车用燃气轮机极寒高原环境起动与工作优势分析

2023-02-27邢俊文张更云姚新民李军乔新勇

兵工学报 2023年1期

邢俊文，张更云，姚新民，李军，乔新勇

(陆军装甲兵学院车辆工程系，北京 100072)

0 引言

在低于-10 ℃的寒冷高原环境下，装甲车辆的柴油机动力都需要进行加温才能起动，少则10 min，多则近1 h，这样，必然增加了车辆的战斗准备时间，而在瞬息万变的战场环境，无疑对于装甲车辆的战场生存形成了致命的打击。而以美国M1A1 坦克和俄罗斯T-80Y 坦克为代表的燃气轮机动力，可以在小于-40 ℃的极寒环境下，直接起动，起动时间小于1 min，而后可以低速行驶投入战斗或原地进行火力反击，这对于现代战争条件下装甲车辆的战场生存力而言是一个巨大的进步，这一事实已得到试验验证［1］，但为什么燃气轮机比柴油机在低温环境下起动有如此大的优势呢? 这就要从两种动力的工作机理和对比中找到答案。

1 发动机起动的影响因素

不管是柴油机，还是燃气轮机，都是利用燃料燃烧产生的化学能转化为机械能的，而发动机起动成功的标志是能够自行连续工作，不间断输出动能对外做功;起动过程通常分为3 个阶段，即暖机运转、燃料燃烧加速、自行稳定运转，其中，燃料燃烧是核心条件，前期准备和后期延续均为了燃料起燃及持续燃烧，燃料不能燃烧也就谈不上起动成功，因此，发动机起动的影响因素均与燃烧状态、环境条件、起动力矩、起动阻力等相关。此外，因燃气轮机与柴油机的输出扭矩与转速的工作特性不同，起动后，在最低稳定转速的起动工况点，带自由涡轮燃气轮机可输出轴零转速工作，且随转速降低而扭矩增大，稳定性要优于柴油机。

1.1 燃烧机理

柴油机靠压缩燃料混合气自燃来工作，根据柴油自燃温度220～330 ℃的要求，压缩终了温度、混合气雾化程度及比例必须满足自燃条件，才能使发动机燃料起燃，这是必备和基础条件。

燃气轮机靠点燃燃料混合气来工作，根据柴油闪点温度50～65 ℃的要求，压气机终了温度、混合气雾化程度及比例必须满足点燃条件，才能使发动机燃料起燃，这也是燃气轮机起动基础条件。

二者相比，点燃显然比压燃更容易满足。

1.2 起动阻力

起动阻力矩通常由摩擦、气动和惯性阻力矩组成，摩擦与惯性阻力矩受发动机起动运转件的转动惯量、摩擦力和润滑油黏度影响，转动惯量越大、摩擦力越大，黏度越大，起动阻力就越大，起动就越困难。气动阻力矩与气体压缩程度及转子转速相关，压力越大，曲轴或转子转速越高，气动阻力矩也就越大。

柴油机起动运转件包括曲柄连杆机构、联动机构、配气机构、辅助系统驱动装置、主离合器主动部分等，传动链上部件多，曲轴转速2 000～4 000 r/min，因低速重载的强度要求高，轴系旋转质量增大，等效转动惯量就变得很大。同时，各机构机件材质不同，膨胀系数也不同，曲轴和轴瓦间等配合部位的间隙容易受温度变化的影响。而且，润滑油黏度随温度变化比较大，低温会导致其流动性变差，摩擦表面供油不足，增加曲轴旋转阻力矩，影响到发动机的起动性能［2］。

燃气轮机起动运转件包括压气机转子、高低压涡轮、联动机构、辅助系统驱动装置等，不与输出动力涡轮及减速箱等机构相连，传动链上部件少，核心转子速度达几万转，同功率下与柴油机起动运转件相比，载荷大幅降低，轴系旋转件质量变轻，等效转动惯量就会变得很小，但转速高，起动运转时间需长一些。同时，航空机件材质好，高速转子轴承受温度影响小，润滑油也为航空专用油，低温黏度变化比较小，旋转阻力矩增加不大。

以382 kW 的12150L 高速柴油机为例，其曲轴摩擦阻转矩在5 ℃气温环境下为1 196 N·m，-15 ℃环境下增大到2 305 N·m;而920 kW 的GTD1250 燃气轮机，其高压涡轮转子最大摩擦阻转矩为12 N·m，可用一根手指拨动转子运转。二者相比，柴油机起动摩擦阻力矩远远大于燃气轮机，特别在低温环境下，柴油机成倍增大，而燃气轮机稍有增加，变化很小。

1.3 起动力矩

发动机起动离不开外部动力去推动发动机暖机运转、持续加速，直至其能够自行稳定运转为止。电起动方式通常是主要起动方式，它由电瓶供电，经起动电机拖动发动机，克服起动阻力，按起动程序和要求运转，该起动力矩取决于电瓶和起动电机的性能;空气起动方式是由高压气源或气瓶提供压缩空气，推动活塞或转子运转直至发动机起动;该起动力矩取决于压缩空气气压和流量。

1.3.1 电瓶性能

电瓶作为起动电源使用，必须具有足够大的起动容量和尽可能小的内阻，才能供给起动电机足够大的起动力矩，克服起动阻力矩，使发动机起动。由于温度对电瓶容量和内阻影响比较大，特别是低温环境下，铅酸蓄电池容量下降近40%以上，严重影响发动机的正常起动。为改善电瓶性能，可采用辅助动力发电单元或电瓶保温加温等技术，弥补电瓶性能的不足。

1.3.2 起动电机

为了保证发动机迅速可靠地起动，要求起动转速足够高，一般要求汽油机最低曲轴转速50～75 r/min，柴油机为200～300 r/min，燃气轮机高压涡轮转速26 000 r/min 以上。这就要求起动电机产生足够的起动力矩，达到足够的起动转速，稳定足够的运转时间。对于三轴燃气轮机起动，还采用了两级电机拖动加速，拖动时间近半分钟左右。温度变化会影响到电机自身的运转阻力矩，低温环境下还要考虑到起动电机阻力矩增加的影响。

1.3.3 空气起动

柴油机空气起动力矩取决于气压和起动次数，在安全气压内，气压越大起动力矩越大。

燃气轮机空气起动需要专门的空气起动机和储气装置，由于起动拖动时间长，其起动力矩不仅于气压相关，与储气量也有关系。

1.4 雾化要求

柴油机燃料雾化质量会影响到混合气形成、自燃和完全稳定燃烧，是促进燃烧的先决条件。雾化程度与喷嘴方式、喷油压力、环境温度、缸内压力和温度相关［3-8］。

燃气轮机燃料雾化质量会影响到混合气的余气系数、火焰传播速度和稳定燃烧，是燃烧室稳定燃烧的重要基础。根据燃油雾化原理分为压力雾化(机械雾化) 和空气雾化两大类。在燃烧室进口压力和温度较低时，可采用外部压缩空气进行雾化，以获得稳定燃烧的燃烧室混合气条件［9］。

二者相比，柴油机喷油压力高、雾化好，但燃烧时间极短，压燃起动对雾化要求极高;燃气轮机喷油压力低，雾化差，但燃料经点燃后始终处于连续燃烧状态，采用环形燃烧室结构加上压缩空气雾化方式，容易实现点燃及燃烧持续稳定，对雾化质量要求相对较低。

1.5 燃烧状态

对于柴油机，燃料喷入气缸燃烧室后，分散成许多细小油滴，这些油滴经过加热、蒸发、扩散、与空气混合、分解、氧化后，会自行着火燃烧。着火需要两个条件:一是可燃混合气比例要在着火界限内，即余气系数在1 附近，富油和贫油都不能着火;二是可燃混合气必须加热到自燃温度，低于该温度就无法燃烧，该温度与介质压力、加热条件、燃料性质有关，其中，燃油自燃温度范围见图1，与压力相关。首次着火后，通常很粗暴，气缸内压力和温度很不稳定，很容易发生失火和熄火现象，必须继续保持稳定的暖机转速和合适喷油量，才能实现稳定燃烧和持续自行运转。

图1 燃油自燃温度范围Fig.1 Autoignition temperature range of fuel

对于燃气轮机，燃油喷射进燃烧室，雾化的油珠吸收热量蒸发，并且通过扩散的方式与空气进行掺混形成混合气，比例适当的混合气，在达到闪点温度时，经点火装置点燃，只有点燃后的燃油火焰传播速度与进气气流速度达到平衡时，燃烧室内才能保持稳定燃烧。混合气的燃烧条件有两个: 一是比例适当，从理论上讲，余气系数为1，混合气的比例是最恰当的，既不贫油也不富油，当余气系数小于1 时，混合气富油，当余气系数大于1 时，混合气贫油;二是达到着火温度，混合气的着火温度随组成混合气的燃料与氧化剂种类的不同而不同，并且与混合气的压力大小有关。点火包括能量释放、火焰点燃和传播三个过程，通过使用点火装置触发一团热的气体核心，释放能量;蒸发点火器附近的液体燃油、加热混合气，并触发包围点火器的火焰筒内的第一把火。

火焰从点着的一个头部向相邻头部传播，直到点燃整个燃烧窒。如图2 所示，燃气轮机有可能因混合气比例和气流速度不合适，超出边界而发生熄火。图2 中:AB 线段表示气流速度过小，低于A 点，贫油极限随气流速度减小而减小，沿AB 线变化;AC 线段表示气流速度过小，低于A 点，燃烧室如果采用蒸发管后，雾化质量不会因气流速度减小而变差，贫油极限随气流速度减小而继续增大，沿AC 线变化;C2max表示燃烧室稳定燃烧所允许的最大进口气流速度。

图2 燃机熄火特性关系图Fig.2 Boundary conditions of gas turbine flameout

2 低温环境对起动过程的影响

在低温环境下，燃油的流动性、雾化都会变差，润滑油黏度增加，电瓶性能下降，导致起动阻力增加，起动力矩下降，燃油着火难，起动难，严重影响到坦克装甲车辆的寒区快速机动。

2.1 柴油机

在低于-10 ℃的环境下，柴油机必须进行加温保温，才能正常起动工作，特别是在-30 ℃以下，加温长达50 min 以上，柴油机才能起动。低温对柴油机起动的影响体现在以下4 个方面:

1) 气缸内活塞压缩终点温度低，缸体散热快，难以达到柴油自燃温度。低温环境使进气温度降低，也增大了起动前气缸内外温度差，使得压缩终了空气温度偏低，且散热快而不易保持，难以达到柴油的自燃温度而正常起动［10］，经某柴油机试验表明，缸内压缩终了温度达到427 ℃以上，才能实现可靠稳定燃烧，对应的环境进气温度为10 ℃［2］。也就是说，低于10 ℃，原则上柴油机都需要加温保温，才能可靠起动。

2) 机油黏度增大，起动阻力矩增大。对于结构一定的发动机来说，发动机曲轴旋转阻力矩和启动转速，在低温条件下主要受润滑油黏度的影响。在摩擦阻力中，活塞与气缸、曲轴各轴承的摩擦力是主要的，约占启动摩擦力60%以上。随着温度降低，发动机润滑油黏度增大，曲轴旋转阻力矩增大，发动机转速下降，影响起动性能。

3) 柴油黏度增大。在低温条件下，柴油黏度增加，表面张力加大，导致燃油输送不通畅和喷油的雾化质量变差，易造成断油熄火或延长着火滞后期。

4) 蓄电池工作能力变弱。蓄电池的最佳工作温度在20～40 ℃范围，随着环境温度的降低，蓄电池的输出能力也相应的下降，在-30 ℃时，20 h 放电率只有额定输出的34%左右;蓄电池容量也在降低，如65 式蓄电池在30 ℃时的启动容量为35 A·h，但在-18 ℃的启动容量只有21 A·h 容量，降低40%;同时，蓄电池端电压下降也比较快，电解液电阻随温度降低而增大，使蓄电池内部电压降增加，端电压明显下降，限制了起动电流。

低温启动需要的启动功率大，而蓄电池工作能力反而下降，启动机无力拖动发动机旋转或不能达到最低启动转速，致使发动机启动困难。

在低温环境下，确保蓄电池选型符合要求并充满电，低温启动困难时，应对蓄电池电压进行测量，保证蓄电池电压符合低温环境条件下的下降曲线特性要求，必要时可采用蓄电池加热装置［11］。

2.2 燃气轮机

在-43 ℃的环境下，燃气轮机相对于常温下起动困难一些，但借助高压空气雾化，可以实现直接起动;起动后，燃气轮机经短时间自加温，便可驱动车辆低速行驶。低温环境对燃气轮机起动的影响体现在以下3 个方面:

1) 滑油黏度增大，起动阻力矩增大［12］。在低温条件下受润滑油黏度的影响，各转子及附件驱动的阻力矩增大，影响起动性能［13］。

2) 柴油黏度增大，雾化质量变差。在低温条件下，柴油黏度增加，表面张力加大，导致喷油雾化质量变差，需要借助高压空气雾化，才能确保点燃成功。

3) 蓄电池工作能力变弱。与柴油机相同，利用蓄电池的电起动系统受低温影响，起动力矩下降，影响起动。为此，应选择低温性能好的蓄电池或辅助燃机动力发电单元来解决该问题。

2.3 对比分析

在低温环境下，燃气轮机与柴油机相比，更易于起动，对比分析原因如下:

1) 燃油点火温度远低于自燃温度，极寒条件下，燃气轮机燃烧室内利用高压空气雾化很容易达到点燃燃烧条件，而柴油机不经过加温保温过程，气缸内很难达到压缩自燃的稳定燃烧温度条件，即使利用进气加温或起动液等措施实现即时燃烧起动，其过程也非常粗暴，必然因润滑油低温黏度过大导致的润滑不周，而发生拉缸和烧曲轴轴瓦的故障，严重影响柴油机正常工作及寿命。

2) 航空润滑油黏度低于机油黏度，燃气轮机起动旋转件转动惯量也远远小于柴油机的，燃气轮机起动阻力矩也远远小于柴油机。比如，燃机使用的4109 号航空润滑油凝点为不低于-60 ℃，-40 ℃条件下运动黏度不大于3 000 mm2/s;柴油机使用的5W-40 润滑油倾点不高于-55 ℃，-40 ℃条件下低温泵送动力黏度不大于60 000 mPa·s，该温度下密度设为0.84 g/cm3，则换算运动黏度为71 429 mm2/s，远大于航空润滑油。

3) 蓄电池低温下工作能力下降对两种发动机影响是一样的，均会导致起动力矩下降。

综上所述，柴油机在低温下正常起动几乎是不可能的，必须经过长时间加温和保温才能实现;而燃气轮机可实现极寒条件下正常起动，具有天然的起动性优势。

3 高原环境对起动及工作过程的影响

在高原环境下，随着海拔升高，气压降低，空气密度下降，空气含氧量下降，如表1 所示，直接影响到气缸或燃烧室内燃烧的进气量和进气压力，导致发动机功率下降;同时，海拔高、空气稀薄也影响到冷却系的散热能力，水沸点降低，如表2 所示，柴油机容易产生过热;高原地区日照时间长、无霜期短、空气干燥，处处伴随着低温和沙尘环境，这对发动机的起动和损伤也是致命的。

表1 大气压、空气密度和海拔高度的关系［14］Table 1 Relationship between atmospheric pressure/density and altitude［14］

表2 大气温度、水沸点和海拔高度的关系［14］Table 2 Relationship between atmospheric temperature/boiling point of water and altitude［14］

3.1 柴油机

高原环境因空气稀薄、气温低影响着柴油机的燃烧和热交换过程，导致发动机功率下降、燃烧恶化、易过热和难启动，不能持续正常工作。

1) 空气稀薄使燃烧过程恶化，功率下降，不能持续正常工作。由于高原地区空气密度低、气压下降快，含氧量低，使发动机压缩终了的压力下降，充气系数减小，在供油量不改变的情况下，过量空气系数降低，混合气变浓，导致发动机燃烧过程恶化，后燃严重、燃烧不完全，冒黑烟［15］，排气温度升高，功率降低，燃料消耗率增加，且易使活塞顶部、燃烧室、排气门处产生积炭，排气歧管烧红、烧裂，废气抽尘器的铜石棉垫烧坏，水散热器的出水胶管烤坏［14］。因此，装甲车辆在高原地区使用，不仅降低发动机性能，而且严重地影响发动机持久正常地工作。

按照大气环境功率修正公式计算可得某型自然进气柴油机功率修正系数随海拔高度变化关系如图3 所示，发动机上升到海拔5 000 m，标准环境状况温度25 ℃有效功率应下降39.3%［16］;环境温度5 ℃发动机有效功率应下降45.1%［16］，可以发现大气压和环境温度对发动机的功率影响很大。因此，军用发动机采用增压等技术措施，在努力减小其高原上的有效功率下降幅度。

图3 某柴油机计算高度特性［16］Fig.3 Relationship between calculated power and altitude for a diesel engine［16］

要避免燃烧恶化，使柴油机能够持续工作，必须合理减油或限制供油量，工作在与稀薄进气量匹配的燃烧状态下，表现为发动机无力、功率严重不足，坦克设计的机动性不能实现，这种状态也是不正常且无法接受的。

2) 空气稀薄影响热转换，柴油机易过热。散热条件变差。发动机散热是依靠空气这一媒介传播出去的，在高原地区由于空气密度低，在日照气温高的条件下不利于散热，使发动机的散热性能下降;另外气缸体、散热片、散热器等部件接触空气机会减少，机体表面的热量难以带走，热交换效果差［14］。增加散热空气的流量可以改善散热条件，但因大气环境条件所限，该措施难以实现，且代价大、效果差。

冷却液沸点降低。冷却液的温度直接影响燃烧过程和传热损失，同时与机油温度、机油黏度和摩擦损失密切相关。在装甲车辆的使用过程中，保持一定冷却水温是非常必要的。一般装甲车辆的发动机冷却水温度在90 ℃左右，由表2 知，在平均海拔4 000 m 以上的西藏地区，当冷却水温度还没有达到正常工作温度(90 ℃) 时冷却水已经沸腾，导致发动机受热零件冷却不足，机体过热，充气系数下降，燃烧异常，机油变质和零件磨损加剧，进而导致整机性能恶化，可靠性和寿命降低［14］。水冷闭式循环系统可通过加压来改善或提高冷却液的沸点，但压力不能太大、效果也不明显。

工作负荷大。在高原山地，由于坡上行驶较多，装甲车常以较大负荷工作，加以空气稀薄，燃烧恶化，因此，冷却液吸收的热量增多。同时，西藏地区空气密度小，因而单位时间内流经散热器的空气质量流量大大降低。这些不利因素超过了因海拔上升而气温下降给发动机带来的好处，因此，装甲车辆在使用中易使发动机过热。

发动机热转换性能差，还会导致发动机运动部件因散热不良造成局部润滑不利，使机构、部件产生半干摩擦，进而增加运动阻力，增加耗油量，损坏部件，造成故障，影响正常使用。

3) 较低的大气温度导致发动机启动困难。高原地区无霜期短，随着海拔增高，大气温度也在降低，同样因低温环境影响着发动机的起动性能。

4) 沙尘的影响。西藏高原是典型的荒漠地带，干燥多风，空气含尘率高，为1 000～3 000 mg/m3，柴油机工作时，沙尘颗粒淤积在空气滤清器的滤蕊外表面，增加了进气系统的阻力。进气阻力的增大将使柴油机吸入空气量不足，造成燃烧不完全，冒黑烟，功率下降，油耗增加同时，部分沙尘颗粒透过滤清器在柴油机运动机件的摩擦表面之间形成磨料，加剧零件磨损，降低柴油机使用寿命。

3.2 燃气轮机

高原环境因空气稀薄、气温低也会影响到燃气轮机的燃烧和热交换过程［9，17-19］，导致发动机功率下降、易过热和难启动，但通过加强散热和压缩空气雾化，可确保燃气轮机在高原上持续正常工作。

1) 空气稀薄使进气量减少，压力降低，燃烧所需空气含氧量降低，造成发动机功率下降。

如图4 所示，涡轴燃气轮机的功率随海拔高度升高而降低，在4 000 m 处，功率约为平原地区的70%左右，这个无法避免。为此，要同时满足高原和平原两种工况，就需要按照高原工况设计燃气轮机的最佳工况点，而在下降到低于某一高度时，进行功率限制，具体措施是通过控制供油量和限制涡轮前温度和发动机转速来实现，避免平原状态发动机功率过高而损坏机件。

图4 某涡轴燃气轮机高度特性Fig.4 Relationship between power and altitude for a turboshaft engine

高原环境还需要调节燃烧室喷油量［20］和涡轮前温度来控制燃烧状态，并配合压缩空气雾化起动，可确保高原上燃气轮机正常起动与工作。

2) 空气稀薄也会影响燃机热转换。燃气轮机内部散热主要靠气膜冷却，绝大部分热量随排气带走，没有冷却液，不会因空气稀薄而受到影响。少部分热量经润滑油循环，经散热器带走，这部分散热会因空气密度低而受到影响，如果考虑到这一因素，设计上加强动力舱散热循环，增加废气引射等装置，可以有效解决这一问题，实现动力舱热平衡。

3) 较低的大气温度影响发动机启动。高原地区伴随着高寒，同样因低温环境影响着发动机的起动性能。

4) 沙尘的影响。高原地区空气含尘率高，要求发动机抗沙尘性能好。燃气轮机工作时，沙尘颗粒大部分由粒子分离器带走排出车外，少部分会进入燃气发生器和回热器，容易冲击损坏叶片，淤积在叶片和回热器表面，对发动机工作产生致命影响［21］。

为此，车用燃气轮机要求空气滤清器的除尘能力强，除尘效率在99%以上，同时，压气机和涡轮要具备抗沙尘冲击的强度，燃机内部要设置自动除尘装置，避免沙尘淤积带来的危害。

3.3 对比分析

在高原环境下，燃气轮机与柴油机相比，更易于工作，对比分析原因如下:

1) 空气稀薄导致柴油机燃烧恶化、功率下降，不能持久正常工作，而燃气轮机也会功率下降，下降幅度相当，但可以正常工作。

2) 空气稀薄导致柴油机易过热，造成故障，影响正常使用;而燃气轮机没有冷却液，绝大部分散热经排气带走，少部分散热经优化设计可避免过热现象，不影响正常使用。

3) 较低的大气温度影响发动机的启动，但燃气轮机低温起动性能要好于柴油机。

4) 沙尘对两种发动机都会有影响，对于柴油机，这种影响是不可避免的，只能通过勤保养清洗空滤来解决，导致保养间隔不超过4 h;对于燃气轮机，设计不当，影响也是致命的，比如，M1 坦克在伊拉克战争中造成的发动机AGT-1500 故障中80%源于沙尘损坏叶片，其原因在于滤清装置效率低，采用了单级离心和多级轴流的组合压气机、普通叶轮，对沙尘的防护不好。但设计好，就能避免类似问题，比如GTD-1250 燃气轮机，采用了高效的旋风筒滤清装置，以及双级离心压气机和闭式叶轮，增加叶片强度，有效过滤和阻止了沙尘的破坏，同时，内置自动除尘装置，不设回热器，保证了进入沙尘不会滞留，较好解决了这一难题，能够在沙尘中持续长时间工作，不需要天天清洗保养。