国内坦克用燃气轮机技术将何去何从?

国内坦克用燃气轮机技术将何去何从?
作者：邢俊文
来源：《坦克装甲车辆》 2019年第11期
燃气轮机是大家熟知的坦克动力之一,被美俄等军事强国的坦克广泛采用,如M1系列坦克、T-80U坦克等。

我国的坦克研制虽然历经了缴获购买、仿制、自主设计的过程,目前已装备了最先进的99系列坦克,但始终未采用燃气轮机作为其主动力。

是燃气轮机不适合中国?还是中国人做不了车用燃气轮机?中国已拥有多个型号的涡轴燃气轮机产品,显然不是我们研究不出车用燃气轮机!究其原因,笔者从以下几个方面谈一下个人的看法。

燃气轮机坦克动力的技术优势
燃气轮机是实现高功率密度发动机的最佳技术方式由于坦克空间极其紧凑,高功率密度发动机成为坦克设计永恒的追求。

然而,要想在保持功率要求不变的条件下,降低发动机的重量,缩小其体积,唯一的途径是提高发动机转速,降低发动机驱动扭矩。

这个道理适用于所有类型的动力装置!目前,柴油机转速最高可达到5 000转/分,汽油机转速最高可达到10 000转/分,由于其特点限制使得重载大功率发动机很少采用汽油机!燃气轮机转速最高可达到26 000转/分以上,而且广泛用作重载大功率发动机,其功率密度能够达到同功率柴油机的3倍以上。

这样,高功率密度发动机的技术发展路线就非常明显了,燃气轮机技术是实现高功率密度发动机的最佳技术途径!因此,如果痴迷于发展高速柴油发动机,全力挑战燃油燃烧速度的极限,全力挑战发动机材料的极限,在达不到德国机械工业水平的条件下,试图获得燃气轮机的高功率密度值,其结果可想而知!付出巨额投资,可能收效甚微!
燃气轮机具有低温快速起动的优点燃气轮机属于叶片式发动机,起动阻力小,在严寒环境下起动非常容易,可以有效缩短低温环境下坦克的战斗准备时间。

据测算,柴油机坦克在寒区加温起动总时间近50分钟,而燃气轮机不用加温,可直接点火起动并行驶,总时间不超过5分钟。

首先,燃气轮机没有水冷系统,在高原环境下技术状况非常稳定,其核心机叶片和机件主要靠高速进气气流来冷却,不管气压高低,发动机核心机工作在温控下始终处于稳定工作状态,因此,不会出现柴油机的过热、拉缸、烧瓦等故障,可在高原环境下持续工作,技术状况稳定,这一特点已得到试验验证。

其次,燃气轮机工作寿命长,结构简单,可靠性高,价格适中。

某型号坦克用燃气轮机寿命为1 000小时,而同功率柴油机通常500小时,相当于2台柴油机。

燃气轮机比柴油机结构简单,故可靠性高,且价格适中。

再次,燃气轮机油耗高,相比柴油机百千米增加100升左右,不过在可控可接受的范围。

燃气轮机油耗高是它的特点,比如T-80U坦克发动机1 250马力,比油耗306克/千瓦?时,而国内相当功率的柴油机比油耗238克/千瓦?时。

这样对比不容易判断,经过装车试验实测,分别安装两种发动机的同一车型,同样道路上行驶,百千米油耗相差100升左右。

按照这样推断,以坦克最大行程500千米计算,安装燃气轮机的坦克要多带500升燃油。

因为燃气轮机功率密度高,相比柴油机,装在坦克上至少可减重2吨,减容1.5立方米,如果考虑多带的油料,实际会减重1.5吨,减容1.0立方米,仍然具有明显的优势。

而不像有些媒体报道的,美军坦克作战要伴随无数的油车保障。

至于油耗成本增加而言,相比较燃气轮机优良的扭矩特性、动力性、高功率密度和环境适应性,作为作战武器,显然不值得考虑,无非是增加一些平时的训练成本。

国产车用涡轴燃气轮机型号全,具有系列化改造升级的技术基础和条件。

凡是拥有自由动力涡轮的涡轴燃气轮机理论上均可以用于地面车辆,目前,国产涡轴发动机型号很多,都具备车用改造的核心机条件和变型能力,功率等级从500~3 000千瓦,重量最大的不超过1 500千克,体积也非常小,具有明显的技术优势。

美俄拥有了燃气轮机坦克动力技术的绝对优势
美俄上世纪就在坦克上应用了燃气轮机,典型的主战坦克有俄罗斯的 T-80和美国的M1系
列主战坦克,典型发动机型号有美军的AGT1500、LV100、LV50,俄罗斯的GTD-1000、GTD-1250、GTD-1500、GTD-X,这些型号成为了目前美俄陆战装备的主要动力,也代表了车用燃气轮机的最高技术水平。

据报道,美国按装备使用需求,通常每20年就更换一种新机型和发动机的承制商,目前研制
的LV100系列(50~60吨)和LV50(10~20吨)燃气轮机就是为了适应这两种平台的需要,重型平台
作为机动堡垒和火力点使用,可空运的轻型平台作为快反、战略机动和突击平台来使用。

LV100燃气轮机的主要结构特点是单轴的燃气发生器涡轮压气机转子,压气机组由4级轴流
式压气机和一级离心式压气机组成;涡轮为单级轴流式,动力涡轮由2级轴流涡轮构成,全电子控制。

LV100燃气轮机是为美国陆军坦克的先进整体式推进系统专门设计的燃气轮机,已在
M1A2SEP主战坦克上应用。

LV100-5的燃油消耗量为35.6 升/小时,与 AGT-l500发动机相
比,LV100-5燃气轮机的零件数减少了43%,保养费用降低了30%,平均无故障运行时间增加了40%,燃油消耗量远远低于AGT-1500发动机(AGT-1500发动机的燃油消耗量为41.6 升/小时)。

LV50 (500千瓦)燃气轮机是2004年美国莱卡明(Lycoming)发动机厂研制成功的,用于
16~20吨级作战车辆。

该发动机为双轴、带间壁式回热器、可调导向器、自清洁式空气滤清器、带电控和热管理系统的燃气轮机,重量227千克,外廊尺寸1470毫米×460毫米×660 毫米,匹
配400千瓦高速发电机(自重27千克),返厂大修期5 000小时,-54摄氏度至60摄氏度起动时
间不大于30秒,便于维护保养.比LV100节油20%。

目前该发动机处于装备应用初期,预计未来2035年前,属于新装备平台应用和技术完善期。

俄罗斯燃气轮机和柴油机并行发展,其装备的T-80U坦克主要用于严寒地区作战。

最近报道,俄罗斯为应对西方威胁,重新装备更新换代的T-80BVM坦克和T-90M坦克,重新发挥燃气轮机坦
克平台的作用。

预测俄罗斯开发的GTD-1500和GTD-X目前已装备应用,其相关技术也在2035年前处于不断完善中。

国内坦克用燃气轮机技术发展取得质的突破
车用燃气轮机的研发能力和工业基础车用燃气轮机动力属于微小型燃气轮机,其核心机的工作机理、结构、材料、工艺与航空、舰艇燃气轮机完全相同;随着航空工业近年来的不断进步和发展,特别是中国航发的成立和国家航空发动机专项资助,集中整合了全国所有从事航空发动
机单位的力量,突破了限制航空发动机发展的许多关键技术,进一步提升了我们国家进行燃气轮
机自主研发和生产的能力,目前已经拥有了几十个燃气轮机型号的研发和量产能力,涵盖了军用
飞机、舰艇和直升机多个机型,并正在自主研发数十个型号和产品。

正是基于这样的发展机遇和条件,中国航发某工厂起步于国家863计划的资助,从2008年至今,历时11年,引进并消化吸收国外某型号地面燃气轮机,实现了全部国产化,其性能已达到了原装机的水平,该厂目前掌握了车用燃气轮机的结构、性能、工艺和材料等要素,迈出了车用燃气
轮机研发进程最为艰难的第一步,同时展开了其他地面燃气轮机型号的研发,其功率涵盖400~3 500千瓦。

车用燃气轮机应用技术研究某研究所在20世纪70年代,应用从加拿大引进的直升飞机用ST6J-771燃气轮机,安装在69式坦克上作为动力,并与以柴油机为动力的59式坦克进行了总体
性能对比试验,试验200多个摩托小时,行驶1 000千米左右。

由于采用的燃气轮机并不是专门
为地面车辆所设计的,在试验中出现发动机超速、喘振等问题。

2008年,中国航发某工厂在国家863项目的资助下开始车用燃气轮机技术的研究,从国外引
进并进行仿制生产,同时进行发动机台架试验等方面的研发工作,与某军事学院合作将该型发动
机安装在某型主战坦克上进行试验研究,使原车机动性能得到全面提升,并表现出良好的高原环
境适应性。

由于国内车用动力一直采用柴油机,车用燃气轮机的应用属于空白,车用燃气轮机技术与美
俄等世界先进国家的陆军装备技术发展水平相比,我国处于刚刚起步阶段,技术水平至少相差20年。

目前,国内已具备燃气轮机核心机的研制能力,实现了首台引进车用燃气轮机的国产化,但还存在很大差距,必须要迎头追赶。

燃气轮机应用于坦克动力有助于提升现役坦克及其在特殊地域的作战能力
车用燃气轮机扭矩特性优于柴油机车用燃气轮机又名气动变矩器,具有明显优于柴油机的扭矩特性与适应性,无论与液力机械传动还是电传动相匹配都较柴油机有明显优势,这是业界都
有的共识,唯一的缺点就是燃油油耗比柴油机要偏高,且低速条件下油耗会增加很多。

因此,美俄通过增加回热器、采用先进材料、提高涡轮前入口温度、全自动进行燃油油量、温度及工况控
制等技术手段,全面提高热效率,降低油耗,有望达到和柴油机同样的水平。

比如,过去燃气轮机
比油耗GTD-1250为306克/千瓦?时、AGT1500为280克/千瓦?时,经过改进改型的LV100比油
耗降为213克/千瓦?时,这已经和德国“豹”2坦克发动机MTU883比油耗215克/千瓦?时相当。

燃气轮机具有优良的低温起动性能国产某型号坦克用燃气轮机在高低温环境试验室进行
了冷冻和低温起动试验,按照GJB要求经试验验证,该发动机经受住了冷冻试验考核,且在-43摄
氏度环境下起动成功,起动时间为26秒。

这标志着该发动机具有良好的低温起动性能,可以极大缩短坦克在寒区的战斗准备时间,与柴油机将近50分钟的加温起动时间相比具有绝对的优势。

燃气轮机在低压和多尘环境下技术状态稳定可靠在高原环境下,燃气轮机没有水冷系统,技术状况非常稳定,而柴油机就会出现高原不适故障。

在山地和沙漠等地区,燃气轮机空滤无细密
滤网,并具有自清洁功能,抗震能力强,持续工作8小时也不会堵,柴油机就做不到这些了。

现役坦克改装燃气轮机将获得新生某学院将某型号燃气轮机装在现役某型坦克进行了试
验验证,在配重至原坦克战斗全重条件下,该坦克最大速度由64千米/小时提高到77千米/小
时,0~32千米/小时加速时间由13秒降低到9.65秒,顺利通过32度纵坡,且具有良好的低温起
动性和环境适应性。

同时,由于燃气轮机功率密度高,改装后,动力舱实测可减重2吨,节省空间1.7立方米,其机动性能还可以进一步得到提升。

因此,结合试验数据,经计算分析表明,国产二
代坦克改装该型燃气轮机后,其最大速度可提高到80千米/小时,0~32千米/小时加速时间可降
至9秒以内,将会表现出更好的机动性和环境适应性。

结语
由于国内车用动力一直采用柴油机,车用燃气轮机的应用属于空白,车用燃气轮机技术与美
俄等世界先进国家相比差距很大,可喜的是国内已具备燃气轮机核心机的研制能力,实现了首台
引进车用燃气轮机的国产化,未来10~15年内,应当以国产燃机为基型,以美军LV100、LV50燃气轮机为目标,发展重型和轻型两个平台的燃气轮机动力,实现1 000千瓦级和500千瓦级车用燃
气轮机整机研发的技术突破,达到或超过美军燃气轮机的性能水平。

总之,燃气轮机具有柴油机无法替代的技术优势,国内已具备车用燃气轮机的研发能力和生产条件,未来燃气轮机技术发展路线已明晰,我国切不可止步懈怠!唯有抓住时机,全力以赴,迎头追赶,才是当下正确的抉择!。