Двигатель для танка: дизель или ГТУ.

      Недавно посмотрел видеоролик одного из моих знакомых, клип посвящен бронетанковым войскам России, сделан неплохо, но, ничего особенного https://www.youtube.com/watch?v=nnYn4XEK78w&index=8&list=PLz3i7zf4s7zwz7.... Во время просмотра пришла мысль сказать несколько слов по поводу энергосиловых установок (ЭСУ) бронетанковой техники.
    
    По сути своей, танк это бронированная подвижная машина, оснащенная мощным орудием, и имеющая приличные возможности для самообороны. Про орудия мы ранее немного уже сказали https://aftershock.news/?q=node/553478, по броне тоже кратенько прошлись https://aftershock.news/?q=node/574468, сегодня коснемся ЭСУ.
    При проектировании танка первоначальные параметры массы и подвижности зависят от выбора двигателя и трансмиссии. Карбюраторные двигатели сегодня не обеспечивают требуемых параметров, поэтому выбор по сути между тремя вариантами: ГТУ, дизель, или комбинация дизеля и ГТУ. Главный бонус ГТУ заключается в легком запуске (в том числи, на морозе) и высокой удельной мощности. Дизель отличается более высоким КПД, высоким крутящим моментом, более высокой живучестью. Отдельно стоит отметить, что дизель имеет больший запас прочности, и более низкую частоту вращения коленчатого вала.
    Для сравнения, современные танковые дизели при запуске и выходе на стабильную работу имеют частоту вращения коленчатого вала порядка 1,0-1,5 тыс. оборотов в минуту. Максимальная частота вращения вала достигает 3-4 тыс. об./мин. ГТУ запускается на частоте вращения ротора турбины не менее 7-8 тыс. оборотов в минуту, и достигает максимальной мощности лишь на 16-20 тыс. оборотах в минуту. Кто не в теме, поясню, что мощность любого двигателя является по сути своей произведением крутящего момента на частоту вращения выходного вала. Чем больше момент при данной частоте вращения, тем выше мощность, можно получить вдвое большую мощность при вдвое меньшем моменте, но, лишь за счет увеличения частоты вращения выходного вала в четыре раза. Напомню, это правило есть в учебнике по физике за, ЕМНИП, седьмой класс. Там оно называется “золотое правило механики”.
    И так, при установке на танк ГТУ мощностью в 1000 л.с. нам необходим более массивный и более сложный редуктор, чем в случае с дизелем мощностью в 1000 л.с. Если дизель развивает свою мощность при частоте вращения в 4 тыс. оборотов в минуту, а ГТУ лишь при 12 тысячах, тогда КПП и элементы трансмиссии танка с ГТУ должны включать лишний редуктор (например, в составе дифференциала или КПП) с передаточным числом равным трем. Кроме того, первая ступень первичного преобразователя частоты вращения должна иметь ту же частоты вращения, что и ротор турбины, то есть, 12 тыс. об./мин. Большая частота вращения это всегда плохо, ибо она увеличивает нагрузку на подшипники, создает ненужные вибрации, требует лучшей центровки валов и зубчатых колес, специальной системы смазки зубчатого зацепления, и еще ряд проблем.
    Крутящий момент дизеля складывается из четырех основных параметров:
    - число цилиндров,
    - давление в цилиндре,
    - диаметр цилиндра,
    - рычаг приложения усилия шатуна на коленчатый вал, иначе говоря, соотношение длинны хода поршня к диаметру выходного конца коленчатого вала,
    
    На рисунке 1 представлен разрез поршневой группы дизельного двигателя.
    Увеличивать число цилиндров более 12 не очень удобно, наращивание давления в цилиндре имеет свой предел, диаметр цилиндра можно легко подрастить за счет общих размеров двигателя. Аналогично можно подрастить и ход поршня (рычаг приложения усилия от поршня на коленчатый вал). Таким образом, крутящий момент дизеля можно без проблем увеличит до весьма крупных величин.
    В случае ГТУ все сложнее. Крутящий момент здесь складывается из следующих параметров:
    - диаметр рабочих ступеней ротора по крыльчатке,
    - давление рабочей среды,
    - число рабочих ступеней,
    - величина зазора между крыльчаткой ротора и корпусом статора.
   
    На рисунке 2 представлена упрощенная схема типичной ГТУ ТЭС.
    Последний параметр сильно привязан к чистоте обработки и подгонки деталей, а так же, к коэффициентам теплового расширения использованных материалов, и мы его подрастить без существенного продвижения научно-технического прогресса не можем. Давление рабочей среды (газообразных продуктов сгорания топлива в воздухе) можно нарастить только за счет увеличения числа ступеней компрессора, и/или за счет снижения зазора между крыльчаткой ротора и корпусом статора в зоне компрессора. Разумеется, это проблематично.
    Увеличение числа рабочих ступеней приводит к увеличению длинны и сложности ротора, что наращивает его стоимость, и приводит к продольному изгибу от центробежных нагрузок. Эти же центробежные нагрузки ограничивают диаметр ротора, ибо при большом диаметре мы имеем большую центробежную силу, которая разрывает ротор. Следовательно, частота вращения и диаметр ротора это взаимосвязанные величины, наращивание одной ограничивает другую. Обычно стремятся сделать уклон в стороны большой частоты вращения ротора, так как это способствует снижению массы и размером ГТУ в целом. Рост частоты вращения ротора ГТУ выше 18-20 тыс. оборотов в минуту обычно не целесообразен, так как, накладывают свои ограничения чистота и точность обработки деталей (ГТУ получится “золотым”.
    Отдельным бонусом дизелей является их более низкая стоимость, ибо требуется меньшая точность обработки и подгонки деталей. К тому же, дизеля проще ремонтировать, в том числе, в войсковых мастерских. Дизель потребляет меньше воздуха, что дает некоторое преимущества. Например, современный танковый ГТУ имеет КПД порядка 20%, в то же время, как хороший танковый дизель имеет КПД порядка 35%. То есть, на каждую лошадиную силу дизелю требуется более чем в полтора раза меньшее количество воздуха. Отдельно стоит отметить, что дизель работает при практически нулевом кислородном балансе рабочей смеси, ГТУ имеет сильно положительный кислородный баланс, то есть, потребляет на 20-50% больше воздуха, чем это теоретически необходимо (это позволяет снизить рабочую температуру турбины, что повышает ее долговечность и упрощает проектирование турбины, к тому же, поршневая группа дизеля работает периодически, а турбина непрерывно, что позволяет поршневой группе немного “остыть” за время спуска, продувки цилиндра и сжатия воздуха до впрыска топлива через форсунку).
    Уменьшение потребления воздуха дизелем по сравнению с ГТУ, дает огромный бонус в плане работы воздушного фильтра (что весьма актуально в пустыне или в степи, да и везде в сухую и пыльную погоду).
    В плане топлива стоит отметить, что дизель более чувствителен к октановому числу топлива, в то время, как ГТУ более чувствительна к зольности топлива (октановое число для ГТУ практически побоку). Поэтому явных преимуществ здесь нет, эти особенности взаимно компенсируют друг друга. Отмечу только, что в мирное время закупать авиационный керосин для армии примерно на 20-40% дешевле, чем ДТ. Кроме того, в военное время заправлять танки на марше то бензином, то соляркой, то спиртом, то керосином, то скипидаром, еще чем-то, удобнее, если там стоит более всеядная ГТУ. При этом, обслуживание и ремонт ГТУ обходится дороже, чем для дизеля.
    Исходя из КПД, расхода топлива, и объема потребляемого воздуха, можно отметить, что танк с ГТУ сложнее маскировать в ИК диапазоне. То есть, его проще обнаружить в приборы ночного видения, тепловизоры, проще навести ПТУР с ИК самонаведением. Особенно это актуально при поражении танков с вертолетов и другой авиации.
    В заключение стоит отметить, что последняя разработка отечественного танкостроения, знаменитый танк Т-14 оснащен дизелем с возможностью включения форсажа. Для повышения мощности дизеля можно включать компрессор для улучшения наполнения цилиндров воздухом (заодно, подрастает рабочее давление в цилиндре), и пропорционально усилить впрыск топлива. Это позволяет кратковременно повышать мощность двигателя на 25-30%, но, это несколько ускоряет износ двигателя, и приводит к перерасходу горючего, но, позволяет существенно повысить маневренность машины в условиях интенсивного боя https://ruxpert.ru/%D0%9E%D1%81%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D0%....