Танки и танковые войска
Танки и танковые войска. Ч.1 Бронированные машины
(Танки и танковые войска / Коллектив авторов. Под ред. Маршала бронетанковых войск А. X. Бабаджаняна. — М.: Военное издательство, 1970)
ГЛАВА II
ТАНКИ
РАЗДЕЛ 4. ПОДВИЖНОСТЬ И ПРОХОДИМОСТЬ
Важнейшие боевые качества танка — его подвижность и проходимость — характеризуются наибольшей и средней скоростями движения по различным дорогам и вне дорог, запасом хода с одной заправкой топлива для разных дорожных условий, способностью преодолевать разнообразные естественные и искусственные препятствия, в том числе форсировать водные преграды по дну и вплавь.
Основным направлением увеличения подвижности и проходимости является уменьшение веса танков, обеспечивающее возрастание их удельной мощности, а следовательно, и скоростей движения. На некоторых танках («Леопард», АМХ-30), как уже отмечалось, для уменьшения веса ухудшена броневая защита.
Другое направление — усовершенствование силовых установок, трансмиссии и ходовой части, оказывающих определяющее влияние на подвижность и проходимость танка.
§ 1. СИЛОВАЯ УСТАНОВКА
Силовая установка танка состоит из двигателя и обслуживающих его систем: питания топливом, смазки, охлаждения и пуска. Компоновка силовой установки является сложной задачей. Основное затруднение состоит в том, что необходимо разместить двигатель большой мощности в ограниченном объеме силового отделения и освободить возможно больше места для боевого отделения, где размещается экипаж, расположены вооружение и боекомплект.
Требования к современному танковому двигателю
К современному танковому двигателю предъявляется ряд требований, которым должны отвечать его энергетические, экономические, конструктивные и эксплуатационные показатели.
Танковый двигатель должен иметь большую мощность, минимальные размеры и вес, удобно компоноваться в силовом отделении корпуса танка. Он должен иметь возможно меньший удельный расход топлива во всем диапазоне эксплуатационных оборотов и нагрузок и работать на различных топливах от дизельного до высокооктановых бензинов без снижения мощности и без повышения расхода топлива, а также расходовать на единицу мощности минимальное количество воздуха и обладать возможно меньшей теплоотдачей в охлаждающую жидкость и в масло.
Двигатель должен легко и надежно запускаться при любой температуре без специальной подготовки и работать в любом климатическом поясе, на любой высоте, под водой и в зонах радиоактивного излучения, обладать хорошей приемистостью, т. е. способностью быстро увеличивать и уменьшать обороты, и высоким коэффициентом приспособляемости <77>к изменениям внешней нагрузки, быть хорошо уравновешенным и иметь высокую равномерность хода. Он должен иметь достаточно большой запас моторесурсов, высокую надежность в работе и хорошую ремонтоспособность при минимальном времени на обслуживание в процессе эксплуатации и иметь конструкцию, пригодную для массового или крупносерийного производства.
В настоящее время еще не создан двигатель, в полной мере удовлетворяющий всем перечисленным требованиям. Учитывая противоречивый характер этих требований, создание такого двигателя представляет весьма сложную задачу.
Мощность двигателей современных основных танков достигает 600—850 л. с. и имеет тенденцию к дальнейшему повышению.
Одним из важнейших показателей танкового двигателя является его габаритная мощность Nг — отношение максимальной эффективной мощности Nе двигателя к его габаритному объему Vг, подсчитываемому как произведение наибольших габаритных размеров двигателя: длины L, ширины В и высоты Н.
Габаритная мощность двигателя зависит от литровой мощности Nл, характеризующей степень использования рабочего объема цилиндров или степень форсирования двигателя, и от компактности его конструкции. Компактность двигателя оценивается величиной отношения литража двигателя к его габаритному объему. Это отношение можно получить, если выражение габаритной мощности умножить и разделить на литраж Vл:
Отношение Vл/Vг принято называть коэффициентом компактности К (л/м 3 ).
Вторым основным показателем танкового двигателя является удельный эффективный расход топлива
где Gт — часовой расход топлива, кг/ч.
При ограниченном объеме топливных баков наибольший запас хода без дозаправки (при прочих равных условиях) обеспечит двигатель, работающий на более тяжелом топливе и имеющий меньший удельный расход топлива.
Наилучшее сочетание этих двух основных показателей пока остается у дизеля. Именно этим объясняется то обстоятельство, что дизель в настоящее время завоевал во всем мире исключительное положение как лучший танковый двигатель, хотя по энергетическим, весовым и габаритным показателям он уступает как бензиновым с искровым зажиганием, так и газотурбинным двигателям.
Советские танкостроители гордятся тем, что именно советский дизель В-2 был первым в мире танковым двигателем, установленным на танке Т-34. Дизель В-2 сыграл важную роль в обеспечении этому танку высоких показателей подвижности. Известно, что именно под влиянием успешного применения дизеля В-2 формировались современные тенденции развития танковых двигателей. В настоящее время ни на одном из зарубежных танков не осталось бензинового двигателя — на всех без исключения устанавливаются дизели.
Современное состояние поршневых двигателей и перспективы дальнейшего их совершенствования
В табл. 2 приведены данные современных танковых двигателей основных капиталистических стран и для сравнения данные советского танкового двигателя В-54 (рис. 50) выпуска послевоенных лет. Как видно из табл. 2, по габаритной мощности двигатель В-54 уступает только одному английскому двухтактному дизелю L-60 танка «Чифтен».
Рис. 50. Советский танковый дизель типа В-54
Правда, значительно большую габаритную мощность имеет американский дизель Катерпиллар LVMS-1050, но он еще не вышел из стадии доработки. В то же время по степени форсирования многие двигатели значительно опередили двигатель В-54: их литровая мощность значительно выше. Несмотря на это, конструкция двигателя В-2 является наиболее удачной, так как коэффициент компактности К, равный 33,2 л/м3, до настоящего времени не достигнут ни в одном из современных танковых двигателей. Конструкция двигателя В-54 также свидетельствует, что дизель (как танковый двигатель) имеет большие резервы для повышения габаритных показателей. Это же подтверждает опыт создания двигателя Катерпиллар LVMS-1050.
По удельному расходу топлива двигатели с турбонаддувом имеют несколько лучшие показатели, а двигатели с приводным нагнетателем — не лучшие, чем у двигателя В-54.
Таблица 2
Характеристика современных танковых поршневых двигателей
Большинство современных танковых двигателей — четырехтактные, жидкостного охлаждения. Двухтактные дизели установлены только в английском танке «Чифтен» и в шведском танке «S». Малое распространение двухтактных двигателей объясняется определенными трудностями, <79>связанными с обеспечением работоспособности поршневой группы из-за более высокой средней температуры газов за цикл и соответственно большего количества тепла, воспринимаемого поршнем, что вызывает перегрев поршня и поршневых колец. Кроме того, в двухтактном двигателе трудно обеспечить хорошую очистку цилиндра от отработавших газов и наполнение его свежим зарядом при умеренном расходе воздуха на продувку. Однако высокие энергетические показатели двухтактных двигателей создают потенциальные возможности для получения большой габаритной мощности, что делает эти двигатели перспективными для танков, а опыт создания двигателей Лейланд доказывает возможность преодоления перечисленных выше трудностей.
Рис. 51. Двигатель Континенталь AVDS-1790-2
Воздушное охлаждение имеют американский двигатель Континенталь AVDS-1790-2 танка М-60 (рис. 51) и японский двигатель Мицубиси 12НМ-21-WТ. Но, по-видимому, эти двигатели — последние представители танковых двигателей воздушного охлаждения. Общепризнано, что в условиях танка, когда двигатель находится в закрытом отсеке корпуса, обеспечить надежное охлаждение его непосредственно воздухом значительно сложнее, чем с помощью промежуточного теплоносителя — жидкости. Двигатель получается громоздким, с малой габаритной мощностью, а на создание интенсивного потока воздуха приходится затрачивать относительно большую часть мощности двигателя. При воздушном охлаждении невозможно изолировать воздушный тракт системы охлаждения от остальной части силового отделения корпуса танка, что значительно усложняет охлаждение двигателя при движении под водой и увеличивает загрязнение силового отделения радиоактивной пылью при преодолении зон радиоактивного заражения.
Так, например, габаритная мощность американского двигателя AVDS-1790-2, имеющего сравнительно удачную схему воздушного охлаждения, всего около 300 л. с./м 3 , т. е. меньше, чем у двигателя В-54, даже с учетом объемов, занимаемых водяным и масляным радиаторами, <82>вентилятором и масляным баком в танке Т-54. А расход мощности на охлаждение двигателя AVDS-1790-2 (120 л. с.) составляет 16% максимальной мощности, т. е. больше, чем в танке Т-54. Характерно, что новые американские танковые двигатели, разрабатываемые фирмой Катерпиллар, имеют уже жидкостное охлаждение.
Все современные танковые двигатели создаются многотопливными. Способность двигателя работать на любом топливе — от дизельного до высокооктановых бензинов — значительно упрощает задачу снабжения танковых войск горючим.
Дизель, как тип двигателя, обладает способностью работать на различных топливах. Однако при переводе обычного дизеля на более легкое топливо заметно уменьшается его мощность и соответственно увеличивается удельный расход топлива, работа двигателя становится более жесткой, увеличиваются стуки и дымность, сокращается моторесурс двигателя, затрудняется запуск двигателя при низкой температуре. Причина этих особенностей заключается в том, что керосин и особенно бензин воспламеняются при более высокой температуре, чем дизельное топливо. В связи с этим увеличивается период задержки воспламенения, за который в цилиндре скапливается большое количество топлива. Из-за быстрого сгорания этого топлива после воспламенения давление газов повышается с большой скоростью, что и обусловливает жесткую работу. Во время запуска двигателя при низкой температуре окружающего воздуха температура в цилиндре может оказаться недостаточной для воспламенения, в результате чего двигатель не запустится. Значительно меньшая вязкость легких топлив служит причиной увеличения утечек топлива за период впрыска его в цилиндр.
Чтобы обеспечить одинаково хорошую работу и надежный запуск двигателя на любом топливе, в его конструкции необходимо предусмотреть ряд особенностей. Степень сжатия многотопливного двигателя должна быть порядка 18—20, что обеспечит достаточно высокую температуру к моменту начала впрыска топлива в цилиндр. Камера сгорания должна обеспечивать быстрый прогрев поступающих в цилиндр капелек топлива. Лучшей для многотопливного двигателя является камера сгорания (выемка специальной формы), выполненная в днище поршня. Неплохие результаты получаются при так называемых разделенных камерах — вихревой и предкамере. Предкамеру имеют американские двигатели Катерпиллар и западногерманский двигатель Даймлер-Бенц, вихревую — французский двигатель Испано-Сюиза.
Топливоподающая система многотопливного двигателя также должна иметь ряд особенностей. Увеличение периода задержки воспламенения вызывает необходимость автоматического изменения момента начала подачи топлива. Положение ограничителя максимальной подачи топлива должно быть переменным, чтобы изменением объемной порции топлива компенсировать изменение его плотности и разницу в утечках, зависящих от вязкости. Давление, создаваемое топливоподкачивающим насосом, увеличивается до 2,5—5 кГ/см 2 , чтобы исключить возможность образования паров бензина во всасывающей полости насоса высокого давления и улучшить наполнение надплунжерного объема. Для этого же систему подкачки топлива делают проточной. Предусматривается специальная система уплотнений и дренажа, предотвращающая попадание бензина в масло. При работе на бензине плунжерные пары топливного насоса не нуждаются в специальной смазке, но к кулачковому валу и толкателям подвод смазки необходим.
Танковые двигатели имеют повышенные энергетические показатели <83>и рассчитаны на работу до 500—1000 мото-часов, а в отдельных случаях и меньше. Такие двигатели называются форсированными.
Увеличить литровую мощность — основной энергетический показатель двигателя, — как это следует из выражения
можно при данной тактности τ двумя путями: увеличением среднего эффективного давления pе и повышением оборотов n.
Обороты целесообразно увеличивать до тех пор, пока возрастает произведение pen. Однако с увеличением оборотов среднее эффективное давление уменьшается, во-первых, из-за сокращения времени на процессы смесеобразования и сгорания, в результате чего уменьшается полезная работа газов, и, во-вторых, из-за увеличения механических потерь, которые пропорциональны средней скорости движения поршня, подсчитываемой по формуле
где S — ход поршня, м
n — число оборотов коленчатого вала в минуту.
Практикой установлено, что средняя скорость движения поршня в дизеле не должна превышать 12—13 м/сек, так как при большей скорости движения сильно увеличивается износ цилиндра и поршневой группы.
Чтобы при увеличении оборотов средняя скорость движения поршня не возрастала, уменьшают ход поршня, т. е. делают двигатели короткоходными. Для современных двигателей характерно уменьшение относительной короткоходности, когда уменьшается отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D. В дизелях отношение S/D в настоящее время приблизилось к единице, а в бензиновых двигателях достигает 0,8—0,75 и даже меньше. Отношение S/D 3 .
Следовательно, повысить Pe можно лишь за счет увеличения плотности воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, потому что остальные параметры либо постоянные (Hн, l0), либо могут быть изменены только на незначительную величину. Так, например, эффективный коэффициент полезного действия и коэффициент наполнения дизеля могут быть увеличены лишь на единицы процентов. Коэффициент избытка воздуха α хотя и остается в дизеле значительно больше единицы, особенно у дизелей с неразделенной камерой сгорания, но уменьшение его влечет за собой повышение тепловой напряженности двигателя, ухудшение процесса сгорания топлива, увеличение доли тепла, отводимого в систему охлаждения, и в результате уменьшение эффективного коэффициента полезного действия двигателя. Поэтому и за счет уменьшения ά большого увеличения среднего эффективного давления получить не удается.
Плотность воздуха можно увеличить, сжимая его предварительно в специальном компрессоре-нагнетателе, установленном на двигателе. Подача в цилиндры двигателя воздуха под давлением носит название наддува.
Сущность наддува, как средства форсирования двигателя, заключается в следующем. Известно, что весовое количество воздуха, заполняющего определенный объем, пропорционально плотности. Заполнение цилиндров двигателя сжатым воздухом как бы увеличивает их вместимость, что дает возможность сжигать в них больше топлива за цикл и соответственно получать больше полезной работы.
В настоящее время наддув получил весьма широкое распространение как средство форсирования дизелей. Все без исключения современные танковые двигатели снабжены нагнетателями, повышающими давление воздуха до 1,5—3 ата. Эффективность наддува видна из табл. 2: литровая мощность современных серийных танковых дизелей достигает 20—37 л. с./л, а в опытном американском двигателе Катерпиллар LVMS-1050 она равна 58,2 л. с./л, причем, по данным зарубежной печати, фирма предполагает довести ее до 80—100 л. с./л.
Однако с применением наддува возникает ряд новых проблем. Повышаются давление в конце такта сжатия и максимальное давление газов в цилиндре и вместе с этим возрастают нагрузки на кривошипный механизм. Сжатие воздуха в компрессоре сопровождается повышением его температуры, в результате чего повышается средняя температура цикла и увеличивается тепловая напряженность двигателя.
При давлении наддува 1,5—2,0 ата, применяемого на большинстве современных дизелей, максимальное давление и температура газов сравнительно невелики. В то же время жесткость работы, характерная для дизелей, как правило, уменьшается, так как с повышением давления и температуры воздуха в конце такта сжатия улучшается процесс сгорания и уменьшается период задержки воспламенения. Поэтому такой наддув не вызывает необходимости внесения существенных изменений в конструкцию двигателя.
При давлении наддува 2,5—3,0 ата и выше увеличивается тепловая и механическая напряженность двигателя, поэтому требуются специальные меры для обеспечения его работоспособности.
Американская фирма Катерпиллар, впервые применившая высокий наддув в танковых дизелях, охлаждает воздух после компрессора, что снижает температуру, соответственно уменьшает тепловую напряженность двигателя и увеличивает плотность воздуха. В результате значительно <85>увеличивается мощность двигателя. Так, например, двигатель Катерпиллар LVDS-1100 без охлаждения воздуха после компрессора развивает литровую мощность 29,3 л. с./л, а с охлаждением на 30° — 35,8 л. с./л.
Снижение температуры воздуха, поступающего в цилиндры, благоприятно отражается и на уменьшении количества тепла, отводимого в систему охлаждения, благодаря чему можно сократить размеры радиатора и снизить мощность, затрачиваемую на привод вентилятора. При повышении давления наддува до 2,5—3,0 ата значительно возрастает давление газов. Особенно сильно увеличивается давление в современных многотопливных двигателях, имеющих высокую степень сжатия. Расчеты показывают, что при давлении наддува 3 ата и охлаждении воздуха после компрессора на 30° давление в конце сгорания при степени сжатия 20,5 должно достигать как минимум 180—200 ата.
Поскольку высокая степень сжатия необходима главным образом для запуска многотопливного двигателя и для уменьшения жесткости его работы на малых нагрузках, а на режимах, соответствующих большим нагрузкам, она не является оптимальной, в двигателях с высоким давлением наддува применяются поршни специальной конструкции, с помощью которых максимальное давление газов ограничивается заданной величиной, а степень сжатия при этом автоматически изменяется в зависимости от нагрузки.
Рис. 52. Схема поршня, обеспечивающего автоматическую регулировку степени сжатия:
1 — наружный стакан; 2 — вставка; 3 — верхняя масляная полость; 4 – редукционный клапан, 5 — нижняя масляная полость; 6 — калиброванное отверстие; 7 — обратные клапаны
На рис. 52 показана конструктивная схема поршня, который состоит из наружного стакана 1 и вставки 2 (при этом стакан может перемещаться относительно вставки). В полость 3 между стаканом и вставкой подводится масло из системы смазки двигателя через обратный клапан 7. Давление масла в полости 3 ограничивается редукционным клапаном 4. Если давление газов превышает расчетное, часть масла через редукционный клапан вытекает из полости 3 и стакан опускается, при этом увеличивается объем камеры сжатия и соответственно уменьшается степень сжатия. Пределы изменения степени сжатия от 12 до 22 вполне обеспечивают диапазон возможных нагрузок. Для ограничения скорости движения стакана в крайнее верхнее положение служит нижняя полость 5, также заполненная маслом. При движении стакана 1 вверх объем полости 5 уменьшается, но вытекание масла из нее лимитируется калиброванным отверстием 6, подобранным с таким расчетом, чтобы стакан успевал подниматься за цикл не более чем на 0,1—0,2 мм.
Для сжатия воздуха в компрессоре затрачивается значительная мощность. Даже при давлении наддува 1,6—1,7 ата в двигателе мощностью 700—750 л. с. на компрессор расходуется 100—120 л. с. Если <86>компрессор приводится в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя (приводной компрессор), эта мощность, складываясь с механическими потерями, заметно уменьшает механический и эффективный коэффициенты полезного действия двигателя; соответственно на 3—5% увеличивается удельный расход топлива. В настоящее время приводные нагнетатели применяются сравнительно редко. Они имеются на английском двухтактном двигателе Лейланд L-60 и западногерманском двигателе Даймлер-Бенц.
На большинстве дизелей наддув осуществляется от агрегатов, называемых турбокомпрессорами. Турбокомпрессор состоит из компрессора и турбины, соединенных общим валом. Отработавшие газы, выбрасываемые из цилиндров двигателя, направляются на лопатки турбины и совершают там дополнительную работу, вращая турбину и компрессор. Таким образом, удается использовать энергию отработавших газов для привода компрессора и не отбирать мощность с коленчатого вала. Правда, при установке турбины несколько увеличивается давление в выпускном коллекторе двигателя и возрастают потери энергии на выталкивание газов из цилиндров в такте выпуска. Но эти потери невелики по сравнению с мощностью, развиваемой турбиной. Благодаря этому удельный расход топлива у двигателей с турбокомпрессором всегда меньше, чем у двигателей без наддува или у двигателей с приводным компрессором, и не превышает 155—170 г/л. с.-ч.
По расположению цилиндров современные четырехтактные танковые двигатели имеют много общего. Все они двухрядные с V-образным или оппозитным расположением цилиндров. Число цилиндров от 8 до 12. Угол развала только в двух 12-цилиндровых двигателях (В-54 и Катерпиллар LVMS-1050) равен 60°, в остальных (кроме оппозитного) — 90°.
Для обеспечения равномерного чередования рабочих ходов угол развала γ должен быть равен в четырехтактных двигателях:
где i — число цилиндров двигателя, а m — любое целое число. Так, например, для 12-цилиндрового двигателя угол γ должен быть равен 60° или 180°, для 8-цилиндрового — 90°, для 10-цилиндрового — 72°. Однако угол развала должен выбираться с учетом возможности уравновешивания сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс кривошипного механизма и их моментов.
В 12-цилиндровом двигателе эти силы и моменты взаимно уравновешены в каждом 6-цилиндровом блоке, поэтому с точки зрения уравновешивания угол развала цилиндров может быть любой.
Для двигателей с числом цилиндров, меньшим 12, наилучшим является угол развала, равный 90°, так как в этом случае уравновесить силы инерции первого порядка и их моменты, наиболее опасные из-за большой величины, можно противовесами, размещенными на концах коленчатого вала.
Для 8-цилиндрового двигателя угол развала γ, равный 90°, является оптимальным, так как он обеспечивает одновременно и равномерность чередования рабочих ходов, и взаимное уравновешивание сил инерции второго порядка и их моментов.
При выборе угла развала большое значение имеют также соображения конструктивного порядка — удобство размещения агрегатов двигателя, необходимость уменьшения его высоты и т. п. Именно из конструктивных соображений выбран угол развала 90° в 12-цилиндровом <87>двигателе Континенталь, что позволило расположить вентиляторы системы охлаждения в развале между цилиндрами.
Несколько необычное число цилиндров (десять) имеет западногерманский двигатель Даймлер-Бенц (рис. 53). Вероятно, это обусловлено стремлением уменьшить длину двигателя при значительном по величине литраже (37,4 л).
Рис. 53. Двигатель Даймлер-Бенц MB 838 Ca-500
Горизонтальное противоположное расположение цилиндров целесообразно в тех случаях, когда необходимо получить наименьшую высоту двигателя. При таком расположении цилиндров высота двигателя определяется высотой его картера или диаметром маховика. Однако габаритный объем двигателя в этом случае все же остается большим, так как все агрегаты двигателя оказываются снаружи в том смысле, что их невозможно вписать в габариты самого двигателя, как при V-образном расположении цилиндров.
Попытки применить другие схемы расположения цилиндров (Х-образное, Н-образное и т. д.) не увенчались успехом, так как, не давая сколько-нибудь заметных габаритных преимуществ, они сильно усложняют задачу расположения агрегатов и доступ к ним.
Представляет интерес конструкция опытного танкового двигателя Катерпиллар LVMS-1050, внешний вид которого представлен на рис. 54, а блок-картер и коленчатый вал — на рис. 55. Блок-картер отлит из алюминиевого сплава. Между блоком и головкой находится стальная плита, обеспечивающая уплотнение газового стыка. Подвески коренных подшипников опираются на наклонные плоскости перегородок картера, что обеспечивает их надежную фиксацию. Коленчатый вал отличается отсутствием щек: развитые по диаметру коренные и шатунные шейки настолько перекрывают друг друга, что достаточная прочность и жесткость вала обеспечиваются только за счет перекрытия шеек. Это <88>упростило конструкцию вала и дало возможность расположить по два одинарных шатуна на каждой шатунной шейке.
Заслуживает внимания универсальность конструкции двигателя. Отбирать мощность можно с любого из двух одинаковых концов коленчатого вала. Турбокомпрессоры (их два) можно устанавливать на торцах блоков цилиндров также с любой стороны. Система приводов вспомогательных агрегатов имеет четыре вывода и позволяет располагать агрегаты в наиболее удобных местах. Каждый вывод рассчитан на отбор мощности 75 л. с.
Рис. 54. Двигатель Катерпиллар LVMS-1050
Рис. 55. Детали двигателя LVMS-1050:
а – блок-картер (вид сверху); б – блок-картер (вид снизу);в – коленчатый вал
В создаваемом семействе двигателей мощностью от 250 до 1000 л. с., включающем 4- и 6-цилиндровые однорядные и 8- и 12-цилиндровые V-образные двигатели, около 90% взаимозаменяемых деталей.
Двигатель рассчитан для работы как на дизельном топливе, так и на бензине с октановым числом от 83 до 91. Специальное автоматическое устройство, установленное на двигателе, избавляет от необходимости каких-либо переналадок топливоподающей системы при переходе с одного топлива на другое. Топливные насосы индивидуальные для каждого цилиндра.
Двухтактные двигатели, установленные на английском танке «Чифтен» и на шведском танке «S», выполнены по одинаковой схеме. Это однорядные 6-цилиндровые двигатели с двумя противоположно движущимися поршнями в каждом цилиндре. Цилиндры расположены вертикально.
На рис. 56 представлен поперечный разрез английского двигателя Лейланд L-60. Каждый поршень одного цилиндра соединен со своим коленчатым валом, оба коленчатых вала связаны с валом отбора мощности шестеренчатым редуктором. Вал отбора мощности вращается несколько быстрее, чем коленчатые валы. Расходясь в такте расширения, поршни открывают в конце такта выпускные и продувочные окна, выполненные в цилиндре; происходит процесс продувки, в ходе которого цилиндр очищается от отработавших газов и наполняется свежим воздухом.
<90>На двигателе установлен продувочный двухроторный компрессор объемного типа, поддерживающий давление в ресивере перед продувочными окнами на уровне 1,4 ата. Камера сгорания образуется между головками поршней при их сближении. Топливо впрыскивается в цилиндр через четыре форсунки, расположенные в средней части цилиндра.
Рис. 56. Поперечный разрез двигателя Лейланд L-60
Такая схема двухтактного двигателя, по мнению иностранных специалистов, имеет ряд преимуществ и является наиболее перспективной. Расположение выпускных и продувочных окон на противоположных концах цилиндра (так называемая прямоточная продувка) позволяет успешно решить одну из труднейших задач для двухтактного двигателя — обеспечить хорошую очистку цилиндра от отработавших газов при небольшом коэффициенте избытка продувочного воздуха. Расположение камеры сгорания между поршнями уменьшает охлаждаемую поверхность цилиндра, благодаря чему уменьшается количество отводимого в систему охлаждения тепла, что в свою очередь позволяет уменьшить размеры водяного радиатора и количество охлаждающего воздуха. Поэтому в двигателях, выполненных по такой схеме, доля тепла, отводимого в систему охлаждения, меньше, чем в четырехтактных, несмотря на более высокую среднюю температуру цикла.
Недостаток схемы — необходимость иметь два коленчатых вала, соединяющихся редуктором, и соответственно два картера, что делает двигатель громоздким и тяжелым. Именно этим объясняются сравнительно <91>небольшие величины коэффициента компактности—13,5 л/м 3 и габаритной мощности — 498 л. с./л (при высокой литровой мощности 36,8 л. с./л) и довольно высокий удельный вес этого двигателя — 2,02 кг/л. с.
Рис. 57. Поршень двигателя Лейланд L-60
1 — поршень; 2 — накладка; 3 — жаровое кольцо; 4 — верхнее компрессионное кольцо
Общим недостатком двухтактных двигателей, от которых не свободен и двигатель Лейланд, является высокая тепловая напряженность поршня. Для обеспечения работоспособности поршневой группы необходимы специальные меры. Обычный поршень из алюминиевого сплава, даже если его охлаждать маслом, непригоден. Поршень двигателя Лейланд (рис. 57) комбинированный: он выполнен из алюминиевого сплава, а к его головке крепится накладка 2 из жаропрочной стали. Верхнее компрессионное кольцо 4 от горячих газов защищается неразрезным жаровым кольцом 3, также выполненным из жаропрочной стали. Снизу на днище поршня непрерывно подается масло, поступающее по каналу в стержне шатуна.
Перспективы применения в танках газотурбинных двигателей
Газотурбинный двигатель, как и поршневой, относится к двигателям внутреннего сгорания, но в отличие от поршневого все процессы в нем разделены территориально и совершаются непрерывно: воздух всасывается и сжимается в компрессоре, топливо сгорает в камере сгорания, продукты сгорания расширяются в турбинах. Роторы компрессора и турбин совершают только вращательное движение, в двигателе нет возвратно-поступательно движущихся масс, а следовательно, и сил инерции, нагружающих подшипники вала. Все это позволяет газотурбинному двигателю (по сравнению с поршневым) развивать более высокие обороты, так как они лимитируются только прочностью дисков и лопаток компрессора и турбины. Большие скорости открывают потенциальную возможность создания двигателя с высокой габаритной мощностью. Это обстоятельство делает газотурбинный двигатель весьма перспективным для танков, где малогабаритность двигателя представляет большую ценность.
Опыт создания авиационных газотурбинных двигателей показывает, что их габаритная мощность может достигать 3000—4000 л. с./м 3 . Конструктивно газотурбинный двигатель проще поршневого и значительно легче. Кроме того, как уже отмечалось ранее, он легко запускается при низкой температуре без предварительного подогрева и не нуждается в длительном прогреве: через 3—4 мин после запуска он готов принимать любую нагрузку. Это имеет большое значение для танка как для боевой машины. Характеристика двухвального газотурбинного двигателя позволяет <92>обойтись значительно меньшим количеством передач и тем самым упростить трансмиссию и облегчить управление машиной. Значительно проще система охлаждения газотурбинного двигателя, требующая меньшей затраты мощности.
Однако в настоящее время считается, что газотурбинный двигатель еще не может конкурировать с дизелем. Основной его недостаток — низкий коэффициент полезного действия и соответственно высокий удельный расход топлива: машина с газотурбинным двигателем без теплообменника расходует на 100 км в полтора — два раза больше топлива, чем машина с дизелем.
В числе других недостатков газотурбинного двигателя, затрудняющих применение его в танке, следует отметить: в несколько раз больший расход воздуха и отсюда трудности, связанные с очисткой воздуха от пыли и с питанием двигателя воздухом в условиях движения под водой; значительно меньшую по сравнению с поршневым двигателем приемистость, что делает машину менее управляемой и существенно снижает среднюю скорость движения по пересеченной местности; невозможность торможения машины двигателем (без специальных устройств), что также усложняет вождение. Необходимо отметить сильную зависимость мощности газотурбинного двигателя от температуры и давления окружающего воздуха, от сопротивления на входе воздуха в компрессор и на выходе отработавших газов из турбины.
Низкая экономичность газотурбинного двигателя связана с необходимостью ограничения температуры газов, поступающих на лопатки турбины, из-за сложности их эффективного охлаждения; в современных двигателях она не превышает 900—950° С. Ограничивают температуру за счет увеличения коэффициента избытка воздуха, который в газотурбинных двигателях в три — четыре раза больше, чем в поршневых, а это увеличивает расход воздуха и затраты мощности на сжатие его в компрессоре: мощность, потребляемая компрессором, составляет 150—200% эффективной мощности газотурбинного двигателя.
Повышать экономичность газотурбинного двигателя можно двумя путями. Первый путь — повышение температуры газов перед турбиной. Но это потребует или достаточно эффективного охлаждения лопаток турбины, что трудно осуществить из-за их малых размеров, или создания для лопаток нового, более жаропрочного материала, что также представляет весьма трудную задачу. Второй путь — применение теплообменников, в которых часть тепла от отработавших газов передается направляющемуся в камеру сгорания воздуху. Благодаря этому уменьшается количество топлива, которое необходимо сжигать в камере сгорания, чтобы нагреть газы до нужной температуры. Этот путь более легкий, и все современные газотурбинные двигатели транспортного типа снабжаются теплообменниками. Установка теплообменника со степенью теплообмена 0,8—0,85 1 при температуре газов перед турбиной 900—950° С снижает удельный расход топлива до 200—220 г/л. с.-ч. Однако при этом газотурбинный двигатель теряет свое основное преимущество: его габаритная мощность уменьшается до 350—450 л. с./м 3 .
1 Степенью теплообмена σ называется отношение действительного повышения температуры воздуха в теплообменнике к теоретически возможному (до температуры отработавших газов). Она характеризуется использованием тепла отработавших газов. Так, например, если температура газов после турбины tв = 700° С, а температура воздуха в теплообменнике повышается от tс = 300° С (с которой он выходит из компрессора) до tr = 600° С, то
Работа по созданию танкового газотурбинного двигателя в настоящее <93>время интенсивно ведется во многих странах. В Соединенных Штатах Америки эта работа была поручена параллельно трем фирмам: Форд, Солар и Оренда (канадская). Все фирмы разрабатывали конструкцию газотурбинного двигателя мощностью 600 л. с. с теплообменником.
Таблица 3
Основные показатели газотурбинных двигателей
В табл. 3 приведены проектные данные этих двигателей. Судя по ним, получены неплохие экономические показатели, но по габаритным показателям спроектированные двигатели не имеют преимуществ перед дизелями. Следует заметить, что к опубликованным экономическим показателям нужно подходить осторожно, потому что сведений о подтверждении проектных данных экспериментом до сих пор еще нет, однако известно, что военное ведомство США прекратило финансирование этих работ и ведет пересмотр тактико-технических требований к танковому газотурбинному двигателю.
Тем не менее разработанные указанными выше фирмами проекты представляют интерес. Заслуживает внимания низкий удельный расход топлива, полученный для всех трех двигателей, и то обстоятельство, что одинаковый расход топлива в двигателях Солар и Оренда получен при различных значениях температуры газов перед турбиной и степени теплообмена. Очевидно, это связано с различием в коэффициентах полезного действия компрессора и турбин, а также в потерях давления по газовоздушному тракту, что оказывает большое влияние на экономичность двигателя. Двигатель Солар, судя по габаритной мощности, менее компактен, чем двигатель Оренда, что обусловлено более низкой температурой газов и соответственно большим расходом воздуха.
Фирма Форд применила для танкового двигателя Форд-705 трехвальную схему, проверенную в автомобильном варианте двигателя Форд-704 мощностью 300 л. с. Двигатель имеет два турбокомпрессора и свободную силовую турбину, две камеры сгорания, теплообменник и промежуточный охладитель для охлаждения воздуха перед вторым компрессором. Это позволило сильно увеличить степень повышения давления (она в этом двигателе равна 16, а в обычном двухвальном — 4—6) и повысить температуру газов перед силовой турбиной за счет топлива, сжигаемого в дополнительной камере сгорания. Степень повышения давления в этом двигателе выбрана выше оптимальной для режима максимальной мощности, поэтому расход топлива на этом режиме получился более высоким, чем у двигателей Солар и Оренда. Зато на режимах неполной нагрузки, на которых приходится работать двигателю большую часть времени, расход уменьшается до 182 г/л.с.-ч на режиме 0,4 от максимальной мощности против 198 и 217 г/л. с.-ч у двигателей Солар и Оренда. Такая характеристика двигателя по удельному расходу делает его близким к поршневым двигателям.
Схема двигателя Форд-705 приведена на рис. 58. Атмосферный воздух поступает в компрессор низкого давления центробежного типа, где сжимается до 4 ата. Прежде чем попасть в компрессор высокого давления, воздух проходит через промежуточный охладитель, в котором охлаждается потоком воздуха, создаваемым специальным вентилятором. Промежуточное охлаждение воздуха при постоянном давлении уменьшает его объем, благодаря чему уменьшаются размеры компрессора высокого давления и мощность, затрачиваемая на его привод. Из охладителя воздух направляется в компрессор высокого давления центробежного типа, где сжимается до 16 ата, и через теплообменник поступает в камеру сгорания, где температура газов повышается до 954° С. Из камеры газы поступают на лопатки центростремительной турбины высокого давления, соединенной с компрессором высокого давления. <95>Пройдя эту турбину, газы попадают в дополнительную камеру сгорания, в которой их температура снова повышается, а затем последовательно проходят осевую силовую турбину, осевую турбину низкого давления, соединенную с компрессором низкого давления, и теплообменник, после чего они выбрасываются в атмосферу.
Рис. 58. Схема трехвального газотурбинного двигателя Форд-705:
1 — компрессор низкого давления; 2 — промежуточный охладитель; 3 — компрессор высокого давления; 4 — теплообменник; 5 — камера сгорания; 6 — турбина высокого давления; 7 — дополнительная камера сгорания; 8 — силовая турбина; 9 — турбина низкого давления; 10 — вентилятор промежуточного охладителя
Расход воздуха в этом двигателе сравнительно небольшой — 2 кГ/сек, что значительно меньше, чем в двухвальных двигателях Солар и Оренда (но все же гораздо больше, чем в дизеле такой же мощности). Однако, несмотря на небольшой расход воздуха и малые размеры рабочих колес компрессоров и турбин, из-за сложности конструкции <96>(рис. 59) и большого количества агрегатов двигатель получился громоздким с габаритной мощностью 440 л.с./м 3 (такой же, как у безнаддувного дизеля В-54). Отсюда видно, что усложнение схемы газотурбинного двигателя не всегда может дать выигрыш в габаритах.
Рис. 59. Трехвальный газотурбинный двигатель Форд-705:
1 — силовая турбина; 2 — камера сгорания; 3 — компрессор высокого давления; 4 — вентилятор; 5 — промежуточный охладитель; 6 — компрессор низкого давления; 7 — теплообменник
Силовая установка шведского танка «S» (рис. 60) состоит из газотурбинного двигателя Волво-DRGT-1 и двухтактного дизеля Ролльс-Ройс. Оба двигателя имеют почти одинаковую мощность: дизель развивает 240 л. с., а газотурбинный двигатель — 250 л. с. Двигатели могут работать вместе или каждый отдельно. По габаритам эта установка уступает обычной с одним двигателем, а рационально использовать мощность каждого из двигателей вряд ли можно. Статистика показывает, что наиболее длительное время двигатель танка работает на режимах, соответствующих 60—70% максимальной мощности, которой ни один из двигателей танка «S» обеспечить не может.
Рис. 60. Силовая установка шведского танка «S»:
1 — поршневой двигатель; 2 — газотурбинный двигатель
Шведский газотурбинный двигатель Волво-DRGT-1 интересен тем, что между двумя ступенями его силовой турбины имеется дифференциальная шестеренчатая передача, благодаря которой крутящий <97>момент при изменении оборотов вала отбора мощности изменяется более резко, чем у обычного двухвального двигателя. Для увеличения тормозного момента двигателя установлен гидротормоз. Двигатель снабжен вращающимся теплообменником с высокой степенью теплообмена (0,85) и при сравнительно невысокой температуре газов перед турбиной имеет хороший удельный расход топлива (180 г/л.с.-ч). Габаритная мощность двигателя невелика (330 л. с./м 3 ) и находится на уровне поршневых автомобильных двигателей.
Перспективы применения в танках роторных двигателей
По данным иностранной печати, в настоящее время конструкторов привлекает еще один тип двигателя — роторный. Существует большое количество проектов двигателей, в которых возвратно-поступательное движение поршня заменяется вращательным движением ротора, выполняющего роль поршня. Одним из наиболее реальных проектов является проект немецкого инженера Ванкеля, который предложил заменить поршень треугольным ротором, совершающим планетарное вращение в корпусе, рабочая поверхность которого имеет форму эпитрохоиды.
Рис. 61. Схема рабочего процесса роторного двигателя
Из схемы (рис. 61) видно, что объем, заключенный между двумя смежными вершинами ротора, перемещается вместе с ними при вращении ротора вдоль рабочей поверхности корпуса и за каждый оборот ротора два раза последовательно увеличивается и уменьшается. Это позволяет осуществить четырехтактный цикл, как в обычном поршневом двигателе, не имея возвратно-поступательно движущихся масс.
Разработанный вначале как бензиновый с искровым зажиганием двигатель Ванкеля имеет ряд преимуществ перед поршневыми. Отсутствие возвратно-поступательно движущихся масс позволило существенно увеличить скорость вращения вала. Несмотря на это, коэффициент наполнения остается высоким, благодаря тому, что поток свежего заряда во впускном окне практически непрерывен из-за взаимного перекрытия периодов наполнения отдельных объемов. Отсутствие клапанов упрощает конструкцию двигателя и обеспечивает бездетонационное сгорание бензина при значительно более высоких степенях сжатия, чем в поршневых двигателях с искровым зажиганием.
Выполненные в металле роторные двигатели имеют высокие литровую и габаритную мощности и небольшой для бензинового двигателя удельный расход топлива. Компактность и экономичность роторных двигателей вызвали большой интерес к ним во многих странах. Но, поскольку для танка бензиновый двигатель не подходит, начались попытки использовать роторный двигатель для осуществления в нем цикла с воспламенением от сжатия. Здесь встретились значительные трудности. Во-первых, в роторном двигателе трудно получить достаточно высокую степень сжатия, чтобы иметь возможность придать камере сгорания необходимую форму. Во-вторых, из-за высокого давления цикла с воспламенением от сжатия возникают трудности в обеспечении надежного уплотнения объемов между вершинами ротора и в работе подшипников, на которые действуют огромные по величине силы давления газов и центробежные силы от вращающихся масс.
В печати до сих пор нет сообщений о том, что где-либо разработана конструкция роторного дизеля, хотя сообщения о том, что такая работа ведется, имеются. В настоящее время еще не накоплено достаточно данных, чтобы можно было иметь определенное суждение о перспективности роторных двигателей для танков, но работа над ними представляет несомненный интерес.
Силовая установка танка
Так же как и к двигателю, основным требованием к силовой установке танка является компактность; из других требований следует отметить надежность, возможно меньший объем работ по обслуживанию, хороший доступ к агрегатам, простоту монтажа и демонтажа при ремонте.
Компактность силовой установки зависит от размеров ее агрегатов (радиаторов, вентиляторов, масляного бака, воздухоочистителей и др.), а также от их взаимного расположения. Для ряда иностранных танков характерна в настоящее время компоновка агрегатов систем охлаждения и смазки в одном блоке с двигателем. Так выполнена силовая установка американского танка М-60 с двигателем Континенталь AVDS-1790-2 воздушного охлаждения. В одном блоке с двигателем скомпонованы радиаторы и вентиляторы системы охлаждения в английском танке «Чифтен».
На рис. 62 показан двигатель Лейланд L-60 этого танка с нормальным положением радиаторов и с радиаторами, поднятыми для обеспечения доступа к двигателю. Такая компоновка представляет известное удобство: трубопроводы, соединяющие двигатель с радиатором и масляным баком, получаются более короткими, на них в меньшей степени передаются колебания двигателя относительно корпуса танка. Блок может быть собран заранее вне корпуса машины, что значительно облегчает работу и сокращает время на монтаж силовой установки в танке.
Размеры радиаторов и вентиляторов системы охлаждения зависят от количества тепла, отводимого от двигателя, и от перепада температуры между охлаждающей жидкостью и воздухом. Относительное количество тепла, отводимое в систему охлаждения, определяется тепловой напряженностью двигателя, конструкцией камеры сгорания (наименьший теплоотвод имеют дизели с неразделенной камерой или с камерой в поршне), а также температурой охлаждающей жидкости.
Рис. 62. Двигатель Лейланд L-60 в блоке с системой охлаждения:
а — радиаторы в нормальном положении; б — радиаторы подняты
Для танковых систем охлаждения закрытого типа можно значительно повысить температуру охлаждающей жидкости без вреда для двигателя. Современные танковые двигатели могут работать при температуре <100>охлаждающей жидкости 115—125° С, что позволяет существенно уменьшить размеры радиатора и вентилятора и снизить затраты мощности на привод вентилятора.
Весьма эффективной является эжекционная система охлаждения, в которой поток охлаждающего воздуха через радиатор создается за счет использования энергии отработавших газов. Эжекционная система имеет ряд преимуществ перед вентиляторной: она конструктивно проще, в ней нет подвижных частей, связанных с коленчатым валом двигателя, что расширяет компоновочные возможности, позволяет изолировать воздушный тракт и обеспечивает возможность охлаждения двигателя при движении под водой путем затопления радиаторов, а также уменьшает запыление силового отделения и существенно понижает температуру отработавших газов и, следовательно, уменьшает теплоизлучение корпуса танка.
При форсировании двигателя значительно возрастает нагрузка на систему смазки, так как увеличивается количество тепла, отводимого маслом от подшипников и поршней. Кроме того, требуется увеличить производительность масляного насоса, пропускную способность фильтра и охлаждающую поверхность масляного радиатора. Большую сложность представляет очистка все возрастающего потока масла.
Из большого количества различных фильтров наиболее перспективным является центробежный, обладающий большой пропускной способностью при высоком коэффициенте очистки, постоянным сопротивлением, не зависящим от степени его загрязнения, и способностью работать длительное время без обслуживания.
Система запуска двигателя должна обеспечивать надежный запуск его при любых атмосферных условиях. Для этого она в первую очередь должна иметь достаточную мощность. В связи с этим применение в танке в качестве пускового устройства электростартера вызывает (с увеличением мощности двигателя) все большие трудности из-за ограниченной емкости аккумуляторных батарей. В танках все чаще применяют вспомогательные агрегаты с автономным двигателем внутреннего сгорания, который обеспечивает зарядку аккумуляторов и питание всех потребителей электроэнергии при неработающем основном двигателе, а также подогрев основного двигателя перед запуском.
Для запуска двигателя более целесообразно использовать сжатый воздух, вводя его непосредственно в цилиндры двигателя или применяя специальные пневмо- или гидростартеры. В этом случае для пополнения запаса сжатого воздуха необходим компрессор.
Большие трудности возникают при запуске дизеля в зимнее время. Решение этой проблемы связано со многими факторами, главными из которых являются воспламеняемость топлива и вязкость масла. Надежное воспламенение топлива можно обеспечить, повышая пусковые обороты двигателя, но это затруднено из-за большой вязкости масла при низкой температуре. Создание смазочного масла с пологой вязкостной характеристикой в значительной степени уменьшит сложность этой проблемы. Сократится и время, необходимое для прогрева двигателя, так как появится возможность нагружать двигатель при более низкой температуре масла.
До тех пор, пока не будет такого масла, единственным средством остается прогрев двигателя перед запуском в зимнее время. Недостатком применяемых в настоящее время форсуночных подогревателей при всех положительных качествах является их зависимость от источника электроэнергии — аккумуляторных батарей. Более перспективны подогреватели с автономным двигателем, которые могли бы совмещать две <101>функции: подогрев двигателя и зарядку аккумуляторных батарей. В качестве двигателя такого агрегата очень подходит газотурбинный. Простейший одновальный двигатель можно сделать малогабаритным и легким, так как в данном случае коэффициент полезного действия двигателя существенной роли не играет: то тепло, которое не превратилось в нем в полезную работу, будет использовано для подогрева основного двигателя.
Двигатель танка и автомобиля
РАЗВИТИЕ ТАНКОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ ЗА РУБЕЖОМ
За рубежом наблюдается качественная подвижка в танковом дизелестроении в части повышения мощности, улучшения экономичности, снижения теплоотдачи двигателей в танковые системы. Попутно улучшаются экологические характеристики двигателей. Это стало возможным благодаря огромным финансовым вложениям фирм и международных корпораций в наукоемкие разработки и исследования по всем направлениям, связанным с конструированием и производством двигателей.
Что побуждало развитие этих вопросов? Несомненно, прежде всего это вызвано необходимостью экономии углеводородных источников энергии, что в период глобального энергетического кризиса для ряда стран (особенно не обладающих природными запасами углеводородного топлива) стало вопросом национальной безопасности, когда любые технические решения, обеспечивающие экономию топлива, становятся выгодными и целесообразными. Безусловно, решалась задача повышения всех показателей и характеристик двигателей, как главной составной части ОБТ. Энергичные работы над улучшением топливной экономичности дизелей стимулировали исследования в области совершенствования рабочих процессов, повышения энергии впрыска топлива и управления процессами впрыска, увеличения степени наддува и в ряде других направлений.
Если с 1927 по 1985 г. давление впрыска топлива составляло 20—50 МПа, то в последние 10 лет оно возросло до 200 МПа! [40]. Высокое качество распыла и электронное управление впрыском топлива обеспечили:
— снижение расхода топлива;
— уменьшение теплоотдачи двигателя в танковые системы;
— низкий уровень эмиссии (состава вредных выбросов) газов. Выбросы окислов азота (один из главных вредных ингредиентов выхлопных газов) и твердых частиц в выхлопных газах дизелей снизились за 10 лет в 10 раз! [40];
— улучшение пуска двигателя;
— управление количеством впрыскиваемого топлива по оптимальному алгоритму;
— снижение величины максимального давления газов в цилиндре (повышение ресурса) двигателя;
— уменьшение шумности работы двигателя.
Диаграммы эволюции МТО танков с силовыми установками, оснащенными дизелями фирмы MTU [44]
Двухтактный оппозитный шестицилиндровый дизельный двигатель 6ТД-1 танка Т-84 (Украина)
Силовая установка с дизельным двигателем 12V1200-TM37 танка «Челленджер-2» (Великобритания)
Силовая установка Euro Power Pack с дизелем МТ 883Ка-500 фирмы MTU и трансмиссией HSWC295 фирмы RENK (Германия)
Ведущие производители дизелей заменили механические регуляторы электронными устройствами. Их характеризуют гибкость управления, самодиагностика, использование резервных программ, питание каждого цилиндра в соответствии с его техническим состоянием. Возможны отключение цилиндров, управление параметрами впрыска топлива и др. На смену топливным распределительным насосам высокого давления (ТНВД) приходят аккумуляторные системы «коммон рейл» (CRI), электроуправляемые насос-форсунки и индивидуальные ТНВД.
Ведущие фирмы мира (Bosch, FIAT, DyM1er Chrysler, Denso, Multee) включились в производство нового поколения топливных систем. Фирмой Siemens VDO Automative ведутся активные работы по совершенствованию систем CRI с пьезоисполнительным механизмом. Образцы уже работают в серийных автомобилях и отличаются чрезвычайно большими скоростями управления.
Другими важнейшими признаками современного дизеля стали высокий наддув, промежуточное охлаждение наддувочного двигателя, регулирование проточной части турбокомпрессора и т.д.
И сегодня лучшие дизельные двигатели для танков МТ 883 Ка-500 (1100 кВт), МТ 883 Ка-501 (1325 кВт), серийно выпускаемые фирмой MTU, будучи установленными в силовой блок EUROPAC (Euro Power Pack), давно превзошли по удельным характеристикам силовой блок с ГТД танка M1 «Абрамс».
Флагманом в мировом танковом дизелестроении является немецкая фирма MTU. О ее достижениях свидетельствуют публикации:
— «В середине 1990-х гг. General Dynamics Land Systems устанавливала по собственной инициативе для участия в тендере на ОБТ для турецкой армии Euro Power Pack в американском танке М1А2 «Абрамс» вместо газовой турбины AGT-1500, при этом корпус укоротился на 950 мм и в два раза уменьшился всем известный высокий расход горючего…
… Высокофорсированная версия МТ 883, развивающая мощность 2740 л.с. (2016 кВт), была принята для экспедиционной боевой машины (EFV), которая разрабатывается для американской морской пехоты (USMC).
Кроме того, МТ 883 был принят для самой последней версии Mark 4 (Mk 4. — Прим. авт.) израильского танка «Merkava», для которого дизель производится в США фирмой General Dynamics (Detroit Diesel по лицензии. — Прим. авт.) как GD 883. Как полагают, МТ 883 будет выбран для нового южнокорейского танка ХК-2» [41];
— «Силовая установка Euro Power Pack установлена на всех 436 танках «Леклерк» фирмы Giat Industries, поставляемых в Объединенные Арабские Эмираты. Поставки включают не только основной боевой танк, но и БРЭМ, первым заказчиком которой были Объединенные Арабские Эмираты. БРЭМ «Леклерк» находится в настоящее время также на вооружении французских сухопутных войск, которые выбрали силовую установку Euro Power Pack, а не разработанную во Франции силовую установку, которой оснащены французские танки «Леклерк».
В целях испытания силовая установка Euro Power Pack была также установлена на танке «Челленджер-2Е» фирмы Alvis Vickers…» [42].
В США были созданы и всесторонне испытаны дизельные силовые блоки фирмы «Камминз» с двигателем APVS и двигателем XAV-28 с малым выделением тепла. На первом этапе разработчики XAV-28 неожиданно столкнулись с повышенным дымлением, что затормозило работы. После появления и развития современных систем CRI были выполнены доработки с увеличением на 102 мм общей длины двигателя и установкой прогрессивной топливной системы, что обеспечило самый низкий для четырехтактного дизеля уровень теплоотдач в танковые системы, снизило расход топлива и выделение вредных газов.
У лучших современных серийных двигателей суммарная теплоотдача во внешние танковые системы составляет 51—55% от величины мощности двигателя, а у американского дизеля XAV-28 составляет всего 48% [43, 44]. Эти параметры определяющим образом влияют на габариты системы охлаждения и мощность, теряемую двигателем на пути к ведущим колесам танка.
Последнее время в США и ряде других государств НАТО стали выдвигаться требования по аэротранспортабельности боевой техники. Это делает необходимым ограничение массы боевых машин. Разработанное фирмой MTU в начале 2000-х гг. новое семейство двигателей HPD (High Power Density) пятого поколения дизелей отвечает и этому требованию. Семейство двигателей HPD стандартизовано по объему цилиндра, равного одному литру, и частоте вращения 4250 об/мин, имеет рекордный показатель литровой мощности 125 л.с., снимаемой с одного цилиндра. По сравнению с дизелем МТ 883 новый дизель МТ 893 при мощности 1500 л.с. будет иметь на 50% меньший габаритный объем, более высокую топливную экономичность, меньший объем системы охлаждения.
Новая немецкая БМП «Пума» уже снабжена компактным силовым блоком с двигателем V10HPD массой 860 кг с максимальной мощностью 1100 л.с. [45].
Фирма MTU предложила концепцию нового двигателя HPD для боевой машины будущего FCS (Future Combat System) американских сухопутных войск.
В этой работе принимает участие американская фирма Detroit Diesel Corporation, получившая заказ от командования по танковой технике и вооружениям (ТАСОМ) армии США на разработку и изготовление современного дизельного двигателя [46].
Двигатели семейства HPD могут хорошо сочетаться с электромеханической или электрической трансмиссиями.
Выдвигаемые за рубежом требования к перспективным силовым установкам, сочетающим компактность и высокую топливную экономичность двигателя, не оставляют шансов для использования газотурбинных двигателей в ВГМ.
Мировое двигателестроение ориентируется на международную кооперацию предприятий по производству отдельных агрегатов и комплектующих составных частей двигателей. Примером могут служить:
— группа фирм Mahle — крупнейший в мире разработчик и изготовитель элементов поршневой группы. Она поставляет поршни различных размерностей и модификаций более чем в 190 фирм, производящих двигатели различного назначения. Фирма имеет представительства более чем в 100 странах мира, изготавливает более 7 тыс. различных образцов поршней диаметром от 30 до 620 мм с годовой программой выпуска порядка 50 млн. поршней;
— фирма Garett — ведущий мировой разработчик и изготовитель турбокомпрессоров;
— фирма Bosch — мировой лидер в производстве новейшей топливной аппаратуры.
Основными направлениями развития конструкции дизелей за рубежом являются:
— использование топливной аппаратуры с микропроцессорным управлением;
— применение управляемого турбо-наддува в сочетании с охладителями наддувочного воздуха;
— внедрение более жаропрочных и жаростойких материалов и защитных покрытий для деталей цилиндропоршневои группы и клапанов газораспределения, а также других прогрессивных технологических и конструктивных решений, позволяющих форсировать двигатели по мощности и снижать теплоотдачу в объектовые системы.
Все двигатели обеспечены в эксплуатации высококачественными горюче-смазочными материалами с прогрессивными характеристиками.
Установка силового блока Euro Power Pack в танк M1 «Абрамс» может сократить длину танка приблизительно на 1000 мм
* * *
Литература и источники
1. Шунков В.Н. Танки. — Минск: ООО «Попурри», 2003.
2. Костенко Ю.П. Танки (тактика, техника, экономика). — М.: НТЦ «Информатика», 1992.
3. Архивы ОАО «УКБТМ».
4. Танк Т-64А. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, Кн. 1. — Министерство оборонной промышленности СССР, 1973.
5. Устьянцев С., Колмаков Д. Боевые машины Уралвагонзавода. ТанкТ-72. — Н. Тагил: Медиа-Принт, 2004.
6. Лантратов К., Сафронов И. Танки не рвутся в холдинг // Коммерсантъ. — 2006, №45.
7. Sieff M. В фокусе оборона: преимущества России в конкурентной борьбе — II // UnitedPress International. — 2007, 19 декабря.
8. Sieff M. В фокусе оборона: преимущества России в конкурентной борьбе — IV// UnitedPress International. — 2007, 25 декабря.
9. Веретенников А.И. и др. Харьковское конструкторское бюро по машиностроению имени А.А. Морозова. — Харьков: Синтез, 2002.
10. Интернет-сайт ГП «Завод им. В.А. Малышева» (http://www. malyshevplant.com.).
11. Козишкурт В.И., Филиппов В.П. Единое базовое шасси для бронированных гусеничных машин. Актуальные проблемы защиты и безопасности // Труды Восьмой Всероссийской научно-практической конференции (4—7 апреля 2005 г.), Т. 3. — СПб.: 2005.
12. Шаповалов В.В. О перспективах танковых ходовых частей: Материалы конференции «Броня-2002».
13. Иванов В. Нескончаемая милитаризация планеты Земля. Военные расходы всех стран мира продолжают расти, утверждают эксперты СИПРИ // НВО. — 2007, №34 (539).
14. Аксенов П. Голубая мечта Доналда Рамсфелда: Пентагон разрабатывает проект Future Combat System-модель армии будущего. Интернет-сайт Источник Источник http://www.lenta.ru/articles/2005/05/24/fcs.
15. Медин А. На пути трансформации. О концепции создания сухопутных войск США нового типа // ВПК. — 2005, №25 (92).
16. Военная доктрина Российской Федерации // Российская газета. — 2000.
17. Лейковский Ю.А. Газотурбинный двигатель. Перспективы применения в БТВТ. В сб. «85 лет отечественному танкостроению» (7—8 сентября). — Н. Тагил, 2005.
18. Парамонов В.А., Филиппов В.П. Топливная экономичность танка Т-80У. Актуальные проблемы защиты и безопасности // Труды Восьмой Всероссийской научно-практической конференции (4-7 апреля 2005 г.), Т. 3. — СПб., 2005.
19. Троицкий Н.И. Танковые двигатели и силовые установки — состояние и задачи развития. В сб. «85 лет отечественному танкостроению» (7—8 сентября). — Н. Тагил, 2005.
20. Костин К.И., Прокопенко Н.И., Соловьев А.А. Развитие силовых установок танков: перспективы и проблемы // Материалы конференции «Броня 2002».
21. Вавилонский Э.Б. Как это было… Ч. 1, Газотурбинный танк — объект 167Т. — Н. Тагил, 2001.
22. Черноморский А.И. О работах по перспективным танковым ГТД за рубежом // Зарубежная военная техника. — 1981, серия 4, №9.
23. Конструктор танковых дизелей И.Я. Трашутин. Уральская школа двигателестроения. — Челябинск: Юж.-Урал. кн. изд-во, 2006.
24. Webrtechnik. 1976, №10, с. 66-69.
25. Engineer, 1977.
26. «Зарубежная военная техника», серия IV, 1981 г. вып.З.
27. «Зарубежная военная техника», серия IV, 1981 г. вып.9.
28. Gas Turbine World, 1977, № 3.
29. Петухов В., Шегалов Л. Методика сравнительной оценки тепловых двигателей различных типов… // Двигателестроение. -1985, №9.
30. Ogorkiewich R. New US Tank Engine is Making Thirsty Work // Jane’s defense Weekly. — 2001, 14 February.
31. Зубов Е.А. Двигатели танков. — M.: НТЦ «Информтехника», 1995.
32. Морозов В., Изотов Д. Двигатели для «летающих» танков // Двигатель. — 1999, №5.
33. Спасибухов Ю. M1 «Абрамс» — основной боевой танк США //Танкомастер. Спец. выпуск. — 2000.
34. Козишкурт В., Ефремов А. Танковый вальс. Будущее отечественного танкостроения // Завтра. — 2007, №46 (730).
35. Овсянников Б. Будущее — за ГТД// НВО. — 2002, №11.
36. Попов Н.С., Изотов СП. и др. Транспортные машины с газотурбинными двигателями. — Л.: Машиностроение, 1980.
37. Желтоножко О. Т.80: История, проблемы, перспективы // Мир оружия. — 2005, 03 (06).
38. Ашик М., Ефремов А., Попов Н. Танк, бросивший вызов времени. — СПб., 2001.
39. Телепередача «Смотр» от января 2007 г. на канале «НТВ».
40. Грехов Л. Революция с воспламенением от сжатия // За рулем. — 2002, №10.
41. Ogorkiewicz R.M. Development progresses with power density engines for light combat vehicles // IDR. — 2005, №2.
42. Christopher F Foss. More Power For Leopard 2 МВТ// Defence Upgrades. — 2003, Vol. VII, №2.
43. Рекламные материалы фирмы MTU. Twelve — Cylinder Disel Engine MT 883 for Heavy Military Vehicles 1100 kW (1500 HP).
44. Рекламные материалы фирмы MTU. Twelve — Cylinder Disel Engine MT 883 Common Rail Injection (CRI) for Heavy Military Vehicles 1100 kW (1500 HP), 1200 kW (1630 HP).
45. Рекламные материалы фирмы MTU по БМП «Пума».
46. Die Us-Firma Detroit Corporation // Soldat und Technik. — 2002, november.
Танки и танковые войска. Ч.1 Бронированные машины
(Танки и танковые войска / Коллектив авторов. Под ред. Маршала бронетанковых войск А. X. Бабаджаняна. — М.: Военное издательство, 1970)
ГЛАВА II
ТАНКИ
РАЗДЕЛ 4. ПОДВИЖНОСТЬ И ПРОХОДИМОСТЬ
Важнейшие боевые качества танка — его подвижность и проходимость — характеризуются наибольшей и средней скоростями движения по различным дорогам и вне дорог, запасом хода с одной заправкой топлива для разных дорожных условий, способностью преодолевать разнообразные естественные и искусственные препятствия, в том числе форсировать водные преграды по дну и вплавь.
Основным направлением увеличения подвижности и проходимости является уменьшение веса танков, обеспечивающее возрастание их удельной мощности, а следовательно, и скоростей движения. На некоторых танках («Леопард», АМХ-30), как уже отмечалось, для уменьшения веса ухудшена броневая защита.
Другое направление — усовершенствование силовых установок, трансмиссии и ходовой части, оказывающих определяющее влияние на подвижность и проходимость танка.
§ 1. СИЛОВАЯ УСТАНОВКА
Силовая установка танка состоит из двигателя и обслуживающих его систем: питания топливом, смазки, охлаждения и пуска. Компоновка силовой установки является сложной задачей. Основное затруднение состоит в том, что необходимо разместить двигатель большой мощности в ограниченном объеме силового отделения и освободить возможно больше места для боевого отделения, где размещается экипаж, расположены вооружение и боекомплект.
Требования к современному танковому двигателю
К современному танковому двигателю предъявляется ряд требований, которым должны отвечать его энергетические, экономические, конструктивные и эксплуатационные показатели.
Танковый двигатель должен иметь большую мощность, минимальные размеры и вес, удобно компоноваться в силовом отделении корпуса танка. Он должен иметь возможно меньший удельный расход топлива во всем диапазоне эксплуатационных оборотов и нагрузок и работать на различных топливах от дизельного до высокооктановых бензинов без снижения мощности и без повышения расхода топлива, а также расходовать на единицу мощности минимальное количество воздуха и обладать возможно меньшей теплоотдачей в охлаждающую жидкость и в масло.
Двигатель должен легко и надежно запускаться при любой температуре без специальной подготовки и работать в любом климатическом поясе, на любой высоте, под водой и в зонах радиоактивного излучения, обладать хорошей приемистостью, т. е. способностью быстро увеличивать и уменьшать обороты, и высоким коэффициентом приспособляемости <77>к изменениям внешней нагрузки, быть хорошо уравновешенным и иметь высокую равномерность хода. Он должен иметь достаточно большой запас моторесурсов, высокую надежность в работе и хорошую ремонтоспособность при минимальном времени на обслуживание в процессе эксплуатации и иметь конструкцию, пригодную для массового или крупносерийного производства.
В настоящее время еще не создан двигатель, в полной мере удовлетворяющий всем перечисленным требованиям. Учитывая противоречивый характер этих требований, создание такого двигателя представляет весьма сложную задачу.
Мощность двигателей современных основных танков достигает 600—850 л. с. и имеет тенденцию к дальнейшему повышению.
Одним из важнейших показателей танкового двигателя является его габаритная мощность Nг — отношение максимальной эффективной мощности Nе двигателя к его габаритному объему Vг, подсчитываемому как произведение наибольших габаритных размеров двигателя: длины L, ширины В и высоты Н.
Габаритная мощность двигателя зависит от литровой мощности Nл, характеризующей степень использования рабочего объема цилиндров или степень форсирования двигателя, и от компактности его конструкции. Компактность двигателя оценивается величиной отношения литража двигателя к его габаритному объему. Это отношение можно получить, если выражение габаритной мощности умножить и разделить на литраж Vл:
Отношение Vл/Vг принято называть коэффициентом компактности К (л/м 3 ).
Вторым основным показателем танкового двигателя является удельный эффективный расход топлива
где Gт — часовой расход топлива, кг/ч.
При ограниченном объеме топливных баков наибольший запас хода без дозаправки (при прочих равных условиях) обеспечит двигатель, работающий на более тяжелом топливе и имеющий меньший удельный расход топлива.
Наилучшее сочетание этих двух основных показателей пока остается у дизеля. Именно этим объясняется то обстоятельство, что дизель в настоящее время завоевал во всем мире исключительное положение как лучший танковый двигатель, хотя по энергетическим, весовым и габаритным показателям он уступает как бензиновым с искровым зажиганием, так и газотурбинным двигателям.
Советские танкостроители гордятся тем, что именно советский дизель В-2 был первым в мире танковым двигателем, установленным на танке Т-34. Дизель В-2 сыграл важную роль в обеспечении этому танку высоких показателей подвижности. Известно, что именно под влиянием успешного применения дизеля В-2 формировались современные тенденции развития танковых двигателей. В настоящее время ни на одном из зарубежных танков не осталось бензинового двигателя — на всех без исключения устанавливаются дизели.
Современное состояние поршневых двигателей и перспективы дальнейшего их совершенствования
В табл. 2 приведены данные современных танковых двигателей основных капиталистических стран и для сравнения данные советского танкового двигателя В-54 (рис. 50) выпуска послевоенных лет. Как видно из табл. 2, по габаритной мощности двигатель В-54 уступает только одному английскому двухтактному дизелю L-60 танка «Чифтен».
Рис. 50. Советский танковый дизель типа В-54
Правда, значительно большую габаритную мощность имеет американский дизель Катерпиллар LVMS-1050, но он еще не вышел из стадии доработки. В то же время по степени форсирования многие двигатели значительно опередили двигатель В-54: их литровая мощность значительно выше. Несмотря на это, конструкция двигателя В-2 является наиболее удачной, так как коэффициент компактности К, равный 33,2 л/м3, до настоящего времени не достигнут ни в одном из современных танковых двигателей. Конструкция двигателя В-54 также свидетельствует, что дизель (как танковый двигатель) имеет большие резервы для повышения габаритных показателей. Это же подтверждает опыт создания двигателя Катерпиллар LVMS-1050.
По удельному расходу топлива двигатели с турбонаддувом имеют несколько лучшие показатели, а двигатели с приводным нагнетателем — не лучшие, чем у двигателя В-54.
Таблица 2
Характеристика современных танковых поршневых двигателей
Большинство современных танковых двигателей — четырехтактные, жидкостного охлаждения. Двухтактные дизели установлены только в английском танке «Чифтен» и в шведском танке «S». Малое распространение двухтактных двигателей объясняется определенными трудностями, <79>связанными с обеспечением работоспособности поршневой группы из-за более высокой средней температуры газов за цикл и соответственно большего количества тепла, воспринимаемого поршнем, что вызывает перегрев поршня и поршневых колец. Кроме того, в двухтактном двигателе трудно обеспечить хорошую очистку цилиндра от отработавших газов и наполнение его свежим зарядом при умеренном расходе воздуха на продувку. Однако высокие энергетические показатели двухтактных двигателей создают потенциальные возможности для получения большой габаритной мощности, что делает эти двигатели перспективными для танков, а опыт создания двигателей Лейланд доказывает возможность преодоления перечисленных выше трудностей.
Рис. 51. Двигатель Континенталь AVDS-1790-2
Воздушное охлаждение имеют американский двигатель Континенталь AVDS-1790-2 танка М-60 (рис. 51) и японский двигатель Мицубиси 12НМ-21-WТ. Но, по-видимому, эти двигатели — последние представители танковых двигателей воздушного охлаждения. Общепризнано, что в условиях танка, когда двигатель находится в закрытом отсеке корпуса, обеспечить надежное охлаждение его непосредственно воздухом значительно сложнее, чем с помощью промежуточного теплоносителя — жидкости. Двигатель получается громоздким, с малой габаритной мощностью, а на создание интенсивного потока воздуха приходится затрачивать относительно большую часть мощности двигателя. При воздушном охлаждении невозможно изолировать воздушный тракт системы охлаждения от остальной части силового отделения корпуса танка, что значительно усложняет охлаждение двигателя при движении под водой и увеличивает загрязнение силового отделения радиоактивной пылью при преодолении зон радиоактивного заражения.
Так, например, габаритная мощность американского двигателя AVDS-1790-2, имеющего сравнительно удачную схему воздушного охлаждения, всего около 300 л. с./м 3 , т. е. меньше, чем у двигателя В-54, даже с учетом объемов, занимаемых водяным и масляным радиаторами, <82>вентилятором и масляным баком в танке Т-54. А расход мощности на охлаждение двигателя AVDS-1790-2 (120 л. с.) составляет 16% максимальной мощности, т. е. больше, чем в танке Т-54. Характерно, что новые американские танковые двигатели, разрабатываемые фирмой Катерпиллар, имеют уже жидкостное охлаждение.
Все современные танковые двигатели создаются многотопливными. Способность двигателя работать на любом топливе — от дизельного до высокооктановых бензинов — значительно упрощает задачу снабжения танковых войск горючим.
Дизель, как тип двигателя, обладает способностью работать на различных топливах. Однако при переводе обычного дизеля на более легкое топливо заметно уменьшается его мощность и соответственно увеличивается удельный расход топлива, работа двигателя становится более жесткой, увеличиваются стуки и дымность, сокращается моторесурс двигателя, затрудняется запуск двигателя при низкой температуре. Причина этих особенностей заключается в том, что керосин и особенно бензин воспламеняются при более высокой температуре, чем дизельное топливо. В связи с этим увеличивается период задержки воспламенения, за который в цилиндре скапливается большое количество топлива. Из-за быстрого сгорания этого топлива после воспламенения давление газов повышается с большой скоростью, что и обусловливает жесткую работу. Во время запуска двигателя при низкой температуре окружающего воздуха температура в цилиндре может оказаться недостаточной для воспламенения, в результате чего двигатель не запустится. Значительно меньшая вязкость легких топлив служит причиной увеличения утечек топлива за период впрыска его в цилиндр.
Чтобы обеспечить одинаково хорошую работу и надежный запуск двигателя на любом топливе, в его конструкции необходимо предусмотреть ряд особенностей. Степень сжатия многотопливного двигателя должна быть порядка 18—20, что обеспечит достаточно высокую температуру к моменту начала впрыска топлива в цилиндр. Камера сгорания должна обеспечивать быстрый прогрев поступающих в цилиндр капелек топлива. Лучшей для многотопливного двигателя является камера сгорания (выемка специальной формы), выполненная в днище поршня. Неплохие результаты получаются при так называемых разделенных камерах — вихревой и предкамере. Предкамеру имеют американские двигатели Катерпиллар и западногерманский двигатель Даймлер-Бенц, вихревую — французский двигатель Испано-Сюиза.
Топливоподающая система многотопливного двигателя также должна иметь ряд особенностей. Увеличение периода задержки воспламенения вызывает необходимость автоматического изменения момента начала подачи топлива. Положение ограничителя максимальной подачи топлива должно быть переменным, чтобы изменением объемной порции топлива компенсировать изменение его плотности и разницу в утечках, зависящих от вязкости. Давление, создаваемое топливоподкачивающим насосом, увеличивается до 2,5—5 кГ/см 2 , чтобы исключить возможность образования паров бензина во всасывающей полости насоса высокого давления и улучшить наполнение надплунжерного объема. Для этого же систему подкачки топлива делают проточной. Предусматривается специальная система уплотнений и дренажа, предотвращающая попадание бензина в масло. При работе на бензине плунжерные пары топливного насоса не нуждаются в специальной смазке, но к кулачковому валу и толкателям подвод смазки необходим.
Танковые двигатели имеют повышенные энергетические показатели <83>и рассчитаны на работу до 500—1000 мото-часов, а в отдельных случаях и меньше. Такие двигатели называются форсированными.
Увеличить литровую мощность — основной энергетический показатель двигателя, — как это следует из выражения
можно при данной тактности τ двумя путями: увеличением среднего эффективного давления pе и повышением оборотов n.
Обороты целесообразно увеличивать до тех пор, пока возрастает произведение pen. Однако с увеличением оборотов среднее эффективное давление уменьшается, во-первых, из-за сокращения времени на процессы смесеобразования и сгорания, в результате чего уменьшается полезная работа газов, и, во-вторых, из-за увеличения механических потерь, которые пропорциональны средней скорости движения поршня, подсчитываемой по формуле
где S — ход поршня, м
n — число оборотов коленчатого вала в минуту.
Практикой установлено, что средняя скорость движения поршня в дизеле не должна превышать 12—13 м/сек, так как при большей скорости движения сильно увеличивается износ цилиндра и поршневой группы.
Чтобы при увеличении оборотов средняя скорость движения поршня не возрастала, уменьшают ход поршня, т. е. делают двигатели короткоходными. Для современных двигателей характерно уменьшение относительной короткоходности, когда уменьшается отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D. В дизелях отношение S/D в настоящее время приблизилось к единице, а в бензиновых двигателях достигает 0,8—0,75 и даже меньше. Отношение S/D 3 .
Следовательно, повысить Pe можно лишь за счет увеличения плотности воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, потому что остальные параметры либо постоянные (Hн, l0), либо могут быть изменены только на незначительную величину. Так, например, эффективный коэффициент полезного действия и коэффициент наполнения дизеля могут быть увеличены лишь на единицы процентов. Коэффициент избытка воздуха α хотя и остается в дизеле значительно больше единицы, особенно у дизелей с неразделенной камерой сгорания, но уменьшение его влечет за собой повышение тепловой напряженности двигателя, ухудшение процесса сгорания топлива, увеличение доли тепла, отводимого в систему охлаждения, и в результате уменьшение эффективного коэффициента полезного действия двигателя. Поэтому и за счет уменьшения ά большого увеличения среднего эффективного давления получить не удается.
Плотность воздуха можно увеличить, сжимая его предварительно в специальном компрессоре-нагнетателе, установленном на двигателе. Подача в цилиндры двигателя воздуха под давлением носит название наддува.
Сущность наддува, как средства форсирования двигателя, заключается в следующем. Известно, что весовое количество воздуха, заполняющего определенный объем, пропорционально плотности. Заполнение цилиндров двигателя сжатым воздухом как бы увеличивает их вместимость, что дает возможность сжигать в них больше топлива за цикл и соответственно получать больше полезной работы.
В настоящее время наддув получил весьма широкое распространение как средство форсирования дизелей. Все без исключения современные танковые двигатели снабжены нагнетателями, повышающими давление воздуха до 1,5—3 ата. Эффективность наддува видна из табл. 2: литровая мощность современных серийных танковых дизелей достигает 20—37 л. с./л, а в опытном американском двигателе Катерпиллар LVMS-1050 она равна 58,2 л. с./л, причем, по данным зарубежной печати, фирма предполагает довести ее до 80—100 л. с./л.
Однако с применением наддува возникает ряд новых проблем. Повышаются давление в конце такта сжатия и максимальное давление газов в цилиндре и вместе с этим возрастают нагрузки на кривошипный механизм. Сжатие воздуха в компрессоре сопровождается повышением его температуры, в результате чего повышается средняя температура цикла и увеличивается тепловая напряженность двигателя.
При давлении наддува 1,5—2,0 ата, применяемого на большинстве современных дизелей, максимальное давление и температура газов сравнительно невелики. В то же время жесткость работы, характерная для дизелей, как правило, уменьшается, так как с повышением давления и температуры воздуха в конце такта сжатия улучшается процесс сгорания и уменьшается период задержки воспламенения. Поэтому такой наддув не вызывает необходимости внесения существенных изменений в конструкцию двигателя.
При давлении наддува 2,5—3,0 ата и выше увеличивается тепловая и механическая напряженность двигателя, поэтому требуются специальные меры для обеспечения его работоспособности.
Американская фирма Катерпиллар, впервые применившая высокий наддув в танковых дизелях, охлаждает воздух после компрессора, что снижает температуру, соответственно уменьшает тепловую напряженность двигателя и увеличивает плотность воздуха. В результате значительно <85>увеличивается мощность двигателя. Так, например, двигатель Катерпиллар LVDS-1100 без охлаждения воздуха после компрессора развивает литровую мощность 29,3 л. с./л, а с охлаждением на 30° — 35,8 л. с./л.
Снижение температуры воздуха, поступающего в цилиндры, благоприятно отражается и на уменьшении количества тепла, отводимого в систему охлаждения, благодаря чему можно сократить размеры радиатора и снизить мощность, затрачиваемую на привод вентилятора. При повышении давления наддува до 2,5—3,0 ата значительно возрастает давление газов. Особенно сильно увеличивается давление в современных многотопливных двигателях, имеющих высокую степень сжатия. Расчеты показывают, что при давлении наддува 3 ата и охлаждении воздуха после компрессора на 30° давление в конце сгорания при степени сжатия 20,5 должно достигать как минимум 180—200 ата.
Поскольку высокая степень сжатия необходима главным образом для запуска многотопливного двигателя и для уменьшения жесткости его работы на малых нагрузках, а на режимах, соответствующих большим нагрузкам, она не является оптимальной, в двигателях с высоким давлением наддува применяются поршни специальной конструкции, с помощью которых максимальное давление газов ограничивается заданной величиной, а степень сжатия при этом автоматически изменяется в зависимости от нагрузки.
Рис. 52. Схема поршня, обеспечивающего автоматическую регулировку степени сжатия:
1 — наружный стакан; 2 — вставка; 3 — верхняя масляная полость; 4 – редукционный клапан, 5 — нижняя масляная полость; 6 — калиброванное отверстие; 7 — обратные клапаны
На рис. 52 показана конструктивная схема поршня, который состоит из наружного стакана 1 и вставки 2 (при этом стакан может перемещаться относительно вставки). В полость 3 между стаканом и вставкой подводится масло из системы смазки двигателя через обратный клапан 7. Давление масла в полости 3 ограничивается редукционным клапаном 4. Если давление газов превышает расчетное, часть масла через редукционный клапан вытекает из полости 3 и стакан опускается, при этом увеличивается объем камеры сжатия и соответственно уменьшается степень сжатия. Пределы изменения степени сжатия от 12 до 22 вполне обеспечивают диапазон возможных нагрузок. Для ограничения скорости движения стакана в крайнее верхнее положение служит нижняя полость 5, также заполненная маслом. При движении стакана 1 вверх объем полости 5 уменьшается, но вытекание масла из нее лимитируется калиброванным отверстием 6, подобранным с таким расчетом, чтобы стакан успевал подниматься за цикл не более чем на 0,1—0,2 мм.
Для сжатия воздуха в компрессоре затрачивается значительная мощность. Даже при давлении наддува 1,6—1,7 ата в двигателе мощностью 700—750 л. с. на компрессор расходуется 100—120 л. с. Если <86>компрессор приводится в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя (приводной компрессор), эта мощность, складываясь с механическими потерями, заметно уменьшает механический и эффективный коэффициенты полезного действия двигателя; соответственно на 3—5% увеличивается удельный расход топлива. В настоящее время приводные нагнетатели применяются сравнительно редко. Они имеются на английском двухтактном двигателе Лейланд L-60 и западногерманском двигателе Даймлер-Бенц.
На большинстве дизелей наддув осуществляется от агрегатов, называемых турбокомпрессорами. Турбокомпрессор состоит из компрессора и турбины, соединенных общим валом. Отработавшие газы, выбрасываемые из цилиндров двигателя, направляются на лопатки турбины и совершают там дополнительную работу, вращая турбину и компрессор. Таким образом, удается использовать энергию отработавших газов для привода компрессора и не отбирать мощность с коленчатого вала. Правда, при установке турбины несколько увеличивается давление в выпускном коллекторе двигателя и возрастают потери энергии на выталкивание газов из цилиндров в такте выпуска. Но эти потери невелики по сравнению с мощностью, развиваемой турбиной. Благодаря этому удельный расход топлива у двигателей с турбокомпрессором всегда меньше, чем у двигателей без наддува или у двигателей с приводным компрессором, и не превышает 155—170 г/л. с.-ч.
По расположению цилиндров современные четырехтактные танковые двигатели имеют много общего. Все они двухрядные с V-образным или оппозитным расположением цилиндров. Число цилиндров от 8 до 12. Угол развала только в двух 12-цилиндровых двигателях (В-54 и Катерпиллар LVMS-1050) равен 60°, в остальных (кроме оппозитного) — 90°.
Для обеспечения равномерного чередования рабочих ходов угол развала γ должен быть равен в четырехтактных двигателях:
где i — число цилиндров двигателя, а m — любое целое число. Так, например, для 12-цилиндрового двигателя угол γ должен быть равен 60° или 180°, для 8-цилиндрового — 90°, для 10-цилиндрового — 72°. Однако угол развала должен выбираться с учетом возможности уравновешивания сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс кривошипного механизма и их моментов.
В 12-цилиндровом двигателе эти силы и моменты взаимно уравновешены в каждом 6-цилиндровом блоке, поэтому с точки зрения уравновешивания угол развала цилиндров может быть любой.
Для двигателей с числом цилиндров, меньшим 12, наилучшим является угол развала, равный 90°, так как в этом случае уравновесить силы инерции первого порядка и их моменты, наиболее опасные из-за большой величины, можно противовесами, размещенными на концах коленчатого вала.
Для 8-цилиндрового двигателя угол развала γ, равный 90°, является оптимальным, так как он обеспечивает одновременно и равномерность чередования рабочих ходов, и взаимное уравновешивание сил инерции второго порядка и их моментов.
При выборе угла развала большое значение имеют также соображения конструктивного порядка — удобство размещения агрегатов двигателя, необходимость уменьшения его высоты и т. п. Именно из конструктивных соображений выбран угол развала 90° в 12-цилиндровом <87>двигателе Континенталь, что позволило расположить вентиляторы системы охлаждения в развале между цилиндрами.
Несколько необычное число цилиндров (десять) имеет западногерманский двигатель Даймлер-Бенц (рис. 53). Вероятно, это обусловлено стремлением уменьшить длину двигателя при значительном по величине литраже (37,4 л).
Рис. 53. Двигатель Даймлер-Бенц MB 838 Ca-500
Горизонтальное противоположное расположение цилиндров целесообразно в тех случаях, когда необходимо получить наименьшую высоту двигателя. При таком расположении цилиндров высота двигателя определяется высотой его картера или диаметром маховика. Однако габаритный объем двигателя в этом случае все же остается большим, так как все агрегаты двигателя оказываются снаружи в том смысле, что их невозможно вписать в габариты самого двигателя, как при V-образном расположении цилиндров.
Попытки применить другие схемы расположения цилиндров (Х-образное, Н-образное и т. д.) не увенчались успехом, так как, не давая сколько-нибудь заметных габаритных преимуществ, они сильно усложняют задачу расположения агрегатов и доступ к ним.
Представляет интерес конструкция опытного танкового двигателя Катерпиллар LVMS-1050, внешний вид которого представлен на рис. 54, а блок-картер и коленчатый вал — на рис. 55. Блок-картер отлит из алюминиевого сплава. Между блоком и головкой находится стальная плита, обеспечивающая уплотнение газового стыка. Подвески коренных подшипников опираются на наклонные плоскости перегородок картера, что обеспечивает их надежную фиксацию. Коленчатый вал отличается отсутствием щек: развитые по диаметру коренные и шатунные шейки настолько перекрывают друг друга, что достаточная прочность и жесткость вала обеспечиваются только за счет перекрытия шеек. Это <88>упростило конструкцию вала и дало возможность расположить по два одинарных шатуна на каждой шатунной шейке.
Заслуживает внимания универсальность конструкции двигателя. Отбирать мощность можно с любого из двух одинаковых концов коленчатого вала. Турбокомпрессоры (их два) можно устанавливать на торцах блоков цилиндров также с любой стороны. Система приводов вспомогательных агрегатов имеет четыре вывода и позволяет располагать агрегаты в наиболее удобных местах. Каждый вывод рассчитан на отбор мощности 75 л. с.
Рис. 54. Двигатель Катерпиллар LVMS-1050
Рис. 55. Детали двигателя LVMS-1050:
а – блок-картер (вид сверху); б – блок-картер (вид снизу);в – коленчатый вал
В создаваемом семействе двигателей мощностью от 250 до 1000 л. с., включающем 4- и 6-цилиндровые однорядные и 8- и 12-цилиндровые V-образные двигатели, около 90% взаимозаменяемых деталей.
Двигатель рассчитан для работы как на дизельном топливе, так и на бензине с октановым числом от 83 до 91. Специальное автоматическое устройство, установленное на двигателе, избавляет от необходимости каких-либо переналадок топливоподающей системы при переходе с одного топлива на другое. Топливные насосы индивидуальные для каждого цилиндра.
Двухтактные двигатели, установленные на английском танке «Чифтен» и на шведском танке «S», выполнены по одинаковой схеме. Это однорядные 6-цилиндровые двигатели с двумя противоположно движущимися поршнями в каждом цилиндре. Цилиндры расположены вертикально.
На рис. 56 представлен поперечный разрез английского двигателя Лейланд L-60. Каждый поршень одного цилиндра соединен со своим коленчатым валом, оба коленчатых вала связаны с валом отбора мощности шестеренчатым редуктором. Вал отбора мощности вращается несколько быстрее, чем коленчатые валы. Расходясь в такте расширения, поршни открывают в конце такта выпускные и продувочные окна, выполненные в цилиндре; происходит процесс продувки, в ходе которого цилиндр очищается от отработавших газов и наполняется свежим воздухом.
<90>На двигателе установлен продувочный двухроторный компрессор объемного типа, поддерживающий давление в ресивере перед продувочными окнами на уровне 1,4 ата. Камера сгорания образуется между головками поршней при их сближении. Топливо впрыскивается в цилиндр через четыре форсунки, расположенные в средней части цилиндра.
Рис. 56. Поперечный разрез двигателя Лейланд L-60
Такая схема двухтактного двигателя, по мнению иностранных специалистов, имеет ряд преимуществ и является наиболее перспективной. Расположение выпускных и продувочных окон на противоположных концах цилиндра (так называемая прямоточная продувка) позволяет успешно решить одну из труднейших задач для двухтактного двигателя — обеспечить хорошую очистку цилиндра от отработавших газов при небольшом коэффициенте избытка продувочного воздуха. Расположение камеры сгорания между поршнями уменьшает охлаждаемую поверхность цилиндра, благодаря чему уменьшается количество отводимого в систему охлаждения тепла, что в свою очередь позволяет уменьшить размеры водяного радиатора и количество охлаждающего воздуха. Поэтому в двигателях, выполненных по такой схеме, доля тепла, отводимого в систему охлаждения, меньше, чем в четырехтактных, несмотря на более высокую среднюю температуру цикла.
Недостаток схемы — необходимость иметь два коленчатых вала, соединяющихся редуктором, и соответственно два картера, что делает двигатель громоздким и тяжелым. Именно этим объясняются сравнительно <91>небольшие величины коэффициента компактности—13,5 л/м 3 и габаритной мощности — 498 л. с./л (при высокой литровой мощности 36,8 л. с./л) и довольно высокий удельный вес этого двигателя — 2,02 кг/л. с.
Рис. 57. Поршень двигателя Лейланд L-60
1 — поршень; 2 — накладка; 3 — жаровое кольцо; 4 — верхнее компрессионное кольцо
Общим недостатком двухтактных двигателей, от которых не свободен и двигатель Лейланд, является высокая тепловая напряженность поршня. Для обеспечения работоспособности поршневой группы необходимы специальные меры. Обычный поршень из алюминиевого сплава, даже если его охлаждать маслом, непригоден. Поршень двигателя Лейланд (рис. 57) комбинированный: он выполнен из алюминиевого сплава, а к его головке крепится накладка 2 из жаропрочной стали. Верхнее компрессионное кольцо 4 от горячих газов защищается неразрезным жаровым кольцом 3, также выполненным из жаропрочной стали. Снизу на днище поршня непрерывно подается масло, поступающее по каналу в стержне шатуна.
Перспективы применения в танках газотурбинных двигателей
Газотурбинный двигатель, как и поршневой, относится к двигателям внутреннего сгорания, но в отличие от поршневого все процессы в нем разделены территориально и совершаются непрерывно: воздух всасывается и сжимается в компрессоре, топливо сгорает в камере сгорания, продукты сгорания расширяются в турбинах. Роторы компрессора и турбин совершают только вращательное движение, в двигателе нет возвратно-поступательно движущихся масс, а следовательно, и сил инерции, нагружающих подшипники вала. Все это позволяет газотурбинному двигателю (по сравнению с поршневым) развивать более высокие обороты, так как они лимитируются только прочностью дисков и лопаток компрессора и турбины. Большие скорости открывают потенциальную возможность создания двигателя с высокой габаритной мощностью. Это обстоятельство делает газотурбинный двигатель весьма перспективным для танков, где малогабаритность двигателя представляет большую ценность.
Опыт создания авиационных газотурбинных двигателей показывает, что их габаритная мощность может достигать 3000—4000 л. с./м 3 . Конструктивно газотурбинный двигатель проще поршневого и значительно легче. Кроме того, как уже отмечалось ранее, он легко запускается при низкой температуре без предварительного подогрева и не нуждается в длительном прогреве: через 3—4 мин после запуска он готов принимать любую нагрузку. Это имеет большое значение для танка как для боевой машины. Характеристика двухвального газотурбинного двигателя позволяет <92>обойтись значительно меньшим количеством передач и тем самым упростить трансмиссию и облегчить управление машиной. Значительно проще система охлаждения газотурбинного двигателя, требующая меньшей затраты мощности.
Однако в настоящее время считается, что газотурбинный двигатель еще не может конкурировать с дизелем. Основной его недостаток — низкий коэффициент полезного действия и соответственно высокий удельный расход топлива: машина с газотурбинным двигателем без теплообменника расходует на 100 км в полтора — два раза больше топлива, чем машина с дизелем.
В числе других недостатков газотурбинного двигателя, затрудняющих применение его в танке, следует отметить: в несколько раз больший расход воздуха и отсюда трудности, связанные с очисткой воздуха от пыли и с питанием двигателя воздухом в условиях движения под водой; значительно меньшую по сравнению с поршневым двигателем приемистость, что делает машину менее управляемой и существенно снижает среднюю скорость движения по пересеченной местности; невозможность торможения машины двигателем (без специальных устройств), что также усложняет вождение. Необходимо отметить сильную зависимость мощности газотурбинного двигателя от температуры и давления окружающего воздуха, от сопротивления на входе воздуха в компрессор и на выходе отработавших газов из турбины.
Низкая экономичность газотурбинного двигателя связана с необходимостью ограничения температуры газов, поступающих на лопатки турбины, из-за сложности их эффективного охлаждения; в современных двигателях она не превышает 900—950° С. Ограничивают температуру за счет увеличения коэффициента избытка воздуха, который в газотурбинных двигателях в три — четыре раза больше, чем в поршневых, а это увеличивает расход воздуха и затраты мощности на сжатие его в компрессоре: мощность, потребляемая компрессором, составляет 150—200% эффективной мощности газотурбинного двигателя.
Повышать экономичность газотурбинного двигателя можно двумя путями. Первый путь — повышение температуры газов перед турбиной. Но это потребует или достаточно эффективного охлаждения лопаток турбины, что трудно осуществить из-за их малых размеров, или создания для лопаток нового, более жаропрочного материала, что также представляет весьма трудную задачу. Второй путь — применение теплообменников, в которых часть тепла от отработавших газов передается направляющемуся в камеру сгорания воздуху. Благодаря этому уменьшается количество топлива, которое необходимо сжигать в камере сгорания, чтобы нагреть газы до нужной температуры. Этот путь более легкий, и все современные газотурбинные двигатели транспортного типа снабжаются теплообменниками. Установка теплообменника со степенью теплообмена 0,8—0,85 1 при температуре газов перед турбиной 900—950° С снижает удельный расход топлива до 200—220 г/л. с.-ч. Однако при этом газотурбинный двигатель теряет свое основное преимущество: его габаритная мощность уменьшается до 350—450 л. с./м 3 .
1 Степенью теплообмена σ называется отношение действительного повышения температуры воздуха в теплообменнике к теоретически возможному (до температуры отработавших газов). Она характеризуется использованием тепла отработавших газов. Так, например, если температура газов после турбины tв = 700° С, а температура воздуха в теплообменнике повышается от tс = 300° С (с которой он выходит из компрессора) до tr = 600° С, то
Работа по созданию танкового газотурбинного двигателя в настоящее <93>время интенсивно ведется во многих странах. В Соединенных Штатах Америки эта работа была поручена параллельно трем фирмам: Форд, Солар и Оренда (канадская). Все фирмы разрабатывали конструкцию газотурбинного двигателя мощностью 600 л. с. с теплообменником.
Таблица 3
Основные показатели газотурбинных двигателей
В табл. 3 приведены проектные данные этих двигателей. Судя по ним, получены неплохие экономические показатели, но по габаритным показателям спроектированные двигатели не имеют преимуществ перед дизелями. Следует заметить, что к опубликованным экономическим показателям нужно подходить осторожно, потому что сведений о подтверждении проектных данных экспериментом до сих пор еще нет, однако известно, что военное ведомство США прекратило финансирование этих работ и ведет пересмотр тактико-технических требований к танковому газотурбинному двигателю.
Тем не менее разработанные указанными выше фирмами проекты представляют интерес. Заслуживает внимания низкий удельный расход топлива, полученный для всех трех двигателей, и то обстоятельство, что одинаковый расход топлива в двигателях Солар и Оренда получен при различных значениях температуры газов перед турбиной и степени теплообмена. Очевидно, это связано с различием в коэффициентах полезного действия компрессора и турбин, а также в потерях давления по газовоздушному тракту, что оказывает большое влияние на экономичность двигателя. Двигатель Солар, судя по габаритной мощности, менее компактен, чем двигатель Оренда, что обусловлено более низкой температурой газов и соответственно большим расходом воздуха.
Фирма Форд применила для танкового двигателя Форд-705 трехвальную схему, проверенную в автомобильном варианте двигателя Форд-704 мощностью 300 л. с. Двигатель имеет два турбокомпрессора и свободную силовую турбину, две камеры сгорания, теплообменник и промежуточный охладитель для охлаждения воздуха перед вторым компрессором. Это позволило сильно увеличить степень повышения давления (она в этом двигателе равна 16, а в обычном двухвальном — 4—6) и повысить температуру газов перед силовой турбиной за счет топлива, сжигаемого в дополнительной камере сгорания. Степень повышения давления в этом двигателе выбрана выше оптимальной для режима максимальной мощности, поэтому расход топлива на этом режиме получился более высоким, чем у двигателей Солар и Оренда. Зато на режимах неполной нагрузки, на которых приходится работать двигателю большую часть времени, расход уменьшается до 182 г/л.с.-ч на режиме 0,4 от максимальной мощности против 198 и 217 г/л. с.-ч у двигателей Солар и Оренда. Такая характеристика двигателя по удельному расходу делает его близким к поршневым двигателям.
Схема двигателя Форд-705 приведена на рис. 58. Атмосферный воздух поступает в компрессор низкого давления центробежного типа, где сжимается до 4 ата. Прежде чем попасть в компрессор высокого давления, воздух проходит через промежуточный охладитель, в котором охлаждается потоком воздуха, создаваемым специальным вентилятором. Промежуточное охлаждение воздуха при постоянном давлении уменьшает его объем, благодаря чему уменьшаются размеры компрессора высокого давления и мощность, затрачиваемая на его привод. Из охладителя воздух направляется в компрессор высокого давления центробежного типа, где сжимается до 16 ата, и через теплообменник поступает в камеру сгорания, где температура газов повышается до 954° С. Из камеры газы поступают на лопатки центростремительной турбины высокого давления, соединенной с компрессором высокого давления. <95>Пройдя эту турбину, газы попадают в дополнительную камеру сгорания, в которой их температура снова повышается, а затем последовательно проходят осевую силовую турбину, осевую турбину низкого давления, соединенную с компрессором низкого давления, и теплообменник, после чего они выбрасываются в атмосферу.
Рис. 58. Схема трехвального газотурбинного двигателя Форд-705:
1 — компрессор низкого давления; 2 — промежуточный охладитель; 3 — компрессор высокого давления; 4 — теплообменник; 5 — камера сгорания; 6 — турбина высокого давления; 7 — дополнительная камера сгорания; 8 — силовая турбина; 9 — турбина низкого давления; 10 — вентилятор промежуточного охладителя
Расход воздуха в этом двигателе сравнительно небольшой — 2 кГ/сек, что значительно меньше, чем в двухвальных двигателях Солар и Оренда (но все же гораздо больше, чем в дизеле такой же мощности). Однако, несмотря на небольшой расход воздуха и малые размеры рабочих колес компрессоров и турбин, из-за сложности конструкции <96>(рис. 59) и большого количества агрегатов двигатель получился громоздким с габаритной мощностью 440 л.с./м 3 (такой же, как у безнаддувного дизеля В-54). Отсюда видно, что усложнение схемы газотурбинного двигателя не всегда может дать выигрыш в габаритах.
Рис. 59. Трехвальный газотурбинный двигатель Форд-705:
1 — силовая турбина; 2 — камера сгорания; 3 — компрессор высокого давления; 4 — вентилятор; 5 — промежуточный охладитель; 6 — компрессор низкого давления; 7 — теплообменник
Силовая установка шведского танка «S» (рис. 60) состоит из газотурбинного двигателя Волво-DRGT-1 и двухтактного дизеля Ролльс-Ройс. Оба двигателя имеют почти одинаковую мощность: дизель развивает 240 л. с., а газотурбинный двигатель — 250 л. с. Двигатели могут работать вместе или каждый отдельно. По габаритам эта установка уступает обычной с одним двигателем, а рационально использовать мощность каждого из двигателей вряд ли можно. Статистика показывает, что наиболее длительное время двигатель танка работает на режимах, соответствующих 60—70% максимальной мощности, которой ни один из двигателей танка «S» обеспечить не может.
Рис. 60. Силовая установка шведского танка «S»:
1 — поршневой двигатель; 2 — газотурбинный двигатель
Шведский газотурбинный двигатель Волво-DRGT-1 интересен тем, что между двумя ступенями его силовой турбины имеется дифференциальная шестеренчатая передача, благодаря которой крутящий <97>момент при изменении оборотов вала отбора мощности изменяется более резко, чем у обычного двухвального двигателя. Для увеличения тормозного момента двигателя установлен гидротормоз. Двигатель снабжен вращающимся теплообменником с высокой степенью теплообмена (0,85) и при сравнительно невысокой температуре газов перед турбиной имеет хороший удельный расход топлива (180 г/л.с.-ч). Габаритная мощность двигателя невелика (330 л. с./м 3 ) и находится на уровне поршневых автомобильных двигателей.
Перспективы применения в танках роторных двигателей
По данным иностранной печати, в настоящее время конструкторов привлекает еще один тип двигателя — роторный. Существует большое количество проектов двигателей, в которых возвратно-поступательное движение поршня заменяется вращательным движением ротора, выполняющего роль поршня. Одним из наиболее реальных проектов является проект немецкого инженера Ванкеля, который предложил заменить поршень треугольным ротором, совершающим планетарное вращение в корпусе, рабочая поверхность которого имеет форму эпитрохоиды.
Рис. 61. Схема рабочего процесса роторного двигателя
Из схемы (рис. 61) видно, что объем, заключенный между двумя смежными вершинами ротора, перемещается вместе с ними при вращении ротора вдоль рабочей поверхности корпуса и за каждый оборот ротора два раза последовательно увеличивается и уменьшается. Это позволяет осуществить четырехтактный цикл, как в обычном поршневом двигателе, не имея возвратно-поступательно движущихся масс.
Разработанный вначале как бензиновый с искровым зажиганием двигатель Ванкеля имеет ряд преимуществ перед поршневыми. Отсутствие возвратно-поступательно движущихся масс позволило существенно увеличить скорость вращения вала. Несмотря на это, коэффициент наполнения остается высоким, благодаря тому, что поток свежего заряда во впускном окне практически непрерывен из-за взаимного перекрытия периодов наполнения отдельных объемов. Отсутствие клапанов упрощает конструкцию двигателя и обеспечивает бездетонационное сгорание бензина при значительно более высоких степенях сжатия, чем в поршневых двигателях с искровым зажиганием.
Выполненные в металле роторные двигатели имеют высокие литровую и габаритную мощности и небольшой для бензинового двигателя удельный расход топлива. Компактность и экономичность роторных двигателей вызвали большой интерес к ним во многих странах. Но, поскольку для танка бензиновый двигатель не подходит, начались попытки использовать роторный двигатель для осуществления в нем цикла с воспламенением от сжатия. Здесь встретились значительные трудности. Во-первых, в роторном двигателе трудно получить достаточно высокую степень сжатия, чтобы иметь возможность придать камере сгорания необходимую форму. Во-вторых, из-за высокого давления цикла с воспламенением от сжатия возникают трудности в обеспечении надежного уплотнения объемов между вершинами ротора и в работе подшипников, на которые действуют огромные по величине силы давления газов и центробежные силы от вращающихся масс.
В печати до сих пор нет сообщений о том, что где-либо разработана конструкция роторного дизеля, хотя сообщения о том, что такая работа ведется, имеются. В настоящее время еще не накоплено достаточно данных, чтобы можно было иметь определенное суждение о перспективности роторных двигателей для танков, но работа над ними представляет несомненный интерес.
Силовая установка танка
Так же как и к двигателю, основным требованием к силовой установке танка является компактность; из других требований следует отметить надежность, возможно меньший объем работ по обслуживанию, хороший доступ к агрегатам, простоту монтажа и демонтажа при ремонте.
Компактность силовой установки зависит от размеров ее агрегатов (радиаторов, вентиляторов, масляного бака, воздухоочистителей и др.), а также от их взаимного расположения. Для ряда иностранных танков характерна в настоящее время компоновка агрегатов систем охлаждения и смазки в одном блоке с двигателем. Так выполнена силовая установка американского танка М-60 с двигателем Континенталь AVDS-1790-2 воздушного охлаждения. В одном блоке с двигателем скомпонованы радиаторы и вентиляторы системы охлаждения в английском танке «Чифтен».
На рис. 62 показан двигатель Лейланд L-60 этого танка с нормальным положением радиаторов и с радиаторами, поднятыми для обеспечения доступа к двигателю. Такая компоновка представляет известное удобство: трубопроводы, соединяющие двигатель с радиатором и масляным баком, получаются более короткими, на них в меньшей степени передаются колебания двигателя относительно корпуса танка. Блок может быть собран заранее вне корпуса машины, что значительно облегчает работу и сокращает время на монтаж силовой установки в танке.
Размеры радиаторов и вентиляторов системы охлаждения зависят от количества тепла, отводимого от двигателя, и от перепада температуры между охлаждающей жидкостью и воздухом. Относительное количество тепла, отводимое в систему охлаждения, определяется тепловой напряженностью двигателя, конструкцией камеры сгорания (наименьший теплоотвод имеют дизели с неразделенной камерой или с камерой в поршне), а также температурой охлаждающей жидкости.
Рис. 62. Двигатель Лейланд L-60 в блоке с системой охлаждения:
а — радиаторы в нормальном положении; б — радиаторы подняты
Для танковых систем охлаждения закрытого типа можно значительно повысить температуру охлаждающей жидкости без вреда для двигателя. Современные танковые двигатели могут работать при температуре <100>охлаждающей жидкости 115—125° С, что позволяет существенно уменьшить размеры радиатора и вентилятора и снизить затраты мощности на привод вентилятора.
Весьма эффективной является эжекционная система охлаждения, в которой поток охлаждающего воздуха через радиатор создается за счет использования энергии отработавших газов. Эжекционная система имеет ряд преимуществ перед вентиляторной: она конструктивно проще, в ней нет подвижных частей, связанных с коленчатым валом двигателя, что расширяет компоновочные возможности, позволяет изолировать воздушный тракт и обеспечивает возможность охлаждения двигателя при движении под водой путем затопления радиаторов, а также уменьшает запыление силового отделения и существенно понижает температуру отработавших газов и, следовательно, уменьшает теплоизлучение корпуса танка.
При форсировании двигателя значительно возрастает нагрузка на систему смазки, так как увеличивается количество тепла, отводимого маслом от подшипников и поршней. Кроме того, требуется увеличить производительность масляного насоса, пропускную способность фильтра и охлаждающую поверхность масляного радиатора. Большую сложность представляет очистка все возрастающего потока масла.
Из большого количества различных фильтров наиболее перспективным является центробежный, обладающий большой пропускной способностью при высоком коэффициенте очистки, постоянным сопротивлением, не зависящим от степени его загрязнения, и способностью работать длительное время без обслуживания.
Система запуска двигателя должна обеспечивать надежный запуск его при любых атмосферных условиях. Для этого она в первую очередь должна иметь достаточную мощность. В связи с этим применение в танке в качестве пускового устройства электростартера вызывает (с увеличением мощности двигателя) все большие трудности из-за ограниченной емкости аккумуляторных батарей. В танках все чаще применяют вспомогательные агрегаты с автономным двигателем внутреннего сгорания, который обеспечивает зарядку аккумуляторов и питание всех потребителей электроэнергии при неработающем основном двигателе, а также подогрев основного двигателя перед запуском.
Для запуска двигателя более целесообразно использовать сжатый воздух, вводя его непосредственно в цилиндры двигателя или применяя специальные пневмо- или гидростартеры. В этом случае для пополнения запаса сжатого воздуха необходим компрессор.
Большие трудности возникают при запуске дизеля в зимнее время. Решение этой проблемы связано со многими факторами, главными из которых являются воспламеняемость топлива и вязкость масла. Надежное воспламенение топлива можно обеспечить, повышая пусковые обороты двигателя, но это затруднено из-за большой вязкости масла при низкой температуре. Создание смазочного масла с пологой вязкостной характеристикой в значительной степени уменьшит сложность этой проблемы. Сократится и время, необходимое для прогрева двигателя, так как появится возможность нагружать двигатель при более низкой температуре масла.
До тех пор, пока не будет такого масла, единственным средством остается прогрев двигателя перед запуском в зимнее время. Недостатком применяемых в настоящее время форсуночных подогревателей при всех положительных качествах является их зависимость от источника электроэнергии — аккумуляторных батарей. Более перспективны подогреватели с автономным двигателем, которые могли бы совмещать две <101>функции: подогрев двигателя и зарядку аккумуляторных батарей. В качестве двигателя такого агрегата очень подходит газотурбинный. Простейший одновальный двигатель можно сделать малогабаритным и легким, так как в данном случае коэффициент полезного действия двигателя существенной роли не играет: то тепло, которое не превратилось в нем в полезную работу, будет использовано для подогрева основного двигателя.
Источник Источник http://armor.kiev.ua/lib/tanks_and_armor/part2_4/
Источник http://arsenal-info.ru/b/book/1344116410/31
Источник Источник http://armor.kiev.ua/lib/tanks_and_armor/part2_4/
