Los motores de turbina de gas GM Whirlfire fueron desarrollados en la década de 1950 por la división de investigación de General Motors Corporation y se instalaron en vehículos conceptuales, incluidos los automóviles conceptuales Firebird , los autobuses Turbo-Cruiser y los camiones Turbo-Titan hasta la década de 1960. Son máquinas de turboeje de turbina libre con dos carretes: un turboeje compresor/gasificador y un turboeje de potencia/salida que comparten un eje común sin un 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 de rueda térmica al GT-304 de segunda generación , lo que redujo 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, que luego se fusionó con Detroit Diesel y pasó a llamarse Detroit Diesel Allison, produciría aproximadamente un centenar de los motores GT-404 de diseño final , que incorporaban componentes cerámicos. El costo, impulsado por las aleaciones y materiales exóticos de las turbinas, y el consumo de combustible demostraron ser problemas insolubles en comparación con los motores de pistón convencionales y el desarrollo posterior de motores de turbina de gas en General Motors se interrumpió a principios de la década de 1980.
Debido a que los motores Whirlfire son máquinas de turbina libre, el par máximo se desarrolla cuando el eje de salida está parado (no gira), y es aproximadamente el doble del par desarrollado a plena potencia. Además, el menor consumo de combustible se logra 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 sola etapa aspira aire en condiciones atmosféricas a través de la entrada y expulsa aire comprimido radialmente hacia 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 del gasificador, que está en el mismo eje y se utiliza para impulsar el compresor rotativo, luego a través de la turbina de potencia, 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 rotatoria del eje del gasificador/compresor es de 33 000 RPM, mientras que el eje de potencia gira a 24 000 RPM a plena potencia; la velocidad del eje de potencia se reduce a 3500 RPM mediante un engranaje reductor en la salida para que sea compatible con los componentes automotrices. Un regulador permite que el eje de salida gire hasta 4500 RPM. [1] : 43–44 Un eje auxiliar se acciona desde el eje del gasificador/compresor para los auxiliares del motor, incluida una bomba de aceite lubricante de tipo engranaje. [1] : 44
Inicialmente, los primeros motores desarrollados ( GT-300 y 302 ) no tenían un regenerador, pero se descubrió que agregar regeneración para recuperar el calor de los gases de escape reducía el consumo de combustible a la mitad para el GT-304 de segunda generación , por lo que las generaciones posteriores de motores de turbina de gas GM Whirlfire incorporaron un regenerador.
En el GT/GMT-305 , se disponen dos regeneradores de tambor a cada lado de los turboejes en grandes compartimentos; los regeneradores giran aproximadamente a 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, luego, a medida que continúa girando hacia la sección de entrada, el calor se transfiere al aire comprimido, precalentándolo antes de agregar combustible en 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 frenado del 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 de 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 potencia de la necesaria para operar el compresor, por lo que para el GT-309 de quinta generación (1964), GM y Allison acoplaron el gasificador y los turboejes de potencia utilizando un embrague para extraer parte de esa potencia excedente. El sistema resultante, que Allison denominó Power Transfer , proporcionó al GT-309 un efecto de frenado del motor y mejoró el ahorro de combustible con carga parcial. [3]
Como motores de combustión externa , las turbinas de gas GM Whirlfire eran capaces de quemar una amplia variedad de combustibles; por ejemplo, se instalaron motores de turbina que quemaban carbón en polvo en un Cadillac Eldorado y un Oldsmobile Delta 88 a principios de la década de 1980 como respuesta a la crisis del petróleo de 1979. [4] [5] Otras fuentes potenciales de combustible incluían metanol , etanol , carbón licuado y petróleo de esquisto . [6]
El primer motor, que llevaba la designación interna de 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 775 lb (352 kg). El GT-300 se instaló en un autobús de tránsito "Old Look", que se marcó como "Turbo-Cruiser" . [11] Para reducir el tamaño general, el único quemador grande se reemplazó por dos quemadores más pequeños y el motor se renombró 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 turboeje de diseño de 24.000 RPM (gasificador) y 12.000 RPM (potencia). Los accesorios del motor son accionados por el turboeje del gasificador a través de una disposición de engranajes cónicos perpendiculares ; se utiliza un motor de arranque de automóvil convencional para hacer girar el eje de transmisión de accesorios (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 con motor de pistón por las letras en escritura "turbocruiser" en los costados, las ventanas traseras ciegas y un gran tubo 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 mostró la durabilidad mecánica del motor; según WA Turunen, "en varias ocasiones, piezas de instrumentación han pasado a través de la máquina. Los cangilones de la turbina se doblaron, pero en ningún caso fallaron incluso después del funcionamiento posterior de las piezas dañadas". [17] : 23 El autobús acumuló 9000 mi (14 000 km) en pruebas. [18] : 330
El consumo de combustible específico de los frenos (BSFC) fue un problema notable, ya que, con 1,63 lb/hp·h [19], era 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 1500 lb (680 kg) más liviana. Otras mejoras planificadas apuntarían al retraso del acelerador, que era causado por la aceleración de la turbina del gasificador a la velocidad máxima y la falta de frenado del motor. [21]
La GT-304 (1956) fue la primera turbina de gas de GM que incluyó un regenerador, que usaba el calor de escape para calentar el aire de admisión, mejorando el consumo de combustible a 0,77 lb/hp·h. [19] Tal como se instaló en el Firebird II, la potencia de la GT-304 era de 200 hp (150 kW) a una velocidad de la turbina del gasificador de 35 000 RPM. La turbina del gasificador funcionaba al ralentí a 15 000 RPM y la turbina de potencia funcionaba a hasta 28 000 RPM. La relación de compresión general en la etapa del gasificador era de 3,5:1. [22] La temperatura de entrada de la turbina se aumentó de 1500 °F (820 °C) a 1650 °F (900 °C); después de que GM Research volviera a evaluar la resistencia a la temperatura de la superaleación GMR-235. Con los regeneradores, el peso del motor aumentó a 850 lb (390 kg); [23] : 31 Cada regenerador pesaba 150 lb (68 kg). [18] : 340 Un engranaje reductor de 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 se alimentaban desde la transmisión, no desde el turboeje del gasificador, ya que se había descubierto que en ralentí, el consumo de energía de los accesorios podía superar la potencia excedente 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; el Turbo-Titan se probó con varias cargas, demostrando una aceleración y capacidad de subida en pendiente 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 una potencia de 195 hp (145 kW). [17]
El GT-305 (1958) instalado en el Firebird III tenía una potencia de 225 hp (168 kW) (a velocidades de turbina de 33 000 RPM gasificador / 27 000 RPM potencia) [24] y un peso de 600–650 lb (270–290 kg). [25] Con un regenerador y mejoras adicionales en los componentes, el GT-305 logró un consumo de combustible específico para frenos de 0,55 lb/hp·h, [19] una mejora del 25 % en comparación con el GT-304 anterior ; de manera similar, el peso del motor del GT-305 se redujo en un 25 % en comparación con el 304. Las dimensiones externas eran de 37 pulgadas (940 mm) de largo, 27,8 pulgadas (710 mm) de alto y 26 pulgadas (660 mm) de ancho. [26] La temperatura del escape se había reducido considerablemente; La temperatura de escape del GT-305 era de 520 °F (271 °C) a máxima potencia, disminuyendo a 275 °F (135 °C) al 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, 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 dudoso valor excepto en una aplicación donde el costo no es un problema". [18] : 358–359
El motor fue redesignado GMT-305 en 1959 y el desarrollo posterior para la producción regular fue transferido de GM Research a Allison Transmission . [19] [1] : 43 Como 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 ), los pernos de la turbina ( Inconel X), las carcasas de la turbina y del mamparo (SAE 60347) y las cámaras de combustión ( Hastelloy X). [27] Los primeros prototipos del 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 con motor Whirlfire se sometió a pruebas en condiciones invernales y acumuló 1.000 mi (1.600 km) de servicio con pocos problemas. [29] Además, el GMT-305 se instaló en un camión transportador de mineral en una mina de níquel a cielo abierto en Sudbury, Ontario . [27]
GT-307 , un sucesor propuesto para GT-305 , fue diseñado en 1960 pero nunca construido. [18] : 369 En cambio, GM se alejó de los automóviles de pasajeros con GT-309 (1964), que fue diseñado para aplicaciones de servicio pesado, como lo demuestra su uso en el camión 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 operar 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 (1,186 N⋅m) al ralentí. [30] [9] Además, el GT-309 se instaló en un tractor cabinado GMC Astro -95 convencional 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 se aumentó nuevamente a 1700 °F (930 °C). [31] El eje del gasificador (compresor) funcionaba 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 frenado del 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 solo regenerador de tambor giratorio, movido a la parte superior del motor con un solo combustor. [32] Con esta reconfiguración, el GT-309 medía 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 libras/s (110 kg/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 (turboeje 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 precalentaba el aire comprimido de 400 a 1100 °F (204 a 593 °C), lo que daba como resultado temperaturas de los gases de escape inferiores a 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, lo que dio lugar a la División Detroit Diesel Allison de General Motors Corporation (DDAD), que reunió 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 salida del GT-404 era de 325 hp (242 kW) a velocidades de turbina de gasificador/potencia de 37,103/30,830 RPM, con un par de calado 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 los regeneradores duales montados en el lateral, 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 pulgadas × 28 pulgadas × 39 pulgadas (1190 mm × 710 mm × 990 mm) (ancho × largo × alto) y 1700 libras (770 kg). [18] : 383 Se planeó una versión especial de la transmisión automática de servicio pesado Allison Transmission HT-740 para acoplarla al GT-404 , que omitió el convertidor de par y ahorró algo de espacio. [18] : 386
Los primeros motores GT-404 fueron enviados desde la planta Allison de Detroit Diesel 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 la unidad de fuego 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), supuestamente era "apenas adecuado para cubrir los costos de producción" y no competitivo con los motores diésel convencionales. [18] : 387 La producción en serie estaba programada para comenzar en 1972, y se planeó que las variantes GT-505 y 606 siguieran en 1973, con potencias aumentadas de 400-450 hp (300-340 kW) ( 505 ) y 550 hp (410 kW) ( 606 ). [37] Se obtuvo una experiencia de campo limitada con el 404 entre 1974 y 1977, [38] incluido su uso en autobuses MC-7 Super 7 Turbocruiser para Greyhound. [39] Las versiones posteriores del 404 utilizaron materiales avanzados, incluidos regeneradores de disco cerámico de silicato de aluminio . [34] : 79
El prototipo candidato GM RTS-3T (1972) probado bajo el Programa Transbus también utilizó un GT-404 . A fines de la década de 1970, los Departamentos de Energía y Transporte de los EE. UU. llevaron a cabo conjuntamente el Programa de demostración de autobuses de tránsito con turbina 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] La potencia del motor probado y enviado 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, cuatro autobuses de tránsito RTS-II (T8H-603) con motor GT-404 y cuatro autocares MCI MC-8 Americruiser se pusieron en servicio comercial para la MTA (en Baltimore, Maryland ) y Greyhound Lines , respectivamente. La MTA finalizó su prueba en julio de 1981 después de tres meses de servicio comercial; [34] : 51 para cuando el estudio concluyó en 1983, había sido puesto 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 instalarlos a medida; los motores GT-404-4 se construyeron a mano a un costo unitario de US$250.000 (equivalente a $1.170.000 en 2023). [42] : I-5, I-6 Externamente, los autobuses de turbina RTS-II modificados para MTA requerían una cubierta cuadrada en la parte trasera del autobús para acomodar el condensador de aire acondicionado reubicado, cambiando el perfil de una parte trasera inclinada a una apariencia más cuadrada. [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 para obtener piezas antes de instalarlo en un autobús. [34] : Apéndice C En 170,610 mi (274,570 km) de servicio con Greyhound, los cuatro autobuses MC-8 promediaron 4.26 mpg ‑US (55.2 L/100 km), menos eficientes que los autocares pares con motor de pistón diésel, que lograron 5.66 mpg ‑US (41.6 L/100 km) en promedio. De manera similar, en más de 31 640 km (19 660 mi) de servicio comercial con MTA, los cuatro autobuses RTS-II promediaron 2,7 mpg ‑US (87 L/100 km), consumiendo más que los autobuses de tránsito pares, que promediaron 4,3 mpg ‑US (55 L/100 km) en rutas similares. [34]