БРОНЕТАНКОВОЙ ТЕХНИКЕ ТРЕБУЕТСЯ УВЕЛИЧЕНИЕ МОЩНОСТИ

НОВЫЕ ЗАДАЧИ ПРИВОДЯТ К МОДЕРНИЗАЦИИ И ПЕРЕКОМПОНОВКЕ ДВИГАТЕЛЕЙ

Филип У. Летт

Автор является разработчиком и бывшим руководителем промышленной программы по танку М-1 от концепции до производства.

Рынок двигателей для бронированных машин требует более мощных двигателей. Это требование отражает возрастающую потребность в большей маневренности машин, чем предлагается в настоящее время. Увеличение мощности необходимо для обеспечения работоспособности вспомогательных систем: контроля внешних условий, активной защиты, аппаратуры разведки и радиоэлектронного подавления.

В течение последних 10-20 лет изготовители двигателей разрабатывали новые  дизельные двигатели (типоразмерные ряды) на основе одного или двух типоразмеров диаметров цилиндра. Диапазон отдаваемой мощности может, таким образом, представляться двигателями, отличающимися количеством цилиндров, но имеющими унифицированные детали кривошипношатунных механизмов. Будущее не будет копировать прошлый опыт, так как изготовители вряд ли начнут работать над полностью новыми программами  разработки двигателей на ближайшем этапе.

Появилось два отличающихся направления: увеличение отдаваемой мощности имеющихся двигателей, главным образом за счёт наддува, и полностью новые конструкции, сочетающие большую мощность и более высокую удельную мощность. Это особенно относится к изготовителям, производящим двигатели для рынка бронированных машин.

Одним примером первого направления является отдаваемая мощность двигателя 883 Ка 501 фирмы MTU с одноступенчатым турбонаддувом, повышенная с 1500 л.с. (1108 кВт) до 2250 л.с. (1662 кВт), что стало возможным за счёт форсирования по турбонаддуву и частоте вращения вала двигателя, и до 2600 л.с. (1920 кВт) при двухступенчатом последовательном турбонаддуве, включающем промежуточное охлаждение и охлаждение за последней ступенью. Планируется использование двигателя мощностью 2600 л.с. на перспективной амфибийной десантной машине (АААV), разрабатываемой для морской пехоты Соединенных Штатов Америки (USMC).

Основной двигатель 883 (один из серии 880) был выбран фирмой MTU  для повышения мощности силовой установки из-за  его минимальных размеров, высокой плотности мощности и удачной конструкции. В максимальной степени использованы электронные регулировка и контроль за работой двигателя,  сведен до минимума расход топлива введен прямой впрыск. Система прямого впрыска была заимствована у коммерческих двигателей фирмы MTU и приспособлена к требованию танковых двигателей серии 880 в середине 80-х годов. Двигатель 883 производится для варианта танка “Леклерк”, экспортируемого в Объединенные Арабские Эмираты.

   Потребление мощности машиной AAAV уникально. Когда AAAV работает как наземная машина, ей требуется большой крутящий момент при низкой частоте вращения двигателя, типичной для наземных машин. Однако когда она работает в морском режиме, не только потребность в мощности удваивается до 2600 л.с. (1920 кВт), но и крутящий момент должен соответствовать  характеристикам водометных движителей. Фирма MTU создала демонстрационный двигатель с использованием имеющегося оборудования турбонаддува. Четыре турбогруппы (каждая с двумя ступенями) использовались в последовательном расположении. Этот двигатель успешно завершил 100-часовые усовершенствованные испытания двигателей НАТО в феврале 1995 г., работая с мощностью 2600 л.с.

Рис. 1. Демонстрационный макет двигателя серии 880 фирмы

MTU мощностью 2600 л.с., оснащенного двухступенчатым наддувом, во время опробования на испытательном стенде

Фирма MTU разрабатывает турбогруппу специально для этого двигателя. Новая рядная турбогруппа будет меньше и легче, чем используемое в первоначальных испытаниях оборудование турбонаддува. Одноступенчатая турбина будет приводить в действие турбокомпрессоры низкого давления (LP) и высокого давления (HP), установленные с промежуточным охладителем между ними на общем валу. В наземном режиме будет работать лишь одна рядная турбогруппа, а в морском режиме будут работать две группы. Это оптимизирует работу двигателя и обеспечивает надлежащую мощность во время действия на низких или высоких крутящих моментах.

Рис. 2.  Среднее эффективное давление относительно частоты

вращения вала для двигателя серии 880 фирмы MTU с

одно- и двухступенчатым наддувом при последовательном использовании двух турбогрупп: 1 - среднее эффективное давление (бар); 2 - частота вращения двигателя (об/мин); 3 - последовательный турбонаддув 1- /2 - ступенчатый (STC 1/2);4 - кВт/такт; 5 - одна турбина; 6 – две турбины

Другой пример можно обнаружить в том, что сделала фирма “Перкинз” с семейством двигателей CV. В семейство входят двигатели CV8, CV12 и CV16 (два картера CV8 скрепленные вместе болтами). Эти двигатели должны были удовлетворять требованиям коммерческого рынка по надежности, долговечности, экономичности работы, стоимости и в то же время их можно предложить военному заказчику.

Двигатели CV12 и CV8 производят 46 л.с./л при номинальной мощности. Двигатель CV12 мощностью 1200 л.с. (895 кВт) используется в танках “Челленджер” и иорданских  танках “Халид”. В современной компоновке двигатель CV12 обеспечивает мощность 1500 л.с. при рабочем объеме цилиндров примерно 1,1 м³ .  В настоящее время его мощность увеличена до 2000 л.с. (77 л.с./л), а в ближайшее время будет продемонстрирован уровень мощности 100 л.с./л.

Для достижения этой более высокой мощности были усовершенствованы турбонагнетатель, теплообменник последней ступени и подача топлива, чтобы обеспечить подходящее соотношение компонентов топливно-воздушной смеси. В двигателе CV12 используется электронная система управления двигателем. Она, кроме работы в качестве регулятора частоты вращения коленчатого вала  двигателя, использует ряд датчиков вокруг двигателя для обнаружения неисправностей и диагностики. Кроме оптимизированного процесса сгорания, регулируемого давлением и изменением времени впрыска топлива, для получения компактного конечного продукта объединялись вопросы управления потоком воздуха и эксплуатационной пригодности материалов. В двигатель в настоящее время внедряются материалы иные, чем железо, включая легкие сплавы и  армированные волокнами композиционные материалы.

Фирма “Перкинз” планирует увеличение среднего эффективного тормозного давления (ВМЕР) своих двигателей с 165 фунтов на квадратный дюйм до 330 фунтов на квадратный дюйм (22,8 бара) для коммерческих двигателей и с 250 фунтов на квадратный дюйм (17,2 бара) до 400 фунтов на квадратный дюйм (27,6 бара) для нового поколения двигателей высокой мощности, предназначенных главным образом для военного применения. Электронное управление клапаном (изменяется угол  опережения) будет  использоваться для достижения эффекта переменной степени сжатия (расширения) в турбонагнетателе. При этих усовершенствованиях производительность одноступенчатых компрессоров поднимется до уровня, достигаемого ранее только двухступенчатым турбонаддувом.

Рис. 3. Двигатель CV16 фирмы “Перкинз” мощностью 1750 л.с. соз-

дан путем объединения дух восьмицилиндровых силовых

установок и используется в британском танке “Челленджер”

и иорданском танке “Халид”

Удовлетворяя потребность в мощности 1750 л.с. (1305 кВт) для наземной РЛС сухопутных войск США, фирма “Перкинз” использовала имеющийся двигатель в качестве основы. Два восьмицилиндровых двигателя CV8 были скреплены вместе болтами для обеспечения требуемой мощности

при заданной частоте вращения двигателя 1800 об/мин. При увеличенном наддуве и использовании промежуточного охладителя 16-цилиндровый двигатель, вероятно, сможет с запасом удовлетворить потребность машины AAAV в мощности 2600 л.с. (1920 кВт).

Третий пример представляет фирма “Катерпиллер”. Она поняла потребность разработчиков военных машин в более мощных, меньших и более легких двигателях с приемлемым сроком службы. Фирма продемонстрировала также, как получить большое увеличение мощности от имеющихся коммерческих двигателей. Она повысила мощность своего рядного шестицилиндрового 10,3-литрового двигателя 3176В (коммерческая мощность 275 л.с.) до более высоких номиналов крутящего момента, отнесенного к мощности. Номинальные значения для этого двигателя увеличены в настоящее время до 365 л.с. нормально и 380 л.с. максимально.

При использовании параллельно работающих турбонагнетателей с охлаждением за последней ступенью, больших насосов-форсунок, высокоэффективных морских клапанов и седел, а также оптимизированной электроники для управления процессом впрыска топлива выходная мощность двигателя увеличивается до 1000 л.с. (746 кВт) для высокоэффективных применений.

Рис. 4. Двигатель 3176В фирмы “Катерпиллер” для грузового автомобиля является дизелем с повышенной мощностью равной

325 л.с. при 1800 об/мин. При увеличении крутящего момента его мощность - 350 л.с. при 1800 об/мин.

Другим методом, используемым фирмой “Катерпиллер”, для повышения мощности и одновременного увеличения габаритной мощности является увеличение рабочих объемов цилиндров. Фирма использовала свой 6,6-л двигатель 3116, увеличила внутренний диаметр цилиндров с 105 до 110 мм, сохраняя тот же блок. В результате увеличились рабочий объем цилиндров до 7,2 л и мощность до 350 л.с.        (261 кВт), по сравнению с мощностью 300 л.с. (224 кВт) 6,6-л двигателя. Полные же габариты не изменились.

Фирма “Катерпиллер” активно занимается также разработкой новых технологий. По текущему контракту управления перспективного планирования (ARPA) США от фирмы “Катерпиллер” требуется продемонстрировать преимущества технологии момента впрыска с изменяющимся опережением, которая приводит к увеличению удельной  мощности до 1,33 л.с. на кубический дюйм (0,06 кВт/см³). Это увеличение на одну треть по сравнению с номинальными значениями лучших высокоэффективных судовых двигателей, имеющихся в настоящее время в коммерческой сфере.

В любом случае, повышение отдаваемой мощности предполагает значительно большее, чем простое добавление нагнетателей к имеющемуся двигателю. При увеличенном наддуве в двигатель нагнетается больше воздуха. Давление и температура повышаются и возрастают механические и тепловые нагрузки на внутренние детали двигателя. Кроме того, сказывается неблагоприятное воздействие на усталостную долговечность. Гарантия разработки успешного, надежного двигателя с повышенной мощностью требует повторных испытаний с поэтапным наращиванием нагрузки, чтобы оценить воздействие более высоких нагрузок на внутренние детали двигателя.

Появляются новые конструкции двигателей с высокими плотностями мощности при новых и более высоких

уровнях мощности. Они включают уникальный двухтактный дизельный двигатель, изготовленный французкой фирмой Melchior Technologie, и роторно-поршневой двигатель фирмы “Роутери пауа интернэшенл”.

Еще одним новым двигателем является газотурбинный двигатель LV100, созданный объединенным управлением разработки (фирмы AlliedSignal, General Electric и MTU) по контракту с центром по разработке бронетанковой техники (TARDEC) США. Хотя газотурбинные двигатели не являются новыми, эти двигатели, разработанные специально для наземных машин, являются уникальными.

Фирма Melchior Technologie работает по лицензии фирмы “Дизел пропалшн” над дизельным двигателем с высокой мощностью и высокой плотностью компоновки. Обычно на военных машинах и в судостроении использовались четырехтактные двигатели. Для удовлетворении потребности в большей мощности и меньшем объеме фирма Melchior выбрала двухтактный двигатель в качестве базового компоновочного блока из-за присущего ему преимущества - компактности, так как он производит в два раза больше рабочих тактов, чем четырехтактный двигатель, для данного числа оборотов. Однако двухтактный двигатель имеет существенные ограничения. Обычный цилиндр с окном для впуска и выпуска не позволяет оптимально синхронизировать такты. Эффективная очистка затрудняется в результате того, что всасываемые (впрыскиваемые) смеси разбавляются отработавшим газом. Кроме того, операция очистки требует дополнительных затрат мощности.

Рис. 5. Двухтактный дизельный двигатель МТ 135 фирмы Melchior

Technologie, в котором используется тройной наддув, прошел

оценку сухопутными войсками США для применения в будущем

Фирма Мelchior отдает предпочтение двухтактным двигателям вследствие взаимного влияния габаритной мощности и рабочего  давления в цилиндрах.

Вместо клапанного устройства с окном фирма использовала тарельчатые клапаны, размещенные перпендикулярно друг другу в головке (цилиндров) двигателя. Это позволило осуществить петлевую продувку. Двигатель полностью механической конструкции включает также синхронизацию кулачков с регулируемой высотой подъема, управляемую одним кулачковым валом. Синхронизация кулачков с регулируемой высотой подъема и регулируемая степень сжатия оказали благотворное влияние на работу двигателя при низких нагрузках и холодном запуске.

Регулируемая степень сжатия сделала также возможной пологую кривую изменения крутящего момента по всему диапазону частоты вращения двигателя. Для габаритной мощности важными были также рабочие давления внутри двигателя. Двигатель МТ 135 имеет тройной наддув с промежуточным охлаждением. Развивается давление на входе 15-20 бар. При сравнении в дизельных двигателях обычно обнаруживают давление на входе 3-4 бара. Максимальное давление вспышки в двигателе МТ 135 составляет примерно 300 бар, в два раза больше, чем в боль шинстве дизельных двигателей.

Другой ступенью, планируемой для двигателя фирмы Melchior, является турбокомпаундирование, при котором отбор тепловой энергии из выхлопа превращается в используемую мощность с помощью турбины в выпускном патрубке. Планируется, что это сможет добавить 500 л.с. (373 кВт) к выходной мощности двигателя МТ 135. Турбокомпаундирование, вероятно, улучшит характеристики примерно на 25%. Разработка двигателя МТ 135 поддерживалась французским правительством и центром TARDEC. В мае 1995г. этот двигатель мощностью 1000 л.с. (746 кВт) успешно демонстрировался центру TARDEC.

До этого фирма Melchior вывела двигатель размером примерно 1 м³ на уровень 1550 л.с. (1156 кВт), развивая свыше 200 л.с. (149 кВт) на литр рабочего объема.

Разработка этого двигателя продолжается фирмой Melchior путем введения клапанной системы Mark II, которая увеличивает возможности всасывания двигателя и позволяет увеличить внутренний диаметр с 135 до 160 мм. Высокие плотности мощности, достигнутые фирмой Melchior, достойны внимания и подают реальную надежду на будущее.

Роторно-поршневой двигатель с послойным распределением заряда представляет еще один подход к разработке двигателей, который является нетрадиционным. В течение ряда лет фирма “Роутери пауа интернэшенл” (RPI) привлекалась к разработкам роторно-поршневых двигателей для военного и коммерческого применений. Современное семейство двигателей серии 580 фирмы RPI включает двух-, трех- и пятироторные двигатели. Каждый ротор обеспечивает 520 л.с.       (388 кВт) при номинальном числе оборотов двигателя. Основным источником финансирования разработки этих двигателей была морская пехота США (USMC).

Особый интерес для морской пехоты представляет возможное применение пятироторного двигателя серии 580 мощностью 2600 л.с. (1920 кВт) на новой разрабатываемой машине AAAV. Фирма RPI изготовила и испытала двухроторный двигатель серии 580 мощностью 1040 л.с. (776 кВт). Этот двигатель успешно прошел доводочные испытания двигателей НАТО в процессе разработки и удовлетворяет требованиям морской пехоты к работе на  110 % номинальной мощности. В настоящее время он предлагается для продажи на коммерческих рынках для промышленных и судовых применений. Двухроторный двигатель обеспечил уверенность и проверку конструкции, необходимые фирме RPI для продолжения работы над пятироторным двигателем серии  580 мощностью 2600 л.с. (1920 кВт), который изготовляется в настоящее время и, как планируют, должен быть готов весной 1996 г.

Рис. 6. Фирма “Роутери пауа интернэшенл” разрабатывает пятироторный двигатель Model 5290 в качестве возможной силовой

установки для перспективной амфибийной машины (AAAV)

морской пехоты США

Габариты пятироторного двигателя серии 580, как ожидают, будут примерно такими, как габариты современного дизельного двигателя сравнимой мощности. Однако масса его будет значительно меньше; по оценке фирмы RPI она будет составлять около 682 кг. Его топливная экономичность и плотность мощности, ожидается, будут близки к таковым сравнимого дизельного двигателя. На пятироторном двигателе используются три турбонагнетателя, приводимые в действие выхлопными газами, для наддува всасываемой смеси в двигатель. С турбонагнетателями используется охлаждение за последней ступенью. Полный рабочий объем равен 29 литрам и этот двигатель будет  иметь более низкое среднее эффективное тормозное давление, чем сравнимый дизельный двигатель.

Что касается применения на наземных машинах, газотурбинный двигатель является нетрадиционным. Газотурбинный двигатель LV 100, последующая модель газотурбинного двигателя AGT 1500, используемого в танке “Абрамс” М-1, разрабатывался объединенным управлением разработки по программе центра TARDEC по перспективной объединенной системе силовой установки (AIPS). Газотурбинный двигатель LV 100 (AIPS-Т) и конкурирующий дизельный двигатель (AIPS-D) разрабатывались для основного боевого танка будущего. Работа над дизельным двигателем закончена, а разработка газотурбинного двигателя продолжается.

Рис. 7. Разработанный на базе двигателя AGT 1500 газотурбинный

двигатель LV 100 является компактным и требует технического обслуживания и ремонта небольшого объема. Он может

использоваться в качестве силовой установки для будущего

основного боевого танка или для модернизации танка М-1

“Абрамс”

Первоочередной задачей в разработке двигателя LV 100 была компактность. Особое внимание уделялось  также характеристикам расхода топлива, особенно на холостом ходу. Расход топлива на холостом ходу составляет половину расхода топлива его предшественника - двигателя AGT 1500. Планируется, что будет достигнута цель по лучшему удельному расходу топлива (BSFC) 210 г/кВт ч. Кроме теплообменника, который использует отработавший газ для подогрева воздуха, эффективность двигателя зависит от переменных ступеней, используемых в осевом компрессоре, и обеих ступеней силовой турбины. Компрессор имеет четыре осевые ступени и одну центробежную ступень, все они приводятся в движение одноступенчатой турбиной газогенератора.

Двигатель LV 100 собирается из четырех основных модулей, что упрощает ремонт и обслуживание. Прогнозируется, что ему потребуется 0,12 часа на обслуживание, исходя из времени работы в часах. Доступ к силовым установкам более затруднен в бронированных машинах, чем в небронированных; следовательно, сведение до минимума обслуживания и ремонта является особенно важным. Продемонстрировано также, что газотурбинный двигатель является многотопливным: без изменения компоновки он может сжигать топлива DF-1, DF-2, JP-8 и бензин.

Двигатель LV 100 имеет встроенную двухступенчатую самоочищающуюся систему фильтрации поступающего воздуха. Эта система работает с высокой эффективностью. Она успешно прошла 200 - часовые испытания, работая при нулевой видимости без ухудшения характеристик. Выходная мощность газотурбинного двигателя составляет 1372 л.с. (1024 кВт), как требуется техническими условиями центра TARDEC. В пределах существующих габаритных размеров возможно 20 % увеличение мощности.

Рис. 8. Схематичное изображение газотурбинного двигателя LV 100:

1 - топливо; 2 - выхлоп; 3 - износоустойчивая компактная установка восстановления энергии трубчатого профиля (теплообменник);

4 - одноступенчатая силовая турбина с переменной площадью;

5 - одноступенчатая турбина высокого давления с регулированием количества подводимого воздуха;

6 - многотопливная высокотемпературная камера сгорания;

7 - цифровой электронный регулятор; 8 - вспомагательная коробка передач; 9- чистый воздух из SCAF (самооочищающегося воздушного фильтра);

10 - осевой - центробежный компрессор широкого диапазона

Явным преимуществом является малая масса газотурбинного двигателя. Объединенное управление разработки  отмечает, что двигатель LV 100 на 909-1364 кг легче сравнимых дизельных двигателей, частично благодаря тому факту, что газотурбинный двигатель не нуждается в системе охлаждения типичных дизельных двигателей и имеет  хорошие характеристики холодного запуска. Уникальными также являются низкий шум газотурбинного двигателя и отсутствие дыма. Вероятно, самой важной из всех его характеристик является его надежность. Газотурбинный двигатель имеет примерно на 30 % меньше деталей, чем сравнимый двигатель с воспламенением от сжатия.

Расчетная надежность двигателя LV 100 составляет 5300 км между отказами. Танк М-1А1 “Абрамс” продемонстрировал во время войны в районе Персидского залива боеготовность 90 - 98 %, главным образом, благодаря своему очень надежному газотурбинному двигателю - уникальная и важная характеристика.

В будущем будут продолжать идти двумя путями для удовлетворения растущих потребностей в большой мощности. Если преимущества двигателя новой конструкции будут превышать преимущества имеющегося дизельного  двигателя в отношении характеристик и стоимости, то, вероятно, один или более из этих двигателей будут запущены в производство. Однако стоимость производства новой конструкции является трудно преодолеваемым барьером. Почти не вызывает сомнений, что будут использоваться для бронированных машин варианты имеющихся дизельных двигателей с повышенной мощностью.

Philip W. Lett

Armour Demands Greater Power.

New roles drive engine upgrades and re-designs.

Jane’s International Defense Review,

1996, № 3.