燃汽輪機(jī)作為坦克動(dòng)力的現(xiàn)狀與分析

畢小平，路 鋒

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京100072)

燃汽輪機(jī)是一種連續(xù)燃燒的高速旋轉(zhuǎn)葉片式熱力機(jī)械，分為單軸、雙軸、三軸等結(jié)構(gòu)形式。最簡(jiǎn)單的單軸燃汽輪機(jī)，主要由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和減速器組成。車用燃汽輪機(jī)通常采用雙軸或三軸結(jié)構(gòu)，并通過中冷、回?zé)岷脱a(bǔ)燃等裝置來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。圖1是一種三軸燃汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)方案。

20世紀(jì)40年代末，由于燃汽輪機(jī)在飛機(jī)上使用所顯現(xiàn)的優(yōu)異性能和取得的重大成就，促使軍事發(fā)達(dá)國(guó)家開始了將燃汽輪機(jī)作為坦克動(dòng)力的研究、設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)工作，其中美國(guó)和俄羅斯對(duì)坦克燃汽輪機(jī)的研究處于世界領(lǐng)先水平。

1 燃汽輪機(jī)作為坦克動(dòng)力的現(xiàn)狀

1.1 燃汽輪機(jī)在美國(guó)坦克上的應(yīng)用

圖1 三軸燃汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)方案圖

1976年12月，美國(guó)陸軍確定將1 103 kW、輸出轉(zhuǎn)速3 000 r/min的燃汽輪機(jī)AGT-1500作為XM-1主戰(zhàn)坦克的動(dòng)力，1978年3月，以AGT-1500燃汽輪機(jī)作為動(dòng)力的XM-1主戰(zhàn)坦克開始進(jìn)行可靠性、耐久性試驗(yàn)。1979年5月，經(jīng)美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)，XM-1坦克投入試生產(chǎn)。AGT-1500燃汽輪機(jī)為三軸式結(jié)構(gòu)、帶固定式回?zé)崞鳎捎媚K化設(shè)計(jì)，應(yīng)用電子控制裝置、燃油控制裝置、壓氣機(jī)進(jìn)口和動(dòng)力渦輪進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)向葉片等實(shí)現(xiàn)對(duì)燃汽輪機(jī)的控制與調(diào)節(jié)，燃油消耗率為 280 g/(kW·h)。目前，M1、M1A1和M1A2坦克都以AGT-1500燃汽輪機(jī)或其改進(jìn)型作為動(dòng)力，總裝備數(shù)量已達(dá)8 000臺(tái)。第1次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)美軍使用M1A1主戰(zhàn)坦克，經(jīng)歷了高溫和沙漠氣候的考驗(yàn)，第2次美伊戰(zhàn)爭(zhēng)使用了M1A2主戰(zhàn)坦克。

1981年8月，美國(guó)陸軍坦克自動(dòng)車司令部(U.S.Army Tank Automotive Armament Command，TACOM)發(fā)表了“軍用地面車輛推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)”的研究報(bào)告，提出了第4代坦克先進(jìn)集成推進(jìn)系統(tǒng)(Advanced Integrated Propulsion Systems，AIPS)概念，選擇 XAV28-1450增壓中冷柴油機(jī)和LV-100燃汽輪機(jī)作為動(dòng)力。

LV100燃汽輪機(jī)是由美國(guó)的通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠與萊康明公司共同研制，德國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)聯(lián)合公司(MTU公司)參與制造的新一代燃汽輪機(jī)，功率為1 119～1 920 kW，輸出轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，采用雙軸、環(huán)形燃燒室、帶回?zé)嵫b置、全電子控制。LV100燃汽輪機(jī)在性能、可靠性、使用性等諸方面均優(yōu)于AGT-1500燃汽輪機(jī)。與AGT-l500燃汽輪機(jī)相比，LV-100燃汽輪機(jī)的零件數(shù)減少了43%，保養(yǎng)費(fèi)用降低了30%，平均無故障運(yùn)行時(shí)間增加了40%，燃油消耗量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于AGT-1500燃汽輪機(jī)，現(xiàn)已安裝在電傳動(dòng)的坦克試驗(yàn)車上。

2004年3月，美國(guó)霍尼韋爾公司又推出了LV-50燃汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)樣機(jī)。與LV-100燃汽輪機(jī)相比，LV-50的單位質(zhì)量功率提高了40%，單位體積功率提高了30%，具有廢氣能量回收裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)也更加方便，可實(shí)現(xiàn)快速拆除和更換。

1.2 燃汽輪機(jī)在俄羅斯坦克上的應(yīng)用

1960年，前蘇聯(lián)以直升飛機(jī)用燃汽輪機(jī)為基礎(chǔ)，開始了軍用履帶車輛燃汽輪機(jī)的研制，先后研制了功率分別為515 kW、588 kW的坦克燃汽輪機(jī)。

1979年，完成功率為735 kW、輸出轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的三軸、不帶回?zé)嵫b置的燃汽輪機(jī)的研制，裝備在T-80坦克上。1984年，功率為809 kW 的 ГТД-1100燃汽輪機(jī)裝備在T-80Б坦克上。1990年，功率為919 kW的ГТД-1250燃汽輪機(jī)裝備于T-80y坦克。裝有燃汽輪機(jī)動(dòng)力的T-80系列坦克已達(dá)1.5萬輛。

20世紀(jì)90年代，俄羅斯完成新一代ГТД-1500燃汽輪機(jī)的研制，新燃汽輪機(jī)的功率為1 103 kW，帶回?zé)嵫b置和具冷卻措施的渦輪及高效率的軸流離心式壓氣機(jī)。與ГТД-1000T和ГТД-1250燃汽輪機(jī)相比，新燃汽輪機(jī)大大減少了比油耗，而且縮小了外形尺寸，降低了質(zhì)量，油耗也有所下降。1994年，ГТД-1500燃汽輪機(jī)裝于“黑鷹”主戰(zhàn)坦克。

另據(jù)俄羅斯官方報(bào)道，其最新型的T-95主戰(zhàn)坦克動(dòng)力采用了更高功率的燃汽輪機(jī)。

2 燃汽輪機(jī)作為坦克動(dòng)力的性能分析

2.1 牽引特性分析

以俄羅斯ГТД-1250燃汽輪機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行計(jì)算分析。將以柴油機(jī)為動(dòng)力的某型國(guó)產(chǎn)坦克作為原型，稱為坦克A。俄羅斯ГТД-1250燃汽輪機(jī)采用機(jī)械行星雙側(cè)傳動(dòng)裝置，具有4個(gè)排擋。假設(shè)將ГТД-1250燃汽輪機(jī)及其傳動(dòng)裝置裝入坦克A的動(dòng)力艙中，稱為坦克B，圖2是應(yīng)用CAD軟件做出的動(dòng)力艙三維實(shí)體模型。

圖2 燃汽輪機(jī)三維實(shí)體模型圖

圖3、圖4顯示了ГТД-1250燃汽輪機(jī)的外特性曲線。燃汽輪機(jī)傳動(dòng)裝置的前傳動(dòng)比為1.0，后傳動(dòng)比為5.45，傳動(dòng)效率為0.88。1－4擋、倒擋的傳動(dòng)比分別為:4.37、2.16、1.46、1.0 和 6.35。

圖3 燃汽輪機(jī)外特性輸出軸轉(zhuǎn)速－功率曲線

圖4 燃汽輪機(jī)外特性輸出軸轉(zhuǎn)速－比油耗曲線

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)油門全開時(shí)，不同排擋下坦克牽引力與行駛速度的關(guān)系稱為坦克的牽引特性。坦克牽引特性表明了其在各種行駛速度下所具有的牽引能力即克服地面阻力的能力。坦克牽引特性是通過車輛變速裝置的各個(gè)排擋與發(fā)動(dòng)機(jī)外特性相對(duì)應(yīng)的［1］。

坦克的總傳動(dòng)比為

式中:iq為前傳動(dòng)器的傳動(dòng)比;ibi為變速器某一排擋傳動(dòng)比;ih為后傳動(dòng)器的傳動(dòng)比。

坦克的總傳動(dòng)效率為

式中:ηd為動(dòng)力裝置效率;ηc為傳動(dòng)裝置效率;ηx為履帶行駛裝置效率。

坦克速度為

式中:rv為坦克主動(dòng)輪半徑;ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;ic為傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比。

發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力和單位發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力分別為

式中:Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的有效扭矩;η為坦克總效率。Gv為坦克戰(zhàn)斗全重。

應(yīng)用式(4)、(5)計(jì)算坦克B的發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力和單位發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力，結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 燃汽輪機(jī)牽引力計(jì)算結(jié)果(坦克B)

圖6 燃汽輪機(jī)單位牽引力計(jì)算結(jié)果(坦克B)

坦克A以柴油機(jī)為動(dòng)力，采用液力機(jī)械傳動(dòng)裝置，7個(gè)排擋。圖7為坦克A的柴油機(jī)牽引力計(jì)算結(jié)果，圖8為柴油機(jī)單位牽引力計(jì)算結(jié)果。

圖7 某柴油機(jī)牽引力計(jì)算結(jié)果(坦克A)

圖8 柴油機(jī)單位牽引力計(jì)算結(jié)果(坦克A)

將坦克A與坦克B的牽引特性進(jìn)行對(duì)比分析。坦克A的柴油機(jī)扭矩儲(chǔ)備系數(shù)為1.15，從圖7、圖8可以看出:其7擋曲線有失速現(xiàn)象，丟失功率較嚴(yán)重。ГТД-1250燃汽輪機(jī)的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)為2.16，從圖5、圖6可以看出:其4檔曲線是較為理想的牽引特性曲線，與直流電機(jī)的特性曲線極為相似。

未來的主戰(zhàn)坦克要求具有更高的機(jī)動(dòng)性和生存能力，提高單位功率密度、進(jìn)一步縮小坦克的外廓尺寸、采用先進(jìn)的火炮和火控系統(tǒng)等是發(fā)展的必然趨勢(shì);為此，坦克將需要功率更大的發(fā)動(dòng)機(jī)。柴油機(jī)功率的進(jìn)一步提高比較困難，而燃汽輪機(jī)可以輕松地達(dá)到很高的功率，這也是美、德、俄、日等國(guó)致力于發(fā)展坦克燃汽輪機(jī)的緣由。

2.2 燃油消耗量分析

燃油消耗量是直接影響坦克經(jīng)濟(jì)性和行動(dòng)半徑的參數(shù)，坦克燃油消耗量可以用以下公式計(jì)算:

式中:GT為發(fā)動(dòng)機(jī)小時(shí)燃油消耗量;vv為坦克勻速直線行駛速度;ρf為燃油密度。

圖9、圖10分別顯示了坦克B和坦克A的燃油消耗量計(jì)算結(jié)果。由于ГТД-1250燃汽輪機(jī)沒有采用回?zé)嵫b置，比油耗高于同樣功率的柴油機(jī)，其中坦克A的柴油機(jī)燃油消耗率為238 g/kW·h，坦克B的燃汽輪機(jī)燃油消耗率為306 g/kW·h;因此坦克B的燃油消耗量高于坦克A的燃油消耗量。但是隨著回?zé)崞鞯牟捎煤涂烧{(diào)導(dǎo)葉等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，坦克B油耗偏大的問題會(huì)得到徹底解決。采用回?zé)崞魇翘岣呷计啓C(jī)經(jīng)濟(jì)性的基本途徑之一，利用從渦輪排出的燃?xì)猓A(yù)熱由壓氣機(jī)出來，進(jìn)入燃燒室前的空氣。由于空氣已在回?zé)崞髦斜患訙兀瑒t在相對(duì)減少燃燒室中燃料數(shù)量的條件下，仍能達(dá)到規(guī)定的燃?xì)庾罡邷囟戎怠Ｔ诘蛪簤簹鈾C(jī)和動(dòng)力渦輪等進(jìn)口均有可調(diào)導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)，通過對(duì)導(dǎo)葉的控制與調(diào)節(jié)，可改善燃汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。

圖9 燃汽輪機(jī)燃油消耗量計(jì)算結(jié)果(坦克B)

圖10 柴油機(jī)燃油消耗量計(jì)算結(jié)果(坦克A)

為了比較不同行駛工況下的坦克燃油消耗量，現(xiàn)以美國(guó)的AGT-1500燃汽輪機(jī)(有回?zé)嵫b置)為例進(jìn)行說明。將AGT-1500燃汽輪機(jī)與其功率相當(dāng)?shù)牟裼蜋C(jī)作為坦克動(dòng)力時(shí)的燃油消耗量進(jìn)行對(duì)比［1］，按照坦克作戰(zhàn)使用的總?cè)蝿?wù)取中級(jí)公路、越野、怠速3種工況，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量見表1［3－7］。表1數(shù)據(jù)為美國(guó)陸軍當(dāng)時(shí)按照坦克作戰(zhàn)任務(wù)剖面進(jìn)行車輛行駛試驗(yàn)所獲得數(shù)據(jù)。可見，燃汽輪機(jī)在怠速工況的燃油消耗量比柴油機(jī)要高1倍;在中級(jí)公路工況燃汽輪機(jī)與柴油機(jī)的燃油消耗量相差不大;在越野工況燃汽輪機(jī)的燃油消耗量低于柴油機(jī)，燃汽輪機(jī)與柴油機(jī)的作戰(zhàn)使用的總?cè)蝿?wù)燃油消耗量相近。燃汽輪機(jī)與柴油機(jī)相比，具有功率大、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，但是燃油消耗量較大。

對(duì)燃汽輪機(jī)在坦克怠速工況燃油消耗量高的問題，當(dāng)前普遍采用輔助動(dòng)力裝置加以解決。

表1 任務(wù)燃油消耗量比較

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