燃汽輪機作為坦克動力的現(xiàn)狀與分析

畢小平，路 鋒

(裝甲兵工程學(xué)院機械工程系，北京100072)

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

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

1 燃汽輪機作為坦克動力的現(xiàn)狀

1.1 燃汽輪機在美國坦克上的應(yīng)用

圖1 三軸燃汽輪機結(jié)構(gòu)方案圖

1976年12月，美國陸軍確定將1 103 kW、輸出轉(zhuǎn)速3 000 r/min的燃汽輪機AGT-1500作為XM-1主戰(zhàn)坦克的動力，1978年3月，以AGT-1500燃汽輪機作為動力的XM-1主戰(zhàn)坦克開始進行可靠性、耐久性試驗。1979年5月，經(jīng)美國國防部批準(zhǔn)，XM-1坦克投入試生產(chǎn)。AGT-1500燃汽輪機為三軸式結(jié)構(gòu)、帶固定式回?zé)崞?，采用模塊化設(shè)計，應(yīng)用電子控制裝置、燃油控制裝置、壓氣機進口和動力渦輪進口可調(diào)導(dǎo)向葉片等實現(xiàn)對燃汽輪機的控制與調(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燃汽輪機或其改進型作為動力，總裝備數(shù)量已達8 000臺。第1次海灣戰(zhàn)爭美軍使用M1A1主戰(zhàn)坦克，經(jīng)歷了高溫和沙漠氣候的考驗，第2次美伊戰(zhàn)爭使用了M1A2主戰(zhàn)坦克。

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

LV100燃汽輪機是由美國的通用航空發(fā)動機制造廠與萊康明公司共同研制，德國的發(fā)動機渦輪機聯(lián)合公司(MTU公司)參與制造的新一代燃汽輪機，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燃汽輪機在性能、可靠性、使用性等諸方面均優(yōu)于AGT-1500燃汽輪機。與AGT-l500燃汽輪機相比，LV-100燃汽輪機的零件數(shù)減少了43%，保養(yǎng)費用降低了30%，平均無故障運行時間增加了40%，燃油消耗量遠遠低于AGT-1500燃汽輪機，現(xiàn)已安裝在電傳動的坦克試驗車上。

2004年3月，美國霍尼韋爾公司又推出了LV-50燃汽輪機推進系統(tǒng)樣機。與LV-100燃汽輪機相比，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)動機維護也更加方便，可實現(xiàn)快速拆除和更換。

1.2 燃汽輪機在俄羅斯坦克上的應(yīng)用

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

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燃汽輪機裝備在T-80Б坦克上。1990年，功率為919 kW的ГТД-1250燃汽輪機裝備于T-80y坦克。裝有燃汽輪機動力的T-80系列坦克已達1.5萬輛。

20世紀90年代，俄羅斯完成新一代ГТД-1500燃汽輪機的研制，新燃汽輪機的功率為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。與ГТД-1000T和ГТД-1250燃汽輪機相比，新燃汽輪機大大減少了比油耗，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燃汽輪機裝于“黑鷹”主戰(zhàn)坦克。

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

2 燃汽輪機作為坦克動力的性能分析

2.1 牽引特性分析

以俄羅斯ГТД-1250燃汽輪機為研究對象，進行計算分析。將以柴油機為動力的某型國產(chǎn)坦克作為原型，稱為坦克A。俄羅斯ГТД-1250燃汽輪機采用機械行星雙側(cè)傳動裝置，具有4個排擋。假設(shè)將ГТД-1250燃汽輪機及其傳動裝置裝入坦克A的動力艙中，稱為坦克B，圖2是應(yīng)用CAD軟件做出的動力艙三維實體模型。

圖2 燃汽輪機三維實體模型圖

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

圖3 燃汽輪機外特性輸出軸轉(zhuǎn)速－功率曲線

圖4 燃汽輪機外特性輸出軸轉(zhuǎn)速－比油耗曲線

當(dāng)發(fā)動機油門全開時，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排擋與發(fā)動機外特性相對應(yīng)的［1］。

坦克的總傳動比為

式中:iq為前傳動器的傳動比;ibi為變速器某一排擋傳動比;ih為后傳動器的傳動比。

坦克的總傳動效率為

式中:ηd為動力裝置效率;ηc為傳動裝置效率;ηx為履帶行駛裝置效率。

坦克速度為

式中:rv為坦克主動輪半徑;ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速;ic為傳動裝置的傳動比。

發(fā)動機牽引力和單位發(fā)動機牽引力分別為

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

應(yīng)用式(4)、(5)計算坦克B的發(fā)動機牽引力和單位發(fā)動機牽引力，結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 燃汽輪機牽引力計算結(jié)果(坦克B)

圖6 燃汽輪機單位牽引力計算結(jié)果(坦克B)

坦克A以柴油機為動力，采用液力機械傳動裝置，7個排擋。圖7為坦克A的柴油機牽引力計算結(jié)果，圖8為柴油機單位牽引力計算結(jié)果。

圖7 某柴油機牽引力計算結(jié)果(坦克A)

圖8 柴油機單位牽引力計算結(jié)果(坦克A)

將坦克A與坦克B的牽引特性進行對比分析。坦克A的柴油機扭矩儲備系數(shù)為1.15，從圖7、圖8可以看出:其7擋曲線有失速現(xiàn)象，丟失功率較嚴重。ГТД-1250燃汽輪機的扭矩儲備系數(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動性和生存能力，提高單位功率密度、進一步縮小坦克的外廓尺寸、采用先進的火炮和火控系統(tǒng)等是發(fā)展的必然趨勢;為此，坦克將需要功率更大的發(fā)動機。柴油機功率的進一步提高比較困難，而燃汽輪機可以輕松地達到很高的功率，這也是美、德、俄、日等國致力于發(fā)展坦克燃汽輪機的緣由。

2.2 燃油消耗量分析

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

式中:GT為發(fā)動機小時燃油消耗量;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的燃油消耗量計算結(jié)果。由于ГТД-1250燃汽輪機沒有采用回?zé)嵫b置，比油耗高于同樣功率的柴油機，其中坦克A的柴油機燃油消耗率為238 g/kW·h，坦克B的燃汽輪機燃油消耗率為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)的進一步發(fā)展，坦克B油耗偏大的問題會得到徹底解決。采用回?zé)崞魇翘岣呷计啓C經(jīng)濟性的基本途徑之一，利用從渦輪排出的燃氣，預(yù)熱由壓氣機出來，進入燃燒室前的空氣。由于空氣已在回?zé)崞髦斜患訙?，則在相對減少燃燒室中燃料數(shù)量的條件下，仍能達到規(guī)定的燃氣最高溫度值。在低壓壓氣機和動力渦輪等進口均有可調(diào)導(dǎo)葉機構(gòu)，通過對導(dǎo)葉的控制與調(diào)節(jié)，可改善燃汽輪機的經(jīng)濟性能。

圖9 燃汽輪機燃油消耗量計算結(jié)果(坦克B)

圖10 柴油機燃油消耗量計算結(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)以美國的AGT-1500燃汽輪機(有回?zé)嵫b置)為例進行說明。將AGT-1500燃汽輪機與其功率相當(dāng)?shù)牟裼蜋C作為坦克動力時的燃油消耗量進行對比［1］，按照坦克作戰(zhàn)使用的總?cè)蝿?wù)取中級公路、越野、怠速3種工況，發(fā)動機燃油消耗量見表1［3－7］。表1數(shù)據(jù)為美國陸軍當(dāng)時按照坦克作戰(zhàn)任務(wù)剖面進行車輛行駛試驗所獲得數(shù)據(jù)?？梢姡计啓C在怠速工況的燃油消耗量比柴油機要高1倍;在中級公路工況燃汽輪機與柴油機的燃油消耗量相差不大;在越野工況燃汽輪機的燃油消耗量低于柴油機，燃汽輪機與柴油機的作戰(zhàn)使用的總?cè)蝿?wù)燃油消耗量相近。燃汽輪機與柴油機相比，具有功率大、重量輕、體積小等優(yōu)點，但是燃油消耗量較大。

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

表1 任務(wù)燃油消耗量比較

［1］畢小平，王普凱.坦克動力－傳動裝置性能匹配與優(yōu)化［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2000:16－18.

［2］張均享.高機動性運載車輛動力系統(tǒng)［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2000:367.

［3］Myers S L.Technology Advance in Prime and Auxiliary Gas Turbine Power for Armored Vehicles［J］.ASME，1997(16):11 －12.

［4］Samuel L，Myers J.Turbomachinery for Total Tank Power Requirements［C］∥SAE 860237.

［5］Philip W L.Armour Demands Greater Power［J］.Janes International Defense Review，1996(3):7 －8.

［6］Hower G K.Gas Turbine Propulsion for New Combat Vehicle［J］.Diesel and Gas Turbine Worldwide，1998(10):3 －5.

［7］Ogorkiewicz R M.Ukraine Reveals Compact Diesel Tank Engine［J］.International Defense Review，1997(6):23 －25.