ОАО «Спецмаш»

Сравнительный  анализ  и перспективы развития

силовых установок военных гусеничных машин

с газотурбинным и дизельным двигателями.

Введение

В течении последних десятилетий отдельные специалисты и  военные обозреватели не раз высказывали предположения о том, что развитие противотанкового оружия должно положить конец господству танков на поле боя.

          И тем не менее, локальные войны последних лет, всевозможные военные конфликты свидетельствуют о повсеместном применении танков как мощной системы вооружения. В  этой связи говорить об упадке  или закате этого вида вооружения, по меньшей мере, преждевременно.

          Опыт показывает, что от зарождения идеи разработки танка до начала его серийного производства требуется всё больше и больше времени. Так, если работа над машинами третьего поколения длилось 5-7 лет, то разработка танков четвёртого поколения («Абрамс»-США, «Леопард»-ФРГ, Т-72, Т-64, Т-80 - СССР) заняла 8-10 лет. Таким образом, танк как система вооружения непрерывно развивается, приобретая новые качества и свойства, его боевые возможности неуклонно повышаются.

          За все годы развития отечественного танкостроения калибр пушки возрос почти в 3,5 раза, масса танка  в 6,5 раз, а мощность двигателя в 37 раз (в том числе удельная мощность в 6 раз). Об этом убедительно свидетельствуют и показатели роста мощности двигателей танков других стран (Рис.1)

Рис.1  Изменение показателей максимальной мощности двигателей

основных боевых танков.

          В большинстве армий танк рассматривается, прежде всего, как наступательное средство, поэтому принципы его применения  жестко связаны  с проблемами обеспечения движения  и увеличения подвижности. При этом подвижность  связывают с возможностью уклониться от поражения за счёт улучшения разгонных и тормозных характеристик.

          В этой связи приведем данные изменения показателей максимальной скорости основных боевых танков ведущих танкостроительных держав (Рис.2).

Рис.2  Изменение показателей максимальной скорости

основных боевых танков.

          Газотурбинная силовая установка (ГТСУ) стала одним из основных факторов, обеспечивающих  боевое и эксплуатационно-техническое превосходство танков      (Т-80, Т-80У) над лучшими отечественными и зарубежными танками. Помимо многолетней войсковой эксплуатации в России, ГДР, Польше это подтверждено сравнительными испытаниями в Швеции и Индии (1993-1994г.г), выставках вооружения  и военной техники в ОАЭ (1993-1995г.г), и в Греции (1998г.)

1.    Концепция

1.1. Как известно, эффективность ВГМ, в том числе танков зависит от их основных свойств: огневой мощи, живучести и подвижности, взаимосвязь которых формируется компоновкой машины и ТТХ моторно-силовой установки.

Подвижность определяется комплексом технических параметров шасси:

-        мощностью двигателя, его КПД и тяговыми характеристиками;

-        КПД систем и агрегатов СУ, трансмиссии, ходовой части;

-        эргономическими факторами.

Эти технические параметры оказывают существенное влияние на подвижность, в частности, на скорость и запас хода. Установлено, что средняя скорость определяется удельной мощностью двигателя и эффективностью тормозных устройств, а запас хода зависит от топливной экономичности, количества возимого топлива и масла, КПД составных частей шасси и т.д.

В танкостроении общепринята концепция малогабаритности боевой машины в целом, в том числе моторно-трансмиссионного отделения (МТО). Это достигается высокой удельной мощностью на вновь создаваемых (и модернизированных) машинах, требует поиска новых конструкторских решений и совершенствования характеристик двигателя и систем.

В отрасли накоплен большой опыт по теории расчета и проектирования, как систем двигателя, так и силовых установок. Однако до настоящего времени мало обобщающих материалов, особенно носящих сравнительный характер, оценивающих опыт обширных испытаний, многолетней эксплуатации моторно-силовой установки (МСУ) с газотурбинными и дизельными установками, что затрудняет совершенствование силовой установки (СУ) танков. 

1.2. Россия – как и США, единственные страны, обладающие уникальной технологией создания и серийного производства газотурбинных двигателей (ГТД) для танков, а главное опытом их многолетней эксплуатации. Впервые в танкостроении в Ленинграде-Петербурге создан и в 1976г. принят на вооружение армии танк Т-80 с газотурбинной силовой установкой.

 В ГТД,  благодаря его конструктивным особенностям, обеспечивается ряд важных для транспортного машиностроения эксплуатационно-технических преимуществ  над широко распространенными в настоящее время в наземном транспорте дизельными (ДД) и карбюраторными (КД) двигателями.

В то же время неадекватная оценка опыта эксплуатации и особенностей конструкции танка Т-80  становится  характерной чертой, прежде всего, акцентируется одна из его характеристик – расход топлива. Возможно, не всем известно, что в последних модификациях этой машины, осуществлен целый комплекс научно-технических решений, снизивших эксплуатационный расход топлива более чем в 1,3 раза. Например, результаты испытаний танков различных стран в Греции (1998г.) показали, что путевой расход топлива вплотную приблизился  к показателям американского танка и составил для Т-80У 4л/км (а танка М1А1 Abrams (США)- 4,1 л/км).

Достигнутые показатели являются далеко не пределом для ГТД. Имеются наработки решений (и теоретических, и практических), которые позволяют достичь значений эксплуатационных расходов топлива на уровне танков с дизельными двигателями равной мощности. Для этого необходимо лишь финансирование для завершения ОКР.

Примеров тому достаточно. Такие проблемы как экономия топлива, воздухоочистка и стоимость изготовления могут быть успешно решены.

Газовая турбина обладает большими потенциальными возможностями в силу основного, определяющего свойства – это «двигатель непрерывного горения». Расчёты показывают, что при доведении температуры газов на входе в турбину до 1316-1370^оС (что возможно при применении керамических материалов) реально получить расход топлива до 86 г/квт.ч (117г/л.с.ч.), а тепловой КПД 53%. Такой керамический материал, как Si₃N₄ (нитрид кремния) неисчерпаем.

Исследования, проведенные POE/NASA  «Гаррет» и «Форд» (США) показали, что автомобиль массой 1360 кг затрачивает 5,5 литра топлива на 100 км при использовании ГТД с керамическими лопатками (AGT-101), причем эта цифра, при улучшенной трансмиссии, может быть доведена до 4,3-4,7л на 100 км , что меняет представление об экономичности газовой турбины.

Анализ показывает, что топливная экономичность не достаточно корректный показатель, и не может быть единственным критерием,  по которому следует сравнивать танки с дизельным и газотурбинным двигателем. Правильнее оценивать моторно-силовые установки танков по совокупному показателю. С точки зрения важнейших показателей топливной экономичности, путевого расхода, запаса       хода- это уже параметры не только двигателя и не столько двигателя, а машины в целом: затраты мощности на вспомогательные агрегаты и системы «жизнеобеспечения» двигателя, совершенство систем агрегатов трансмиссии и ходовой части.

Оценка экономической составляющей эксплуатации и ремонта, утилизации с учетом всех факторов жизненного цикла танка позволяет сделать вывод о превосходстве танков с ГТД по этому показателю. Разумеется, все выводы необходимо делать с учетом основного назначения танка, - его боевой эффективности.

К сожалению, такие исследования в рамках ГАБТУ МО РФ не проводились, хотя они «сняли» бы многие вопросы и недоразумения, копившиеся годами. Стали бы очевидны преимущества танка с ГТД, которые многократно перекрывают его недостатки.

2. Конструктивные преимущества.

2.1  Нет сомнения, что в настоящее время конкуренция между дизелем  и ГТД продолжится. Действительно, сегодня дизельные танки находятся в танковых парках 111 ведущих стран мира, а газотурбинные – в танковых армиях 9 стран. Несмотря на работы по дальнейшему совершенствованию дизеля, ему присущ ряд особенностей конструкции, которые изначально предопределяют невозможность существенно улучшить достигнутый уровень:

          - Это, прежде всего, необходимость преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Это, как следствие, большое трение скольжения на значительных поверхностях поршень-гильза. Это нестационарный процесс горения топлива в цилиндре во время рабочего хода. Заметим, при этом, что для 4-х тактного двигателя только один из 4-х тактов является по сути  «рабочим», а остальные  вспомогательными.

          При основном  своём положительном качестве (удельному расходу топлива) танковый дизель недолго останется в танкостроении бесконкурентным, что связано не только  с перечисленными недостатками. Дизели мощностью свыше 1000л.с.         в ограниченных объемах МТО вызывают массу проблем для обеспечения его работы без перегрева.

          - На систему жидкостного охлаждения четырехтактного дизеля расходуется от 15 до 20% его мощности. А форсаж двигателя газотурбонадувом дополнительно  повышает этот показатель (в сравнении с приводным нагнетателем) за счет повышенного противодавления в выпускном тракте и более высокой температуры отработавших газов. Кроме того, в дизеле необходимо 2-3% мощности затратить на охлаждение масла.

          Известно, что теплоотдача двухтактного двигателя (6 ТД2) мощностью 1200 л .с. составляет 420 тыс. ккал/час, а ГТД (изд. «29») мощностью 1250 л .с. – 48 тыс. ккал/час (почти в 9 раз меньше). Это ведет к увеличенным размерам системы охлаждения, к уменьшению КПД силовой установки в целом и к снижению фактической мощности, передаваемой двигателем трансмиссии танка. 

2.2. Для ГТД  характерен показатель, выгодно отличающий его от дизеля – мощность, «снимаемая» с единицы  объема двигателя: 520 л .с./м³ для ГТД (изд. «29») и 330 л .с./м³ дизель (6 ТД). Этот параметр у ГТД в 1,6 раза лучше. В этой связи объемы моторно-трансмиссионного отделения у танка с ГТД  меньше, а мощность, отнесенная к величине объема МТО больше (иногда ее называют габаритной мощностью).

          В таблице (2.1) систематизированы параметры некоторых танков, характеризующих эти показатели.

Табл. 2.1

          Показатель габаритной мощности свидетельствует не только об оптимальной компоновке МТО, но говорит о совершенстве систем и узлов силовой установки.

Габаритная мощность МТО танка Т-80У превосходит габаритную мощность танка Т-90 в 1,4 раза, а танка Леопард-2 в 2,2 раза.

Примечание: Значительное превосходство по этому показателю российского танка с ГТД над танком США объясняются увеличенными габаритами СУ танка М1А2 из-за объемного теплообменника и двухступенчатого  воздухоочистителя, объемом 1,7м³.

           Увеличенные объемы МТО зарубежных танков (соответственно в 2,4 раза у М1А2 «Абрамса» и в 2,6 раза у «Леопарда») вынуждают удлинять базу танка, увеличивать силуэт, добавляя несколько тонн совокупного «лишнего» веса, наращивать тем самым с одной стороны затраты мощности двигателя на добавленную массу машины, а с другой стороны ухудшая показатели подвижности. В этой связи сравним (Рис.3) основные габаритные показатели танков с ГТД России и США по площади лобовой (S_л) и боковой (S_б) проекции.

Рис 3. Основные габаритные показатели танков с ГТД России и США.

2.3. Одной из важных характеристик подвижности боевой машины является удельная мощность танка (отношение эффективной мощности двигателя к весу танка). Однако этот показатель не в полной мере отражает объективную оценку машины, так как не учитывает внутренние потери мощности в СУ. Они, как известно, связаны с потерями в системах силовой установки, трансмиссии и в движителе. В этой связи возникает необходимость оценивать совершенство (или показатели качества) СУ, элементов трансмиссии и движителя.

Несмотря на то, что показатели различных силовых установок определяются  эффективной мощностью двигателя (N_e), удельной мощностью двигателя (N_e/m_дв, где m_дв – масса двигателя), временем подготовки (Т_п) силовой установки к принятию нагрузки (при t_окр=-40°С) и удельным расходом топлива (g_е), для более глубокого анализа необходимо использовать более полный спектр мощностных и габаритно-массовых показателей силовых установок и моторно-трансмиссионных отделений танков, а также их составных частей. Эти оценочные показатели выражаются либо в процентах, либо в удельных показателях (табл. 2.2) например:

Табл. 2.2

2.3.2. Представляет особый интерес сравнение основных параметров газотурбинных и дизельных  СУ одинаковой мощности. Но прежде рассмотрим принцип работы ГТД и двухтактного ДД.

ГТД                                                                                 ДД

Рис. 4 Конструктивные схемы силовых установок ГТД и двухтактного ДД.

Принцип работы ГТД становится понятным из рис.4. Воздух из атмосферы засасывается компрессором, сжимается в нем и подается в камеру сгорания, куда форсунками подается топливо. В камере сгорания происходит процесс горения при постоянном давлении. Газообразные продукты сгорания поступают на турбину компрессора, где часть их энергии преобразуется в механическую работу, затрачиваемую на сжатие воздуха в компрессоре, а оставшаяся энергия преобразуется в механическую на силовой турбине, связанной с трансмиссией танка.

Допустимая по условиям прочности материалов температура газов перед турбиной компрессора значительно ниже, чем в цилиндре поршневого двигателя, так как рабочие части турбины (и, в частности, лопатки турбины) подвергаются воздействию температуры постоянно, а в поршневом двигателе – циклично. Для этого в камеру сгорания ГТД воздух подается в большем количестве, чем требуется для процесса горения. И тем не менее, благодаря непрерывному процессу преобразования энергии газов в механическую работу, удается получить лучшие габаритно-массовые показатели по сравнению с поршневыми двигателями, хотя и с некоторым ухудшением топливной экономичности.

Принцип работы двухтактного турбопоршневого дизеля, отличается тем, что в каждом цилиндре расположены два противоположно движущихся поршня.

Между поршнями, при их максимальном сближении образуется камера сгорания. В каждом цилиндре имеются: продувочные отверстия через которые производится наполнение цилиндра свежим зарядом воздуха, и – выпускные окна, через которые обеспечивается отвод отработавших газов. При этом поршни управляют рабочим процессом, т.е. открывают  и закрывают собой продувочные отверстия и выпускные окна. Возвратно-поступательное движение поршней, через шатуны передается двум коленчатым валам, которые связаны между собой главной (силовой) передачей. Отработавшие газы подводятся к турбине, которая вращает нагнетатель, увеличивая наполнение цилиндров воздухом, что повышает мощность и экономичность двигателя.

Для сравнения приведем основные  параметры ГТД (изд. «29») и двухтактного дизеля (изд.6ТД-2) табл.2.4.

Табл. 2.4

            Представленные в таб.2.4 параметры двигателей говорят о преимуществах ГТД перед ДД.

Сравним удельные показатели двух зарубежных танков одинаковой мощности (США и Германии), имеющих газотурбинные и дизельные двигатели:

-        объём ГТД AGТ-1500, установленного в танке «Абрамс» составляет 1,1м³, а его удельная мощность равна 1363 л .с/м³, объём дизеля МВ-873 (танк «Леопард-2») составляет 1,45 м³ , при удельной мощности 1020 л .с/м³, т.е. удельная мощность ГТД на 33,6% выше.

-        Удельная масса AGT-1500 составляет 0,47 кг/л.с., в то время как удельная масса двигателя  МВ-873 составляет 1,43 кг/л.с (т.е. в 3 раза выше)

Представленные материалы свидетельствуют, что с точки зрения конструктивных особенностей газотурбинный двигатель,   имеет  бесспорные преимущества по всем основным показателям силовых установок. Они оказывают значительное положительное влияние на другие системы и параметры машины.

2.4. Характеристики устойчивости работы двигателя при изменении внешней нагрузки оцениваются коэффициентом приспособляемости. У газотурбинного двигателя он равен 2-2,5, в то время как у дизеля 1,1-1,4. Это преимущество упрощает конструкцию бортовых коробок передач, уменьшает их вес, габариты (на танке Т-80 4 передачи вперёд  по сравнению 7 на Т-64Б, Т-72 и Т-90).

Эффективность трансмиссионной системы улучшается за счёт меньшего числа операций по управлению машиной, что вызывает меньшую усталость  водителя, появляется возможность стартовать с высшей передачи. При преодолении препятствий ГТД  не глохнет.

2.5. Для осуществления рабочего процесса необходимо определенное количество воздуха. Т.к. в газотурбинном двигателе часть воздуха  расходуется на охлаждение камеры сгорания, а коэффициент избытка воздуха в рабочем процессе также увеличен, то для «внутренней» потребности воздуха требуется больше, чем для дизеля. И, несмотря на то, что для горения  воздуха в дизеле потребляется меньше, его общее количество (с учётом охлаждения двигателя и трансмиссии) требуется больше. Сравним по этому параметру двигатели танков М1 «Абрамс» и «Леопард-2» (Табл. 2.5)

Табл. 2.5

          За увеличенной (практически вдвое) потребностью в воздухе ДД, а также увеличенной в несколько раз суммарной теплоотдачей следуют важные следствия : необходимость в увеличении (почти втрое) площадей радиаторов (теплообменников),  в увеличении площадей всасывающих жалюзи, (т.е. увеличении  ослабленных зон), а также существенный рост мощностей на привод вентиляторов (или работу  эжекторов).

3. Эксплуатационные преимущества.

По данным иностранных источников стоимость изготовления газотурбинного двигателя  (одинаковой мощности с дизелем) примерно в три раза больше. Несколько большей разницей оценивались эти показатели в отечественном двигателестроении, (однако сравнения были недостаточно корректны, так как танковых дизелей мощностью 1250 л .с. у нас не производилось). Не следует забывать, что стоимостные преимущества дизельных СУ следует рассматривать с учётом эксплуатационных затрат на техническое обслуживание, ремонт и срок службы сравниваемых двигателей и их систем.

3.1 В Табл. 3.1 представлены результаты стоимостного анализа учебной и  боевой эксплуатации, базирующегося на данных, соответствующих полному  сроку эксплуатации боевых машин с ГТД и дизельным двигателем (одинаковой мощности), проведенных MJCV (США). Преимущества ГТД очевидны.

Табл. 3.1

3.2 Трудоёмкость технического  обслуживания системы воздухоочистки и охлаждения в танке Т-80 (и его модификациях) практически отсутствует.

3.3 Существенно меньше вибрации, а следовательно, выше плавность хода танка, меньше утомляемость экипажа, благоприятней условия работы стабилизаторов вооружения и  выше точность стрельбы.

Результаты многолетней эксплуатации ГТД  танка Т-80 (и его модификаций) зафиксировали двигатели, имеющие жизненный цикл  2,5-3,2 тыс. часов. Эксплуатация в войсках показывает, что ресурс танкового ГТД почти в 2-3 раза выше, чем у дизельных двигателей, вследствие уравновешенности  и  меньшего количества деталей.

Аналогичны оценки ресурса ГТД по данным иностранных источников: по оценке MJCV(США) срок службы ГТД GT-601  в боевых условиях равен 3000 ч, в мирное время до 10000 ч.

         3.4 Время подготовки танка к работе, особенно пуск ГТД при низких температурах окружающего воздуха, в несколько раз меньше, чем дизельного двигателя из-за меньших моментов сопротивления прокручиванию , наличия подшипников качения и меньших маховых масс.

3.5 У танка с ГТД существенно ниже уровень шумов. Проведенные за рубежом исследования установили уровень  шумности: сравнение слышимости разговорной речи для трёх машин (оборудованных ГТД, бензиновыми и дизельными двигателями)  составили соответственно 21, 60, 128 футов .

          3.6 Уровень тепломаскировки,  вследствие более низкой температуры выхлопных газов присущей ГТД, а также использования патрубка выброса выхлопных газов двигателя, в котором одновременно смешиваясь удаляется воздух из системы охлаждения и пылеудаления,  выше, чем у танка с дизельным двигателем

          3.7 Многотопливность, т.е. работа на дизельном топливе, бензине и керосине обеспечивается в любой пропорции и, в отличие от дизеля, без каких-либо перерегулировок двигателя.

          3.8 Как показали контрольно-войсковые испытания (КВИ) в самых различных погодных и географических условиях удельная продолжительность технического обслуживания у танка Т-80 с ГТД в 1,7 раза меньше, чем у танков с ПД (Т-72,Т64Б); с ГТД=3,42ч; с ПД=6,0/1 000км.

4. Экологические преимущества

4.1 В табл. 4.1 приведены данные по уровню токсичности отработавших газов для транспортных ГТД и дизельных двигателей, полученные при эксплуатации в штате Калифорния (США)

Табл. 4.1

Примечание:        предельная норма штата Калифорния по HC+NO_X=6,8 г/кВт.ч. Из таблицы  очевидно превышение предельной нормы у дизеля в 1,5-3 раза по сравнению с ГТД.

Содержание вредных веществ в выхлопных газах ГТД по сравнению с дизелем  (в среднем) меньше:

-        в 50 раз по  окиси углерода (СО);

-        в 15 раз по углеводороду (СН).

-         

В табл. 4.2 и на Рис. 5 приведены сравнительные данные  при испытаниях двух других машин (с  ГТД и ДД) .

Табл. 4.2

Рис.5 Состав вредных веществ в выхлопных газах ГТД и ДД.

4.2 Газотурбинному двигателю танка Т-80 нет альтернативы при работе в зоне с радиоактивной зараженностью . Радиоактивные частицы, выбрасываемые вместе с выхлопными газами, не контактируют (как это происходит в дизеле), с маслом и, следовательно, не попадают в масляную систему, где может возникнуть радиационный источник.

Существенно и то, что одноступенчатый воздухоочиститель, являясь  инерционным  аппаратом, не задерживает в себе радиоактивные частицы, в отличие от двухступенчатых, барьерных (в большинстве дизелей и в двигателе AGT-1500) и выбрасывает их с отсепарированой пылью наружу.

Эти выводы полностью подтвердились при эксплуатации специальной машины с ГТД в районе аварии Чернобыльской АЭС в 1986г.

4.3. Опыт применения аэрозолей армией США во время вьетнамской войны показал, что аэрозоли  могут вывести из строя  целые танковые подразделения. Газотурбинный двигатель не чувствителен к аэрозолям, которые могут вывести из строя поршневой двигатель вследствие потерь маслом смазывающих свойств, т.к. масло в ГТД не контактирует с рабочим телом.

4.4 Вследствие отсутствия применения антифризов и токсичных синтетических масел  при эксплуатации налицо дополнительные экологические преимущества у ГТД.

5. Топливная  экономичность

Для улучшения топливной экономичности  в  танке  Т-80У осуществлен  комплекс  технических решений, снизивший  эксплуатационные расходы топлива в 1,33 раза (Рис.6).

Рис. 6  Мероприятия по снижению расходов топлива.

          5.1 Установка  энергоагрегата ГТА-18А позволила  обеспечить  энергетику  танка в режиме  ожидания, засады, обеспечить  зарядку  (подзарядку) аккумуляторных батарей  (АБ) и  снизить  расходы  топлива  на 8-10% в эксплуатации и, что очень важно, обеспечить  запуск ГТД при  разряженных  АБ. Энергоагрегат установлен  также на танке М1 «Абрамс» (США)

          В табл. 5.1 приведены технические характеристики  энергоагрегата  ГТА-18А (Рис.7)   (танк Т-80У) и  Джемини (танк  М1 «Абрамс»)

Табл. 5.1

Рис.7 Энергоагрегат ГТА-18А

5.2 Разработана и внедрена система автоматического включения  режима стояночного малого газа, позволившая на  8-9% уменьшить  расход топлива  в  условиях реальной эксплуатации. В  Табл. 5.2 и 5.3 приведена  оценка  внедренного мероприятия

Табл. 5.2

5.3 Разработана и внедрена система  автоматического  снижения режима работы  двигателя  при  торможении, позволяющая сократить  эксплуатационный расход топлива на марше на 5-8%.

5.4.Особо следует подчеркнуть, что на снижение путевых расходов оказывает влияние на только улучшение топливно-экономических характеристик газотурбинного двигателя, но и эксплуатационные особенности, методы вождения и обучения механиков-водителей.

Войсковые испытания танков Т-80 в Забайкальском военном округе показали, что при средней скорости около 50 км/час километровый расход не достигал 5 л/км. Анализ подтвердил первоначальное предположение, что следствием такого результата явилась максимальная загрузка двигателя вследствие возросших скоростей на слабопересеченной местности. Известно, что особенностью ГТД является смещение минимального расхода топлива в сторону возрастания нагрузки, что в данном случае является дополнительным фактором улучшения экономических показателей. С другой стороны это стимул и «рычаг» создание более совершенной ходовой части, которая позволила бы полностью реализовать существующий уровень максимальной мощности и добавится увеличение средних скоростей на пересеченной местности (в 55-60 км/час).

6. Воздухоочистка ГТД для танка Т-80

          Считается, что проблема воздухоочистки в ГТД является наиболее сложно решаемой, при чем степень очистки воздуха определяется  несколькими факторами, главные из которых - тип компрессора, наличие рекуператора и ряд др. Установлено, что наибольшей пылевой эррозии подвержены лопатки осевых компрессоров, в связи с чем степень очистки воздуха в таких ГТД должна быть повышенной.

Испытания на трассах полигонов показали наличие абразивных износов проточной части двигателя в районах с повышенным содержанием кремнезема. Были обнаружены отложения пылевых частиц и образование стеклокристаллической  «рубашки» в сопловом аппарате турбины высокого давления. Особенно, в Средне-Азиатском регионе, который, как известно, характеризуется повышенной запыленностью из-за лессового характера почвенных структур.

Пылевые отложения в газовом тракте ГТД  приводят к  изменению характеристик двигателя. Внешне это проявляется в так называемых «помпажных» явлениях, сопровождаемых характерными резкими хлопками из-за срывных процессов в компрессоре. Широкомасштабные исследования показали, что решение проблемы воздухоочистки должно происходить по трем направлениям:

Первое – максимальное снижение концентрации пыли перед воздухозаборными жалюзи танка, (т.е. уменьшение пылевой нагрузки на воздухоочиститель). Второе – разработка высокоэффективного воздухоочистителя с постоянным пылеудалением отсепарированной пыли. Третье – удаление спецустройствами пылевых отложений, влияющих на работоспособность, расположенными в проточной части ГТД.

6.1 Снижение концентрации пыли.

Основой стало изучение особенностей обтекания танка воздушным потоком, и особенно, его воздухозаборных устройств, которые традиционно располагаются в области, непосредственно прилегающей к тыльной стороне башни. Исследования показали, что в районе воздухозабора существует обширная зона обратных и нулевых скоростей воздуха, а также образование пары противоположно вращающихся вихрей, которые, и являлись одной из причин заброса пылевых частиц в воздухозаборные жалюзи танка. Дальнейшие исследования моделей танков в аэродинамической трубе показали, что характер распределения давлений на поверхности модели  близок к крыльевому профилю самолета. Следовательно, существуют общие закономерности возникновения «концевого» вихря, как на консоли крыла.

Были проведены исследования на натурных образцах танков в большой аэродинамической трубе ЦАГИ, которые подтвердили полученные на моделях результаты.

В качестве препятствия на пути концевого вихря вдоль бортов танка по всей длине установлены бортовые вертикальные экраны, препятствующие перетеканию воздушных потоков. Одновременно они играли роль дополнительной защиты бортов и ходовой части танка.

Была использована струя выхлопных газов в виде  экрана на пути пылевых потоков, движущихся с кормы. С этой целью в выхлопном патрубке танка устанавливались специальные профильные лопатки, которые формировали веерную плоскую завесу. Разработано новое устройство системы воздухоочистки  - воздухозаборное устройство (ВЗУ), которое стало дополнительной защитой воздухозаборных жалюзи и реализовало ещё одно  важное качество танка Т-80 – высокую бродопроходимость равную 1,8 м .

 6.2 Разработка высокоэффективного воздухоочистителя.

В технической литературе до сих пор бытует ошибочное мнение, что газотурбинному двигателю танка Т-80 нужна очистка воздуха даже выше, чем поршневому. В ГТД нет трущихся поверхностей, подверженных абразивному износу. Поршневому двигателю, например, для защиты от износов цилиндров, нужна очистка воздуха до коэффициента пропуска около 0,1-0,2%.

Базовым элементом воздухоочистителя стал прямоточный циклон с конусной инерционной решеткой. В конструкцию заложили следующие принципы: предельно низкое сопротивление, неограниченный срок работы без обслуживания, пропуск пыли около 2,0%. Это диктовало одноступенчатую схему инерционного типа с постоянным отсосом отсепарированной пыли.

 Был создан воздухоочиститель, способный при расходе воздуха более 4 кг/с  обеспечить  сопротивление менее 400 мм вод.столба, а пропуск пыли  1,8-2,0%.

6.3 Пылеочистка и пылесдув. Экспериментально было установлено, что при нагревании мелкодисперсных частиц пыли в проточной части двигателя отмечаются эндотермические реакции. Установлено также, что промежуточные продукты могут обладать повышенной адгезионной способностью к лопаткам соплового аппарата двигателя. Это вызывало рост рыхлых, а в дальнейшем и прочных отложений. Были установлены верхние границы температур плавления и повышенной адгезии пылевых конгломератов и пределы регулирования температур  газов в ГТД.

             Создана самостоятельная уникальная в своем роде  система пневмо-виброочистки двигателя, которая состоит из восьми микровибраторов, расположенных равномерно по окружности соплового аппарата. По мере накопления пылевых отложений в автоматическом или ручном режиме управления приводятся в действие пневмовибраторы, которые создают высокочастотные вибрации соплового аппарата, освобождая лопатки от отложений.

При срабатывании клапанов пневмоочистки воздух подводится к агрегатам  пневмоочистки -  воздушным форсункам: они выдвигаются в проточную часть, и струя воздуха из них направляется на рабочие колеса компрессоров, проворачивая их и одновременно, сдувая струей сжатого воздуха налет пыли.

7. Констатация

В итоге проведенного анализа можно констатировать, что танкам с силовой установкой, оснащенной, ГТД присущи:

-        повышенная  маневренность, оперативная и тактическая  подвижность, в том числе более высокие  средние и максимальные  скорости  движения, определяемые  более высокой  удельной мощностью и повышенной эффективностью торможения;

-        высокая боеготовность танка при  пониженных температурах окружающего воздуха, в том числе  за  счёт быстрого пуска  ГТД при пониженных отрицательных температурах

-        более высокая эффективность  стрельбы  с ходу за счет меньшего  уровня  вибрации, лучшей  плавности  как  при прямолинейном так и при криволинейном движении;

-        существенно меньшая теплоотдача в масло  и отсутствие  жидкостной системы охлаждения,  значительно сокращающие объёмы системы охлаждения, затраты  мощности на ее функционирование и, площадь ослабленных зон в крыше  МТО танка;

-        более чем в 2 раза  меньшая трудоемкость  технического обслуживания, в том числе   отсутствие  сезонного технического обслуживания;

-        сокращено  время  замены двигателя  (моноблока), возможность  агрегатного ремонта  двигателя в полевых условиях;

-        высокая проходимость  на обледенелых подъемах, грунтах с низкой несущей способностью благодаря  плавному приложению крутящего момента  вследствие отсутствия механической  связи  свободной турбины с турбокомпрессором

-        простота управления танком вследствие  особенностей  характеристик  ГТД, исключающих его остановку  (заглохание) при  резких  возрастаниях  нагрузок на движитель при преодолении препятствий;

-        меньшая  утомляемость экипажа  ввиду  сокращения виброшумонагрузок  и повышенной плавностью при  переключении передач;

-        упрощенное регулирование  температурного режима воздуха для членов экипажа , за счет  отбора  теплого воздуха  (зимой) от компрессора и  охлаждения  (летом) за счет  применения турбодетандера;

-        значительное снижение  демаскирующих признаков  за счет более низкого  теплоизлучения, дымообразования  на выхлопе и шума  от двигателя;

-        возможность  упрощения  конструкции  системы при дистационном управлении танком;

-        применение автономного  энергоагрегата (1мощностью 18 кВт)  обеспечивает  снижение расхода топлива  при эксплуатации, зарядку  аккумуляторных батарей  и энергетику танка  в режиме  ожидания (засады), облегчает запуск при низких температурах;

-         меньшие объемы  и массы ГТД позволяют  осуществить  более рациональные компоновочные  решения

-         важным преимуществом  ГТД – являются заложенные в нём  возможности дальнейшего  повышения мощности: изготовлены  и  испытаны  образцы мощностью  1500 л .с., разработаны технические предложения дальнейшего форсирования  мощности (в тех же габаритах) до уровня 1800 л .с.

-        преимущества ГТД позволяют сегодня использовать его во многих отраслях народного хозяйства – на железнодорожном транспорте, тяжелых автомобилях, малотоннажных судах и т.д.

8. Перспективы

8.1. В США концепция боевого использования сухопутных войск и их главной ударной силы - бронетанковых войск основана на широком применении основных боевых танков (ОБТ) как в ходе крупномасштабной войны, так и в локальных конфликтах для обеспечения интересов США в борьбе с терроризмом, наркобизнесом или в «миротворческих» операциях. По данным иностранной печати в ведущих танкостроительных странах продолжают разрабатываться перспективные ОБТ нового поколения: в США – перспективная боевая система FCS (Future Combat System), в Германии – новая бронетанковая платформа NGP (Neue Gepanzerte Platforme), в Великобритании – (MODIFLIER).

Рис.10

Сравнительные характеристики удельного расхода топлива

          Серийное производство ОБТ FCS (LV-100-5) предусматривается начать в 2015году. Одновременно ведется, и до 2020 года должна быть проведена модернизация серийных ОБТ «Абрамс» с целью доведения их до уровня М1А2SEP (System Enhancement Program). Предполагается, что стоимость ОБТ FCS составит 5-7 млн. долларов (М1А2 «Абрамс»  обходится в 4 млн.), а затраты на НИР и ОКР превысят 3,25 млрд. долларов. Среди задач, сформулированных в ТТХ по повышению огневой мощи, живучести, существенное внимание уделено подвижности  танка нового поколения. Так, он должен быть  способен вести бой на пересеченной местности при скоростях 65 км/час, обладать максимальной скоростью 100 км/час. Время ремонта и технического обслуживания за счет использования средств диагностики должно быть существенно сокращено. Танк должен быть массой 40 тонн, с уменьшенной на 40% лобовой проекцией. По боевой эффективности ОБТ FCS должен в 2 раза превосходить «Абрамс» последней модификации.

          Более десятка двигателестроительных фирм приняли участие в конкурсе на замену двигателя AGT-1500, проводимых в рамках программы TACOM. В их числе МТУ (ФРГ), «Перкинс» (Великобритания) и др.

          Победителем конкурса стал ГТД LV-100-5, разработанный фирмами «Дженерал Электрик» и «Хонивелл Энджинз» (США). Он представляет собой двухвальный ГТД мощностью 1500 л .с. Новая (пятая) модификация обладает степенью унификации по сравнению с прототипом AGT-1500 свыше 40%, имеет на 30% лучшую топливную экономичность (рис. 10) и почти в два раза меньший объем. Ресурс двигателя около 6000 часов.

8.2. В последнее время в России резко снижено финансирование НИР и ОКР по разработке новых и совершенствованию серийных газотурбинных двигателей. Не ведутся перспективные исследования в области материалов и покрытий, создания и развития научно-технического задела. Все еще сохраняя некоторые передовые позиции по массогабаритным показателям и плотности компоновки, отечественные танковые двигатели проигрывают по параметрам, характеризующим рабочий процесс. В тоже время не внедряются

Рис.10

апробированные способы модернизации, дающие возможность многократного снижения числа переключений передач, повышения на 10-12% средней скорости и снижение на 6-8% путевого расхода топлива. Несмотря на то, что предусматривался выпуск серийного ГТД-1250Г с применением механизма поворота с гидрообъемной передачей (ГОП) встроенного в редуктор двигателя, такой двигатель не производится.

          Особый интерес представляют проработки кратковременного форсажа (до 1400л.с.) серийного ГТД, уже проверенные при испытаниях танка Т-80 в Омске. Прошли испытания и зарекомендовали, как работоспособные и надежные двигатели форсированные до 1500л.с., однако работы по ним из-за отсутствия финансирования прекращены. 

В силу известных экономических трудностей основой для успешного продвижения работ может быть государственная техническая политика, предусматривающая применение ГТД в смежных областях военной и гражданской техники (вертолеты, суда, системы электроснабжения, железнодорожный транспорт, крупнотоннажные автосамосвалы). Примером может служить применение транспортных ГТД, созданных на базе двигателя AGT-1500 для вертолетов (PLT-27), для судов береговой охраны GT-601, в системах электроснабжения защитных комплексов «Пэтриот» и др.

          На рис.10 приведены сравнительные характеристики удельного расхода топлива для четырех двигателей одинаковой мощности (1100 кВт): вертолетного, танкового AGT-1500, современного дизельного и двигателя LV-100-5.

          В таблице 8.1 показаны основные параметры серийных и перспективных машин с газотурбинными двигателями России и США.

Таблица 8.1

Сравнительные характеристики СУ с серийными и перспективными ГТД

Примечание: Показатели перспективной машины США рассчитаны, исходя из информации по машине FCS.

          Анализ этих данных свидетельствует о необходимости безотлагательной интенсификации работ по совершенствованию отечественных танковых ГТД.

8.3. Положительным примером интенсификации работ по показателям подвижности служит развернувшаяся работа по ликвидации отставания в сфере ремонтопригодности, автоматизированной диагностики и контроля безопасности.

Оснащение танков Т-80 и их модификаций разработанной бортовой информационно-управляющей системой позволит решать задачи повышения подвижности и надежности, улучшения эргономических условий, оперативного контроля за техническим состоянием шасси и выдачи рекомендаций по его эксплуатации. Все это сократит время на техобслуживание и снизит эксплуатационные расходы топлива.

8.4.  Потенциал модернизации газотурбинного двигателя, моторно-силовой установки достаточно высок. По оценкам специалистов он составляет величину не менее 2-х. Вопрос не только в том хватит ли денег, и найдутся ли специалисты и ученые; вопрос в том хватит ли смелости и ответственности в высоких кругах отказаться от привычных догм, соответствовать новым концепциям модернизации и создания танка с газотурбинным двигателем – двигателем ХХI века.