Александр Ефремов СРЕДИ последних публикаций итогов войны в Ираке промелькнуло сообщение о том, что воздушные фильтры двигателя американского танка М1А2 "Абрамс" приходилось чистить ежедневно, хотя по инструкции эта процедура должна проводиться один раз в месяц.
Специалистам хорошо известно, что воздухоочиститель этой машины является двухступенчатым, с высокой степенью очистки: первая ступень - циклонный аппарат, вторая - барьерный ("абсолютный") фильтр. В связи с этим понятно, что в условиях повышенной запыленности вторая ступень засоряется ускоренно и настолько, что сопротивление на входе в газотурбинный двигатель, применяемый в этом танке, становится запредельным.
Аналогичная картина наблюдается и на танках с дизельными двигателями, где через каждые 35-50 часов, а в особо пыльных условиях и чаще (через 8-12 часов) необходимо проводить трудоемкий комплекс работ по регенерации воздухоочистителя (см. "НВО" # 11, 2002).
В этой статье сделана попытка рассказать, как удалось обеспечить работу ГТД танка Т-80 в тяжелейших условиях при высоких и сверхвысоких пылевых нагрузках, присущих боевой работе современного танка, использовав при этом необслуживаемый воздухоочиститель.
Первые же испытания на трассах полигонов показали, что пылевая проблема не проста и с наскока ее не возьмешь. Симптомы неблагополучия выявились на первых порах в абразивных износах проточной части двигателя в районах с повышенным содержанием кремнезема. Были обнаружены отложения пылевых частиц и, что особенно тревожило, образование стеклокристаллической трудноудаляемой "рубашки" в сопловом аппарате турбины высокого давления, что влекло за собой изменение характеристик двигателя и недопустимую потерю мощности.
В конечном счете было сформировано три составляющих достижения цели. В этой триаде трудно выделить доминанту - каждый элемент, исключенный из выстроенной цепочки, разрушает стройную систему. Первая - максимально снизить концентрацию пыли перед воздухозаборными жалюзи танка, то есть существенно уменьшить пылевую нагрузку на воздухоочиститель. Вторая - создать высокоэффективный воздухоочиститель с минимальным аэродинамическим сопротивлением (в заданных компоновкой габаритах), с постоянным пылеудалением отсепарированной пыли. Третья - обезопасить двигатель от "прорвавшихся" через воздухоочиститель пылевых частиц и удалить их "самостоятельно", не дать им повлиять на работоспособность и надежность работы.
НЕ ПУСКАТЬ
Можно было предположить, что изучение особенностей обтекания воздушным потоком скоростного танка и особенно его башни может сыграть существенную роль и дать ключ для компоновки воздухозаборных устройств, которые традиционно располагаются в области, непосредственно прилегающей к тыльной стороне башни. Поэтому уже на начальном этапе актуальной оказалась задача аэродинамического исследования и на этой основе поиск оптимальной формы, а главное - места воздухозабора. Теоретические исследования показали, что в районе воздухозабора существует обширная зона обратных и нулевых скоростей воздуха.
За башней происходит образование пары противоположно вращающихся вихрей, которые, по-видимому, и являются одной из причин заброса пылевых частиц в воздухозаборные жалюзи танка. Дальнейшие аэродинамические исследования моделей в малой трубе показали, что характер распределения давлений на поверхности модели близок к крыльевому профилю самолета, и, следовательно, существуют общие закономерности возникновения "концевого" вихря - как на консоли крыла, так и на корпусе танка. Появилась практическая возможность поиска оптимального расположения места воздухозабора и борьбы с "концевыми" вихрями и способов защиты воздухозаборов от восходящих с грунта вихрей с высокой запыленностью.
Это было сделано уже на натурных образцах танков. Вначале опыты проводились в большой аэродинамической трубе ЦАГИ. Они подтвердили полученные на моделях результаты и позволили уточнить зоны обратных течений и получить первые результаты от реализации конструкторских мероприятий по снижению запыленности в воздухозаборе.
В качестве препятствия на пути концевого вихря вдоль бортов танка по всей длине установили бортовые вертикальные экраны, препятствующие перетеканию воздушных потоков из-под днища к башне и к воздухозаборам. Эти экраны одновременно играли роль дополнительной защиты бортов и ходовой части танка.
Одновременно шел поиск предотвращения вихревых потоков с кормы. Был применен достаточно оригинальный способ - использования струи выхлопных газов в виде своеобразного экрана на пути пылевых потоков. С этой целью в выхлопном патрубке танка устанавливались специальные профильные лопатки, которые формировали веерную плоскую завесу из выхлопных газов.
Измерения, проведенные в пробегах, подтвердили образование вдоль бортов танка вихревых потоков с высокой запыленностью. Они, начинаясь от передних подкрылков гусениц, поднимались вверх вдоль корпуса, частично покрывая башню после ее миделева сечения. За кормой танка запыленность многократно возрастала за счет выброса вверх пылевых струй от восходящей ветви гусениц. Работоспособность двигателя в этих условиях составляла всего 40-60 моточасов.
Оправдали себя способы борьбы с пылевыми потоками на корме танка с помощью струи выхлопных газов двигателя. Наибольший эффект был достигнут, когда газовый поток был направлен вверх (под углом 250) и в стороны (под углом 450), и сформирован, таким образом, экран из выхлопных газов. Весь набор новаций позволил снизить почти в три раза пылесодержание на входе в воздухоочиститель - сделать за него львиную "долю работы".
ОЧИСТКА
Вторая задача не менее сложна. В конструкцию аппарата воздухоочистки заложили следующие принципы: предельно низкое сопротивление, неограниченный срок работы без обслуживания, пропуск пыли менее 2%. Это диктовало одноступенчатую схему инерционного типа с постоянным отсосом отсепарированной пыли. Сложность состояла в том, что ГТД потребляет больше воздуха, чем дизель, и создание компактного воздухоочистителя оказалось задачей очень непростой.
Базовым элементом воздухоочистителя стал прямоточный циклон сравнительно большого диаметра (Ж90 мм) с помещенной внутри конусной инерционной решеткой. Для удаления отсепарированной пыли использовались вентиляторы системы охлаждения, что предопределило размещение в воздухоочистителе масляных радиаторов системы охлаждения, создающих комплексную систему охлаждения и очистки в одном узле.
Особенно тщательно отрабатывались основные части базового элемента прямоточного циклона - завихритель и конусная инерционная решетка, так как их совместная работа определяла основные параметры воздухоочистителя. Если удавалось найти решение, как снизить сопротивление узла, тут же оно реализовалось в повышении очистки. Чем лучше "чистить" центробежный циклон, тем больше потери полного давления и наоборот - вот аксиома для инерционного способа очистки. Главное же состояло в том, что был создан уникальный узел - способный при расходе воздуха более 4 кг в секунду обеспечить сопротивление менее 400 мм вод. столба, а пропуск пыли 2% и менее. Это была победа.
ПОСЛЕДНИЙ ШТРИХ
Третья задача - "внутренняя", как мы ее назвали, была орешком еще покрепче.
Проведенный минералогический и химический анализ состава пыли разных регионов страны показал существенные различия. При нагревании мелкодисперсных частиц пыли в проточной части двигателя отмечаются эндотермические реакции. Установлено также, что промежуточные продукты перекристаллизации исходной карбонатно-силикатной фазы могут обладать повышенной адгезионной способностью к лопаткам соплового аппарата двигателя. Это вызывало лавинообразный рост рыхлых, а в дальнейшем и прочных отложений. Были установлены верхние границы температур плавления и повышенной адгезии пылевых конгломератов.
Картина формирования отложений на поверхности газового тракта была подвергнута послойному рентгенографическому анализу. Удалось увидеть, что когезионные участки чередуются с адгезионными, а сами отложения представляют полуспеченный конгломерат с различной твердостью как по толщине отложения, так и по поверхности.
Стало ясно, что пылевые отложения представляют собой стекло кристаллической фактуры - алюмосиликатное стекло, армированное a-кварцем, которое не только хорошо смачивает поверхность лопаток соплового аппарата, но и образует трудноудаляемую пленку, ту самую "керамическую рубашку".
Дальнейшие испытания показали, что возникновение отложений существенно зависит от температуры газового потока перед сопловыми лопатками, от запыленности газового потока. Таким образом, формировался общий и частный подход к решению проблемы.
На повестке дня стояли задачи: определить порог критических температур и найти способ удалить, если уж образовались, пылевые отложения. Если предел температур газа находили экспериментальными методами, то задачи удаления отложений были решены за счет реализации оригинального способа, который можно сформировать двумя словами: стряхнуть и удалить. Этому предшествовала кропотливая работа исследователей и испытателей по поиску оптимальной конструкции. Очень полезной оказалась впервые примененная методика визуализации состояния двигателя с помощью медицинского эндоскопа.
Была создана самостоятельная система пневмо-виброочистки двигателя, которая состояла из восьми микровибраторов, расположенных равномерно по окружности соплового аппарата. По мере накопления пылевых отложений в автоматическом или ручном режиме управления приводятся в действие пневмовибраторы, которые создают высокочастотные вибрации соплового аппарата, освобождая лопатки от образующегося на них налета.
При срабатывании клапанов пневмоочистки воздух подводится к агрегатам пневмоочистки - форсункам: они выдвигаются в проточную часть и струя воздуха из них направляется на рабочие колеса компрессора, проворачивая их и одновременно сдувая сильной струей сжатого воздуха налет пыли. При продолжительности сдува около 3 секунд колеса совершают несколько оборотов и очищаются.
К началу серийного производства были решены все технические проблемы при эксплуатации в условиях повышенных температур и запыленности. Таким образом, была устранена одна из причин, сдерживающих применение ГТД на наземной машине.
Кстати, в 1977 г. к нам пришла информация о том, что на газотурбинном двигателе AGT-1500 американского танка ХМ-1 при испытаниях в пустыне возникли проблемы с воздухоочисткой. Не будем оценивать достоинства и недостатки этой в общем-то неплохой машины, скажем только, что американцы решали свою проблему отвергнутым нами путем. Приведем без комментариев для сравнения только две цифры: вес танка и длину корпуса - у Т-80 это 42 т и 6,78 м, у ХМ-1-54,5 т и 7,92 м. Для нас пылевая проблема в то время была пройденным этапом. Танк Т-80 с ГТД был принят на вооружение Советской армии 6 июля 1976 г., а американцы создали свой танк с ГТД лишь через пять лет.
Тайная война конструкторских умов была выиграна у американцев, но с развалом Союза проиграна стратегия газотурбинного танкостроения. Думается, нельзя разрушать старую систему, не создав новую. Впрочем, не все потеряно - слишком велики технический потенциал и интеллектуальное богатство отечественного танкостроения.
