摘要：介紹了燃氣輪機及柴油機的性能及系統構成等方面的特點，重點對二者進行了相關對比。隨著裝甲車輛技術的不斷發展，對動力裝置的功率要求將進一步提高。由于燃氣輪機在動力領域的突出優勢，因此有望得到更長遠的發展。

關鍵詞：坦克；燃氣輪機；柴油機；內燃機；熱力發動機

0 引言

我國在宋朝時候出現了走馬燈，這是種以燃氣驅動的簡單裝置。1791年英國曾提出過有往復式壓氣機的燃氣輪機，但未能實現。1902年美國制造出了燃氣輪機裝置，其空氣壓縮機由燃氣輪機驅動。20 世紀20 年代中期，許多研究人員為發展燃氣輪機的理論和設計開展了相關研究[1]；前蘇聯的研究人員為現代渦輪流體動力學理論奠定了基礎；法國在燃氣輪機布置上提出將渦輪壓氣機和動力渦輪分別置于不同的軸上，即雙軸燃氣輪機的設想。

1 坦克用燃氣輪機及柴油機的性能

燃氣輪機是旋轉式葉輪機械，由于其進氣、壓縮、燃燒及膨脹做功的過程均在與機體不接觸的葉片機中進行，且動力渦輪與燃氣發生器僅為氣動聯系，從而它具有低摩擦、高轉速和連續做功的特性。因此，燃氣輪機具有高的功率密度、優良的扭矩特性、加速性、低溫起動性、低的噪聲和輕度排煙。

主戰坦克是以柴油機還是燃氣輪機為動力，已經歷了數十年的爭論，但主戰坦克終究安裝了燃氣輪機，并成功地使用了多年[2-3]。在對兩種機型進行比較時，性能的對比是必要的，但重要的是動力裝置及其附件和傳動裝置等構成的動力傳動系統，對坦克的戰場生存能力、效能和可用性影響的對比。

2 坦克燃氣輪機與柴油機的性能比較

2.1單位工質所做的功及體積功率

與柴油機相比， 燃氣輪機由于受渦輪葉片熱強度的限制，其循環的參數不高[4]。因此1 kg 燃氣所做的功明顯小于柴油機[5]。雖然工作介質的工作能力低，但在體積功率方面，燃氣輪機優于柴油機。這是因為工作循環過程連續不斷高速流動的結果。提高渦輪葉片材料的耐熱強度和改善渦輪葉片的冷卻方法，就能改善循環的參數，從而有利于增加燃氣輪機在這個參數方面的優勢。

2.2 扭矩特性

燃氣輪機具有良好的扭矩特性及起動性能，柴油機在該領域相對較弱。

2.3 冷卻系統

燃氣輪機的主要優點是沒有柴油機所必需的冷卻系統和機油消耗量小，從而減小了動力裝置的尺寸，簡化了使用，減少了保養的時間和工作量。

2.4 無往復運動

在燃氣輪機中沒有旋轉-往復運動的質量，而旋轉-往復運動質量是柴油機出現不平衡力合力矩并引起扭振的原因。在燃氣輪機，所有運動的零件均是旋轉件，況且都是經過預先平衡的高速旋轉的零件。因此，高的平穩性運轉和良好的平衡性，提高了燃氣輪機的工作可靠性。

2.5 完全燃燒

由于燃料的不完全燃燒，在柴油機的燃氣火焰中含有燃燒產物的硬微粒，它們具有高的溫度，是強大的熱輻射源。與柴油機不同的是，燃氣輪機在進行燃燒過程時有相當大的多余空氣量，以保證燃料幾乎完全燃燒，并且排出的氣體溫度較低。由于這個原因， 燃氣輪機具有低的熱特征。此外應當指出，燃氣輪機在工作時具有低噪聲和低的排氣傳染的性能。

2.6 燃氣輪機的主要缺陷

燃氣輪機的燃油經濟性較差，特別是在部分工況，原因為循環是在工作介質較低的溫度和壓力下進行。當改善了工作循環的參數，燃氣輪機的經濟性指標可以提高。減少燃油消耗量的有效措施是采用回熱器，但將致使動力裝置系統復雜化。

由于每單位燃氣量完成的功低，因而流過燃氣輪機的空氣量比通過柴油機的要大得多，為此增大了空氣濾清器和動力裝置的燃氣空氣通道的尺寸。

3 坦克燃氣輪機與柴油機構成系統的比較

3.1 系統對坦克戰場生存能力的影響

作為坦克推進系統的重要部件-動力裝置，影響坦克戰場生存能力的重要性能參數是單位體積功率、單位重量功率及隱蔽能力。

3.2動力傳動裝置的重量和體積

為便于分析比較，現舉出功率相當的柴油機與燃氣輪機并安裝于坦克上所構成的動力傳動裝置。

由于燃氣輪機本身結構緊湊、重量輕，基本不需要冷卻等特點，從而在系統的體積和重量方面上有明顯的優勢。

3.3 傳至主動輪的功率和扭矩

（1）與同功率的柴油機相比，燃氣輪機可在各種工況下，向主動輪提供更多的有效功率。坦克裝用燃氣輪機后，冷卻風扇消耗功率明顯低于裝用柴油機，僅占動力裝置標定功率的4%～9%[6]。

（2）動力裝置的扭矩儲備系數與柴油機相比，燃氣輪機具有良好的扭矩特性，其扭矩儲備系數值為1. 5～2.2 ，而一般增壓柴油機為1. 05～1. 15。因此，在車輛的行駛工況下，與柴油機相比，燃氣輪機能給裝甲車輛主動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，并減少換檔的次數及功率損失。

（3）功率傳遞的效率 燃氣輪機具有高的扭矩儲備系數，因此仍可采用機械傳動裝置井通過優化選擇排擋數目，獲得最佳的牽引特性和高的功率傳遞效率。若采用綜合液力機械傳動裝置， 由于高的扭矩儲備系數.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

燃氣輪機用于燃燒的空氣流量約為柴油機的2倍，但若將動力裝置的冷卻用空氣流量考慮在內，則用柴油機時總的空氣耗量大于燃氣輪機.

空氣耗量的差異，影響著車輛動力艙頂甲板的開窗尺寸；安裝燃氣輪機的坦克.其窗口面積只有安裝柴油機的30%～45%。進氣百葉窗尺寸，直接影響著車輛頂部的防護能力。

3.5 排煙

在戰場上，排氣帶煙將暴露目標。

（1）柴油機在起動、加速工況會產生可見的碳煙，而燃氣輪機在全部工況內排氣均不帶煙。

（2） 當動力裝置使用一段時間后，柴油機排氣煙度值加大，而燃氣輪機在整個使用期內煙度值都很低。

3.6 噪聲

噪聲大小，影響坦克處于隱蔽狀態下的戰術使用。由于燃氣輪機為旋轉葉輪機械，循環做功為連續進行，與柴油機相比，其振動小；加之空氣溫和回熱器均可對進、排氣起到消聲作用，噪聲能量級平均可低30%以上。

綜上所述，以燃氣輪機為動力，可向坦克提供更高的主動輪功率及良好的扭矩特性，從而導致車輛有良好的戰場機動性；在戰場上，坦克在200m 距離的沖擊時間，以柴油機為動力時為26 s，以燃氣輪機為動力時僅為19 s，較小的動力傳動裝置的體積和重量，較小的動力艙頂甲板進氣窗口面積，無可見碳煙和輕聲等均提高了坦克的戰場生存能力。

4 系統對坦克戰場效能的影響

4.1 起動性能

燃氣輪機與柴油機起動過程上有著本質的差別[7]。柴油機起動，除要克服滾動、滑動阻力外，還需克服氣缸內的氣體壓縮功，故起動電機功率較高；加之柴油機壓燃的特點，一般氣溫在-20 ℃ 以下時，無附加裝置即不能起動。燃氣輪機的起動，只是加速燃氣發生器，且為低摩擦的波動軸承，故起動電機功率相對較低，并能在更低的溫度（﹣54 ℃）下直接起動。

4.2裝甲車輛的行程

燃油消耗率在接影響坦克的行動半徑，燃氣輪機燃油消耗率較高，因此一般認為會影響坦克的行程。僅從單機性能對比是這樣的，如果考慮了動力裝置本身的特性及其安裝狀態，結論就不同了。

單機性能對比，M1坦克燃氣輪機的燃油消耗率較豹II坦克的柴油機高12.2% 。按傳至主動輪上所獲得的有效功率計算，則兩種機型的燃油消耗率相當。

功率相等（或相當）的柴油機與燃氣輪機相比，盡管燃氣輪機的怠速油耗高1倍，但對總的任務油耗影響不大，總的任務燃油需要量，無論是AGT 1500坦克燃氣輪機還是GT601 燃氣輪機，都與柴油機相近。至于怠速油耗高的問題，美國已因采用輔助動力裝置得到解決。對于不帶回熱器的燃氣輪機，一般其任務油耗及24小時戰斗日油耗均高出柴油機。

4.3多種燃料的性能

燃氣輪機是真正的多燃料動力裝置，它可使用任何簡單蒸餾的石油產品，包括各種航空煤油，未加四乙鉛的汽油、煤油及各種柴油，并無須對動力裝置的燃油系統做任何更改。

5 系統對坦克可用性的影響

5.1 可靠性和耐久性

與柴油機相比，燃氣輪機的零件少30%，易損件數量少2/3，且無往復摩擦運動，因此故障率低。

5.2可維修性

燃氣輪機為模塊設計，通常由前、后模塊、傳動模塊及附件模塊組成，非常便于維修和更換；燃氣輪機的附件模塊所有部件（起動電機、燃油濾清器及燃油調節器等）均置于動力裝置上部，便于接近。燃氣輪機采用視情維修，無須定期保養和補充、更換機油；機油消耗量極低，僅為柴油機的1/20～1/10。

5.3可用性

美國駐歐洲的M1坦克部隊，每年演習結果表明，M1坦克安裝燃氣輪機后，大大提高了坦克的戰備完好率。由統計可知，M1坦克的戰備完好率平均高達95%以上，而其中由于動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，從理論上和實踐上均表明燃氣輪機在這些方面具有顯著的優勢。

6 全壽命周期費用比較

全壽命周期費用由研究與研制，采購和裝車后的使用與維修三部費用組成。

6.1 研究與研制

一般認為燃氣輪機動力裝置的研究與研制費用高于柴油機，主要是燃氣輪機采用了貴的高溫合金和較為復雜的工藝，以及較高的加工精度。但從動力傳動系統的角度來看，燃氣輪機在冷卻系統和傳動系統的研制方面可節省部分費用。當今研制一臺同功率的柴油機和燃氣輪機的費用基本相同，這是由于柴油機結構日趨復雜，加工精度要求更高的結果。

6.2 成本及發展

由于材料、工藝和研制費用高，所以就動力裝置本身來講，燃氣輪機的價格比同功率的柴油機高1/3。

（1）燃氣輪機的大修時間明顯高于柴油機，約為其3倍

（2）燃氣輪機的使用與維修費用明顯低于柴油機，其主要原因為①在使用過程中無須保養和加添機油；②非常低的機油消耗費用； ③燃氣輪機的壓氣機部件使用期長，要求更換的部件主要是渦輪和燃燒室；因此在大修時部件的更換率僅為柴油機的一半。

1939 年8 月27 日，首架以燃氣輪機驅動的噴氣式飛機在德國騰空而起，隨后短短十多年時間里，作戰飛機全部使用了燃氣輪機；至60年代，各種型式的燃氣渦輪動力裝置已在民用飛機上占絕對優勢。

1967 年. 瑞典的Strv-103b坦克使用了柴油機與燃氣輪機并聯的組合動力裝置。70年代中、后期，美國、前蘇聯都在其主戰坦克上使用了燃氣輪機，開始了燃氣輪機廣泛應用于主戰坦克的新時期

7 使用條件對燃氣輪機指標的影響

與柴油機相比，使用條件對燃氣輪機指標的影響顯然要大。這是由于當工作循環的參數較低時（部分負荷工況） ，空氣的壓縮過程和燃氣的膨脹過程特性均有明顯的變化。

7.1進氣真空度的影響

進氣真空度（壓力降）的增加，引起壓氣機進口處空氣密度的下降，空氣的重量流量降低，結果導致壓氣機中氣流流動偏離設計工況，降低了壓氣機的效率和氣體動力的穩定性，且當其明顯地偏離計算過程時，能夠導致動力裝置的喘振和停車。為了提高壓氣機的穩定性，可對壓氣機實施專門的型面設計，或者對壓氣機分級調節和從流動的通道中放出部分的空氣的增加還會使燃氣輪機全部流通部分工作介質的壓力下降，相應降低了渦輪中膨脹比和渦輪的單位功，以及發功帆的有效功率和燃油經濟性。

進氣真空度的增加，還會是燃氣輪機全部通流部分工作介質的壓力下降，相應降低渦輪中膨脹比和渦輪的單位功，以及動力裝置的有效功率和燃油經濟性。

7.2動力裝置排氣背壓的影響

動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氣流動的計算特性，導致動力裝置的功率降低和燃油經濟性變壞。

7.3大氣壓力的影響

大氣壓力變化時，由于空氣的質量流量改變，會導致動力裝置的有效功率成比例的變化。

7.4動力裝置進口空氣溫度的影響

動力裝置進口空氣溫度的改變，給予燃氣輪機的指標的明顯影響，這些影響首先是壓氣機的壓力升高比變化。溫度的升高會導致壓比降低，從而引起循環效率、渦輪膨脹比、渦輪比功和動力裝置燃油經濟性的降低。

8 結論與展望

當前坦克使用燃氣輪機，特別是不帶回熱器的燃氣輪機，其燃油消耗量高于柴油機之外，而其他性能、指標均優于柴油機。近年來隨著葉輪機械的發展，坦克燃氣輪機的燃油消耗已有了顯著改善。同樣，由于柴油機技術的進步，至今仍是主戰坦克可以選用的機型。

未來的主戰坦克，要求具有更高的生存能力。因此，采用電熱炮、電磁炮，并進一步縮小車輛的外形尺寸是發展的必然趨勢。對動力裝置的功率要求預計將進一步提高。此刻，燃氣輪機的優勢將更加突出，這是美、俄等國發展坦克燃氣輪機的重要原因。

參考文獻

[1] 伍賽特.坦克動力裝置歷史沿革及未來發展研究[J].自動化應用,2021(01):160-163.

[2] 伍賽特.軍用車輛動力系統技術特點及動力裝置選型研究[J].汽車零部件,2021(04):96-101.

[3] 伍賽特.坦克動力系統未來發展趨勢展望[J].機電信息,2020(15):168-169.

[4] 張均享.美國坦克裝甲車輛動力的發展[J].國外坦克,2009(01):46-49.

[5] 張均享,李新敏.坦克百年動力概論[J].國外坦克,2015(06):41-51.

[6] 張均享,李新敏.坦克燃氣輪機的使用和未來[J].國外坦克,2012(11):40-45.

[7] 張均享,李新敏.詮釋坦克燃氣輪機[J].國外坦克,2013(06):41-48.

來源: 伍賽特