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当今世界上的坦克,动力单元基本上采用的是大功率柴油机,仅有美国M1坦克与俄罗斯T-80坦克采用燃气轮机作为动力单元。而俄罗斯T-80坦克发动机的可靠性、在综合工况中的表现,以及展现出来的战技指标等,导致美国M1坦克成为了世界上惟一可靠、耐用的采用燃气轮机的坦克。
美国坦克选用燃气轮机,与当时对于坦克技术要求的发展有很密切的关系。在M1坦克进行预研的时期,正值美国坦克动力系统发展到第三代的历史阶段。与前两代坦克动力系统相比,按照当时计划的新型坦克总体重量达到55吨的目标计算,坦克发动机本身重量将控制在总体重量的5%左右,而在此之前,坦克发动机占用的车内体积一直呈逐渐增加的趋势,这直接导致车辆体积增加、总体重量随之增加。为扭转这一趋势,美国从研制第三代坦克动力系统开始,对发动机的要求是必须减小尺寸,但在重量要求上可以适当放宽。根据美国陆军对军工企业提出的战技要求,新研制的主战坦克单位功率必须达到18~22千瓦/吨,那么发动机的最大功率将达到1100千瓦,根据米制马力换算,约为1500马力。这是20世纪60年代美国陆军提出的指标要求。
美国陆军对自己提出的战技指标的难度,也有一定了解,所以在研制之初就采用两条腿走路的办法,同时批准了一款柴油机和一款燃气轮机的设计方案,两款方案齐头并进,柴油机因技术成熟的特点成为保底方案,确保新型主战坦克能够在规定期限内完成设计定型;燃气轮机作为高指标方案。该计划一旦研制成功,将改变世界主战坦克动力系统的格局。
1968年,美国军工企业对著名的AVCR1100型柴油机企图通过改进设计进一步提升性能,在每一个气缸之间距离不变的情况下,增加每一个气缸的缸径,行话称之为“缸心距不变、缸径加大”,结果导致每个气缸之间的距离缩短。最终出来的样机在试验中表现出了瞬间响应不良等缺点,这款发动机改进方案被命名为AVCR1100-3。后来,研制人员在这款即将宣告失败的发动机上增加了一部压气机,并且与原有发动机的涡轮增压器实现串联,这一改变使得新型发动机转速在达到AVCR1100-3发动机的70%时,就可以提供几乎相同的扭矩,且发动机功率超过1500马力,其余各项工况测试表现良好。在经过北约400小时台架试验后,它被定名为AVCR1360-2。
AVCR1360-2作为一款性能卓越、品质优良的发动机,最终却没有成为M1坦克的主要动力,并不是这款发动机本身不好,而是当时要让工厂达到生产这款柴油机的能力,需要数年的准备时间,这无法满足当时美国陆军对M1坦克尽快定型并装备部队的需求,再加上燃气轮机从名称上看上去显得更加先进,正好迎合了当时美军在装备发展方面极力推求技术先进性的指导思想。而且,早在AVCR1360-2诞生以前的1965年6月,美国陆军就提出了坦克和重型军用车辆均采用1500马力燃气轮机的发展计划。
1976年,2辆XM1坦克样车分别搭载AVCR1360-2柴油机和AGT-1500燃气轮机,在阿伯丁试验场进行了比较测试。在各项测试中,有一项是“0~32千米加速度试验”,这项试验的目的从名称中就能够看出,而其战术意义在于当时世界各坦克技术强国正在争相研发猎-歼式火控系统,这需要瞄准并追踪目标完成射击,美国根据当时以及下一个阶段可能达到的技术指标计算,当坦克时速能在12秒内从0加速到32千米/小时,就可以摆脱敌方的瞄准。在这项测试中,虽然搭载AVCR1360-2柴油机的样车性能达标,但搭载AGT-1500燃气轮机的样车加速时间仅为6.1秒。
生不逢时的AVCR1360-2柴油机,最终在1976年正式被AGT-1500燃气轮机取代,没能成为M1坦克的主要动力。
1965年10月,TACOM与AVCO Lycoming公司合作,拿出了以PLT27直升机采用的T53型燃气轮机作为即将诞生的AGT-1500燃气轮机的样本。燃气轮机的最大特点,是旋转式叶片器械,而柴油机是往复式活塞机械。燃气轮机的进气、压缩、燃烧、膨胀的做功过程均在叶片机中进行,而叶片机与机体并不发生接触,甚至有些部件之间仅为气动联系。这样的结构使得燃气轮机的转速可达到柴油机的10倍左右。同时,又降低了摩擦性和实现了连续做功。因此,燃气轮机的功率密度、扭矩特性、加速性、低温启动性、噪声和排烟等,均优于柴油机。
在AGT-1500燃气轮机的设计过程中,贯彻了模块化的设计思路,这在60年代中期的技术背景下,是十分难得的。AGT-1500燃气轮机由机头组件、机尾组件、输出模块和附件模块四大部分组成。机头组件包括进气口、低压压气机、高压压气机、燃烧室和高压涡轮,机尾组件中包含了低压涡轮、高压涡轮和一部回热器,输出模块主要是一部行星减速器和相应的法兰盘;最后,将液压泵、燃烧控制器、起动器、机油泵、机油滤清器等部件通过一个综合齿轮箱连接,集中安装在机头组件下端。
AGT-1500燃气轮机不仅整体体现了先进的设计理念,而且在一些细节上也颇具匠心。为能扩大发动机的最佳工作范围,动力涡轮进气口风扇的叶片采用可调节式设计,这其中蕴含着一项复杂而且极具创意的设计。在发动机工作时,燃油调节器的调节压力油进入油缸,通过杠杆操纵一个环形齿条,扇叶头部有一个连接杆,与齿条啮合连接,通过燃油调节器—油缸—杠杆—环形齿条—连接杆—扇叶这一套机械装置,使动力涡轮风扇的扇叶实现了30°的可调式结构,而连接叶片的连杆是其中技术要求较高的一个零件,它的工作温度约为900℃,为了确保叶片能够灵活转动,使这种复杂的机械设计不会造成较大的漏气量,扇叶连接杆与安装这套设备的机匣之间的缝隙控制在0.08毫米以内,这样的加工精度成本和难度太大,不是一般国家能玩得起的。叶片可调式结构的主要作用,是能够在高温条件下补偿热应力,能够适当改善发动机在部分工况下工作的经济性。
M1坦克为什么不用柴油機?
美国坦克选用燃气轮机,与当时对于坦克技术要求的发展有很密切的关系。在M1坦克进行预研的时期,正值美国坦克动力系统发展到第三代的历史阶段。与前两代坦克动力系统相比,按照当时计划的新型坦克总体重量达到55吨的目标计算,坦克发动机本身重量将控制在总体重量的5%左右,而在此之前,坦克发动机占用的车内体积一直呈逐渐增加的趋势,这直接导致车辆体积增加、总体重量随之增加。为扭转这一趋势,美国从研制第三代坦克动力系统开始,对发动机的要求是必须减小尺寸,但在重量要求上可以适当放宽。根据美国陆军对军工企业提出的战技要求,新研制的主战坦克单位功率必须达到18~22千瓦/吨,那么发动机的最大功率将达到1100千瓦,根据米制马力换算,约为1500马力。这是20世纪60年代美国陆军提出的指标要求。
美国陆军对自己提出的战技指标的难度,也有一定了解,所以在研制之初就采用两条腿走路的办法,同时批准了一款柴油机和一款燃气轮机的设计方案,两款方案齐头并进,柴油机因技术成熟的特点成为保底方案,确保新型主战坦克能够在规定期限内完成设计定型;燃气轮机作为高指标方案。该计划一旦研制成功,将改变世界主战坦克动力系统的格局。
1968年,美国军工企业对著名的AVCR1100型柴油机企图通过改进设计进一步提升性能,在每一个气缸之间距离不变的情况下,增加每一个气缸的缸径,行话称之为“缸心距不变、缸径加大”,结果导致每个气缸之间的距离缩短。最终出来的样机在试验中表现出了瞬间响应不良等缺点,这款发动机改进方案被命名为AVCR1100-3。后来,研制人员在这款即将宣告失败的发动机上增加了一部压气机,并且与原有发动机的涡轮增压器实现串联,这一改变使得新型发动机转速在达到AVCR1100-3发动机的70%时,就可以提供几乎相同的扭矩,且发动机功率超过1500马力,其余各项工况测试表现良好。在经过北约400小时台架试验后,它被定名为AVCR1360-2。
AVCR1360-2作为一款性能卓越、品质优良的发动机,最终却没有成为M1坦克的主要动力,并不是这款发动机本身不好,而是当时要让工厂达到生产这款柴油机的能力,需要数年的准备时间,这无法满足当时美国陆军对M1坦克尽快定型并装备部队的需求,再加上燃气轮机从名称上看上去显得更加先进,正好迎合了当时美军在装备发展方面极力推求技术先进性的指导思想。而且,早在AVCR1360-2诞生以前的1965年6月,美国陆军就提出了坦克和重型军用车辆均采用1500马力燃气轮机的发展计划。
1976年,2辆XM1坦克样车分别搭载AVCR1360-2柴油机和AGT-1500燃气轮机,在阿伯丁试验场进行了比较测试。在各项测试中,有一项是“0~32千米加速度试验”,这项试验的目的从名称中就能够看出,而其战术意义在于当时世界各坦克技术强国正在争相研发猎-歼式火控系统,这需要瞄准并追踪目标完成射击,美国根据当时以及下一个阶段可能达到的技术指标计算,当坦克时速能在12秒内从0加速到32千米/小时,就可以摆脱敌方的瞄准。在这项测试中,虽然搭载AVCR1360-2柴油机的样车性能达标,但搭载AGT-1500燃气轮机的样车加速时间仅为6.1秒。
生不逢时的AVCR1360-2柴油机,最终在1976年正式被AGT-1500燃气轮机取代,没能成为M1坦克的主要动力。
燃气轮机
1965年10月,TACOM与AVCO Lycoming公司合作,拿出了以PLT27直升机采用的T53型燃气轮机作为即将诞生的AGT-1500燃气轮机的样本。燃气轮机的最大特点,是旋转式叶片器械,而柴油机是往复式活塞机械。燃气轮机的进气、压缩、燃烧、膨胀的做功过程均在叶片机中进行,而叶片机与机体并不发生接触,甚至有些部件之间仅为气动联系。这样的结构使得燃气轮机的转速可达到柴油机的10倍左右。同时,又降低了摩擦性和实现了连续做功。因此,燃气轮机的功率密度、扭矩特性、加速性、低温启动性、噪声和排烟等,均优于柴油机。
在AGT-1500燃气轮机的设计过程中,贯彻了模块化的设计思路,这在60年代中期的技术背景下,是十分难得的。AGT-1500燃气轮机由机头组件、机尾组件、输出模块和附件模块四大部分组成。机头组件包括进气口、低压压气机、高压压气机、燃烧室和高压涡轮,机尾组件中包含了低压涡轮、高压涡轮和一部回热器,输出模块主要是一部行星减速器和相应的法兰盘;最后,将液压泵、燃烧控制器、起动器、机油泵、机油滤清器等部件通过一个综合齿轮箱连接,集中安装在机头组件下端。
AGT-1500燃气轮机不仅整体体现了先进的设计理念,而且在一些细节上也颇具匠心。为能扩大发动机的最佳工作范围,动力涡轮进气口风扇的叶片采用可调节式设计,这其中蕴含着一项复杂而且极具创意的设计。在发动机工作时,燃油调节器的调节压力油进入油缸,通过杠杆操纵一个环形齿条,扇叶头部有一个连接杆,与齿条啮合连接,通过燃油调节器—油缸—杠杆—环形齿条—连接杆—扇叶这一套机械装置,使动力涡轮风扇的扇叶实现了30°的可调式结构,而连接叶片的连杆是其中技术要求较高的一个零件,它的工作温度约为900℃,为了确保叶片能够灵活转动,使这种复杂的机械设计不会造成较大的漏气量,扇叶连接杆与安装这套设备的机匣之间的缝隙控制在0.08毫米以内,这样的加工精度成本和难度太大,不是一般国家能玩得起的。叶片可调式结构的主要作用,是能够在高温条件下补偿热应力,能够适当改善发动机在部分工况下工作的经济性。