|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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
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
В соответствии
с этими требованиями газотурбинный двигатель должен был развивать заданную
мощность при температуре наружного воздуха 38° С,
иметь вес не свыше
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
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
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
В октябре
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
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
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 (
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
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 –
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 πк = 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 (
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
авиационного
двигателя PLT-32
мощностью 800-
двигателя
мощностью
двигателя
мощностью
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
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.
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|