СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ СОВРЕМЕННЫХ ТАНКОВ

Карл-Фридрих Шенк

Опыт, полученные во время воины  в районе Персидского залива в начале 1991 г., подтвердил, что основной боевой танк все еще играет ведущую роль в наземных боевых действиях. Пределы, до которых будет про­должаться эта роль. зависят от возможности совершенствования отдельных узлов танка. Подвижность танка, в дополнение к его вооружению и защите, приобретает новое значение, особенно в свете сокращения численности танковых войск, предусмотрен­ного международными соглашениями.

Независимо от требований к двигателю, относящихся непосред­ственно к интерпретации термина "подвижность", танкам потребуется значительно большая мощность двигателей в связи с ожидаемыми увеличениями массы систем вооружения и защиты. А  если на танке будущего будет использоваться электрическая пушка, то потребуется дополнительная зарядная энергия. Эти факторы необходимо учи­тывать при разработке будущих силовых установок танка.                                                             

 Так как в настоящее время отсутствуют новые технологии, а в обозримом будущем нельзя ожидать их появления, требуемая мощность перспективных двигателей различных типов и схем должна быть обеспечена за счет усовершенствования и оптимизация имею­щихся конструктивных элементов. Основными критериями для оценки результатов разработки являются удельная мощность, то есть мощ­ность с единицы объема блока питания, эксплуатационное поведение и стоимость с учетом срока службы, от разработки до конца срока службы силовой установки. предупреждение: двигатели, имеющиеся в настоящее время, и возможности их совершенствования могут рассмат­риваться только с точки зрения общих оценок в результате ограни­чений в информации относительно зарубежных проектов и разработок.

Рис.1. Несмотря на значительную массу современные западные танки (на рис. показан британский танк "Челленджер") фактически обладают дос­таточной подвижностью, даже на труднопрохо­димой местности, благодаря их силовым уста­новкам с высокими ТТХ

Двигатель

Современное состояние

В странах НАТО разработки в последние годы привели к высо­кому уровню технологии, несмотря на отличающиеся подходы к кон­струкции. Далее рассматриваются типичные представители этих раз­личных подходов.

Двигатели серии 880 фирмы MTU (Германия). Отступая от традиционного конструктивного подхода, гласящего, что "единст­венной вещью, лучшей, чем рабочий объем двигателя, является больший рабочий объем", двигатель серии MT-880 представляет кон­цепцию двигателя с 50% уменьшением рабочего объема цилиндра по сравнению с двигателем серии МВ-870 (танк "Леопард-2") для такой же мощности на цилиндр, тогда как полная мощность на объем уста­новки увеличилась на 75%. Чтобы получить мощность 92 кВт при ра­бочем объеме цилиндра 2,2 л, необходимы такие меры, как увели­чение частоты вращения вала двигателя, давления наддува и уменьше­ние степени сжатия. Ограничивающими условиями для параметрических изменений являлись достаточный срок службы за счет ограничения максимальных давлений и надежная работа двигателя, даже без внешнего наддува.

Для улучшения коэффициентов приспособляемости, которые обыч­но бывают неудовлетворительными при высоких давлениях наддува, параллельно с разработкой двигателя осуществлялись всесторонние исследования по обеспечению давления наддува при использовании камеры сгорания и турбокомпрессора регулируемой геометрии. На­чальные запуски на испытательном стенде дали удовлетворительные эксплуатационные результаты, но техническая сложность оптимизации элементов была неожиданно большой. После разработки турбокомпрессора, приспособленного к особым требованиям к двигателю, оказалось возможным получить эксплуатационные характеристики, показанные на рис. 2. Почти постоянная мощность по всему диапа­зону частоты вращения коленчатого вала двигателя особенно подходит для автоматической трансмиссии.

Рис. 2. Рабочий диапазон двигателя MT-883:

I - давление, Pme   (бар); 2 - крутящий момент, Md(Nm); 3 - частота вращения (мин.-1);4 - типичная кривая крутящего момента газотур­бинного двигателя (двойной крутящий момент при n=0); 5 - возможности разработки для систем трансмиссии; 6 - кривая крутящего момента; 7 - рабочий диапазон частоты вращения; 8- частота вращения холостого хода двигателя

Двигатель "Гипербар" (Франция). Этот двигатель обеспечивает мощность 1100 кВт при рабочем объеме лишь 16.5 л (12-цилиндровому двигателю MТ-88З фирмы MTU  для достижения такого же резуль­тата требуется рабочий объем 21 л) за счет предельного снижения степени сжатия приблизительно до 8 при увеличении давления наддува примерно до 7 кгс/см2. Но важным недостатком этой концепции является то, что давление наддува, необходимое для самовоспламенения топлива, не достигается при низкой частоте вращения и в мо­мент запуска двигателя. В результате для работы двигателя потребу­ются дополнительный стартер и нагнетатель. Необходимое давление наддува при низкой частоте вращения создается благодаря

передаче части воздуха наддува в камеру внешнего сгорания. Затем продукты этого сгорания подаются как дополнительный выпускной поток в турбокомпрессор, чтобы помочь ему поддерживать необходи­мую скорость. Для запуска двигателя следует с помощью электро­привода увеличивать скорость нагнетателя до тех пор, пока он сможет поддерживать нормальную деятельность камеры сгорания и обеспечить двигателю необходимое давление наддува. В общем, этот метод требует значительного совершенства конструкции и техноло­гии управления.

Вторым слабым местом является высокая полная механическая нагрузка на двигатель, который должен работать при среднем дав­лении свыше 30 бар и при давлениях сгорания, близких к пределу механической прочности. Результатом этого является значительное сокращение срока службы двигателя.

Поршневые двигатели (США). Разработка газотурбинного двига­теля AGT-I500   фирмы МВТ. который создан на базе авиационного двигателя, предопределила практически конец карьере поршневых двигателей в качестве силовой установки для основных боевых тан­ков CШA.. Причиной этого в меньшей степени было преимущество газо­турбинной технологии того времени, а в большей степени - совре­менные требования, предъявляемые к поршневому двигателю - тре­бования, которые неоднократно приводили к проблемам и отказам.

Новое поколение двигателей разрабатывается по широкомасш­табной программе разработки, получившей название "Перспективная интегрированная система двигателя" (AIPS). Требования к мощности остаются такими же: 1100кВт.

Рис.3. Сравнение двигателя ХАР-1000/ AIPS фирмы "Камминз" с другими современными и планируемыми двигателями: I - сравнение стоимости жизненного цикла (в дол­ларах США 1968 г.); 2 - расход топлива (галлоны/ день боевых действий); 3 - ivi-I-300 куб. футов (8.495 м3); 4 - TMEPS -230 куб.футов (6.513 м3); 5 - XAP-1000/AIPS   - 155 куб. футов (4.389 м3)

Хотя по первоначальным соображениям предусматривались управ­ление гидравлическим клапаном, параллельное расположение двух рядов цилиндров и широкое использование керамических элементов, поршневой двигатель фирмы "Камминз", разрабатываемый по программе AIPS, имеет довольно обычную концепцию 12-цилиндрового V- образного двигателя с развалом цилиндров под углом 600. При использовании синтетических масел, стойких к высоким температу­рам, рабочая температура должна значительно повышаться, что положительно повлияет на величину теплообменника. Результатов длительной работы еще нет, поэтому нельзя оценить возможности развития двигателя.

Рис.4. Конструкция танкового газотурбинного двигателя

LV-100 :

1 - газотурбинный двигатель для основного боевого танка (мощность 1050 кВт);

2 - коробка передач; 3 - последовательно расположенные роторы; 4 - камера сгорания;

5 - теплообменник; 6 - опора; 7 - двух­ступенчатая турбина; б – турбогазогенератор

Газотурбинный двигатель. Газотурбинный двигатель LV-100 также разработан по программе AIPS. B соответствии с сов­ременным положением дел, двигатель LV-100 включает значительные технические усовершенствования по сравнению с двигателем AGT-1500. Двухвальная турбина LV-100 имеет регулируемый направляющий аппарат в компрессоре и рабочие лопатки турбины, а также цифровой электронный регулятор режимов работы и высокоэффективный профиль­ный теплообменник. Значения расхода топлива, представленные на рис.5, показывают современное состояние разработки, они также показывают возможности истолкования таких кривых расхода: для эксплуатации в значительной степени в ненапряженном режиме (эксплуатации в мирное время) поршневой двигатель останется в будущем несравненным; при росте требований по мощности газотур­бинный двигатель имеет преимущество по расходу топлива.

Высокая удельная мощность, относительная нечувствительность к топливу и низкий уровень шума являются преимуществами, присущими газотурбинному двигателю. Кроме того, частота вращения его механизма отбора мощности благоприятствует работе генератора для электрической пушки или электрической трансмиссии. Но противове­сом таким большим преимуществам являются столь же важные недостатки, такие как высокие стоимости разработки и закупки и огра­ниченные возможности эволюционного развития.

Следует воздержаться от оценки того, как газотурбинный двигатель LV-100 будет работать по сравнению с другими дви­гателями мощностью 1100 кВт, и его возможностей по удовлетворе­нию будущим эксплуатационным требованиям до окончания проводи­мой разработки.

Рис. 5. Сравнение удельного расхода топлива (диапазон мощности 1100 кВт):

I - удельный расход (г/кВтч); 2 - нагрузка двигателя; 3 - танковый газотурбинный двига­тель с теплообменником (1970-е годы); 4 - современный вертолетный газотурбинный двигатель без теплообменника; 5 - будущий танковый газотурбинный двигатель с тепло­обменником; 6 - современный дизельный дви­гатель

Улучшение эксплуатационных характеристик

Как упоминалось вначале, увеличение массы машин, лучшая подвижность благодаря использованию современных систем С2I (командования, управления и информации) и применение систем электрической пушки повысят требования к мощности, которые превышают современные уровни мощности, составляющие в настоящее время около 1100 кВт. Как показывают расчеты, для заряда пушки необходима мощность порядка 500 кВт (в зависимости от эксплуатационных параметров), что в сочетании с требованиями по подвижности предопределит потребность б общей мощности в 1600-1700 кВт. Эта мощность должна также при необходимости быть полностью использована для обеспечения подвижности. Противоре­чия требований по мощности заряда и мощности приведения в дви­жение должны быть устранены по возможности с помощью подходящей системы управления тягой/зарядом.

Удовлетворение требований по защите и характеристикам пуш­ки в пределах максимальных размеров и масс, основанных на тре­бованиях инфраструктуры (и с большим диапазонов допусков), бу­дет возможным лишь в том случае, если сможет быть обеспечена необходимая мощность в имеющихся установочных объемах. Это тре­бование вместе с большими затратами на новую разработку делает необходимым полное использование потенциала мощности, остающе­гося в существующих концепциях двигателя.

Двигатели серии МТ-880. После модернизации головки цилинд­ров и системы впрыска для увеличения массового наполнения на испытательном стенде была получена мощность 138 кВт с цилиндра.

Если сохранится базовая концепция двигателя серии МТ-880 и если вероятность срока службы окажется достигнутой, то это будет означать, что от 12-цилиндрового двигателя модно полу­чить мощность около 1650 кВт. Однако увеличение давления над­дува, которое должно сопровождать увеличение мощности, вызовет необходимость совершенствования системы наддува. Для достижения удовлетворительной работы двигателя по всему эксплуатацион­ному диапазону будут работать либо один, либо оба турбокомпрес­сора в зависимости от количества выпускных газов. Сравнение с нормированным рабочим диапазоном базового двигателя обнаруживает явное снижение мощности, в зависимости от частоты вращения вала двигателя. Это в свою очередь приводит к специальным требованиям к трансмиссии, что рассматривается ниже.

Рис. 6. Рабочий диапазон двигателя с регулируемым наддувом:

1 - мощность на цилиндр (кВт); 2 - частота вращения вала двигателя (мин-1); 3 - работа с двумя турбокомпрессорами; 4 - работа с одним турбокомпрессором; 5 - рабочий диапазон частот вращения

Двигатель "Гипербар". Малый рабочий объем этого двигателя предопределяет высокую среднюю нагрузку на все элементы двига­теля и высокие максимальные давления, близкие к пределу механи­ческой прочности. Значительное повышение мощности без соответст­вующих увеличений рабочих объемов цилиндров, то есть без того, что является характерной особенностью модернизации двигателя, едва ли возможно.

Газотурбинный двигатель. Конструкция газотурбинного двига­теля как двигателя непрерывной подачи энергии исключает "простое" добавление мощности отдельных элементов силовых установок для увеличения всей мощности - в противоположность конструкции поршневого двигателя (допускающей серии со, о, 10 и 12 цилинд­рами). В результате потенциальные возможности увеличения мощности газотурбинного двигателя без изменения конструкции очень ограничены; как правило, они также включают значительное повышение рас­хода топлива. То же самое остается, в принципе, в силе для слу­чая, в котором требуется меньшая мощность.

ТРАНСМИССИИ

Уровень разработки

Трансмиссия машины преобразует мощность двигателя, которая пригодна лишь в малом диапазоне частот вращения, для обеспече­ния как низких оборотов при высоком крутящем моменте (запуск), так и высоких оборотов при низком крутящем моменте. Эти критерии мощности содержатся в основном коэффициенте мощности, который является функцией максимального свободного крутящего момента и максимальной частоты вращения вала двигателя. Например, хотя танк "Леопард-2" имеет номинальную мощность 1100 кВт, его трансмис­сия должна разрабатываться для основного коэффициента мощности примерно 4000 кВт на ведомый борт. Такие данные по мощности представляют исключительно конструктивные критерии для трансмис­сии; они показывают крутящие моменты и частоты вращения, которые должны передаваться. Обычная трансмиссия, ее передаточные механизмы и вал удовлетворяют основным значениям без особого труда; гидрообъемные или электрические механизмы отбора мощности встречаются со значительно большими трудностями в удовлетворении обоим критериям в одном элементе.

Трансмиссии современных танков имеют для передачи мощности четыре или пять ступеней коробки передач, преобразователь и ме­ханизм поворота, которые нужны гусеничным машинам. Механизм по­ворота управляет создаваемым гидростатическим способом перепадом частот вращения для обеспечения машине возможности поворота.

Имеющиеся диапазоны коробок передач этого типа трансмиссии представляют хороший компромисс между функционированием и слож­ностью конструкции. Более высокие требования к работе с макси­мальной непрерывной нагрузкой приводят к более сложным конструк­циям с большими требованиями по охлаждению без обеспечения зна­чительных преимуществ в нормальной работе. Для диапазона мощнос­ти около 1100 кВт других типов конструкций трансмиссии в настоя­щее время не имеется.

Улучшение эксплуатационных характеристик

В принципе, ступенчатые трансмиссии годны также для более мощных двигателей, при условии, что неизбежные перепады частот вращения, связанные со ступенчатостью диапазона, могут компенси­роваться запасом мощности. Это, однако, уже не является больше верным для двигателя MT-880, в котором мощность возросла до 138 кВт на цилиндр. Когда возрастает сопротивление движению машины, внезапное снижение частоты вращения/мощности, вызываемое переключением передач, может создать моментальное прекращение подачи мощности, несмотря на высокий номинальный режим работы двигателя, что приводит к переключению на низшую передачу. Наглядный пример дает 8-цилиндровый двигатель MT-881: мощность, необходимая для преодоления сопротивления движению, отсутствует при переключении трансмиссии на четвертую передачу.

Рис.7. Внезапное снижение мощности двигателя MТ-881 с регулируемым наддувом в связи с переключением передач:

1 - кВт; 2 - км/ч; 3 - 1-ая передача; 4 - 2-ая передача; 5 - 3-ья передача; 6 - 4-ая передача; 7 - 5-ая передача

Пригодной альтернативой ступенчатой трансмиссии с большим числом передач - и, следовательно, большей сложностью конструк­ции и большими габаритами - является гидрообъемная/механичес­кая или электрическая трансмиссия с бесступенчатым переключе­нием передач. Решающим преимуществом таких систем является то, что частота вращения вала (турбины) двигателя не связана со ско­ростью машины. Эта особенность позволяет с высокой точностью раз­работать рациональный режим работы основного двигателя в пользу высокой удельной мощности, оптимизированного расхода или других, критериев.

Трансмиссия с разделением мощности: гидрообъемная/механическая трансмиссия получила это название благодаря своему прин­ципу функционирования. Тяговая мощность делится между многоступенчатой механической передачей и гидрообъемной передачей. Тогда как частота вращения вала (турбины) двигателя при механической передаче остается постоянной (в соответствии с выбранной пере­дачей), частота вращения роторов гидрообъемной части изменяется гидростатическими устройствами и затем совмещается с частотами вращения в механическом ряду - положительно или отрицательно - посредством комплекта планетарных механизмов. Переключение на отдельные диапазоны механической передачи происходит при синх­ронизации частот вращения и, следовательно, оно практически не приводит к износу. При такой системе особо выдвигается требова­ние по обеспечению, без значительного усложнения конструкции, возможности снижения гидрообъемной части мощности, которая исполь­зуется менее эффективно.

Возможность использования такого устройства совмещающей передачи управления также будет зависеть от повышения ее стои­мости по сравнению со стоимостью существующей совмещающей пере­дачи управления.

Электрическая трансмиссия

Были неоднократные попытки использовать в гусеничных маши­нах для- передачи мощности двигателя электрическую трансмиссию. Большей частью эти попытки были безуспешными из-за отсутствия удовлетворительных устройств управления главным двигателем и из-за габаритов и массы используемых элементов.

Новые преобразователи и исполнительные механизмы, вместе с новыми типами магнитных материалов, превратили в настоящее время электрическую трансмиссию в альтернативу обычной трансмиссии. Электрическая трансмиссия преобразует тяговую мощность в электри­ческую мощность с помощью генератора. Эта мощность затем снова преобразуется в механическую с помощью соответствующих электронных устройств в электродвигателях.

В результате за счет электрической трансмиссии частоты враще­ния и крутящий момент на валу (турбине) двигателя трансформируются на движитель; для тяговой мощности двигателя 1100 кВт каждый электродвигатель должен разрабатываться для базового коэффициента мощности в 4000 кВт.

Эффективная входная мощность для электродвигателей отбора мощности всегда соответствует тяговой мощности. Но когда машина поворачивает, эта мощность увеличивается (часто значительно, на короткое время) на величину, соответствующую "части тормозного усилия", переходящей от внутренней стороны поворота к наружной (мощность рекуперации). Такие увеличения следует принимать во внимание в электронных системах управления и контроля.

критерии мощности для чисто дизель-электрических силовых установок оказались неблагоприятными. В результате была разрабо­тана гибридная трансмиссия, в которой "случайные потоки мощности" направляются по механическому соединению, известному как "нулевой вал", между дифференциалами поворота.

Компоновка

Современные конструкции двигателей и трансмиссий позволяют осуществить оптимальное их соединение в единый блок для каждой отдельной концепции машины без значительной доработки соедини­тельных элементов.

Для основных боевых танков с задним расположением двигателя самым оптимальным решением в отношении объема считается параллельное расположение двигателя и трансмиссии. Это размещение следует по возможности сохранять для двигателя мощностью 1650 кВт.

Рис.8. Трансмиссия с разделением мощности:

- R =переменная; 2 - отбор мощности; 3 - суммирование;

4 - f=постоянная; 5 - распределение; 6 - подводимая мощность

Рис. 9. Исследование размещения силовой установки с дви­гателем мощностью 1650 кВт:

1 - воздухоочиститель; 2 - двигатель; 3 - турбонаддув; 4 - имеющееся место (например, для конденсатора вооружения); 5 – выхлоп; 6 – радиатор; 7 – трансмиссия; 8 – раздаточная коробка; 9 – воздухоочиститель + турбокомпрессор

На рис. 9 показана схема размещения 1650-кБт силовой уста­новки с 12-цилиндровым двигателем серии МТ-880 повышенной мощнос­ти и трансмиссии с разделением мощности. Изучение конструкции показало, что трансмиссия с номинальным значением до 1700 кВт может быть без труда размещена в установочном объеме, необходимом для трансмиссии танка "Леопард-2". На свободный конец вала двига­теля может быть установлен посредством фланцевого соединения генератор заряжания пушки мощностью около 500 кВт. Концепция гене­ратора. конечно, должна быть приспособлена к имеющемуся пространству Разделением на мощность заряжания и тяговую мощность будет управ­лять соответствующий механизм (такой, как механизм включения по­ниженной передачи и т.д.) таким образом, что в экстремальных ус­ловиях будет использоваться вся мощность для движения вперед, тогда как в режиме частичной нагрузки мощность будет делиться в соответ­ствии с состоянием зарядки конденсатора.

Еще не проводилось никаких исследований установочного объема дизель-электрической силовой установки класса 1700 кВт. Пока неясно, позволят ли указанные возможно неизмененные габариты трансмиссии, а также габариты потребного генератора мощностью 1700 кВт осуществить параллельное размещение. Преимуществом ди­зель-электрической концепции является возможность использования всей тяговой мощности, когда необходимо для зарядки конденсатора пушки.

Выводы

Разработка силовых установок основных боевых танков ориенти­руется на имеющиеся системы и требования к системам вооружения и к подвижности. Будущие концепции силовых установок должны будут учитывать увеличение массы и дополнительный расход мощности электрическими системами вооружения, тогда как требования к подвижности останутся, по крайней мере, такими же. С другой стороны, нельзя отдать увеличения имеющегося установочного объема. Результаты предварительных исследований концепции поз­воляют ожидать, что соответствующие попытки разработки могут привести к созданию силовых установок мощностью 1600-1700 кВт, которые будут удовлетворять требованиям.

Кроме того, соображения, являющиеся результатом изучения опыта, полученного во время войны в районе Персидского залива, и требущие радикального уменьшения (на 50% и более) массы буду­щих танков в интересах быстрого развертывания в критических рай­онах, могут быть без труда осуществлены в результате наличия вариантов поршневых двигателем с высокими тактико-техническими характеристиками.

Хотя в диапазоне средних мощностей (исключительно по причи­нам стоимости) все большее внимание привлекают двигатели граж­данского производства, системы основного вооружения будут продол­жать требовать необходимости военных разработок силовых установок.

KARL-FRIDRICH SCHENK MODERN МВТ PROPULTION SYSTEMS.

MILITARY TECHNOLOGY, 1992, N 10.