坦克燃气轮机简介及发展概况

坦克燃气轮机简介及发展概况
摘要：坦克是陆军作战的重要装备，动力系统是坦克的核心，坦克燃气轮机
作为坦克动力装置的一个重要分支，装用燃气轮机的坦克可以获得高的平均
速度、集群大纵深行动的战术、技术速度，短的冲击时间和高的战场生存能力。

所以本文对坦克燃气轮机的结构，优势及发展概况进行了简要的介绍和
分析。

关键词：坦克；燃气轮机；动力系统
1 课题研究背景及意义
坦克燃气轮机已装备俄罗斯(苏联)的T-80系列主战坦克和美国的M1系列主战坦克使用了近50年,先后经历了两次海湾战争、阿富汗和车臣战争的检验。

美国已掌握了M T890、高功率密度柴油机技术并在底特律柴油厂生产了V6、V8和V10机型，但仍确定其下一代主战坦克以LV100为动力；并于2003年在莱卡明公司生产了L V100-5燃气轮机装于沙特阿拉伯的M1主战坦克改进型。

俄罗斯在不断改进现有坦克燃气轮机的同时，又于1996年开始研制新型大功率（1103～1617kW）坦克燃气轮机。

并且去年中国第一台坦克用燃气轮机试车也获得了圆满成功。

表明坦克燃气轮机的研究还有很大的发展空间。

但是在近年来伴随着坦克高功率密度柴油机取得的优异成绩和燃气轮机在坦克使用过程出现(或存在)的问题;致使主战坦克安装燃气轮机的问题,至今仍在俄、美等国的军事和学术界继续进行着争议。

但由于电磁炮、激光武器取得突破性进展；混合动力和页岩气的成功开发，相信未来坦克燃气轮机的使用和发展将有更广阔的空间。

本文对坦克燃气轮机的结构，发展和装备使用状况做一简述。

2 坦克燃气轮机结构
坦克燃气轮机源于直升机用燃气涡轮轴（Turboshaft）发动机，通常由4个主要部分组成：燃气发生器、动力涡轮、减速机构及调节与控制装置。

下面选取俄GTD-1250机型对其结构进行描述。

2.1 燃气发生器
燃气发生器由低压涡轮压气机转子、高压涡轮压气机转子和环形燃烧室组成。

低压涡轮压气机转子由单级离心式压气机和单级轴流涡轮，通过花键与轴连接而成低压涡轮压气机转子。

整个转子采用3个支承，前、后支承为滚柱轴承，中央为球轴承。

低压压气机是铸造的离心闭式叶轮，采用压缩空气来清除压气机流通部分的尘垢。

高压涡轮压气机转子由单级高压离心式压机和单级高压轴流涡轮，通过紧固螺栓与轴连接而构成高压涡轮压气机转子。

整个转子采用 2个支承，前支承是球轴承，后支承为滚柱轴承。

高压离心式压气机同为铸造的闭式叶轮，利用压缩空气来清除通道的尘垢。

燃烧室为环形、逆流式，由火焰筒、燃油喷嘴和旋流器等组成。

整个燃烧室内有8个旋流器、8个喷油嘴和2个火花塞。

图1 GTD系列燃气轮机结构示意
1单级低压离心式压气机；2单机高压离心式压气机；3燃烧室；4单级高压轴流涡轮；5单级低压轴流涡轮；6可调导向器；7动力涡轮；8减速机构
2.2 动力涡轮
动力涡轮采用单级轴流涡轮与轴连接构成动力涡轮转子，悬臂安装于2个支承上，前部支承为球轴承，后部支承在减速机构的两个球轴承上。

轴流涡轮由轮盘和68个叶片组成。

2.3 调节与控制装置
调节与控制装置根据发动机的流量和负荷变化，通过燃油泵和涡轮可调的导向可调导向器用于获得发动机最佳运行状况和实施制动。

可调导向器用于获得发动机最佳运行状况和实施制动。

G T D-1250燃气轮机可调导向器由26个可转动的叶片和叶片转动机构所组成。

当叶片由工作状态转入制动状态时，气流朝向涡轮转子旋转相反的方向，从而在涡轮中产生制动功率。

叶片由工作状态转入制动状态的角度为120°～135°，此转动角度下，制动功率约为涡轮输出功率的40%～45%。

随叶片转角减小，制动功率亦减少；当叶片转角在70°～80°时，动力涡轮制动功率将趋于零。

减速装置由圆柱齿轮和锥齿轮组成。

采用二级减速，一级减速比为 4.15，二级减速比为0.04，总减速比为8.45.下传动箱，通过下传动箱传动的部件有燃油泵、空气压缩机、发电机、滑油泵和转速表传感器。

前传动箱传动两个冷却、抽尘 0的混流风扇和用于冷却（发电机、起动电机）的离心压气机。

上传动箱起动电机通过前传动箱转动高压压气机涡轮转子。

电机、滑油泵和转速表传感器。

前传动箱传动两个冷却、抽尘的混流风扇和用于冷却（发电机、起动电机）的离心压气机。

上传动箱起动电机通过前传动箱转动高压压气机涡轮转子。

2.4 主要附件
主要附件有空气滤清器、机油散热器、机油箱、起动电机、发电机、压缩空气机、冷却及抽尘风扇和冷却抽尘管，它们同燃气轮机集成为一体，并一起吊装。

图2 GTD-1000 坦克燃气轮机
3 工作原理
坦克燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀作功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。

燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。

4 坦克轮机的优越性
（1）体积小、功率大和重量轻
由于工质在循环过程中连续不断的高速流动和高转速，所以坦克燃气轮机具有功率大、体积小和重量轻的优点。

现今坦克燃气轮机的单位体
m,比重量（Gρ）达0.6kg/kW。

积功率（Pν）达1200kW/3
（2）良好的扭矩特性和高的扭矩储备系统
由于坦克燃气轮机是由其动力涡轮输出功率，而动力涡轮与燃气发生器为气动连系，所以当发动机在低转速或部分负荷工况下，仍可从燃气发生器获取充分能量来提高其扭矩。

坦克燃气轮机的扭矩特性与柴油机相比，目前坦克柴油机的扭矩储备系数T达1.10～1.32而燃气轮机的ET达1.6～2.2（全负荷转速以800r/min计）。

优异的起动性能研制样机对比试验的结果表明，在常温和低温状态下，坦克燃气轮机同柴油机相较有着良好的起动性能。

（3）运转平稳
旋转-往复运动的质量引起活塞往复式发动机出现不平衡力和力矩，并引起扭转振动的产生；而燃气轮机所有的运动件都是旋转件，且都经
过预先平衡的高速旋转件。

因此，运转的高平稳性和良好的平衡性，提高了发动机的工作可靠性。

（4）相对小的动力装置尺寸
没有滑动摩擦，而仅为滚动摩擦，且燃烧产物不与润滑油接触；因此，燃气轮机的机油消耗量低，机油箱的容积小，为柴油机油箱的1/3。

同时，燃气轮机没有柴油机所必需的冷却系统；从而缩小了动力装置的尺寸，简化了使用和减少了保养时间和工作量。

（5）低的热特征
柴油机为间歇燃烧，燃气轮机为连续燃烧。

由于两种机型燃烧过程的差异，致使柴油机在燃烧的火焰中，含有燃烧产物的硬颗粒，它们具有高的温度且是强大的热辐射源；而燃气轮机在燃烧时，有着相当大的过余空气量，以保证燃料几乎完全燃烧，并且排出气体的温度较低而具有低的热特征。

（6）小的动力舱上装甲窗口面积
燃气轮机燃烧用空气流动约为柴油机的2倍，但若将用于发动机冷却的空气流量考虑在内，则采用柴油机时所用的空气量大于燃气轮机，空气耗量的差异，影响着车辆动力舱上甲板开窗口面积的大小，安装燃气轮机坦克上甲板窗口面积仅为柴油机的30%～40%。

（7）高的可靠性和耐久性
与柴油机相比，燃气轮机的零件少30%，易损件少60%，且无往复摩擦运动；因此故障率低，使用的可靠性和耐久性均优于柴油机。

5 燃气轮机的不足和问题
（1）燃油的耗量大
坦克燃气轮机的燃油消耗率高于柴油机的50%～70%；而至本世纪初LV100的燃油消耗率仅高21%。

根据苏军装备的不带回热器的GTD-1000的燃气轮机T-80和T-64A （装5TDF二冲程柴油机）和T-72（V-46坦克柴油机）三种车型试验结果表明：坦克每小时的燃油耗量燃气轮机高于柴油机65%～68%；行驶每千米的燃油耗量则高40%～45%。

这是由于坦克在使用过程中坦克经常处于停车或下坡行驶状况，而致使燃气轮机常常怠速或涡轮喷嘴反向转动实施发动机制动的结果。

（2）在高温，高海拔环境下功率损失大
据资料报导，坦克在环境温度为40℃～50℃下使用，GTD燃气轮机的功率损失是柴油机的1.6倍。

在3000m的高原使用，坦克柴油机的功率损失为9%～10%（二冲程机高于四冲程机）；GTD-1000坦克燃气轮机的功率损失为15%。

美国的AGT1500和LV100坦克燃气轮机的功率损失未见报导，但由于涡轮叶片可承受的高温高于GTD机型的涡轮叶片。

为此，从理论分析AGT1500和LV100的功率损失要小于GTD燃气轮机。

（3）容易被烧熔颗粒沉积物的影响
T-80坦克在沙漠使用中发现在燃气轮机后部的通道中有粘稠的颗粒熔化沉积物存在，从而导致发动机性能恶化或不可工作的情况。

经查系在土库曼沙漠中一种未被滤清的颗（925℃熔化）熔化后未能排出而沉积的结果。

专家张均享认为，问题的出现乃是T-80坦克燃气轮机采用了单级旋风筒空气滤清器，其效率为98%，而使直径2μ的颗粒进入发动机的结果。

6 燃气轮机的未来
笔者查阅文献认为坦克燃气轮机的未来取决于军事需求和科学技术的进步。

（1）军事需求
据资料报导，在对坦克的系统、部件通过改进、升级后，俄罗斯保有的T-80系列坦克仍采用GTD燃气轮机使用至2020年，美军保有的M1A1、M1A2坦克将更换LV100燃气轮机继续使用至2030年。

据专家推测，此间电热化学炮有望用于主战坦克，则需求发动机的功率1470kW，这将给燃气轮机带来扩大使用的空间。

如果电磁炮、电装甲和主动悬挂等新的系统和设备应用于主战坦克,则坦克发动机的功率将超过2000kW，与柴油机相比，燃气轮机仍具有优势。

智能坦克有望用于实战，但是否能全部替代主战坦克仍是探讨之题。

（2）技术进步
石油资源的日趋减少和作战后勤供应，坦克燃气轮机燃油耗量大已成为争论的焦点。

但是，美军却强调继续采用燃气轮机为主战坦克的动力；俄、美均使用燃气轮机与电传动进行试验研究；加之装用燃气轮机的坦克所获得高的平均速度、集群大纵深行动的战术、技术速度，短的冲击时间和高的战场生存能力，这些或许是坦克燃气轮机继续使用的原因。

进一步降低坦克燃气轮机的燃油消耗量，可通过下述的二个方面。

第一，从发动机本身：提高涡轮前燃气的温度；提高燃气轮机的压比，同时并解决与回热器回热度的匹配问题；采用中冷、补燃循环。

第二，采用混合动力系统由车辆发动机、传动装置和其辅助部件（进气、润滑、冷却及电子控制等）组成的将能量转换和传递（液体、机械和电）的动力系统，由于采用部件性能的差异，而存在着传递功率损失的不同。

混合动力系统是向坦克的各部件提供需求能量的动力源。

由发动机同带有自动解脱离合器的高效能发电机、起动电机集成为一体的混合动力装置、变流器、直流电源总线、驱动电机、紧凑型大容量脉冲电源，控制和热管理装置等组成。

所以未来坦克燃气轮机的研究还有很大的发展空间。

参考文献
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