GT 101

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GT 101은 BMW 003 항공 엔진에서 개발된 터빈축형 가스 터빈 엔진으로, 나치 독일의 팬더 탱크에 설치할 것을 고려했다. 독일 육군의 개발 사단인 헤레스와페남트(Army Ordnance Board, Army Ordnance Board)는 1944년 중반부터 탱크에 사용하기 위한 여러 가지 가스 터빈 엔진을 연구했다. 이 중 어느 것도 가동적으로 장착되지는 않았지만, GT 101("가스 터빈"의 GT)은 생산 품질 단계에 도달했다. 프로그램 수명 동안 GT 102와 GT 103을 포함하여 여러 가지 설계가 제작되었다.

오리진스

빠르면 1943년 중반에 Desau에 있는 모기업 Junkers 항공사의 Junkers Jumo 항공기 발전소 사업부였던 아돌프 뮐러와 그 후 Heinkel-Hirth의 제트 엔진 사업부는 장갑차 엔진에 가스 터빈을 사용할 것을 제안했다. 가스터빈은 차세대 탱크에 사용되는 600 hp+급 가솔린 연료 왕복 피스톤 엔진보다 훨씬 가벼울 것이다. 이때까지는 주로 Maybach 회사로부터 Wehrmacht Heer의 기존 장갑 전투 차량 설계로 공급받아 중량 대 출력 비율을 상당히 향상시키고 그에 따라 충돌할 것이다.크로스컨트리 경기와 잠재적으로 완전한 속도를 자랑한다. 그러나 당시 이 역할에서 가스터빈 엔진을 사용하는 데는 상당한 어려움이 있었다. 항공 목적의 순수 터보제트 엔진의 경우 터빈으로부터의 고온 배기가스는 추력만으로 직접 사용되지만, 가스 터빈을 견인 엔진에 사용하는 경우에는 배기 가스를 배출하는 열이 본질적으로 낭비되는 전력이었다. 터빈 배기가스는 피스톤 엔진보다 훨씬 더 뜨거웠는데, 기존의 왕복 피스톤 엔진 설계와 비교할 때 개척자 설계의 가스터빈 엔진은 형편없이 나쁜 연비 수치를 지니고 있었다. 반대로 연료로서 저렴하고 널리 이용 가능한 등유를 사용하는 것은 최소한 어느 정도 이 단점을 상쇄하기 때문에, 엔진을 가동하는 전반적인 경제성은 비슷해질 수 있다. 또 다른 문제는 가스터빈 엔진은 속도가 매우 다양한 출력 토크를 제공할 수 있지만 특정 설계 작동 속도에서만 잘 작동한다는 점이다. 보다 구체적으로 말하면, 터빈은 저속에서 거의 토크를 제공하지 않는데, 이것은 피스톤 엔진의 문제점이 훨씬 적고, 전기 모터의 문제점은 전혀 아니다. 탱크 역할에서 터빈을 사용하기 위해서는 엔진이 제한된 속도 범위에서 작동할 수 있도록 해주는 진보된 트랜스미션과 클러치를 사용하거나 다른 방법을 번갈아 사용하여 동력을 추출해야 한다. 처음에 육군은 관심이 없었고 뮐러는 BMW용 첨단 터보차저 설계에 눈을 돌렸다(이 설계가 사용되었는지 여부는 불확실하다). 1944년 1월에 이 작업이 완성되었을 때 그는 다시 한번 견인 엔진 설계로 눈을 돌렸으며, 결국 1944년 6월에 헤레스와페남트를 만나 1,000마력짜리 유닛에 대해 여러 가지 제안된 설계안을 제시하였다. 독일이 전쟁 후반에 연료 공급에 대해 가졌던 극한적인 문제들로 볼 때, 아무리 많은 연료가 필요하고 사용되었더라도, 저급 연료의 사용은 실제로 주요한 이점으로 여겨졌고, 히레스와페남트가 결국 설계에 관심을 갖게 되었다.

예비설계

뮐러의 첫 번째 상세 설계는 기존의 제트엔진을 단순 개조하는 것으로, 코어엔진은 실험용 하이켈 Hes 011에 기초하고 있는데, 이 중 지금까지 19개의 완전한 예만 구축되었다. 이 설계에서 별도의 터빈과 동력 이륙 축을 엔진 코어의 배기 장치, 터빈을 구동하는 엔진의 고온 가스, 그리고 그에 따라 탱크에 볼트로 고정시켰다. 엔진 코어는 동력 이륙과는 완전히 별개였기 때문에, 필요 없는 가스가 "덤핑"되는 소량의 전력을 발생시키면서 코어가 최대 속도로 작동하도록 내버려 둘 수 있기 때문에 토크를 즉시 이용할 수 있었다. 그러나 이 설계에는 심각한 문제가 있었다. 예를 들어, 기어 변속 중에 부하가 제거되었을 때, 동력 터빈이 언로드되어 제어 불가능한 경주를 할 수 있었다. 이 기간 동안 동력 터빈을 제동하거나 엔진 코어의 가스 흐름을 버려야 한다.

또 다른 문제는 히레스와페남트가 그들이 찾을 수 있는 연료의 품질에 대해 심각하게 염려하고 있다는 것이었다. 연료가 고도로 정제될 것으로 예상되었던 항공 역할과 달리, 육군은 결국 모든 종류의 무거운 오염물질을 포함할 것으로 예상할 수 있는 낮은 품질의 연료로 끝날 가능성이 있다고 여겨졌다. 이 때문에 연료가 전통적 설계에서 제대로 섞일 시간이 없어 연소가 제대로 되지 않을 가능성이 커졌다. 그들은 특히 연료 인젝터가 엔진 코어를 따라 회전하도록 하는 데 관심이 있었으며, 이는 터빈 스타터의 핫 스팟을 감소시키는 추가적인 이점과 함께 훨씬 더 나은 혼합으로 이어질 것으로 예상되었다. 불행히도 뮐러의 디자인은 이러한 인젝터 사용에 적응할 수 없는 것처럼 보였고, 그 디자인은 결국 1944년 8월 12일에 거부되었다.

그런 다음 뮐러는 별도의 동력 터빈을 제거하고 대신 일종의 토크 유지 트랜스미션이 필요한 설계로 눈을 돌렸다. 이 문제에 대한 최선의 해결책은 전기 발전기를 구동하고 동력을 사용하여 트랙션을 위한 모터(포르쉐가 여러 번 도입하려고 했던 시스템)를 구동하는 것이었을 것이다. 그러나 전쟁 중 이 시점까지 구리의 심각한 부족은 물론, 구리 광석 자원으로부터 전기 사용을 위한 전쟁 내내 상대적으로 품질이 좋지 않은 것이다. 독일이 접근할 수 있는 방법 — 이 해결책은 배제되었다. 대신에 처음에는 명시되지 않았지만, 일종의 유압 전송이 사용되어야 했다. 또한 새로운 설계에는 히레스와페남트가 관심을 갖고 있던 연소실 내 회전하는 연료 인젝터가 포함되었다. 뮐러는 9월 14일에 새로운 디자인을 발표했고, Heereswaffenamt는 현 시점의 연료 공급 상황 악화가 또한 한 요인이었을 수 있다.

이상하게도 그들은 이 역할을 위해 개발된 엔진 노심도 항공용으로 적합해야 한다고 제안했고, 결국 회전식 인젝터를 포기하게 되었고, 결국 잘 검증된 설계에서 수정된 BMW 003 코어를 사용하게 되었다. 기본 레이아웃은 충격 부하 흡수를 돕기 위해 엔진 중앙 근처에 세 번째 베어링을 추가하여 수정해야 했고, 엔진 끝에 세 번째 터빈 단계를 추가하여 더 많은 토크를 이용해야 했다. 이전의 설계와 달리 동력 이착륙은 (자유 터빈 단계로부터만 벗어난 것이 아니라) 어느 곳에나 배치할 수 있었고, 사실 기존 엔진실과 가능한 양립할 수 있도록 설계가 엔진 전면으로 옮겨졌다. 기본 설계는 11월 중순에 완료되었고, GT 101이라는 이름이 할당되었다.

원래 그들은 헨셸이 설계한 타이거 탱크에 새로운 엔진을 장착할 계획이었으나, 엔진이 교체한 V-12 피스톤 엔진보다 직경적으로 더 작았지만, 축압기 기반의 BMW 003 항공 터보제트로서의 시작은 타이거 1호의 엔진 베이에 맞추기에는 너무 길다는 것을 의미했다. 그 후 관심은 팬더로 쏠렸는데, 이쯤 되면 어차피 미래의 모든 탱크 생산의 기초가 될 것이었다(자세한 내용은 엔트윅룽 시리즈 참조). 실험용 피팅을 위해 포르쉐는 Jagdtiger 선체 원형 중 하나를 제공했다.

팬더 선체에 GT 101을 장착하는 데는 약간의 설계 노력이 필요했지만, 결국 적절한 배치가 발견되었다. 엔진 배기가스에는 배기 속도와 온도를 낮추기 위해 대형 다이버전트 디퓨저가 장착되어 있어 보다 큰 세 번째 터빈 단계도 가능했다. 배기구간 전체가 엔진실 뒤쪽에서 '공기 자유'로 확장돼 적의 화재에 극도로 취약했고, 이는 생산시스템에 실용적이지 않다는 것을 깨달았다.

프리드리히샤펜(ZF)의 잔라드파브릭으로부터 새로운 자동 변속기가 피팅을 위해 제작되었는데, 토크 컨버터에는 3개의 고정 레벨과 12개의 속도가 있었다. 또한 변속기에는 5,000rpm으로 엔진에서 완전히 분리되는 전기 작동식 클러치가 포함되었는데, 그 이하에서는 엔진에서 출력에 토크가 발생하지 않았다. 14,000rpm의 최대 속도에서 엔진 자체도 거대한 플라이휠의 방식으로 작용했는데, 이것은 엔진의 초과 속도의 일부를 변속기에 버려서 탱크를 요철 위로 당길 수 있게 함으로써 크로스컨트리 성능을 크게 향상시켰다.

성능 면에서 GT 101은 놀라울 정도로 효과적이었을 것이다. 압축기를 작동하기 위해 2,600 hp를 사용하여 총 3,750 hp를 생산했을 것이며, 따라서 1,150 hp를 남겨 트랜스미션에 동력을 공급했을 것이다. 전체 엔진 어셈블리의 무게는 변속기를 포함하지 않은 450kg(992lb)이었다. 이와는 대조적으로, 그것이 대체한 기존의 Maybach HL230 P30은 620 hp를 제공했지만 상대적으로 거대한 1,200 kg(2,646 lb)의 무게를 실었다. Maybach로 팬더는 약 13.5 hp/ton의 특정한 힘을 가졌고, GT 101로 27 hp/ton으로 개선되어, WWII의 어떤 탱크도 큰 점수 차로 앞질렀다(예를 들어, T-34는 16.2 hp/tonne이었다). 그리고 현대의 터빈축으로 구동되는 미국 M1 Abrams 탱크의 자체 26.9 hp/ton의 최고 등급과 거의 일치한다. GT 101로 구동되는 팬더의 마모와 파손 등 다른 이유로 인해 속도는 의도적으로 가솔린으로 구동되는 팬더로 제한될 수 있다. 유일한 단점은 낮은 전력 설정에서의 낮은 토크와 연료 소비량이 Maybach의 약 두 배라는 점이었다. 연료 탱크를 위한 충분한 공간을 찾는 데 문제를 제시했는데, 이는 항공기 추진에 사용되는 초기 독일 가스 터빈에서도 비슷한 문제가 있었다.

GT 102

GT 101에 대한 작업이 계속되는 동안 뮐러는 원래의 설계로 문제를 피할 수 있는 프리 터빈 엔진을 만드는 다른 방법을 제안했다. 1944년 12월 그는 자신의 계획을 발표했는데, 이 계획은 개발용으로 GT 102로 받아들여졌다.

GT 102의 기본 아이디어는 엔진 자체에서 동력 터빈을 완전히 분리하여, 엔진 자체에서 동력 터빈을 가스 발전기로 사용하는 것이었다. 코어 엔진은 스스로 동력을 공급할 수 있을 정도로 뜨겁게 작동했고, 그 이상은 아무것도 없었으며, 탱크를 구동하기 위해 코어로부터 어떤 동력도 빼앗기지 않았다. 전체 기류의 30%인 코어 압축기에서 나온 압축 공기는 파이프를 통해 자체 연소실이 있는 완전히 분리된 2단 터빈으로 블리딩되었다. 이것은 원래의 설계의 과속 문제를 피했다; 하중을 제거했을 때, 터빈으로의 공기 흐름을 차단하는 것만으로 터빈을 느리게 할 수 있었다. 이는 또한 파워 터빈이 저속으로 주행하는 동안 코어를 최대 속도로 구동할 수 있어 저속 토크가 크게 개선되었다는 것을 의미했다. 설계의 유일한 단점은 동력 터빈이 더 이상 GT 101의 거대한 회전 질량을 가지지 못하여 유의미한 플라이휠 에너지 저장장치를 제공하지 않는다는 것이었다.

코어 엔진의 터빈 부분은 더 이상 컴프레서에서 나오는 모든 공기를 공급받지 않기 때문에 GT 101보다 더 작게 제작될 수 있었다. 이로 인해 엔진은 전체적으로 짧아져 선로 위 넓은 영역에서 팬더 엔진실 상단부에 횡방향으로 설치될 수 있게 되었다. 그 다음 동력 터빈은 엔진에 직각으로 장착되고 아래 빈 공간에 장착되었다. 이것은 차량의 전면에 위치한 일반 변속기와 일직선으로 배치하여 동력축을 통해 구동시켰다. 장착은 GT 101보다 훨씬 더 실용적이었으며, 완전히 "갑옷 아래"도 있었다. GT 102는 GT 101과 거의 동일한 연비를 가지고 있었지만, 마운팅은 이전에 새로운 연료 전지에 사용될 수 있었던 엔진 냉각 시스템에 의해 사용되었던 공간에 엔진실 내에 상당히 많은 빈 공간을 남겼고, 전체 연료 용량은 1,400리터로 두 배로 증가시켜 원래의 가솔린 엔진과 동일한 범위를 제공했다..

GT 102의 설계 작업은 대부분 1945년 초까지 완료되었으며, 계획은 2월 15일에 (GT 101의 최종 설계와 함께) 전달될 예정이었다. 전쟁 상황 악화로 인해 계획이 전달되지 않은 것 같다.

GT 102 아우스프. 2

팬더에 있는 GT 102의 핏을 더욱 개선하기 위해 GT 102 Ausf. 2 설계는 압축기 면적과 연소실을 단축하기 위해 원래의 가스 발생기 배치의 여러 부분을 수정했다. 이것들은 낮은 품질의 연료와 더 잘 섞일 수 있도록 하기 위해 비교 가능한 항공기 엔진에 있었을 GT 102보다 다소 더 길었다. 아우스프. 2는 이를 원래 치수로 되돌리고 대신 원래 GT 101 이전 설계에서 회전하는 연료 인젝터를 다시 도입했다. 압축기는 9단계에서 7단계로 줄여 길이를 더욱 줄였지만 1단계를 마하 1단계에 가깝게 작동시켜 원래의 압축비를 유지했다. 이러한 길이를 줄이면 엔진이 엔진실에 세로 방향으로 장착될 수 있어 트랙 위의 공간이 원래 그랬던 것처럼 연료 저장에 사용될 수 있다.

GT 103

견인 역할에서 가스터빈의 연비가 좋지 않은 것은 본질적으로 에너지 손실을 나타내는 고온 배기 때문이었다. 이러한 에너지의 일부를 회수하기 위해 열 교환기를 사용하여 압축기에서 공기가 연소실로 유입되기 전에 압축기에서 공기를 예열하는 것이 가능하다. 비록 흔하지는 않지만, 이러한 환열기는 오늘날 많은 애플리케이션에서 사용된다.

하이델베르크에 있는 아해 브라운 보베리의 W. Hryniszak은 GT 103을 생산하기 위해 개조되지 않은 GT 102 디자인에 추가된 환열기를 설계했다. 열 교환기는 십자가 모양의 덕트에 맞는 회전 다공성 세라믹 실린더를 사용했다. 가스 발생기의 배기가스에서 나오는 공기는 500℃에서 실린더 외부 덕트로 들어가 실린더 주위를 불어 가열한 후 약 350℃에서 소진된다. 세라믹 실린더는 "핫" 면이 과열되지 않도록 천천히 회전했다. 파워 터빈으로 유입되는 압축 공기는 실린더의 중앙을 통해 파이프로 유입되어 약 180°C에서 유입되고 약 300°C에서 배출되었다.

이는 공기의 800 °C 최종 온도 중 120 °C가 연료에 의해 제공될 필요가 없다는 것을 의미하며, 상당히 상당한 절약량을 나타낸다. 추정치는 연료 소비량이 약 30% 개선된 것으로 나타났다. 또한 가스 발전기 엔진 코어에 두 번째 열 교환기를 사용할 수 있어 30%를 더 절약할 수 있다는 제안이 있었다. 이는 연료 사용량을 전체적으로 절반으로 줄여 기존의 가솔린 엔진과 유사하게 만들었다. 비록 제너럴 모터스가 1960년대와 70년대에 걸쳐 이러한 시스템을 실험했음에도 불구하고, 이러한 추정은 돌이켜 보면 불합리해 보인다.

참조

• Kay, Antony, 독일 제트 엔진 및 가스 터빈 개발 1930-1945, Airlife Publishing, 2002, ISBN9781840372946