BMW GT 101

Die BMW GT 101 war eine Turbowellen - Gasturbine, die auf Basis des BMW 003 -Flugmotors entwickelt wurde und für den Einsatz im Panther-Panzer des nationalsozialistischen Deutschlands in Betracht gezogen wurde . Das Heereswaffenamt , die Entwicklungsabteilung der deutschen Wehrmacht , untersuchte ab Mitte 1944 mehrere Gasturbinen für den Panzereinsatz . Obwohl keine dieser Turbinen im Kampfeinsatz verwendet wurde, erreichte die GT 101 (GT für „Gasturbine“) ein serienreifes Entwicklungsstadium. Im Laufe des Programms wurden verschiedene Ausführungen entwickelt, darunter die GT 102 und die GT 103 .

Bereits Mitte 1943 schlug Adolf Müller , zuvor bei der Flugzeugtriebwerksabteilung Junkers Jumo des Mutterkonzerns Junkers in Dessau und später bei der Strahltriebwerksabteilung von Heinkel-Hirth (Heinkel Strahltriebwerke) , den Einsatz einer Gasturbine für Panzerfahrzeuge vor. Eine Gasturbine wäre deutlich leichter als die benzinbetriebenen Hubkolbenmotoren der 600-PS-Klasse, die bis dahin hauptsächlich von Maybach für die Panzer der nächsten Generation der Wehrmacht bezogen wurden. Dadurch würde sich das Leistungsgewicht erheblich verbessern und somit die Geländegängigkeit und potenziell auch die Höchstgeschwindigkeit gesteigert. Damals gab es jedoch erhebliche Herausforderungen beim Einsatz von Gasturbinen in dieser Funktion. Bei einem reinen Strahltriebwerk für die Luftfahrt wird der heiße Abgasstrom der Turbine direkt für den Schub genutzt; bei einer Gasturbine für einen Zugmotor hingegen wäre die gesamte Abwärme im Abgas praktisch ungenutzt. Die Abgase einer Gasturbine waren deutlich heißer als die eines Kolbenmotors, und die ersten Gasturbinenmotoren wiesen im Vergleich zu herkömmlichen Hubkolbenmotoren einen extrem hohen Kraftstoffverbrauch auf. Positiv war jedoch, dass der Einsatz von preiswertem und weit verbreitetem Kerosin diesen Nachteil zumindest teilweise ausglich, sodass die Gesamtwirtschaftlichkeit der Motoren möglicherweise ähnlich war. Ein weiteres Problem bestand darin, dass die Gasturbine nur in der Nähe einer bestimmten Nenndrehzahl optimal arbeitete, obwohl sie bei dieser Drehzahl (oder in deren Nähe) ein breites Drehmomentspektrum abgab . Genauer gesagt, lieferte die Turbine bei niedrigen Drehzahlen nur sehr wenig Drehmoment, was für einen Kolbenmotor deutlich weniger problematisch und für einen Elektromotor überhaupt nicht in Frage kam. Um eine Turbine in einem Panzer einzusetzen, hätte die Konstruktion ein fortschrittliches Getriebe und eine Kupplung benötigt, die den Betrieb des Motors in einem begrenzten Drehzahlbereich ermöglichten, oder alternativ eine andere Methode zur Energiegewinnung. Zunächst zeigte die Armee kein Interesse, und Müller wandte sich der Entwicklung eines fortschrittlichen Turboladers für BMW zu (es ist unklar, ob diese Konstruktion zum Einsatz kam). Nachdem diese Arbeiten im Januar 1944 abgeschlossen waren, wandte er sich erneut den Konstruktionen von Dampfmaschinen zu und traf sich schließlich im Juni 1944 mit dem Heereswaffenamt , um mehrere Entwürfe für eine 1000 PS starke Maschine vorzustellen. Angesichts der extremen Probleme Deutschlands mit der Treibstoffversorgung…Gegen Ende des Krieges wurde die Verwendung minderwertiger Brennstoffe, egal wie viel davon benötigt und verwendet wurde, tatsächlich als großer Vorteil angesehen, und dies war der Hauptgrund, warum sich das Heereswaffenamt schließlich für die Konstruktion interessierte.

Müllers erster detaillierter Entwurf war eine einfache Modifikation eines herkömmlichen Strahltriebwerks. Das Kerntriebwerk basierte auf dem experimentellen Heinkel HeS 011 , von dem nur 19 vollständige Exemplare gebaut wurden. Bei dieser Konstruktion waren eine separate Turbine und eine Nebenabtriebswelle am Abgas des Triebwerkskerns angeschraubt. Die heißen Abgase des Triebwerks trieben die Turbine und somit den Tank an. Da der Triebwerkskern von der Nebenabtriebswelle getrennt war, stand das Drehmoment sofort zur Verfügung, da der Kern mit voller Drehzahl laufen und dabei geringe Leistungsmengen erzeugen konnte, während die nicht benötigten Abgase abgeleitet wurden. Diese Konstruktion wies jedoch ein gravierendes Problem auf: Wurde die Last entfernt, beispielsweise beim Gangwechsel, wurde die Leistungsturbine entlastet und konnte unkontrolliert hochdrehen. Entweder musste die Leistungsturbine in diesen Phasen abgebremst oder der Abgasstrom des Triebwerkskerns abgelassen werden.

Ein weiteres Problem bestand darin, dass das Heereswaffenamt ernsthafte Bedenken hinsichtlich der Qualität der verfügbaren Treibstoffe hatte. Anders als bei der Luftfahrt, wo man von hochraffiniertem Treibstoff ausging, rechnete man damit, dass die Armee minderwertigere Treibstoffe erhalten würde, die allerlei Schwermetalle enthalten könnten. Dies erhöhte die Wahrscheinlichkeit, dass sich der Treibstoff in einer herkömmlichen Konstruktion nicht ausreichend vermischen und somit eine unvollständige Verbrennung verursachen würde. Man war besonders daran interessiert, die Einspritzdüsen mit dem Triebwerkskern rotieren zu lassen, da dies eine deutlich bessere Vermischung und zusätzlich die Reduzierung von Hotspots an den Turbinenstatoren versprach . Leider schien Müllers Konstruktion nicht für den Einsatz dieser Einspritzdüsen geeignet zu sein und wurde schließlich am 12. August 1944 abgelehnt.

Müller wandte sich daraufhin Konstruktionen zu, die auf die separate Leistungsturbine verzichteten und stattdessen ein drehmomenterhaltendes Getriebe vorsahen. Die optimale Lösung wäre der Antrieb eines Generators gewesen, dessen Energie Motoren für die Traktion antreiben sollte (ein System, das Porsche bereits mehrfach versucht hatte einzuführen). Doch der akute Kupfermangel zu diesem Zeitpunkt des Krieges – sowie die relativ geringe Kupferqualität für elektrische Anwendungen während des gesamten Krieges, die auf die für Deutschland zugänglichen Kupfererzvorkommen zurückzuführen war – schloss diese Lösung aus. Stattdessen sollte ein hydraulisches Getriebe zum Einsatz kommen, obwohl dies zunächst nicht spezifiziert war. Die neue Konstruktion umfasste zudem die vom Heereswaffenamt gewünschten rotierenden Einspritzdüsen im Brennraum . Müller präsentierte die neue Konstruktion am 14. September, und das Heereswaffenamt zeigte deutlich größeres Interesse – die sich zu diesem Zeitpunkt verschlechternde Treibstoffversorgungslage dürfte dabei ebenfalls eine Rolle gespielt haben.

Seltsamerweise schlugen sie dann vor, dass jeder für diese Aufgabe entwickelte Motorkern auch für die Luftfahrt geeignet sein sollte. Dies führte schließlich dazu, dass die rotierenden Einspritzdüsen verworfen und stattdessen ein modifizierter BMW 003 -Kern, basierend auf einer bewährten Konstruktion, verwendet wurde. Die Grundkonstruktion musste durch den Einbau eines dritten Lagers in der Nähe der Motormitte zur Stoßdämpfung und einer dritten Turbinenstufe am Motorende zur Steigerung des Drehmoments angepasst werden. Anders als beim vorherigen Entwurf konnte der Nebenabtrieb an beliebiger Stelle (nicht nur an der Freilaufturbinenstufe) platziert werden und wurde tatsächlich an die Vorderseite des Motors verlegt, um eine möglichst hohe Kompatibilität mit bestehenden Motorräumen zu gewährleisten. Die Grundkonstruktion wurde Mitte November fertiggestellt und erhielt die Bezeichnung GT 101 .

Ursprünglich war geplant, den neuen Motor im von Henschel entworfenen Tiger-Panzer einzubauen . Obwohl der Motor im Durchmesser kleiner war als der V12-Kolbenmotor, den er ersetzte, war er aufgrund seiner Herkunft vom axialverdichterbasierten BMW 003-Flugzeugstrahltriebwerk zu lang für den Motorraum des Tiger I. Daher wandte man sich dem Panther zu, der zu diesem Zeitpunkt des Krieges ohnehin die Basis für die gesamte zukünftige Panzerproduktion bilden sollte (siehe Entwicklungsreihe für Details). Für den experimentellen Einbau stellte Porsche eine der Prototyp- Wannen des Jagdtigers zur Verfügung .

Der Einbau der GT 101 in die Panther-Wanne erforderte einige Konstruktionsarbeiten, doch schließlich fand sich eine geeignete Lösung. Der Abgasauslass wurde mit einem großen, divergenten Diffusor versehen, um Abgasgeschwindigkeit und -temperatur zu senken. Dies ermöglichte zudem den Einsatz einer größeren dritten Turbinenstufe. Der gesamte Abgasbereich ragte aus dem hinteren Teil des Motorraums in die freie Luft hinaus, wodurch er extrem anfällig für Feindbeschuss war. Man erkannte daher, dass dies für ein Seriensystem nicht praktikabel war.

Für den Einbau wurde ein neues Automatikgetriebe der Zahnradfabrik Friedrichshafen (ZF) entwickelt. Es verfügte über drei Kupplungsstufen im Drehmomentwandler und zwölf Gänge. Das Getriebe beinhaltete außerdem eine elektrisch betätigte Kupplung, die bei 5.000 U/min mechanisch vollständig vom Motor trennte. Unterhalb dieser Drehzahl erzeugte der Motor kein Drehmoment am Ausgang. Bei Volllast (14.000 U/min) wirkte der Motor selbst wie ein riesiges Schwungrad, wodurch die Geländegängigkeit deutlich verbessert wurde. Ein Teil der überschüssigen Motordrehzahl wurde in das Getriebe geleitet, um den Panzer über Unebenheiten zu ziehen.

Leistungsmäßig wäre der GT 101 überraschend effektiv gewesen. Er hätte insgesamt 3.750 PS geleistet, wovon 2.600 PS für den Kompressor und somit 1.150 PS für das Getriebe zur Verfügung standen. Die gesamte Motoreinheit wog 450 kg, ohne Getriebe. Zum Vergleich: Der Vorgänger, der Maybach HL230 P30, leistete 620 PS, wog aber vergleichsweise viel, nämlich 1.200 kg. Mit dem Maybach hatte der Panther eine spezifische Leistung von etwa 13,5 PS/Tonne, mit dem GT 101 hätte sich dieser Wert auf 27 PS/Tonne verbessert. Damit hätte er jeden Panzer des Zweiten Weltkriegs deutlich übertroffen (beispielsweise der T -34 mit 16,2 PS/Tonne) und wäre fast an die Spitzenleistung des modernen, turbowellengetriebenen amerikanischen Panzers M1 Abrams von 26,9 PS/Tonne herangekommen. Aus anderen Gründen, hauptsächlich Verschleiß, wurde die Geschwindigkeit eines mit einem GT 101-Motor ausgestatteten Panthers bewusst auf die der benzinbetriebenen Panthers begrenzt. Die einzigen Nachteile waren das geringe Drehmoment bei niedrigen Leistungsstufen und ein etwa doppelt so hoher Kraftstoffverbrauch wie beim Maybach, was Probleme beim Platzbedarf für Treibstofftanks mit sich brachte – ein ähnliches Problem bestand auch bei frühen deutschen Gasturbinen, die für Flugzeugantriebe verwendet wurden.

Während die Arbeiten am GT 101 fortgesetzt wurden, schlug Müller eine alternative Bauweise für die Freilaufturbine vor, die die Probleme seiner ursprünglichen Konstruktionen vermied. Im Dezember 1944 präsentierte er seine Pläne, die als GT 102 zur Weiterentwicklung angenommen wurden .

Die Grundidee der GT 102 bestand darin, die Leistungsturbine vollständig vom Hauptmotor zu trennen und diesen als Gasgenerator zu nutzen . Der Hauptmotor wurde nur so weit erhitzt, dass er sich selbst mit Energie versorgte; es wurde keine Energie aus dem Hauptmotor entnommen, um den Tank anzutreiben. Die Druckluft aus dem Verdichter des Hauptmotors (30 % des Gesamtluftstroms) wurde über ein Rohr zu einer vollständig separaten, zweistufigen Turbine mit eigener Brennkammer geleitet. Dadurch wurden die Überdrehzahlprobleme der ursprünglichen Konstruktion vermieden; bei Lastverlust reichte ein einfaches Abschalten der Luftzufuhr zur Turbine aus, um diese zu verlangsamen. Dies ermöglichte es dem Hauptmotor außerdem, mit voller Drehzahl zu laufen, während die Leistungsturbine mit niedriger Drehzahl lief, was ein deutlich verbessertes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich ergab. Der einzige Nachteil dieser Konstruktion war, dass die Leistungsturbine nicht mehr die große rotierende Masse der GT 101 besaß und somit keine nennenswerte Schwungradenergiespeicherung bot .

Da die Turbinensektion des Kernmotors nicht mehr die gesamte Luft vom Verdichter erhielt, konnte sie kleiner als beim GT 101 gebaut werden. Dadurch wurde der Motor insgesamt kürzer und konnte quer im oberen Bereich des Motorraums des Panthers, im breiteren Bereich über den Ketten, eingebaut werden. Die Leistungsturbine wurde dann im darunterliegenden leeren Raum rechtwinklig zum Motor montiert. Dadurch war sie in einer Linie mit dem normalen Getriebe, das sich vorne im Fahrzeug befand und sie über eine Antriebswelle antrieb. Die Montage war deutlich praktischer als beim GT 101 und zudem vollständig unter der Panzerung. Obwohl der GT 102 einen ähnlichen Kraftstoffverbrauch wie der GT 101 aufwies, bot die Montage deutlich mehr Platz im Motorraum – im Bereich des ehemaligen Motorkühlsystems –, der für neue Brennstoffzellen genutzt werden konnte. Dadurch verdoppelte sich die Gesamtkapazität des Treibstoffs auf 1400 Liter, was die gleiche Reichweite wie beim ursprünglichen Benzinmotor ermöglichte.

Die Konstruktionsarbeiten für die GT 102 waren Anfang 1945 größtenteils abgeschlossen, und die Pläne sollten am 15. Februar (zusammen mit den endgültigen Entwürfen für die GT 101) geliefert werden. Anscheinend wurden die Pläne nicht geliefert, vermutlich aufgrund der sich verschlechternden Kriegslage.

Um den Einbau des GT 102 in die Panther weiter zu optimieren, wurden beim GT 102 Ausf. 2 mehrere Bereiche des ursprünglichen Gasgenerators modifiziert, um den Verdichterbereich und die Brennkammer zu verkürzen. Diese waren beim GT 102 etwas länger als bei einem vergleichbaren Flugzeugmotor, um eine bessere Vermischung mit Kraftstoffen geringerer Qualität zu ermöglichen. Beim Ausf. 2 wurden die ursprünglichen Abmessungen wiederhergestellt und stattdessen die rotierenden Kraftstoffeinspritzdüsen der ursprünglichen Konstruktionen vor dem GT 101 wieder eingeführt. Der Verdichter wurde durch Reduzierung der Stufenzahl von neun auf sieben weiter verkürzt, wobei das ursprüngliche Verdichtungsverhältnis durch Betrieb der ersten Stufe nahe Mach 1 beibehalten wurde . Dank dieser Längenreduzierungen konnte der Motor längs im Motorraum eingebaut werden, sodass der Raum über den Ketten wie ursprünglich für die Kraftstofflagerung genutzt werden konnte.

Der hohe Kraftstoffverbrauch der Gasturbine im Traktionsbetrieb war größtenteils auf die heißen Abgase zurückzuführen, die einen erheblichen Energieverlust darstellten. Um einen Teil dieser Energie zurückzugewinnen, kann man die heißen Abgase nutzen, um die vom Verdichter kommende Luft mithilfe eines Wärmetauschers vorzuwärmen, bevor sie in die Brennkammer strömt . Obwohl diese Rekuperatoren noch nicht weit verbreitet sind, werden sie heute in verschiedenen Anwendungen eingesetzt.

W. Hryniszak von Brown Boveri in Heidelberg entwickelte einen Rekuperator, der in die ansonsten unveränderte Konstruktion der GT 102 integriert wurde und so die GT 103 hervorbrachte . Der Wärmetauscher bestand aus einem rotierenden, porösen Keramikzylinder , der in einen kreuzförmigen Kanal eingesetzt war. Die Abgase des Gasgenerators traten mit 500 °C außerhalb des Zylinders in den Kanal ein, umströmten ihn, erhitzten ihn und traten dann mit etwa 350 °C wieder aus. Der Keramikzylinder rotierte langsam, um eine Überhitzung der heißen Seite zu vermeiden. Die Druckluft für die Turbine wurde durch die Mitte des Zylinders geleitet, trat mit etwa 180 °C ein und verließ ihn mit etwa 300 °C.

Dies bedeutete, dass 120 °C der Lufttemperatur von 800 °C nicht mehr durch den Kraftstoff bereitgestellt werden mussten, was eine beträchtliche Einsparung bedeutete. Schätzungen gingen von einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs um etwa 30 % aus. Es wurde außerdem vorgeschlagen, einen zweiten Wärmetauscher am Motorkern des Gasgenerators einzusetzen, wodurch weitere 30 % eingespart werden könnten. Dadurch halbierte sich der Kraftstoffverbrauch insgesamt und entsprach dem des ursprünglichen Benzinmotors. Diese Schätzungen erscheinen im Nachhinein unrealistisch, obwohl General Motors in den 1960er- und 70er-Jahren mit diesen Systemen experimentierte.

Verwandte Entwicklung

• BMW 003

• Kay, Antony, Deutsche Strahltriebwerks- und Gasturbinenentwicklung 1930–1945 , Airlife Publishing, 2002, ISBN 9781840372946