BMW GT 101

El BMW GT 101 era un motor de turbina de gas de tipo turboeje desarrollado a partir del motor aeronáutico 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 Armamento del Ejército), estudió varios 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 "Gas Turbine") alcanzó una etapa de desarrollo con calidad de producción. Se produjeron varios diseños a lo largo de la vida del programa, incluidos el GT 102 y el GT 103 .

Ya a mediados de 1943, Adolf Müller , anteriormente de la división de motores de aeronaves 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 alternativo de gasolina de más de 600 hp que se utilizaban en los tanques de próxima generación, hasta ese momento provenientes principalmente de la empresa 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 todoterreno y potencialmente la velocidad máxima. Sin embargo, en ese momento, había desafíos considerables con el uso de motores de turbina de gas para esta función. En el caso de un motor turborreactor puro para fines aeronáuticos, el escape caliente de la turbina se utiliza directamente solo para el empuje; Pero en el caso de una turbina de gas utilizada como motor de tracción, el calor que salía del 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 presentaban cifras de consumo de combustible pésimas en comparación con los diseños tradicionales de motores de pistón alternativos. Como ventaja, el uso de queroseno , un combustible económico y ampliamente disponible, compensaba esta desventaja al menos en cierta medida, por lo que la economía general del 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 específica, aunque a esa velocidad (o cerca de ella) puede proporcionar un amplio rango de par motor . Más concretamente, las turbinas ofrecen muy poco par a bajas velocidades, lo que supone un problema mucho menor para un motor de pistón y ninguno para un motor eléctrico. Para utilizar una turbina en un tanque, el diseño requeriría una transmisión y un embrague avanzados que permitieran al motor funcionar a un rango limitado de velocidades, o bien utilizar algún otro método para extraer energía. Al principio, el Ejército no mostró interés, y Müller se dedicó al diseño de un turbocompresor avanzado para BMW (no está claro si este diseño llegó a utilizarse). Cuando terminó este trabajo en enero de 1944, volvió a centrarse en el diseño de locomotoras de vapor y, finalmente, se reunió con la Oficina de Armamento del Ejército (Heereswaffenamt) en junio de 1944 para presentar varios diseños propuestos para una unidad de 1000 caballos de fuerza. Esto se debió a los graves problemas que Alemania tenía con el suministro de combustible. Hacia el final de la guerra, el uso de combustibles de baja calidad, sin importar la cantidad necesaria o utilizada, se consideraba una gran ventaja, y la razón principal por la que el Heereswaffenamt (Oficina de Armamento del Ejército) acabó interesándose por el diseño.

El primer diseño detallado de Müller fue una simple modificación de un motor a reacción tradicional, basado en el motor experimental Heinkel HeS 011 , del cual solo se construyeron 19 ejemplares completos. En este diseño, una turbina y un eje de toma de fuerza independientes se atornillaban al escape del núcleo del motor, de modo que los gases calientes del motor impulsaban la turbina y, por lo tanto, el tanque. Dado que el núcleo del motor estaba separado de la toma de fuerza, el par motor estaba disponible de inmediato, ya que el núcleo podía funcionar a máxima velocidad generando pequeñas cantidades de potencia, y los gases sobrantes se expulsaban. Sin embargo, este diseño presentaba un grave problema: al retirar la carga, por ejemplo, durante los cambios de marcha, la turbina de potencia se descargaba y podía acelerarse sin control. En esos casos, era necesario frenar la turbina de potencia o expulsar el flujo de gases del núcleo del motor.

Otro problema era que la Oficina de Armamento del Ejército (Heereswaffenamt) estaba muy preocupada por la calidad de los combustibles que pudieran encontrar. A diferencia de la 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 planteaba la posibilidad de que el combustible no tuviera tiempo de mezclarse correctamente en un diseño tradicional, lo que resultaría en una combustión deficiente. Estaban particularmente interesados ​​en que los inyectores de combustible giraran junto con el núcleo del motor, lo que se esperaba que condujera 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 finalmente fue rechazado el 12 de agosto de 1944.

Müller then turned to designs that removed the separate power turbine and instead required some sort of torque-maintaining transmission. The best solution to the problem would have been to drive an electrical generator and use the power to drive motors for traction (a system Porsche had tried to introduce several times), but a serious shortage of copper by this point in the war — as well as its relatively poor quality throughout the war for electrical use, from copper ore resources that Germany could access — ruled out this solution. Instead some sort of hydraulic transmission was to be used, although not initially specified. Additionally, the new design included the rotating fuel injectors in the combustion chamber that the Heereswaffenamt was interested in. Müller presented the new design on 14 September, and the Heereswaffenamt proved considerably more interested – the deteriorating fuel supply situation at this point may have been a factor as well.

Oddly, they then suggested that any engine core developed for this role should also be suitable for aviation use, which led to the abandonment of the rotating injectors after all, and eventually to the use of a modified BMW 003 core, from a well-proven design. The basic layout had to be modified with the addition of a third bearing near the middle of the engine to help absorb shock loads, and a third turbine stage was added to the end of the engine to harness more torque. Unlike the earlier design, the power-take off could be placed anywhere (not just off the free turbine stage) and was in fact moved to the front of the engine in order to make the design as compatible as possible with existing engine compartments. The basic design was completed in mid-November, and assigned the name GT 101.

Originally they had intended to mount the new engine in the Henschel-designed Tiger tank, but although the engine was smaller, in a diametral manner than the V-12 piston engine it replaced, its beginnings as the axial compressor-based BMW 003 aviation turbojet meant that it was too long to fit in the Tiger I's engine bay. Attention then turned to the Panther, which by this point in the war was to be the basis of all future tank production anyway (see the Entwicklung series for details). For experimental fitting, Porsche provided one of the prototype Jagdtiger hulls.

La instalación del motor GT 101 en el casco del Panther requirió cierto esfuerzo de diseño, pero finalmente se encontró una disposición adecuada. El escape del motor se equipó con un difusor divergente de gran tamaño para reducir la velocidad y la temperatura de los gases de escape, lo que también permitió la instalación de una tercera etapa de turbina de mayor tamaño. Toda la zona de escape se extendía hacia la parte trasera del compartimento del motor, quedando expuesta al aire libre, lo que la hacía extremadamente vulnerable al fuego enemigo, y se comprendió que esto no era práctico para un sistema de producción.

Para la instalación se fabricó una nueva transmisión automática de Zahnradfabrik de Friedrichshafen (ZF), con tres niveles de embrague en el convertidor de par y doce velocidades. La transmisión también incluía un embrague de accionamiento eléctrico que se desacoplaba mecánicamente del motor por completo a 5000 rpm, por debajo de la cual el motor no generaba par motor. A máxima velocidad, 14 000 rpm, el propio motor actuaba como un enorme volante de inercia, lo que mejoraba notablemente el rendimiento en terrenos irregulares al permitir que parte del exceso de velocidad del motor se transfiriera a la transmisión para impulsar el depósito sobre los baches.

En términos de rendimiento, el GT 101 habría sido sorprendentemente eficaz. Habría producido un total de 3750  hp, utilizando 2600  hp para operar el compresor y dejando así 1150  hp para alimentar la transmisión. El conjunto completo del motor pesaba 450  kg (992 lb), sin incluir la transmisión. En comparación, el Maybach HL230 P30  existente al que reemplazaba proporcionaba 620 hp, pero pesaba la considerable cantidad de 1200 kg (2646 lb). Con el Maybach, el Panther tenía una potencia específica de aproximadamente 13,5 hp/tonelada; con el GT 101, esta mejoraría a 27 hp/tonelada, superando por amplio margen a cualquier tanque de la Segunda Guerra Mundial (por ejemplo, el T-34 tenía 16,2 hp/tonelada) y casi igualando la potencia máxima de 26,9 hp/tonelada del moderno tanque estadounidense M1 Abrams , propulsado por turbina. Por otras razones, principalmente el desgaste, la velocidad de un Panther con motor GT 101 se limitaba deliberadamente a la de los Panther con motor de gasolina. Los únicos inconvenientes eran el bajo par motor a bajas revoluciones y un consumo de combustible que duplicaba aproximadamente el del Maybach, lo que dificultaba encontrar espacio suficiente para el depósito de combustible; un problema similar existía también con las primeras turbinas de gas alemanas utilizadas para la propulsión de aeronaves.     

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 el GT 102 .

La idea básica del GT 102 era separar completamente la turbina de potencia del motor, utilizando este último como generador de gas . El motor principal funcionaba a la temperatura suficiente para autoalimentarse y nada más; no se extraía energía del núcleo para accionar el depósito. El aire comprimido del compresor del núcleo, el 30 % del flujo de aire total, se desviaba a través de una tubería a una turbina de dos etapas completamente independiente con su propia cámara de combustión. Esto evitaba los problemas de sobrevelocidad del diseño original; al retirar la carga, bastaba con cortar el flujo de aire a la turbina para reducir su velocidad. Esto también significaba que el núcleo podía funcionar a máxima velocidad mientras la turbina de potencia funcionaba a baja velocidad, lo que proporcionaba un par motor significativamente mejorado a bajas revoluciones. 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 un almacenamiento de energía significativo mediante volante de inercia .

Dado que la sección de la turbina del motor principal ya no recibía todo el aire del compresor, se pudo construir más pequeña que en el GT 101. Esto redujo la longitud total del motor, permitiendo su instalación transversal en la parte superior del compartimento del motor del Panther, en la zona más ancha sobre las orugas. La turbina de potencia se instaló en el espacio vacío inferior, perpendicular al motor. Esto la alineó con la transmisión normal, ubicada en la parte delantera del vehículo, que la impulsaba mediante un eje de transmisión. El montaje resultó considerablemente más práctico que el del GT 101 y, además, estaba completamente protegido. Si bien el GT 102 tenía un consumo de combustible similar al del GT 101, el montaje dejó mucho más espacio libre en el compartimento del motor, en el área que antes ocupaba el sistema de refrigeración, espacio que se pudo utilizar para nuevas celdas de combustible, duplicando la capacidad total de combustible a 1400 litros y, por lo tanto, proporcionando la misma autonomía que el motor de gasolina original.

La mayor parte del diseño del GT 102 estaba terminado a principios de 1945, y los planos debían haberse entregado el 15 de febrero (junto con los diseños finales del GT 101). Al parecer, los planos no se entregaron, probablemente debido al empeoramiento de la situación bélica.

Para mejorar aún más la adaptación del GT 102 al Panther, el diseño GT 102 Ausf. 2 modificó varias secciones de la disposición original del generador de gas para acortar el área del compresor y la cámara de combustión. Estas eran algo más largas en el GT 102 que en un motor de avión comparable para permitir una mejor mezcla con combustibles de menor calidad. El Ausf. 2 las 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 disminuir su número de etapas de nueve a siete, pero mantuvo la relación de compresión original al operar la primera etapa cerca de Mach 1. Con estas reducciones de longitud, el motor pudo instalarse longitudinalmente en el compartimento del motor, lo que permitió utilizar el espacio sobre las orugas para el almacenamiento de combustible, como se había hecho originalmente.

Gran parte del elevado consumo de combustible de la turbina de gas en su función de tracción se debía a los gases de escape calientes, que representaban, en esencia, una pérdida de energía. Para recuperar parte de esta energía, es posible utilizar los gases de escape calientes para precalentar el aire del compresor antes de que entre en la cámara de combustión, mediante un intercambiador de calor . Aunque no son comunes, estos recuperadores se utilizan actualmente en diversas aplicaciones.

W. Hryniszak, de Brown Boveri en Heidelberg, diseñó un recuperador que se añadió al diseño GT 102, que por lo demás no presentaba modificaciones, para dar lugar al GT 103. El intercambiador de calor utilizaba un cilindro cerámico poroso giratorio alojado en un conducto cruciforme. El aire procedente del escape del generador de gas entraba en el conducto por fuera del cilindro a 500  °C, lo rodeaba, lo calentaba y salía a unos 350  °C. El cilindro cerámico giraba lentamente para evitar el sobrecalentamiento de la zona caliente. El aire comprimido que entraba en la turbina de potencia se canalizaba a través del centro del cilindro, entrando a unos 180  °C y saliendo a unos 300  °C.

Esto significaba que 120  °C de la  temperatura final del aire de 800 °C no tenían que ser aportados por el combustible, lo que representaba un ahorro considerable. Se estimaba 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, ahorrando otro 30 %. Esto redujo el consumo de combustible a la mitad en general, igualándolo al del motor de gasolina original. Estas estimaciones parecen poco razonables en retrospectiva, aunque General Motors experimentó con estos sistemas durante las décadas de 1960 y 1970.

Desarrollo relacionado

• BMW 003

• Kay, Antony, Desarrollo de motores a reacción y turbinas de gas alemanes 1930-1945 , Airlife Publishing, 2002, ISBN 9781840372946