坦克动力及传动装置发展概述

伍赛特

0 前言

坦克诞生一百多年来，其发动机的发展大体上经历了汽油机时代、柴油机时代和柴燃争雄时代三个历史阶段。坦克装甲车辆采用的发动机性能对坦克装甲车辆的外廓尺寸、质量、燃油经济性、机动性等产生了重要影响。在一般情况下发动机体积大约占推进系统的35%。相比于其他用途的发动机，坦克发动机的特点主要有：

①功率大。为提高坦克行驶速度和加速性能以改善机动性，现代坦克的吨功率要求达到20～25 kW/t。当然，这一功率范围在工业上不足为奇，但要同时满足下面的要求是不容易的。

②尺寸小，质量轻。坦克内部给予动力舱的空间有限，发动机的外形尺寸不能过大。现代坦克发动机的体积功率一般为600～1 000 kW/m³，在发动机的长、宽、高三个尺寸中，高度低更为重要，其会影响坦克的高度。

③燃油消耗率低。当坦克携带的燃油量一定时，发动机的燃油消耗率低，即将增大坦克的行驶里程、减轻油料输送负担、提高坦克的作战能力。

④使用多种燃料。

⑤低速时扭矩大。

⑥低温起动性能好。

⑦加速性好。

目前，现代坦克装甲车辆上使用的发动机只有两种，即大量使用的往复式柴油机和美国、俄罗斯坦克上采用的螺旋式燃气轮机。

各国在应用强化柴油机和燃气轮机的同时，不断探索新的动力装置，如陶瓷发动机、液压自由活塞发动机、布雷顿循环发动机、摆盘发动机、蒸发制冷半闭式循环涡轮机和转子发动机等。

1 内燃机

1.1 内燃机的组成和发展趋势

内燃机是实现化学能一热能一机械能转换的动力设备，一般主要由6部分组成：燃油供给与调节系统、曲轴连杆机构、配气机构与进气、起动系统、润滑系统和机体组件。

1.2 内燃机的优缺点

与其他热机相比，内燃机的主要优点有：热效率高，即燃油消耗率低，经济性好；功率范围宽；结构紧凑，质量轻；起动迅速，操作简便等。内燃机的主要缺点有：对燃料要求高；噪声大、排气污染大；结构复杂、零部件加工精度要求高。

1.3 内燃机的发展趋势

内燃机性能指标的发展趋势：提高内燃机强化程度；降低燃油消耗率，提高经济性；提高内燃机的可靠性和耐久性；降低废气排放和噪声。柴油发动机技术的发展趋势：电子技术的广泛深入应用：采用增压技术：直喷燃烧技术；排气后处理技术等。

2 燃气轮机

2.1 燃气轮机的工作原理

燃气轮机由高速旋转的叶轮构成，它是一种将燃料燃烧产生的热能直接转换成机械功并对外输出的回转式动力机械。现代燃气轮机由压气机、燃烧室和涡轮机组成，压气机和涡轮机为高速旋转的叶轮机械，是气流能量与机械功相互转换的关键部件。靠涡轮机驱动而旋转的压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩增压，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合燃烧，成为高温气流后进入涡轮机中膨胀做功，做功后的燃气压力降至大气压力并排人大气中。

在整个工作过程中，燃烧室燃烧加热过程中的压力近似不变，成为等压燃烧加热循环。而做功的气体即工质来自大气，最后又排入大气，成为开式循环。这就是现代燃气轮机工作循环的两个基本特征。

2.2 燃气轮机的类型和优点

2.2.1 燃气轮机的类型

（1）热力循环类型。

①等压加热循环和等容加热循环。

燃气轮机早期发展中发展过等容加热循环方式。其特点是加热过程是断续的爆燃，燃烧室需要进气阀和排气阀，燃烧室结构复杂，涡轮机进气压力脉动严重，工作效率低，影响了机组的效率，故等容加热循环被放弃。现在使用的燃气轮机均按等压加热循环工作。

②开式循环和闭式循环。

开式循环燃气轮机的工作介质来自大气，然后又排人大气。闭式循环的特点是工质与外界隔绝，封闭循环使用。闭式循环的效率提高方面受到限制，设备笨重、成本高，已被淘汰。目前使用的燃气轮机均为开式循环机组。

③现用的热力循环。

燃气轮机介质的工作过程为一次压缩、一次燃烧加热、一次膨胀做功，这就是燃气轮机工作必不可少的过程，是最简单的循环，为简单循环。还有回热循环、再热循环及组合循环等循环方式。

④复合循环。

将燃气轮机循环和其他动力循环组合而成的热力循环称为复合循环。

（2）结构类型。

①重型结构。

工业型燃气轮机广泛采用重型结构，特点是零部件较为厚重，设计时不以减重为目标。应用不太好的材料以达到长期安全工作为目的。重型结构有两个特点：一个结构特点是机组静子水平剖分为上下两半，称之为水平中分结构，便于现场拆装分解和大修；另一个结构特点是转子用滑动轴承支撑，有很长的工作寿命。

②轻型结构。

航空燃气轮机采用轻型结构，它用最好的材料制造，结构紧凑、质量轻。轻型结构有两个特点：一个结构特点是采用轴向装配，静子非水平中分，仅局部静子如压气机与气缸分为两半，便于拆装；另一个结构特点是转子一律采用滚动轴承支撑。

2.2.2 燃气轮机的优点

（1）功率密度高。

（2）起动快：从冷起动到满负荷工作，起动时间远小于柴油发动机。

（3）燃料多样化：可以使用柴油、汽油、天然气等多种燃料工作。

（4）可靠性高。

（5）排污低。

2.3 燃气轮机的发展现状

燃气轮机首先应用于航空领域，在航空领域占有绝对优势。国外的燃气轮机技术发达，在坦克装甲领域有较多应用。燃气轮机具有起动方便、带载快的优点，在发电机组方面有一定的应用。我国于20世纪50年代开始从国外引进并应用燃气轮机。通过引进、功能改进并再创新，我国的燃气轮机技术经过几十年发展取得了较大的进展。

2.4 燃气轮机的运行特点

（1）燃气轮机的功率和效率。燃气轮机的功率和效率提高较快，目前单机最大功率为334 MW，简单循环机组的效率最高达42．9%，联合循环效率高达58%。

（2）环保性能。燃气轮机燃料具有多样性。工业应用多采用天然气，其排放趋于零。

（3）可靠性。燃气轮机结构紧凑，为高速回转机械，无往复运动部件，系统简单，运行平稳，具有较高的可靠性。

2.5 燃气轮机的发展趋势

（1）进一步提高性能。

（2）大力发展联合循环。

（3）研究发展新型热力循环。

3 转子发动机

3.1 国外研究现状

转子发动机自20世纪50年代于德国问世以来，经过德国、美国、英国、日本、以色列等许多国家半个多世纪的研究开发．已经日趋成熟完善，并早已实现商品化。近三十年来，转子发动机在国外蓬勃发展，在民用领域主要是日本马自达公司在发展该项技术。在军用领域，参与投入的国家较多，美国、德国、英国、日本、奥地利、加拿大、瑞士、以色列、印度等国家都在开发并生产转子发动机。

美国从20世纪60年代开始研制柴油转子发动机，首先在军事领域应用．并得到陆军总署、国家航空航天局（NASA）等军方的大力支持，单台转子发动机功率达到7～2 200 kW，20世纪80年代到90年代陆续实现产品化、系列化、商业化，目前已有多家公司在研究、生产柴油和汽油转子发动机，主要用于武器系统的小型移动电站、坦克等装甲车辆辅机电站和空军地面辅助设备、轻型飞行器和无人驾驶飞机、军用快艇等领域。

3.2 国内外在转子发动机方面的主要差距

3.2.1 认识差距

美国等西方国家认识到了转子发动机，特别是多种燃料转子发动机在军事等多领域的重要用途，投巨资研发多种燃料转子发动机，并取得成功。而我国对转子发动机的看法不统一，对转子发动机技术三十年来取得的突破性进展并已进入商品化的新情况特别是对多种燃料转子发动机的发展前景不甚明了。

3.2.2 技术差距

进入20世纪90年代以后，由于认识的不到位，加之国家对转子发动机技术缺乏统一的规划、扶持，研制经费严重不足，导致我国的转子发动机技术研究工作进展缓慢，一直未形成气候。目前，我国在转子发动机材料、燃油类型、升功率、比重量、额定功率、额定转速、可靠性、耐久性等方面与美国等西方国家有较大差距，国外早在：20世纪90年代初就已研制出具有竞争力的第二代多燃料转子发动机，采用了一系列新技术、新结构，例如电子燃料喷射系统、分层进气和分层燃烧系统、涡轮增压、绝热技术等。

坦克装甲车辆在各种复杂地形上行驶的过程中，速度和牵引力的变化是很大的，遇到的行驶阻力的变化范围一般都在十几倍，相应的行驶速度的变化范围也在十几倍。由于现代坦克装甲车辆用发动机的最大输出扭矩与额定功率时的输出扭矩之比为1．05～2．50，额定功率下的最高工作转速与最低工作转速之比为3～5。因此，在坦克装甲车辆发动机和驱动轮之间必须采用传动装置解决发动机转速与转矩以及驱动力与速度的匹配问题。另外，车辆需要完成起动、起步、转向、倒车、空挡等各种工况，也需传动装置提供相应的功能。

4 坦克传动装置的技术要求

对于坦克装甲车辆用传动装置，应能够达到以下要求：

①车辆速度可以从起步到最高值之间连续变化；

②传动装置应与发动机特性良好匹配，即充分利用发动机的特性；

③应具备起步、连续加速、制动、停车、倒驶以及随时切断动力的功能；

④具有较高的车辆平均行驶速度和传动效率；

⑤当外部阻力突然增大时，应具备过载保护功能，保证发动机不熄火、部件不损坏；

⑥车辆具备转向和修正方向的能力；

⑦可以利用发动机制动或采用牵引方式起动发动机；

⑧装置应具有体积小、工作可靠、寿命长、拆装方便等特点。

履带式坦克装甲车辆传动装置现在的主流是以行星传动、液力传动、双流传动、电液操纵、液压无级转向为主要技术特征。液压机械综合传动应用虽不广泛，但已经显示出一定的优越性。电力传动也正紧锣密鼓地开展研究，机电复合传动是坦克装甲车辆上适应未来电磁炮、电热炮等新式电能武器重要的传动形式。轮式装甲车辆传动目前以自动换挡行星变速、多轴驱动为主流，电力多轮独立驱动是目前研究的重点。

今后坦克装甲车辆传动装置的发展趋势主要是广泛采用行星传动、液压转向机构、液力制动器、电液自动操纵系统，设置高速倒挡，发展无级或电力传动。