1、第 卷第 期 年 月兵工学报 ：车用燃气轮机极寒高原环境起动与工作优势分析邢俊文，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）摘要：针对装甲车辆柴油机动力在极寒高原地区使用中所暴露的诸多问题，如起动时间长、功率下降、易过热、冒黑烟、易拉缸等，依据柴油机和燃气轮机不同的结构和工作机理，通过对两种动力的低温起动影响因素和高原工作过程进行详细对比分析，阐明了车用燃气轮机低温直接起动与高原稳定工作的优势所在，为利用燃气轮机动力来改善装甲车辆高原高寒适应性提供了依据。关键词：车辆；燃气轮机；极寒；高原；起动 中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；收稿日期：基金项目：装
2、备预先研究项目（）引言在低于 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，多则近 ，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 坦克和俄罗斯 坦克为代表的燃气轮机动力，可以在小于 的极寒环境下，直接起动，起动时间小于，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，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。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
3、燃料燃 第 期车用燃气轮机极寒高原环境起动与工作优势分析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 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。.燃烧机理柴油机靠压缩燃料混合
4、气自燃来工作，根据柴油自燃温度 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 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。.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
5、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 ，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。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
6、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 的 高速柴油机为例，其曲轴摩擦阻转矩在 气温环境下为 ，环境下增大到 ；而 的 燃气轮机，其高压涡轮转子最大摩擦阻转矩为 ，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。.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
7、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。.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 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。.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
8、求汽油机最低曲轴转速 ，柴油机为 ，燃气轮机高压涡轮转速 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。兵 工 学 报第 卷.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。.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
9、。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。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。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。.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
10、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 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，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。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
11、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：一是比例适图 燃油自燃温度范围 当，从理论上讲，余气系数为，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 时，混合气富油，当余气系数大于 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
12、燃烧窒。如图 所示，燃气轮机有可能因混合图 燃机熄火特性关系图 气比例和气流速度不合适，超出边界而发生熄火。图 中：线段表示气流速度过小，低于 点，贫油极限随气流速度减小而减小，沿 线变化；线段表示气流速度过小，低于 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 线变化；表示燃烧室稳定燃烧所允许的最大进口气流速度。第 期车用燃气轮机极寒高原环境起动与工作优势分析 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
13、机动。.柴油机在低于 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 以下，加温长达 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 个方面：）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，经某柴油机试验表明，缸内压缩终了温度达到 以上，才能实现可靠稳定燃烧，对应的环境进气温度为。也就是说，低于 ，原则上柴油机都需要加温保温，才能可靠起动。）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
14、，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 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。）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。）蓄电池工作能力变弱。蓄电池的最佳工作温度在 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 时，放电率只有额定输出的 左右；蓄电池容量也在降低，如 式蓄电池在 时的启动容量为 ，但在 的启动容量只有 容量，降低；同时，蓄电池端电压下降也比较快，电解液电阻随
15、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。.燃气轮机在 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 个方面：）滑油黏度增大，起动阻力矩增大。在低温条件下
16、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。）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。）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。.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：）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。）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 号航空润滑油凝点为不低于 ，条件下运动黏度不大于 ；柴油机使用的 润滑油倾点不高于 ，条件下低温泵送动
