. [34]