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燃气轮机与柴油机用于坦克动力装置的技术特点对比研究

已有 3058 次阅读 2021-12-2 13:24 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦


燃气轮机与柴油机用于坦克动力装置的技术特点对比研究

伍赛特


摘要:介绍了燃气轮机及柴油机的性能及系统构成等方面的特点,重点对二者进行了相关对比。随着装甲车辆技术的不断发展,对动力装置的功率要求将进一步提高。由于燃气轮机在动力领域的突出优势,因此有望得到更长远的发展。

 

关键词:坦克;燃气轮机;柴油机;内燃机;热力发动机

 

0 引言

我国在宋朝时候出现了走马灯,这是种以燃气驱动的简单装置。1791年英国曾提出过有往复式压气机的燃气轮机,但未能实现。1902年美国制造出了燃气轮机装置,其空气压缩机由燃气轮机驱动。20 世纪20 年代中期,许多研究人员为发展燃气轮机的理论和设计开展了相关研究[1];前苏联的研究人员为现代涡轮流体动力学理论奠定了基础;法国在燃气轮机布置上提出将涡轮压气机和动力涡轮分别置于不同的轴上,即双轴燃气轮机的设想。

 

1 坦克用燃气轮机及柴油机的性能

燃气轮机是旋转式叶轮机械,由于其进气、压缩、燃烧及膨胀做功的过程均在与机体不接触的叶片机中进行,且动力涡轮与燃气发生器仅为气动联系,从而它具有低摩擦、高转速和连续做功的特性。因此,燃气轮机具有高的功率密度、优良的扭矩特性、加速性、低温起动性、低的噪声和轻度排烟。

主战坦克是以柴油机还是燃气轮机为动力,已经历了数十年的争论,但主战坦克终究安装了燃气轮机,并成功地使用了多年[2-3]。在对两种机型进行比较时,性能的对比是必要的,但重要的是动力装置及其附件和传动装置等构成的动力传动系统,对坦克的战场生存能力、效能和可用性影响的对比。

 

2 坦克燃气轮机与柴油机的性能比较

2.1单位工质所做的功及体积功率

与柴油机相比, 燃气轮机由于受涡轮叶片热强度的限制,其循环的参数不高[4]。因此1 kg 燃气所做的功明显小于柴油机[5]。虽然工作介质的工作能力低,但在体积功率方面,燃气轮机优于柴油机。这是因为工作循环过程连续不断高速流动的结果。提高涡轮叶片材料的耐热强度和改善涡轮叶片的冷却方法,就能改善循环的参数,从而有利于增加燃气轮机在这个参数方面的优势。

 

2.2 扭矩特性

燃气轮机具有良好的扭矩特性及起动性能,柴油机在该领域相对较弱。

 

2.3 冷却系统

燃气轮机的主要优点是没有柴油机所必需的冷却系统和机油消耗量小,从而减小了动力装置的尺寸,简化了使用,减少了保养的时间和工作量。

 

2.4 无往复运动

在燃气轮机中没有旋转-往复运动的质量,而旋转-往复运动质量是柴油机出现不平衡力合力矩并引起扭振的原因。在燃气轮机,所有运动的零件均是旋转件,况且都是经过预先平衡的高速旋转的零件。因此,高的平稳性运转和良好的平衡性,提高了燃气轮机的工作可靠性。

 

2.5 完全燃烧

由于燃料的不完全燃烧,在柴油机的燃气火焰中含有燃烧产物的硬微粒,它们具有高的温度,是强大的热辐射源。与柴油机不同的是,燃气轮机在进行燃烧过程时有相当大的多余空气量,以保证燃料几乎完全燃烧,并且排出的气体温度较低。由于这个原因, 燃气轮机具有低的热特征。此外应当指出,燃气轮机在工作时具有低噪声和低的排气传染的性能。

 

2.6 燃气轮机的主要缺陷

燃气轮机的燃油经济性较差,特别是在部分工况,原因为循环是在工作介质较低的温度和压力下进行。当改善了工作循环的参数,燃气轮机的经济性指标可以提高。减少燃油消耗量的有效措施是采用回热器,但将致使动力装置系统复杂化。

由于每单位燃气量完成的功低,因而流过燃气轮机的空气量比通过柴油机的要大得多,为此增大了空气滤清器和动力装置的燃气空气通道的尺寸。

 

3 坦克燃气轮机与柴油机构成系统的比较

3.1 系统对坦克战场生存能力的影响

作为坦克推进系统的重要部件-动力装置,影响坦克战场生存能力的重要性能参数是单位体积功率、单位重量功率及隐蔽能力。

 

3.2动力传动装置的重量和体积

为便于分析比较,现举出功率相当的柴油机与燃气轮机并安装于坦克上所构成的动力传动装置。

由于燃气轮机本身结构紧凑、重量轻,基本不需要冷却等特点,从而在系统的体积和重量方面上有明显的优势。

 

3.3 传至主动轮的功率和扭矩

1)与同功率的柴油机相比,燃气轮机可在各种工况下,向主动轮提供更多的有效功率。坦克装用燃气轮机后,冷却风扇消耗功率明显低于装用柴油机,仅占动力装置标定功率的4%9%[6]

2)动力装置的扭矩储备系数与柴油机相比,燃气轮机具有良好的扭矩特性,其扭矩储备系数值为1. 52.2 ,而一般增压柴油机为1. 051. 15。因此,在车辆的行驶工况下,与柴油机相比,燃气轮机能给装甲车辆主动轮提供更高的扭矩值,从而提高坦克的加速性和平均行驶速度,并减少换档的次数及功率损失。

3)功率传递的效率 燃气轮机具有高的扭矩储备系数,因此仍可采用机械传动装置井通过优化选择排挡数目,获得最佳的牵引特性和高的功率传递效率。若采用综合液力机械传动装置, 由于高的扭矩储备系数.则可较少使用液力工况,从而亦可班得高的功率传递效率。

 

3.4空气耗量的比较

燃气轮机用于燃烧的空气流量约为柴油机的2倍,但若将动力装置的冷却用空气流量考虑在内,则用柴油机时总的空气耗量大于燃气轮机.

空气耗量的差异,影响着车辆动力舱顶甲板的开窗尺寸;安装燃气轮机的坦克.其窗口面积只有安装柴油机的30%45%。进气百叶窗尺寸,直接影响着车辆顶部的防护能力。

 

3.5 排烟

在战场上,排气带烟将暴露目标。

1)柴油机在起动、加速工况会产生可见的碳烟,而燃气轮机在全部工况内排气均不带烟。

2 当动力装置使用一段时间后,柴油机排气烟度值加大,而燃气轮机在整个使用期内烟度值都很低。

 

3.6 噪声

噪声大小,影响坦克处于隐蔽状态下的战术使用。由于燃气轮机为旋转叶轮机械,循环做功为连续进行,与柴油机相比,其振动小;加之空气温和回热器均可对进、排气起到消声作用,噪声能量级平均可低30%以上。

综上所述,以燃气轮机为动力,可向坦克提供更高的主动轮功率及良好的扭矩特性,从而导致车辆有良好的战场机动性;在战场上,坦克在200m 距离的冲击时间,以柴油机为动力时为26 s,以燃气轮机为动力时仅为19 s,较小的动力传动装置的体积和重量,较小的动力舱顶甲板进气窗口面积,无可见碳烟和轻声等均提高了坦克的战场生存能力。

 

4 系统对坦克战场效能的影响

4.1 起动性能

燃气轮机与柴油机起动过程上有着本质的差别[7]。柴油机起动,除要克服滚动、滑动阻力外,还需克服气缸内的气体压缩功,故起动电机功率较高;加之柴油机压燃的特点,一般气温在-20 以下时,无附加装置即不能起动。燃气轮机的起动,只是加速燃气发生器,且为低摩擦的波动轴承,故起动电机功率相对较低,并能在更低的温度(﹣54 ℃)下直接起动。

 

4.2装甲车辆的行程

燃油消耗率在接影响坦克的行动半径,燃气轮机燃油消耗率较高,因此一般认为会影响坦克的行程。仅从单机性能对比是这样的,如果考虑了动力装置本身的特性及其安装状态,结论就不同了。

单机性能对比,M1坦克燃气轮机的燃油消耗率较豹II坦克的柴油机高12.2% 。按传至主动轮上所获得的有效功率计算,则两种机型的燃油消耗率相当。

功率相等(或相当)的柴油机与燃气轮机相比,尽管燃气轮机的怠速油耗高1倍,但对总的任务油耗影响不大,总的任务燃油需要量,无论是AGT 1500坦克燃气轮机还是GT601 燃气轮机,都与柴油机相近。至于怠速油耗高的问题,美国已因采用辅助动力装置得到解决。对于不带回热器的燃气轮机,一般其任务油耗及24小时战斗日油耗均高出柴油机。

 

4.3多种燃料的性能

燃气轮机是真正的多燃料动力装置,它可使用任何简单蒸馏的石油产品,包括各种航空煤油,未加四乙铅的汽油、煤油及各种柴油,并无须对动力装置的燃油系统做任何更改。

 

5 系统对坦克可用性的影响

5.1 可靠性和耐久性

与柴油机相比,燃气轮机的零件少30%,易损件数量少2/3,且无往复摩擦运动,因此故障率低。

 

5.2可维修性

燃气轮机为模块设计,通常由前、后模块、传动模块及附件模块组成,非常便于维修和更换;燃气轮机的附件模块所有部件(起动电机、燃油滤清器及燃油调节器等)均置于动力装置上部,便于接近。燃气轮机采用视情维修,无须定期保养和补充、更换机油;机油消耗量极低,仅为柴油机的1/201/10

 

5.3可用性

美国驻欧洲的M1坦克部队,每年演习结果表明,M1坦克安装燃气轮机后,大大提高了坦克的战备完好率。由统计可知,M1坦克的战备完好率平均高达95%以上,而其中由于动力装置原因而影响车辆出勤的仅占4%。可用佳与可靠性、可维修性和耐久性密切相关,从理论上和实践上均表明燃气轮机在这些方面具有显著的优势。

 

6 全寿命周期费用比较

全寿命周期费用由研究与研制,采购和装车后的使用与维修三部费用组成。

 

6.1 研究与研制

一般认为燃气轮机动力装置的研究与研制费用高于柴油机,主要是燃气轮机采用了贵的高温合金和较为复杂的工艺,以及较高的加工精度。但从动力传动系统的角度来看,燃气轮机在冷却系统和传动系统的研制方面可节省部分费用。当今研制一台同功率的柴油机和燃气轮机的费用基本相同,这是由于柴油机结构日趋复杂,加工精度要求更高的结果。

 

6.2 成本及发展

由于材料、工艺和研制费用高,所以就动力装置本身来讲,燃气轮机的价格比同功率的柴油机高1/3

1)燃气轮机的大修时间明显高于柴油机,约为其3

2)燃气轮机的使用与维修费用明显低于柴油机,其主要原因为①在使用过程中无须保养和加添机油;②非常低的机油消耗费用; ③燃气轮机的压气机部件使用期长,要求更换的部件主要是涡轮和燃烧室;因此在大修时部件的更换率仅为柴油机的一半。

1939 8 27 日,首架以燃气轮机驱动的喷气式飞机在德国腾空而起,随后短短十多年时间里,作战飞机全部使用了燃气轮机;至60年代,各种型式的燃气涡轮动力装置已在民用飞机上占绝对优势。

1967 . 瑞典的Strv-103b坦克使用了柴油机与燃气轮机并联的组合动力装置。70年代中、后期,美国、前苏联都在其主战坦克上使用了燃气轮机,开始了燃气轮机广泛应用于主战坦克的新时期

 

7 使用条件对燃气轮机指标的影响

与柴油机相比,使用条件对燃气轮机指标的影响显然要大。这是由于当工作循环的参数较低时(部分负荷工况) ,空气的压缩过程和燃气的膨胀过程特性均有明显的变化。

 

7.1进气真空度的影响

进气真空度(压力降)的增加,引起压气机进口处空气密度的下降,空气的重量流量降低,结果导致压气机中气流流动偏离设计工况,降低了压气机的效率和气体动力的稳定性,且当其明显地偏离计算过程时,能够导致动力装置的喘振和停车。为了提高压气机的稳定性,可对压气机实施专门的型面设计,或者对压气机分级调节和从流动的通道中放出部分的空气的增加还会使燃气轮机全部流通部分工作介质的压力下降,相应降低了涡轮中膨胀比和涡轮的单位功,以及发功帆的有效功率和燃油经济性。

进气真空度的增加,还会是燃气轮机全部通流部分工作介质的压力下降,相应降低涡轮中膨胀比和涡轮的单位功,以及动力装置的有效功率和燃油经济性。

 

7.2动力装置排气背压的影响

动力装置排气背压的增加,使涡轮中的膨胀比降低并破坏了在涡轮叶片间通道中燃气流动的计算特性,导致动力装置的功率降低和燃油经济性变坏。

 

7.3大气压力的影响

大气压力变化时,由于空气的质量流量改变,会导致动力装置的有效功率成比例的变化。

 

7.4动力装置进口空气温度的影响

动力装置进口空气温度的改变,给予燃气轮机的指标的明显影响,这些影响首先是压气机的压力升高比变化。温度的升高会导致压比降低,从而引起循环效率、涡轮膨胀比、涡轮比功和动力装置燃油经济性的降低。

 

8 结论与展望

当前坦克使用燃气轮机,特别是不带回热器的燃气轮机,其燃油消耗量高于柴油机之外,而其他性能、指标均优于柴油机。近年来随着叶轮机械的发展,坦克燃气轮机的燃油消耗已有了显著改善。同样,由于柴油机技术的进步,至今仍是主战坦克可以选用的机型。

未来的主战坦克,要求具有更高的生存能力。因此,采用电热炮、电磁炮,并进一步缩小车辆的外形尺寸是发展的必然趋势。对动力装置的功率要求预计将进一步提高。此刻,燃气轮机的优势将更加突出,这是美、俄等国发展坦克燃气轮机的重要原因。

 

参考文献

[1] 伍赛特.坦克动力装置历史沿革及未来发展研究[J].自动化应用,2021(01):160-163.

[2] 伍赛特.军用车辆动力系统技术特点及动力装置选型研究[J].汽车零部件,2021(04):96-101.

[3] 伍赛特.坦克动力系统未来发展趋势展望[J].机电信息,2020(15):168-169.

[4] 张均享.美国坦克装甲车辆动力的发展[J].国外坦克,2009(01):46-49.

[5] 张均享,李新敏.坦克百年动力概论[J].国外坦克,2015(06):41-51.

[6] 张均享,李新敏.坦克燃气轮机的使用和未来[J].国外坦克,2012(11):40-45.

[7] 张均享,李新敏.诠释坦克燃气轮机[J].国外坦克,2013(06):41-48.




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