燃汽轮机作为坦克动力的现状与分析

毕小平，路 锋

(装甲兵工程学院机械工程系，北京100072)

燃汽轮机是一种连续燃烧的高速旋转叶片式热力机械，分为单轴、双轴、三轴等结构形式。最简单的单轴燃汽轮机，主要由压气机、燃烧室、涡轮和减速器组成。车用燃汽轮机通常采用双轴或三轴结构，并通过中冷、回热和补燃等装置来提高发动机的性能。图1是一种三轴燃汽轮机结构方案。

20世纪40年代末，由于燃汽轮机在飞机上使用所显现的优异性能和取得的重大成就，促使军事发达国家开始了将燃汽轮机作为坦克动力的研究、设计、制造和试验工作，其中美国和俄罗斯对坦克燃汽轮机的研究处于世界领先水平。

1 燃汽轮机作为坦克动力的现状

1.1 燃汽轮机在美国坦克上的应用

图1 三轴燃汽轮机结构方案图

1976年12月，美国陆军确定将1 103 kW、输出转速3 000 r/min的燃汽轮机AGT-1500作为XM-1主战坦克的动力，1978年3月，以AGT-1500燃汽轮机作为动力的XM-1主战坦克开始进行可靠性、耐久性试验。1979年5月，经美国国防部批准，XM-1坦克投入试生产。AGT-1500燃汽轮机为三轴式结构、带固定式回热器，采用模块化设计，应用电子控制装置、燃油控制装置、压气机进口和动力涡轮进口可调导向叶片等实现对燃汽轮机的控制与调节，燃油消耗率为 280 g/(kW·h)。目前，M1、M1A1和M1A2坦克都以AGT-1500燃汽轮机或其改进型作为动力，总装备数量已达8 000台。第1次海湾战争美军使用M1A1主战坦克，经历了高温和沙漠气候的考验，第2次美伊战争使用了M1A2主战坦克。

1981年8月，美国陆军坦克自动车司令部(U.S.Army Tank Automotive Armament Command，TACOM)发表了“军用地面车辆推进系统技术”的研究报告，提出了第4代坦克先进集成推进系统(Advanced Integrated Propulsion Systems，AIPS)概念，选择 XAV28-1450增压中冷柴油机和LV-100燃汽轮机作为动力。

LV100燃汽轮机是由美国的通用航空发动机制造厂与莱康明公司共同研制，德国的发动机涡轮机联合公司(MTU公司)参与制造的新一代燃汽轮机，功率为1 119～1 920 kW，输出转速为3 000 r/min，采用双轴、环形燃烧室、带回热装置、全电子控制。LV100燃汽轮机在性能、可靠性、使用性等诸方面均优于AGT-1500燃汽轮机。与AGT-l500燃汽轮机相比，LV-100燃汽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燃汽轮机，现已安装在电传动的坦克试验车上。

2004年3月，美国霍尼韦尔公司又推出了LV-50燃汽轮机推进系统样机。与LV-100燃汽轮机相比，LV-50的单位质量功率提高了40%，单位体积功率提高了30%，具有废气能量回收装置，发动机维护也更加方便，可实现快速拆除和更换。

1.2 燃汽轮机在俄罗斯坦克上的应用

1960年，前苏联以直升飞机用燃汽轮机为基础，开始了军用履带车辆燃汽轮机的研制，先后研制了功率分别为515 kW、588 kW的坦克燃汽轮机。

1979年，完成功率为735 kW、输出转速为3 000 r/min的三轴、不带回热装置的燃汽轮机的研制，装备在T-80坦克上。1984年，功率为809 kW 的 ГТД-1100燃汽轮机装备在T-80Б坦克上。1990年，功率为919 kW的ГТД-1250燃汽轮机装备于T-80y坦克。装有燃汽轮机动力的T-80系列坦克已达1.5万辆。

20世纪90年代，俄罗斯完成新一代ГТД-1500燃汽轮机的研制，新燃汽轮机的功率为1 103 kW，带回热装置和具冷却措施的涡轮及高效率的轴流离心式压气机。与ГТД-1000T和ГТД-1250燃汽轮机相比，新燃汽轮机大大减少了比油耗，而且缩小了外形尺寸，降低了质量，油耗也有所下降。1994年，ГТД-1500燃汽轮机装于“黑鹰”主战坦克。

另据俄罗斯官方报道，其最新型的T-95主战坦克动力采用了更高功率的燃汽轮机。

2 燃汽轮机作为坦克动力的性能分析

2.1 牵引特性分析

以俄罗斯ГТД-1250燃汽轮机为研究对象，进行计算分析。将以柴油机为动力的某型国产坦克作为原型，称为坦克A。俄罗斯ГТД-1250燃汽轮机采用机械行星双侧传动装置，具有4个排挡。假设将ГТД-1250燃汽轮机及其传动装置装入坦克A的动力舱中，称为坦克B，图2是应用CAD软件做出的动力舱三维实体模型。

图2 燃汽轮机三维实体模型图

图3、图4显示了ГТД-1250燃汽轮机的外特性曲线。燃汽轮机传动装置的前传动比为1.0，后传动比为5.45，传动效率为0.88。1－4挡、倒挡的传动比分别为:4.37、2.16、1.46、1.0 和 6.35。

图3 燃汽轮机外特性输出轴转速－功率曲线

图4 燃汽轮机外特性输出轴转速－比油耗曲线

当发动机油门全开时，不同排挡下坦克牵引力与行驶速度的关系称为坦克的牵引特性。坦克牵引特性表明了其在各种行驶速度下所具有的牵引能力即克服地面阻力的能力。坦克牵引特性是通过车辆变速装置的各个排挡与发动机外特性相对应的［1］。

坦克的总传动比为

式中:iq为前传动器的传动比;ibi为变速器某一排挡传动比;ih为后传动器的传动比。

坦克的总传动效率为

式中:ηd为动力装置效率;ηc为传动装置效率;ηx为履带行驶装置效率。

坦克速度为

式中:rv为坦克主动轮半径;ne为发动机转速;ic为传动装置的传动比。

发动机牵引力和单位发动机牵引力分别为

式中:Te为发动机输出的有效扭矩;η为坦克总效率。Gv为坦克战斗全重。

应用式(4)、(5)计算坦克B的发动机牵引力和单位发动机牵引力，结果见图5、图6。

图5 燃汽轮机牵引力计算结果(坦克B)

图6 燃汽轮机单位牵引力计算结果(坦克B)

坦克A以柴油机为动力，采用液力机械传动装置，7个排挡。图7为坦克A的柴油机牵引力计算结果，图8为柴油机单位牵引力计算结果。

图7 某柴油机牵引力计算结果(坦克A)

图8 柴油机单位牵引力计算结果(坦克A)

将坦克A与坦克B的牵引特性进行对比分析。坦克A的柴油机扭矩储备系数为1.15，从图7、图8可以看出:其7挡曲线有失速现象，丢失功率较严重。ГТД-1250燃汽轮机的扭矩储备系数为2.16，从图5、图6可以看出:其4档曲线是较为理想的牵引特性曲线，与直流电机的特性曲线极为相似。

未来的主战坦克要求具有更高的机动性和生存能力，提高单位功率密度、进一步缩小坦克的外廓尺寸、采用先进的火炮和火控系统等是发展的必然趋势;为此，坦克将需要功率更大的发动机。柴油机功率的进一步提高比较困难，而燃汽轮机可以轻松地达到很高的功率，这也是美、德、俄、日等国致力于发展坦克燃汽轮机的缘由。

2.2 燃油消耗量分析

燃油消耗量是直接影响坦克经济性和行动半径的参数，坦克燃油消耗量可以用以下公式计算:

式中:GT为发动机小时燃油消耗量;vv为坦克匀速直线行驶速度;ρf为燃油密度。

图9、图10分别显示了坦克B和坦克A的燃油消耗量计算结果。由于ГТД-1250燃汽轮机没有采用回热装置，比油耗高于同样功率的柴油机，其中坦克A的柴油机燃油消耗率为238 g/kW·h，坦克B的燃汽轮机燃油消耗率为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。但是随着回热器的采用和可调导叶等技术的进一步发展，坦克B油耗偏大的问题会得到彻底解决。采用回热器是提高燃汽轮机经济性的基本途径之一，利用从涡轮排出的燃气，预热由压气机出来，进入燃烧室前的空气。由于空气已在回热器中被加温，则在相对减少燃烧室中燃料数量的条件下，仍能达到规定的燃气最高温度值。在低压压气机和动力涡轮等进口均有可调导叶机构，通过对导叶的控制与调节，可改善燃汽轮机的经济性能。

图9 燃汽轮机燃油消耗量计算结果(坦克B)

图10 柴油机燃油消耗量计算结果(坦克A)

为了比较不同行驶工况下的坦克燃油消耗量，现以美国的AGT-1500燃汽轮机(有回热装置)为例进行说明。将AGT-1500燃汽轮机与其功率相当的柴油机作为坦克动力时的燃油消耗量进行对比［1］，按照坦克作战使用的总任务取中级公路、越野、怠速3种工况，发动机燃油消耗量见表1［3－7］。表1数据为美国陆军当时按照坦克作战任务剖面进行车辆行驶试验所获得数据。可见，燃汽轮机在怠速工况的燃油消耗量比柴油机要高1倍;在中级公路工况燃汽轮机与柴油机的燃油消耗量相差不大;在越野工况燃汽轮机的燃油消耗量低于柴油机，燃汽轮机与柴油机的作战使用的总任务燃油消耗量相近。燃汽轮机与柴油机相比，具有功率大、重量轻、体积小等优点，但是燃油消耗量较大。

对燃汽轮机在坦克怠速工况燃油消耗量高的问题，当前普遍采用辅助动力装置加以解决。

表1 任务燃油消耗量比较

［1］毕小平，王普凯.坦克动力－传动装置性能匹配与优化［M］.北京:国防工业出版社，2000:16－18.

［2］张均享.高机动性运载车辆动力系统［M］.北京:中国科学技术出版社，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.