ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОВЫХ ТУРБИН

В МАШИНАХ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Е. П. Шкурко

Первый заместитель Министра оборонной промышленности СССР

Вестник бронетанковой техники. 1972. № 3.

В последние годы в нашей стране и за рубежом много внимания уделяется работам по созданию газотурбинных двигателей для наземных военных и транспортных машин.

Газотурбинные двигатели в наземных машинах военного назначения обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с поршневыми дизель­ными двигателями вследствие особенностей, присущих газовой турбине. Так, в одинаковых объемах, отведенных в колесной или гусеничной машине для силовой установки, может быть размещен более мощный газотурбинный двигатель, чем такой же по габариту дизель.

Применение ГТД позволяет значительно повысить динамические и ходовые характеристики танков и БМП, так как благодаря высокой мощности и лучшему коэффициенту приспособляемости газотур­бинного двигателя уменьшается время разгона ма­шины, возрастает средняя скорость движения, в особенности по пересеченной местности, быстрее и легче преодолеваются подъемы и трудные участки пути.

Вес газотурбинного двигателя почти вдвое меньше, чем дизеля такой же мощности, что имеет очень большое значение при конструировании воен­ной машины.

Использование газотурбинных двигателей в ма­шинах военного назначения позволяет получить весьма важные тактические преимущества, кото­рыми не обладают машины с поршневыми двигате­лями, в том числе: легкость запуска двигателя; не­медленная готовность машины к движению даже при низких температурах окружающего воздуха; пониженная шумность при работе двигателя и мень­шая дымность, благодаря чему танки и БМП зна­чительно меньше себя демаскируют на поле боя и на марше.

В машинах с газотурбинными силовыми уста­новками требуются значительно меньшие затраты мощности на охлаждение, так как для нормальной работы системы смазки ГТД достаточно неболь­шого масляного радиатора.

Обслуживание ГТД в эксплуатации проще, чем дизеля, и отнимает меньше времени у экипажа ма­шины вследствие более удобной компоновки двига­теля в комплексе с элементами трансмиссии и си­стемами силовой установки, а также лучшей доступ­ности к агрегатам, требующим обслуживания.

Огромное значение в условиях эксплуатации военных машин имеют надежность и повышенный ресурс работы силовой установки до капитального ремонта. Над этими проблемами уже длительное время усиленно работают дизелисты, однако пол­ностью данный вопрос не решен до сих пор.

Как показывает имеющийся в различных стра­нах, пока еще небольшой опыт эксплуатации транс­портных газотурбинных двигателей проблема повы­шения надежности и ресурса ГТД решается значи­тельно проще и эффективнее.

И все же, несмотря на перечисленные выше до­стоинства газотурбинных двигателей, они еще не на­шли широкого применения в военных колесных и гусеничных машинах.

Это объясняется в первую очередь тем, что, несмотря на длительность и большой объем научно-исследовательских работ, направленных на повыше­ние экономичности ГТД, пока не удалось создать компактный газотурбинный двигатель, удельный расход топлива которого (на 1 л . с.-час) был хотя бы равен удельному расходу поршневого дизельного двигателя. Этот важнейший параметр, характери­зующий экономичность двигателя, сейчас у ГТД в 1,5 раза выше, чем у дизеля.

Появление в последние годы стойких жаро­прочных сплавов, и охлаждение турбинных ло­паток, позволило повысить температуру газов перед турбиной почти до 1190° С, что в сочетании с удачными конструктивными разработками как стационарных, так и вращающихся теплообменни­ков обусловливает возможность доведения удель­ного расхода топлива газотурбинного двигателя примерно до 190 Г/л. с.-ч., что уже позволяет ГТД конкурировать с транспортными дизелями.

Проанализируем зарубежный опыт по созданию ГТД. В США в начале 1960 г . Научно-исследова­тельским центром Командования автобронетанковых войск совместно с Бюро кораблестроения Военно-морского флота были разработаны тактико­-технические требования и программа работ по со­зданию ГТД (с теплообменником) мощностью 600 л . с. для танков, транспортных машин, кораблей и других военных объектов.

В соответствии с этими требованиями газотур­бинный двигатель должен был развивать заданную мощность при температуре наружного воздуха 38° С, иметь вес не свыше 550 кГ , а габаритный объем – 1,41 м³ . Удельный расход топлива не должен превышать 182 Г/л. с.-ч.

На протяжении 1960-1967 гг. был выполнен значительный объем работ по проектированию и доводке конструкций отдельных узлов и ГТД в це­лом. Шесть экспериментальных двигателей прошли стендовые и ходовые испытания, в процессе которых было наработано более 5500 час. Наибольшие труд­ности при отработке конструкции этих двигателей представляли узлы теплообменника и элементы го­рячей части ГТД. Большую работу потребовалось осуществить по созданию воздухоочистителя, спо­собного обеспечить высокую степень очистки воз­духа от пыли.

Однако в 1967 г . работы по дальнейшему совер­шенствованию указанных ГТД были прекращены, главным образом, вследствие того, что параметры, определенные тактико-техническим заданием (в частности мощность двигателя), уже не удовлетво­ряли требованиям, предъявляемым к силовой уста­новке перспективного танка 1970 г .

Командованием автобронетанковых войск ар­мии США были утверждены новые технические требования к газотурбинному двигателю, предна­значенному для установки на перспективном основ­ном танке 70-х годов и других тяжелых военных гусеничных машинах, и объявлен конкурс фирм на разработку конструкции, изготовление и доводку ГТД мощностью 1500 л . с. В условиях конкурса предусматривалось создание газотурбинного дви­гателя для указанных целей, превосходящего по своей технической характеристике лучшие дизель­ные силовые установки.

Техническими требованиями были заданы сле­дующие основные параметры этого ГТД.

Программа создания такого двигателя, получив­шего индекс АGТ-1500, была рассчитана на не­сколько лет и предусматривала проведение проект­ных и экспериментальных работ, а также изготовле­ние и испытание опытных образцов ГТД.

По результатам конкурса головным разработчи­ком была утверждена американская фирма «Авко-Лайкоминг», и в середине 1971 г . этой фирмой и Научно-исследовательским центром Командова­ния автобронетанковых войск были опублико­ваны данные о ходе работ, достигнутых технических параметрах и некоторых особенностях конструкции газотурбинного двигателя АGТ-1500. Одновременно в периодической печати США появились фирменные рекламные сведения по этому двигателю.

В октябре 1971 г . танковый двигатель АGТ-1500 (рис. 1) демонстрировался фирмой «Лайкоминг» на выставке газовых турбин в г. Токио.

Рис. 1. Танковый двигатель AGT-1500

Двигатель АGТ-1500 трехвальный, с двухкаскадным осецентробежным компрессором и кольцевым пластинчатым теплообменником. Воздух в двига­тель поступает через прямоугольный патрубок с разделительной перегородкой в передней части дви­гателя; выхлоп производится через прямоугольное окно большого размера в верхней части выхлопного газосборника, охватывающего снаружи кольцевой барабан теплообменника. Планетарный редуктор с валом отбора мощности расположен внутри бара­бана теплообменника по оси двигателя.

Коробка приводов находится внизу под осевой частью компрессора. Оси валов вспомогательных агрегатов, смонтированных на коробке, распола­гаются вертикально. При этом обеспечивается сво­бодный доступ сверху к агрегатам масляной, топ­ливной и других систем, требующих периодического осмотра и обслуживания в эксплуатации.

В центральной части, с правой стороны двига­теля, установлен масляный фильтр и расширитель­ный масляный бак, соединенный суфлирующим патрубком с выхлопным коллектором, с левой сто­роны – камера сгорания с форсункой и свечой за­жигания. Индивидуальная одинарная камера сго­рания может быть легко демонтирована для осмотра и замены.

В целях проведения экспериментальных дово­дочных работ фирмой к середине 1971 г . было изго­товлено 19 двигателей этого типа.

В процессе стендовых испытаний, общая про­должительность которых превысила 4500 час, ве­лась доводка отдельных узлов и элементов конст­рукции. Ходовые испытания двигателя проводились совместно с новой трансмиссией Алиссон ХНМ-1500, воздухоочистителем и другими системами силовой установки на двух экспериментальных танках М-48 со снятым вооружением (рис. 2). Вместо башни на танке была установлена кабина наблюдения с до­полнительными приборами контроля работы дви­гателя.

Рис. 2. Экспериментальный танк М-48

Пробег двух экспериментальных танков превы­сил 5500 км . Работы по повышению надежности двигателя проводились с учетом необходимости до­ведения ресурса до 1000 час до переборки.

По имеющимся сведениям к настоящему вре­мени получены следующие параметры двигателя.

Приведенные данные свидетельствуют о прибли­жении опытных работ по созданию двигателя АGТ-1500 к завершающему этапу.

Удельный расход топлива по данным испытаний получен на 15-20% выше проектного задания. Вместе с тем фирма указывает, что в связи с мень­шими, во много раз, чем у дизеля, затратами мощ­ности на охлаждение ( 15 л .с. вместо 120 л . с.) удельный расход топлива двигателя АGТ-1500, от­несенный к свободной мощности на ведущих коле­сах танка ниже, чем у танкового дизеля.

Хотя параметры двигателя АGТ-1500 при нор­мальной температуре охлаждающего воздуха (15° С) не публикуются, проверочные расчеты по­казывают, что при такой температуре двигатель может развивать мощность около 1900 л . с. с удель­ным расходом топлива 190 Г/л. с.-ч.

Пологая кривая изменения удельного расхода топлива по нагрузочной характеристике при 60-70% мощности позволяет иметь большой запас мощности силовой установки танка без уменьше­ния запаса хода при движении на средних экс­плуатационных режимах.

Использование полной мощности двигателя в необходимых случаях (при разгоне, при движении танка в тяжелых дорожных условиях и на подъе­мах) позволяет резко увеличить подвижность и маневренность танка.

Например, благодаря высокой мощности двига­теля время разгона танка с места до скорости 48 км/час при испытаниях составляло 10 сек, тогда как танку с дизельной силовой установкой для раз­гона до такой же скорости требуется не менее 30—32 сек, т. е. в 3 раза больше.

В целях обеспечения высокой экономичности и хороших весовых и габаритных показателей (удель­ный вес – 0,67 кГ/л. с., габаритная мощность – 1290 л . с./м³) в конструкции двигателя АСТ-1500 применены:

охлаждаемые воздухом рабочие лопатки первой ступени турбины компрессора, работающие при температуре газа на входе 1193° С;

компактный барабанно-цилиндрический плас­тинчатый теплообменник оригинальной конструкции со степенью регенерации ≈0,72%;

двухкаскадный высоконапорный компрессор, в конструкцию которого входят девять осевых и одна центробежная ступени, с очень высокой для двига­теля с теплообменником степенью повышения давления (при 38° С π_к = 14,5; при ≌15° С 16,6);

двухступенчатая силовая турбина с поворотными лопатками соплового аппарата первой ступени.

Особый интерес представляет оригинальная конструкция кольцевого пластинчатого теплообмен­ника двигателя АGТ-1500.

Известно, что в начальный период создания транспортных ГТД применялись в основном плас­тинчато-ребристые теплообменники, матрица кото­рых состояла из чередующихся плоских и гофри­рованных пластин, спаяных методом спекания в единые жесткие элементы (теплообменники такой конструкции испытывались, например, в процессе отработки танкового газотурбинного двигателя «Оренда» AGT-600). Однако в процессе испытания таких теплообменников и проверки их надежности при длительной работе выявился серьезный кон­структивный недостаток — паяные жесткие матрицы растрескивались от усталостных термических на­пряжений, возникавших вследствие резких тепло­вых колебаний, имевших место при эксплуатации транспортных ГТД этого типа.

На двигателе AGT-1500 применен теплообмен­ник новой конструкции, состоящий, как сказано выше, из кольцевых пластин, которым методом гидроштамповки были приданы необходимые фор­мы (в частности образованы отверстия, отбортовки, сделано фигурное гофрирование теплопередающих поверхностей). Кольцевые пластины путем сварки или спекания соединяли друг с другом, образуя достаточно прочный цилиндрический барабан (мат­рицу), но с резко уменьшенным количеством пая­ных швов по сравнению с пластинчато-ребристой матрицей теплообменника обычного типа.

Оребрение поверхностей пластин в теплообмен­никах нового типа не делается. Гофрированные по­верхности пластин между паяными швами обеспе­чивают возможность компенсации температурных расширений в процессе эксплуатации, в связи с чем такая конструкция теплообменника должна обла­дать повышенной стойкостью при резких тепловых ударах.

Цилиндрическая форма теплообменника обусло­вливает удобство компоновки его с остальными элементами турбокомпрессорной части ГТД без специальных соединительных патрубков при сохра­нении осевой симметрии в конструкции двигателя.

Общая конструктивная схема кольцевого плас­тинчатого теплообменника двигателя АGТ-1500 представлена на рис. 3.

Рис. 3. Конструктивная схема кольцевого пластинчатого теплообменника двигателя АОТ-1500: 7 – кольцевые пластины с воздушными каналами; 2 –  тоже с газовыми каналами

Анализ особенностей конструкции двигателя АGТ-1500 и его систем показывает, что при его от­работке учтен предшествующий опыт создания транспортных ГТД с теплообменником.

Осесимметричная схема этого газотурбинного двигателя оптимальна с точки зрения обеспечения повышенной эффективности турбин, надежности и высокой объемной компактности. Вместе с тем та­кая схема требует последовательного линейного размещения основных элементов силовой уста­новки: турбомашин, теплообменника и редуктора двигателя. Это обусловливает относительно боль­шую длину ГТД ( 1600 мм ), однако размеры и объем МТО американского опытного танка ХМ-803, для которого разрабатывался двигатель АGТ-1500, допускают размещение этого двигателя в сборе с центральной автоматической гидрообъемно-механической трансмиссией Алиссон ХНМ-1500. Эта трансмиссия обеспечивает бесступенчатое автоматическое изменение передаточного отношения и плавный поворот танка (бесступенчатое изменение радиуса поворота).

Интересно отметить, что фирма «Лайкоминг» предусматривает создание на базе двигателя АЦТ-1500 целого семейства двигателей различной мощности. Согласно рекламному проспекту на базе основных элементов двигателя АGТ-1500 предпола­гается разработка:

авиационного двигателя PLT-27 мощностью 1950 л . с. без теплообменника (конструкция его уже существует);

авиационного двигателя PLT-32 мощностью 800- 1000 л . с.;

двигателя мощностью 750 л . с., предназначен­ного для тяжелых транспортеров, боевых машин пехоты, средних самоходных военных машин и тя­желых грузовых автомобилей;

двигателя мощностью 450 л . с. – для боевых разведывательных (дозорных) машин, средних гру­зовых автомобилей и легких самоходных военных машин.

Таким образом, предусматривается, что двига­тель АGТ-1500 будет базовым при решении задачи создания унифицированного семейства газотурбин­ных двигателей для авиации и наземных военных и транспортных машин в широком диапазоне мощ­ностей от 450 до 2000 л . с. Как показала последняя выставка газотурбинных двигателей в Японии (ок­тябрь 1971 г .), разработкой ГТД различной мощ­ности и различного назначения в настоящее время занимается большое число фирм как американских и японских, так и западноевропейских.

Например, американские фирмы «Вильямс Рисерч», «Лайкоминг», японские – «Тойота», «Нис­сан», «Комацу», ряд западноевропейских фирм («Лейланд» в Англии, «МТИ» в ФРГ) в последние годы усиленно работают над созданием газотур­бинных двигателей для стационарных силовых ус­тановок на электростанциях, судовых и авиацион­ных газотурбинных установок, а также ГТД для военных и гражданских наземных транспортных гусеничных и колесных машин. На целом ряде газо­турбинных двигателей уже сейчас широко исполь­зуется электронная система регулирования подачи топлива, обеспечивающая работу ГТД на оптималь­ных режимах за счет дозирования подачи топлива, что обусловливает возможность значительно более экономичного расхода топлива. Такие схемы уже применяют фирмы «Ниссан», «Форд» и др.

Несмотря на высокую по сравнению с дизелем стоимость изготовления газотурбинных двигателей (после тщательной отработки технологии изготов­ления и перестройки заводов на серийное производство стоимость ГТД будет, естественно, снижена), они имеют безусловно большое будущее и на­шим специалистам следует значительно активизировать работу по созданию экономичных газотур­бинных двигателей различного назначения, полно­стью удовлетворяющих современным требованиям.