摘要：介紹了燃?xì)廨啓C(jī)及柴油機(jī)的性能及系統(tǒng)構(gòu)成等方面的特點(diǎn)，重點(diǎn)對二者進(jìn)行了相關(guān)對比。隨著裝甲車輛技術(shù)的不斷發(fā)展，對動(dòng)力裝置的功率要求將進(jìn)一步提高。由于燃?xì)廨啓C(jī)在動(dòng)力領(lǐng)域的突出優(yōu)勢，因此有望得到更長遠(yuǎn)的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：坦克；燃?xì)廨啓C(jī)；柴油機(jī)；內(nèi)燃機(jī)；熱力發(fā)動(dòng)機(jī)
0 引言
我國在宋朝時(shí)候出現(xiàn)了走馬燈，這是種以燃?xì)怛?qū)動(dòng)的簡單裝置。1791年英國曾提出過有往復(fù)式壓氣機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)，但未能實(shí)現(xiàn)。1902年美國制造出了燃?xì)廨啓C(jī)裝置，其空氣壓縮機(jī)由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)。20 世紀(jì)20 年代中期，許多研究人員為發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)的理論和設(shè)計(jì)開展了相關(guān)研究[1]；前蘇聯(lián)的研究人員為現(xiàn)代渦輪流體動(dòng)力學(xué)理論奠定了基礎(chǔ)；法國在燃?xì)廨啓C(jī)布置上提出將渦輪壓氣機(jī)和動(dòng)力渦輪分別置于不同的軸上，即雙軸燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)想。
1 坦克用燃?xì)廨啓C(jī)及柴油機(jī)的性能
燃?xì)廨啓C(jī)是旋轉(zhuǎn)式葉輪機(jī)械，由于其進(jìn)氣、壓縮、燃燒及膨脹做功的過程均在與機(jī)體不接觸的葉片機(jī)中進(jìn)行，且動(dòng)力渦輪與燃?xì)獍l(fā)生器僅為氣動(dòng)聯(lián)系，從而它具有低摩擦、高轉(zhuǎn)速和連續(xù)做功的特性。因此，燃?xì)廨啓C(jī)具有高的功率密度、優(yōu)良的扭矩特性、加速性、低溫起動(dòng)性、低的噪聲和輕度排煙。
主戰(zhàn)坦克是以柴油機(jī)還是燃?xì)廨啓C(jī)為動(dòng)力，已經(jīng)歷了數(shù)十年的爭論，但主戰(zhàn)坦克終究安裝了燃?xì)廨啓C(jī)，并成功地使用了多年[2-3]。在對兩種機(jī)型進(jìn)行比較時(shí)，性能的對比是必要的，但重要的是動(dòng)力裝置及其附件和傳動(dòng)裝置等構(gòu)成的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，對坦克的戰(zhàn)場生存能力、效能和可用性影響的對比。
2 坦克燃?xì)廨啓C(jī)與柴油機(jī)的性能比較
2.1單位工質(zhì)所做的功及體積功率
與柴油機(jī)相比， 燃?xì)廨啓C(jī)由于受渦輪葉片熱強(qiáng)度的限制，其循環(huán)的參數(shù)不高[4]。因此1 kg 燃?xì)馑龅墓γ黠@小于柴油機(jī)[5]。雖然工作介質(zhì)的工作能力低，但在體積功率方面，燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)于柴油機(jī)。這是因?yàn)楣ぷ餮h(huán)過程連續(xù)不斷高速流動(dòng)的結(jié)果。提高渦輪葉片材料的耐熱強(qiáng)度和改善渦輪葉片的冷卻方法，就能改善循環(huán)的參數(shù)，從而有利于增加燃?xì)廨啓C(jī)在這個(gè)參數(shù)方面的優(yōu)勢。
2.2 扭矩特性
燃?xì)廨啓C(jī)具有良好的扭矩特性及起動(dòng)性能，柴油機(jī)在該領(lǐng)域相對較弱。
2.3 冷卻系統(tǒng)
燃?xì)廨啓C(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是沒有柴油機(jī)所必需的冷卻系統(tǒng)和機(jī)油消耗量小，從而減小了動(dòng)力裝置的尺寸，簡化了使用，減少了保養(yǎng)的時(shí)間和工作量。
2.4 無往復(fù)運(yùn)動(dòng)
在燃?xì)廨啓C(jī)中沒有旋轉(zhuǎn)-往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，而旋轉(zhuǎn)-往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量是柴油機(jī)出現(xiàn)不平衡力合力矩并引起扭振的原因。在燃?xì)廨啓C(jī)，所有運(yùn)動(dòng)的零件均是旋轉(zhuǎn)件，況且都是經(jīng)過預(yù)先平衡的高速旋轉(zhuǎn)的零件。因此，高的平穩(wěn)性運(yùn)轉(zhuǎn)和良好的平衡性，提高了燃?xì)廨啓C(jī)的工作可靠性。
2.5 完全燃燒
由于燃料的不完全燃燒，在柴油機(jī)的燃?xì)饣鹧嬷泻腥紵a(chǎn)物的硬微粒，它們具有高的溫度，是強(qiáng)大的熱輻射源。與柴油機(jī)不同的是，燃?xì)廨啓C(jī)在進(jìn)行燃燒過程時(shí)有相當(dāng)大的多余空氣量，以保證燃料幾乎完全燃燒，并且排出的氣體溫度較低。由于這個(gè)原因， 燃?xì)廨啓C(jī)具有低的熱特征。此外應(yīng)當(dāng)指出，燃?xì)廨啓C(jī)在工作時(shí)具有低噪聲和低的排氣傳染的性能。
2.6 燃?xì)廨啓C(jī)的主要缺陷
燃?xì)廨啓C(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性較差，特別是在部分工況，原因?yàn)檠h(huán)是在工作介質(zhì)較低的溫度和壓力下進(jìn)行。當(dāng)改善了工作循環(huán)的參數(shù)，燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)可以提高。減少燃油消耗量的有效措施是采用回?zé)崞?，但將致使?dòng)力裝置系統(tǒng)復(fù)雜化。
由于每單位燃?xì)饬客瓿傻墓Φ?，因而流過燃?xì)廨啓C(jī)的空氣量比通過柴油機(jī)的要大得多，為此增大了空氣濾清器和動(dòng)力裝置的燃?xì)饪諝馔ǖ赖某叽纭?/p>
3 坦克燃?xì)廨啓C(jī)與柴油機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)的比較
3.1 系統(tǒng)對坦克戰(zhàn)場生存能力的影響
作為坦克推進(jìn)系統(tǒng)的重要部件-動(dòng)力裝置，影響坦克戰(zhàn)場生存能力的重要性能參數(shù)是單位體積功率、單位重量功率及隱蔽能力。
3.2動(dòng)力傳動(dòng)裝置的重量和體積
為便于分析比較，現(xiàn)舉出功率相當(dāng)?shù)牟裼蜋C(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)并安裝于坦克上所構(gòu)成的動(dòng)力傳動(dòng)裝置。
由于燃?xì)廨啓C(jī)本身結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，基本不需要冷卻等特點(diǎn)，從而在系統(tǒng)的體積和重量方面上有明顯的優(yōu)勢。
3.3 傳至主動(dòng)輪的功率和扭矩
（1）與同功率的柴油機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)可在各種工況下，向主動(dòng)輪提供更多的有效功率。坦克裝用燃?xì)廨啓C(jī)后，冷卻風(fēng)扇消耗功率明顯低于裝用柴油機(jī)，僅占動(dòng)力裝置標(biāo)定功率的4%～9%[6]。
（2）動(dòng)力裝置的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)與柴油機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)具有良好的扭矩特性，其扭矩儲(chǔ)備系數(shù)值為1. 5～2.2 ，而一般增壓柴油機(jī)為1. 05～1. 15。因此，在車輛的行駛工況下，與柴油機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)能給裝甲車輛主動(dòng)輪提供更高的扭矩值，從而提高坦克的加速性和平均行駛速度，并減少換檔的次數(shù)及功率損失。
（3）功率傳遞的效率 燃?xì)廨啓C(jī)具有高的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)，因此仍可采用機(jī)械傳動(dòng)裝置井通過優(yōu)化選擇排擋數(shù)目，獲得最佳的牽引特性和高的功率傳遞效率。若采用綜合液力機(jī)械傳動(dòng)裝置， 由于高的扭矩儲(chǔ)備系數(shù).則可較少使用液力工況，從而亦可班得高的功率傳遞效率。
3.4空氣耗量的比較
燃?xì)廨啓C(jī)用于燃燒的空氣流量約為柴油機(jī)的2倍，但若將動(dòng)力裝置的冷卻用空氣流量考慮在內(nèi)，則用柴油機(jī)時(shí)總的空氣耗量大于燃?xì)廨啓C(jī).
空氣耗量的差異，影響著車輛動(dòng)力艙頂甲板的開窗尺寸；安裝燃?xì)廨啓C(jī)的坦克.其窗口面積只有安裝柴油機(jī)的30%～45%。進(jìn)氣百葉窗尺寸，直接影響著車輛頂部的防護(hù)能力。
3.5 排煙
在戰(zhàn)場上，排氣帶煙將暴露目標(biāo)。
（1）柴油機(jī)在起動(dòng)、加速工況會(huì)產(chǎn)生可見的碳煙，而燃?xì)廨啓C(jī)在全部工況內(nèi)排氣均不帶煙。
（2） 當(dāng)動(dòng)力裝置使用一段時(shí)間后，柴油機(jī)排氣煙度值加大，而燃?xì)廨啓C(jī)在整個(gè)使用期內(nèi)煙度值都很低。
3.6 噪聲
噪聲大小，影響坦克處于隱蔽狀態(tài)下的戰(zhàn)術(shù)使用。由于燃?xì)廨啓C(jī)為旋轉(zhuǎn)葉輪機(jī)械，循環(huán)做功為連續(xù)進(jìn)行，與柴油機(jī)相比，其振動(dòng)小；加之空氣溫和回?zé)崞骶蓪M(jìn)、排氣起到消聲作用，噪聲能量級平均可低30%以上。
綜上所述，以燃?xì)廨啓C(jī)為動(dòng)力，可向坦克提供更高的主動(dòng)輪功率及良好的扭矩特性，從而導(dǎo)致車輛有良好的戰(zhàn)場機(jī)動(dòng)性；在戰(zhàn)場上，坦克在200m 距離的沖擊時(shí)間，以柴油機(jī)為動(dòng)力時(shí)為26 s，以燃?xì)廨啓C(jī)為動(dòng)力時(shí)僅為19 s，較小的動(dòng)力傳動(dòng)裝置的體積和重量，較小的動(dòng)力艙頂甲板進(jìn)氣窗口面積，無可見碳煙和輕聲等均提高了坦克的戰(zhàn)場生存能力。
4 系統(tǒng)對坦克戰(zhàn)場效能的影響
4.1 起動(dòng)性能
燃?xì)廨啓C(jī)與柴油機(jī)起動(dòng)過程上有著本質(zhì)的差別[7]。柴油機(jī)起動(dòng)，除要克服滾動(dòng)、滑動(dòng)阻力外，還需克服氣缸內(nèi)的氣體壓縮功，故起動(dòng)電機(jī)功率較高；加之柴油機(jī)壓燃的特點(diǎn)，一般氣溫在-20 ℃ 以下時(shí)，無附加裝置即不能起動(dòng)。燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)，只是加速燃?xì)獍l(fā)生器，且為低摩擦的波動(dòng)軸承，故起動(dòng)電機(jī)功率相對較低，并能在更低的溫度（﹣54 ℃）下直接起動(dòng)。
4.2裝甲車輛的行程
燃油消耗率在接影響坦克的行動(dòng)半徑，燃?xì)廨啓C(jī)燃油消耗率較高，因此一般認(rèn)為會(huì)影響坦克的行程。僅從單機(jī)性能對比是這樣的，如果考慮了動(dòng)力裝置本身的特性及其安裝狀態(tài)，結(jié)論就不同了。
單機(jī)性能對比，M1坦克燃?xì)廨啓C(jī)的燃油消耗率較豹II坦克的柴油機(jī)高12.2% 。按傳至主動(dòng)輪上所獲得的有效功率計(jì)算，則兩種機(jī)型的燃油消耗率相當(dāng)。
功率相等（或相當(dāng)）的柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)相比，盡管燃?xì)廨啓C(jī)的怠速油耗高1倍，但對總的任務(wù)油耗影響不大，總的任務(wù)燃油需要量，無論是AGT 1500坦克燃?xì)廨啓C(jī)還是GT601 燃?xì)廨啓C(jī)，都與柴油機(jī)相近。至于怠速油耗高的問題，美國已因采用輔助動(dòng)力裝置得到解決。對于不帶回?zé)崞鞯娜細(xì)廨啓C(jī)，一般其任務(wù)油耗及24小時(shí)戰(zhàn)斗日油耗均高出柴油機(jī)。
4.3多種燃料的性能
燃?xì)廨啓C(jī)是真正的多燃料動(dòng)力裝置，它可使用任何簡單蒸餾的石油產(chǎn)品，包括各種航空煤油，未加四乙鉛的汽油、煤油及各種柴油，并無須對動(dòng)力裝置的燃油系統(tǒng)做任何更改。
5 系統(tǒng)對坦克可用性的影響
5.1 可靠性和耐久性
與柴油機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)的零件少30%，易損件數(shù)量少2/3，且無往復(fù)摩擦運(yùn)動(dòng)，因此故障率低。
5.2可維修性
燃?xì)廨啓C(jī)為模塊設(shè)計(jì)，通常由前、后模塊、傳動(dòng)模塊及附件模塊組成，非常便于維修和更換；燃?xì)廨啓C(jī)的附件模塊所有部件（起動(dòng)電機(jī)、燃油濾清器及燃油調(diào)節(jié)器等）均置于動(dòng)力裝置上部，便于接近。燃?xì)廨啓C(jī)采用視情維修，無須定期保養(yǎng)和補(bǔ)充、更換機(jī)油；機(jī)油消耗量極低，僅為柴油機(jī)的1/20～1/10。
5.3可用性
美國駐歐洲的M1坦克部隊(duì)，每年演習(xí)結(jié)果表明，M1坦克安裝燃?xì)廨啓C(jī)后，大大提高了坦克的戰(zhàn)備完好率。由統(tǒng)計(jì)可知，M1坦克的戰(zhàn)備完好率平均高達(dá)95%以上，而其中由于動(dòng)力裝置原因而影響車輛出勤的僅占4%。可用佳與可靠性、可維修性和耐久性密切相關(guān)，從理論上和實(shí)踐上均表明燃?xì)廨啓C(jī)在這些方面具有顯著的優(yōu)勢。
6 全壽命周期費(fèi)用比較
全壽命周期費(fèi)用由研究與研制，采購和裝車后的使用與維修三部費(fèi)用組成。
6.1 研究與研制
一般認(rèn)為燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的研究與研制費(fèi)用高于柴油機(jī)，主要是燃?xì)廨啓C(jī)采用了貴的高溫合金和較為復(fù)雜的工藝，以及較高的加工精度。但從動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的角度來看，燃?xì)廨啓C(jī)在冷卻系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的研制方面可節(jié)省部分費(fèi)用。當(dāng)今研制一臺(tái)同功率的柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的費(fèi)用基本相同，這是由于柴油機(jī)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，加工精度要求更高的結(jié)果。
6.2 成本及發(fā)展
由于材料、工藝和研制費(fèi)用高，所以就動(dòng)力裝置本身來講，燃?xì)廨啓C(jī)的價(jià)格比同功率的柴油機(jī)高1/3。
（1）燃?xì)廨啓C(jī)的大修時(shí)間明顯高于柴油機(jī)，約為其3倍
（2）燃?xì)廨啓C(jī)的使用與維修費(fèi)用明顯低于柴油機(jī)，其主要原因?yàn)棰僭谑褂眠^程中無須保養(yǎng)和加添機(jī)油；②非常低的機(jī)油消耗費(fèi)用； ③燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)部件使用期長，要求更換的部件主要是渦輪和燃燒室；因此在大修時(shí)部件的更換率僅為柴油機(jī)的一半。
1939 年8 月27 日，首架以燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的噴氣式飛機(jī)在德國騰空而起，隨后短短十多年時(shí)間里，作戰(zhàn)飛機(jī)全部使用了燃?xì)廨啓C(jī)；至60年代，各種型式的燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置已在民用飛機(jī)上占絕對優(yōu)勢。
1967 年. 瑞典的Strv-103b坦克使用了柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)并聯(lián)的組合動(dòng)力裝置。70年代中、后期，美國、前蘇聯(lián)都在其主戰(zhàn)坦克上使用了燃?xì)廨啓C(jī)，開始了燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于主戰(zhàn)坦克的新時(shí)期
7 使用條件對燃?xì)廨啓C(jī)指標(biāo)的影響
與柴油機(jī)相比，使用條件對燃?xì)廨啓C(jī)指標(biāo)的影響顯然要大。這是由于當(dāng)工作循環(huán)的參數(shù)較低時(shí)（部分負(fù)荷工況） ，空氣的壓縮過程和燃?xì)獾呐蛎涍^程特性均有明顯的變化。
7.1進(jìn)氣真空度的影響
進(jìn)氣真空度（壓力降）的增加，引起壓氣機(jī)進(jìn)口處空氣密度的下降，空氣的重量流量降低，結(jié)果導(dǎo)致壓氣機(jī)中氣流流動(dòng)偏離設(shè)計(jì)工況，降低了壓氣機(jī)的效率和氣體動(dòng)力的穩(wěn)定性，且當(dāng)其明顯地偏離計(jì)算過程時(shí)，能夠?qū)е聞?dòng)力裝置的喘振和停車。為了提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性，可對壓氣機(jī)實(shí)施專門的型面設(shè)計(jì)，或者對壓氣機(jī)分級調(diào)節(jié)和從流動(dòng)的通道中放出部分的空氣的增加還會(huì)使燃?xì)廨啓C(jī)全部流通部分工作介質(zhì)的壓力下降，相應(yīng)降低了渦輪中膨脹比和渦輪的單位功，以及發(fā)功帆的有效功率和燃油經(jīng)濟(jì)性。
進(jìn)氣真空度的增加，還會(huì)是燃?xì)廨啓C(jī)全部通流部分工作介質(zhì)的壓力下降，相應(yīng)降低渦輪中膨脹比和渦輪的單位功，以及動(dòng)力裝置的有效功率和燃油經(jīng)濟(jì)性。
7.2動(dòng)力裝置排氣背壓的影響
動(dòng)力裝置排氣背壓的增加，使渦輪中的膨脹比降低并破壞了在渦輪葉片間通道中燃?xì)饬鲃?dòng)的計(jì)算特性，導(dǎo)致動(dòng)力裝置的功率降低和燃油經(jīng)濟(jì)性變壞。
7.3大氣壓力的影響
大氣壓力變化時(shí)，由于空氣的質(zhì)量流量改變，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力裝置的有效功率成比例的變化。
7.4動(dòng)力裝置進(jìn)口空氣溫度的影響
動(dòng)力裝置進(jìn)口空氣溫度的改變，給予燃?xì)廨啓C(jī)的指標(biāo)的明顯影響，這些影響首先是壓氣機(jī)的壓力升高比變化。溫度的升高會(huì)導(dǎo)致壓比降低，從而引起循環(huán)效率、渦輪膨脹比、渦輪比功和動(dòng)力裝置燃油經(jīng)濟(jì)性的降低。
8 結(jié)論與展望
當(dāng)前坦克使用燃?xì)廨啓C(jī)，特別是不帶回?zé)崞鞯娜細(xì)廨啓C(jī)，其燃油消耗量高于柴油機(jī)之外，而其他性能、指標(biāo)均優(yōu)于柴油機(jī)。近年來隨著葉輪機(jī)械的發(fā)展，坦克燃?xì)廨啓C(jī)的燃油消耗已有了顯著改善。同樣，由于柴油機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，至今仍是主戰(zhàn)坦克可以選用的機(jī)型。
未來的主戰(zhàn)坦克，要求具有更高的生存能力。因此，采用電熱炮、電磁炮，并進(jìn)一步縮小車輛的外形尺寸是發(fā)展的必然趨勢。對動(dòng)力裝置的功率要求預(yù)計(jì)將進(jìn)一步提高。此刻，燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)勢將更加突出，這是美、俄等國發(fā)展坦克燃?xì)廨啓C(jī)的重要原因。
參考文獻(xiàn)
[1] 伍賽特.坦克動(dòng)力裝置歷史沿革及未來發(fā)展研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2021(01):160-163.
[2] 伍賽特.軍用車輛動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)及動(dòng)力裝置選型研究[J].汽車零部件,2021(04):96-101.
[3] 伍賽特.坦克動(dòng)力系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢展望[J].機(jī)電信息,2020(15):168-169.
[4] 張均享.美國坦克裝甲車輛動(dòng)力的發(fā)展[J].國外坦克,2009(01):46-49.
[5] 張均享,李新敏.坦克百年動(dòng)力概論[J].國外坦克,2015(06):41-51.
[6] 張均享,李新敏.坦克燃?xì)廨啓C(jī)的使用和未來[J].國外坦克,2012(11):40-45.
[7] 張均享,李新敏.詮釋坦克燃?xì)廨啓C(jī)[J].國外坦克,2013(06):41-48.
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