Газотурбинный двигатель

Т-80 — первый в мире серийно производимый танк с газотурбинным двигателем (ГТД). Работы по оснащению танков силовыми установками этого типа начались еще в конце 1950-х годов. Тогда на опытные образцы боевых машин ставились вертолетные двигатели. Быстро выяснилось, что они неспособны нормально работать в наземных условиях — вибрация и облака пыли быстро выводили ГТД из строя. Пришлось разрабатывать двигатель с самого нуля. Но откуда вообще возникла идея устанавливать газотурбинный двигатель на танк? «Во-первых, таким образом хотели решить проблему повышения боеготовности машины в условиях нашего сурового климата, — говорит Сергей Суворов, военный эксперт, кандидат военных наук, в прошлом — офицер-танкист. — Для того чтобы танк с дизельным двигателем мог начать движение при температурах от 0 до -20°С, необходимо для начала разогреть двигатель с помощью специального устройства — подогревателя — в течение 20−30 минут, затем запустить силовой агрегат и еще прогревать его около 10 минут на холостом ходу, пока температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения не поднимется примерно до 40 °C. Таким образом, зимой требуется в общей сложности 30−40 минут для выхода танка по тревоге из парка, что в боевых условиях немало. Газотурбинный танк может трогаться с места уже через 45 секунд после нажатия на кнопку пуска двигателя независимо от температуры окружающего воздуха.

Второе преимущество ГТД — так называемый коэффициент приспособляемости двигателя. Чем выше его значение, тем проще может быть конструкция коробки передач. Коробка передач Т-80 схожа с той, что установлена на Т-64, но в ней убран один планетарный ряд — в результате вместо семи передач их всего четыре. А упрощение всегда означает повышение надежности и удешевление конструкции, снижение утомляемости механика-водителя. Впрочем, сам по себе газотурбинный двигатель заметно дороже дизельного».

Не задохнуться в пыли

Еще одним толчком для советских конструкторов стала информация о том, что темой газотурбинных танков стали интересоваться в США. В условиях холодной войны и гонки вооружений советское руководство не могло пропустить такую информацию мимо ушей. Нашей оборонке пришлось срочно приступить к работе, и в результате Т-80 появился на свет раньше своего газотурбинного собрата-конкурента — танка M1A1 Abrams — на несколько лет.

Одной из главных задач, которую предстояло решить конструкторам, была защита газотурбинного двигателя от пыли. Та система очистки воздуха, которую в результате удалось сделать, уникальна, и аналогов в мире ей нет. Газотурбинный Abrams тоже имеет систему очистки, однако в ходе американской операции в Ираке «Буря в пустыне» выяснилось, что в условиях песчаной бури американский танк мог двигаться или стоять на месте с работающим двигателем не более 15 минут. Затем приходилось останавливаться и вытряхивать песок из бумажных фильтров. В Т-80 с пылью боролись прямоточные циклоны — вихревые газоочистители. Кроме того, пневмовибратор стряхивал песок с наиболее подверженного загрязнению соплового аппарата. После остановки двигателя пыль также стряхивалась с лопаток турбины, и на них не происходило запекания песка в виде стекловидной массы.

Оружие

Трофей противника: тест-драйв танка «Пантера»

Детонационные двигатели заменят ядро газотурбинных

Aerojet Rocketdyne

Американская компания Aerojet Rocketdyne получила контракт Национальной лаборатории энергетических технологий США на разработку новой газотурбинной энергетической установки на базе ротационного детонационного двигателя. Как пишет Aviation Week, работы, по итогам которых будет создан прототип новой установки, планируется завершить к середине 2020 года. По предварительной оценке, газотурбинный двигатель нового типа будет иметь по меньшей мере на пять процентов лучшие характеристики, чем обычные такие установки.

Современные газотурбинные работают по принципу преобразования энергии расширяющегося нагретого газа в механическую работу. В таких установках предварительно сжатый атмосферный воздух подается в камеру сгорания, где смешивается с топливом. Затем эта смесь поджигается и, сгорая, образует большое количество газообразных продуктов горения, которые выходят из сопла под большим давлением. На выходе эти газы вращают турбину, часть механической работы которой передается на приводимый агрегат, например, электрогенератор.

Та часть двигателя, которая отвечает за подачу воздуха, его смешивание с топливом и сгорание, называется газогенератором, или ядром установки. Фронт горения в топливно-воздушной смеси в камере сгорания газогенератора современных двигателей распространяется со скоростью, меньшей скорости звука. Такой процесс горения называется дефлаграцией. В работающем газотурбинном двигателе процесс горения поддерживается постоянно.

В новой газотурбинной установке, разрабатываемом Aerojet Rocketdyne, горение топливно-воздушной смеси в камере сгорания будет детонационным. Так называется процесс, при котором фронт горения распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью. При детонации выделяется существенно большее количество энергии, чем при дефлаграции — это связано с тем, что в первом случае топливо сгорает полнее. В новой установке детонация в камере сгорания будет постоянной, что позволит существенно упростить конструкцию.

Сегодня разрабатываются два типа детонационных двигателей: пульсирующие и ротационные. В пульсирующих топливно-воздушная смесь подается готовой в камеру сгорания через равные промежутки времени. Между каждой подачей смесь детонирует, а продукты ее сгорания выводятся импульсами. Пульсирующие детонационные двигатели не пригодны к использованию в качестве газогенераторов в газотурбинных установках, поскольку высокочастотные пульсации приведут к быстрому разрушению лопаток турбины и нестабильной работе установки.

В ротационных двигателях, первые из которых разрабатывались в СССР в 1950-х годах, используется кольцевая камера сгорания. В ней топливная смесь подается последовательно через радиально расположенные клапаны. Во время работы двигателя детонационная волна «обегает» кольцевую камеру сгорания, причем топливная смесь за ней успевает обновиться. При этом в камеру сгорания ротационного двигателя не нужно подавать готовую топливную смесь — фронт высокого давления, движущийся перед детонационной волной, эффективно смешивает необходимые компоненты.

Продукты сгорания в ротационном детонационном двигателе покидают камеру сгорания постоянно. Это позволяет использовать их в качестве газогенератора в газотурбинной установке. На разработку детонационной газотурбинной установки планируется потратить 6,8 миллиона долларов. Помимо Aerojet Rocketdyne к проекту новой детонационной газотурбинной установки будут привлечены несколько американских университетов. В частности, в Университете Пердью будут проводиться испытания детонационного газогенератора совместно с многокаскадной турбиной.

Помимо Aerojet Rocketdyne разработкой детонационной газотурбинной установки занимается Научно-исследовательская лаборатория ВМС США. Американские военные намерены использовать такие установки на надводных кораблях вместо традиционных газотурбинных двигателей. Разработчики полагают, что создание ротационного детонационного газогенератора позволит существенно уменьшить размеры газотурбинных установок. Благодаря установке новых двигателей на корабли ВМС США рассчитывают высвободить больше места на них.

Между тем, в августе текущего года российская специализированная лаборатория «Детонационные ЖРД» испытала первый в мире полноразмерный демонстратор технологий детонационного жидкостного ракетного двигателя, работающего на топливной паре кислород-керосин. Новая силовая установка позволит заменить в перспективных ракетах-носителях обычные жидкостные ракетные двигатели. Благодаря этому новые носители можно будет сделать компактнее и легче.

Василий Сычёв

Комфорт и чистота

«Когда Т-80 движется на тебя, на расстоянии до 30 м машины совсем не слышно, — рассказывает Сергей Суворов. — Первое, что доносится до слуха, — это лязг зубьев ведущих колес. Танк не дымит, выпуская практически чистый горячий воздух. Я служил на Т-80 и думаю, что в плане комфорта среди отечественных танков ему не было равных до появления Т-90АМ. Сказки о комфорте в танках западного производства так и остались сказками. Уровень эргономики во всех «абрамсах», «леопардах», «меркавах» и прочих «челленджерах» примерно на уровне Т-55 или Т-62. В «восьмидесятках» при -35°С механик-водитель раздевался да нательного белья, я сидел в башне на командирском месте в хромовых сапогах. Никаких рукавиц — тонкие кожаные перчатки. На других машинах в холод без нескольких слоев одежды, меховых варежек, шерстяной маски на лицо и валенок в башне не поездишь».

Т-80У — наиболее совершенная на сегодня машина из всего семейства Т-80. В этой модификации, появившейся в 1985 году, был применен новый комплекс вооружения. Несколько лет спустя тот же комплекс поставили на танк Т-72Б, после этого и ряда доработок танк получил наименование Т-90. Он располагает более мощным двигателем ГТД-1250 (1250 л.с. против 1100 л.с. у предшествующих модификаций).

В прошлом году появились сообщения о планах модернизации имеющегося в стране парка танков Т-80БВ, включающего несколько тысяч машин, и хотя официально параметры программы не объявлены, можно предположить, что итогом станет боевая машина, не уступающая по боевым свойствам Т-80У (а по некоторым показателям превосходящая его). Вероятно, будет произведена замена двигателя на ГТД-1250, танк оборудуют системой управления огнем 1А45 «Иртыш» с лазерным прицелом-дальномером, цифровым баллистическим вычислителем, комбинированным ночным прицелом и комплексом управляемого ракетного вооружения, способного стрелять ракетами типа «Инвар-М». Также машина получит современную динамическую защиту.

На пути к гибриду

Одна из главных претензий, предъявляемых танку Т-80, — прожорливость его газотурбинного двигателя. С этим трудно поспорить — ГТД действительно потребляет больше топлива, чем дизель. «Основной вид горючего для этого танка — дизельное топливо, — говорит Сергей Суворов, — но Т-80 может ездить и на керосине, и на смесях бензина. Как-то во время службы на Урале я столкнулся с ситуацией, когда мои танки ездили практически на воде. Баки нам заправили какой-то белой, похожей на молоко жидкостью, в которой воды было, наверно, не меньше 50%. Я тогда задавал себе вопрос — сколько бы на этой адской смеси проехал Abrams? А Т-80 ездили как ни в чем не бывало. При этом температура воздуха в тот день была ниже -10°С. Но проверку батальон сдал. Правда, потом от влаги начались проблемы в работе топливной системы двигателя».

Как считает Сергей Суворов, относительно низкая экономичность Т-80 связана не только и не столько с применением ГТД, сколько с конструкцией именно танковых газотурбинных двигателей. В отличие от дизеля, мотор Т-80 имеет более низкую приемистость. Чтобы набрать максимальные обороты, а следовательно, и мощность, дизелю надо полсекунды, а ГТД-1000/1250 — секунды три-четыре. Если на пути танка яма, механик-водитель должен бросить педаль газа, то есть сократить подачу топлива. Двигатель резко сбрасывает обороты, и танк фактически останавливается. Потом механик снова нажимает педаль подачи топлива, но требуется еще несколько секунд, пока турбина раскрутится снова. Чтобы не стоять в ямах, танкистов обучали раскручивать турбину до максимальных оборотов, а затем в яме замедляться с помощью системы торможения. Танк при этом не глохнет — так как нет жесткой связи между турбиной двигателя и трансмиссией, между ними связь только газодинамическая, однако топливо продолжает литься рекой. «В танковом газотурбинном двигателе была изначально применена не совсем правильная идеология подачи топлива, — объясняет Сергей Суворов. — Например, в ряде авиационных газотурбинных двигателей после запуска автоматически поддерживается заданное значение постоянных оборотов, а регулирование мощности на валу осуществляется за счет изменения подачи топлива, без изменения частоты вращения турбины. Если бы в танковом двигателе существовала такая же система, тогда и расход топлива был бы почти таким же, как на дизеле». Впрочем, конструкторская мысль не стоит на месте. Уже разработан перспективный газотурбинный танковый двигатель ГТД-1500, который по экономичности не уступает дизелям.

Что такое газотурбинный двигатель?

На сегодняшний день существует несколько различных видов двигателей, которые отличаются друг от друга по принципу работы. Один из них — газотурбинный двигатель. Он создан таким образом, что, переняв все ключевые достоинства бензиновых и дизельных поршневых двигателей, получил ряд неоспоримых преимуществ.

Газотурбинный двигатель, принцип работы которого заключается в проведении топлива через ряд турбинных лопастей, приводит их в движение с помощью расширяющегося газа. Он относится к моделям внутреннего сгорания. Газотурбинные двигатели делятся на одно- и двухвальные. Их КПД прямо пропорционален температуре сгорания топлива. Самые элементарные модели — одновальные, имеющие единственную турбину. Двухвальные не только сложнее в устройстве, но и способны выдерживать большие нагрузки.

Как правило, газотурбинные двигатели используются в грузовых автомобилях, кораблях и локомотивах. Производятся опыты по разработке таких механизмов для легковых автомобилей.

В настоящее время существует большое количество моделей таких двигателей, многие из которых значительно превосходят своих предшественников большей производительностью, меньшими размерами, габаритами и весом. Также газотурбинный двигатель является более безопасным и нейтральным для окружающей среды. Он производит меньше шума и вибрации, а также расходует намного меньше топлива. Это основные преимущества, которыми обладает газотурбинный двигатель.

Своими руками первый такой механизм создал норвежский ученый Эгидиус Эллинг в 1903 году. С тех пор его доработкой никто не занимался до самого 1920 года, когда по завершении Первой мировой войны доктор А. Гриффит начал вносить свои изменения в его конструкцию. А после окончания Второй мировой войны реактивные двигатели вошли в массовое производство в качестве наиболее эффективного метода питания самолета.

В настоящее время газотурбинный двигатель продолжает активно совершенствоваться. Наиболее широко он применяется в турбинах самолета, приводя в движение его лопасти, и в военной технике.

Именно газотурбинные механизмы подарили человечеству множество современных возможностей. Без них не существовали бы трансконтинентальные перекачки газа и перелеты больших авиалайнеров на большие расстояния. Газотурбинный двигатель способен вырабатывать огромное количество энергии с минимальными затратами топливных ресурсов. Он представляет собой самую сложную технологическую конструкцию среди всех, что были разработаны за прошедший век.

Итак, газотурбинный двигатель являет собой одно из самых грандиозных открытий двадцатого века, благодаря которому человечество получило колоссальные возможности для совершенствования технологий. Особенно ценным вкладом данной разработки становится то, что она позволяет экономить топливные ресурсы и практически не несет вреда окружающей среде, что крайне важно в наше время глобальных экологических кризисов.