VDT發(fā)動(dòng)機(jī)
發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的最大難題就是如何提升熱效率，一臺(tái)典型的二戰(zhàn)軍用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)燃燒汽油獲得的能量是很可觀的，但最終能輸出到螺旋槳上的只有約15%，其中超過(guò)60%的能量都隨著廢氣被發(fā)動(dòng)機(jī)排出了，所以研究如何利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣就成了提升熱效率的最熱門(mén)課題。
一般來(lái)說(shuō)普通發(fā)動(dòng)機(jī)只能選擇將高溫高速的廢氣通過(guò)排氣管向后排出獲得推力，這個(gè)推力是非?？捎^的，以Jumo213E為例，在32000ft的高度軍推檔位動(dòng)力可以獲得380磅的廢氣推力，而同高度的Jumo004噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)甚至都只有600磅的推力，不過(guò)說(shuō)到底這種方法還是太原始了，所以就有了廢氣渦輪增壓器，通過(guò)廢氣驅(qū)動(dòng)增壓是個(gè)很聰明的想法，但這對(duì)材料工藝的水平提出了極高的要求，常規(guī)的渦輪增壓器要忍受近2000℉的高溫廢氣，并要在這種情況下達(dá)到數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)速，而且渦輪的運(yùn)用場(chǎng)景有限，在低空它幾乎完全就是一個(gè)累贅，否則發(fā)動(dòng)機(jī)絕對(duì)會(huì)因?yàn)檫^(guò)度增壓而爆炸。
后來(lái)又誕生了復(fù)合渦輪turbo-compound，廢氣依舊被用來(lái)推動(dòng)渦輪，但渦輪不再為發(fā)動(dòng)機(jī)增壓，而是直接將廢氣推動(dòng)的動(dòng)力用傳動(dòng)軸傳輸?shù)桨l(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上，例如R-3350TC，每一個(gè)復(fù)合渦輪可以提供150hp左右的動(dòng)力，非常可觀。復(fù)合渦輪的下一個(gè)發(fā)展就是VDT，可變排量渦輪，這項(xiàng)技術(shù)的主持開(kāi)發(fā)者是普拉特-惠特尼PW，在VDT之前世界上所有的發(fā)動(dòng)機(jī)，不管是二級(jí)增壓還是一級(jí)增壓還是渦輪增壓，它們都會(huì)有一級(jí)機(jī)械增壓，這個(gè)設(shè)計(jì)除了保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力不會(huì)太低以外，對(duì)于化油器發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)這級(jí)葉輪會(huì)充分打散進(jìn)氣道里的空氣和燃料，讓它們混合得更均勻，但這樣設(shè)計(jì)也是存在問(wèn)題的，在高空機(jī)械增壓器會(huì)需要從發(fā)動(dòng)機(jī)里抽取幾百匹馬力才能保證進(jìn)氣能力的穩(wěn)定，常見(jiàn)的二戰(zhàn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械增壓在9km以上就會(huì)抽取超過(guò)500hp的動(dòng)力，如果我們不需要這級(jí)機(jī)械增壓，純靠渦輪增壓來(lái)給發(fā)動(dòng)機(jī)提供進(jìn)氣壓力呢？這就是VDT的設(shè)計(jì)思路，所有冠以VDT發(fā)動(dòng)機(jī)名號(hào)的無(wú)一例外不存在任何一級(jí)機(jī)械增壓器，在高空足以讓發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸解放出來(lái)幾百匹馬力。
同時(shí)VDT發(fā)動(dòng)機(jī)缺少離心盤(pán)混合空氣燃料的能力也能夠通過(guò)使用缸內(nèi)直噴來(lái)解決，雖然乍一聽(tīng)這個(gè)方案并不是很激進(jìn)，但需要注意的是VDT發(fā)動(dòng)機(jī)是沒(méi)有節(jié)氣門(mén)的，飛行員控制VDT發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力靠的是操縱VDT渦輪排放出廢氣的通道口大小，這個(gè)通道口類(lèi)似蛤殼，這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的自控系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)，沒(méi)有節(jié)氣門(mén)也是一個(gè)很不錯(cuò)的設(shè)計(jì)，常規(guī)的節(jié)氣門(mén)就是進(jìn)氣道里的一塊板子，會(huì)讓進(jìn)氣產(chǎn)生嚴(yán)重的渦流，同時(shí)在VDT渦輪增壓后這些廢氣還能提供超過(guò)500磅的推力。
總而言之，VDT發(fā)動(dòng)機(jī)除了需要優(yōu)秀的渦輪增壓器外，發(fā)動(dòng)機(jī)自控系統(tǒng)和燃料直噴器也是其必要條件。
VDT發(fā)動(dòng)機(jī)的最主要條件就一個(gè)，那就是沒(méi)有機(jī)械增壓器，除此之外各種細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)是完全不同的，比如PW曾經(jīng)思考將燃料噴射到VDT渦輪后的排氣管里，再度點(diǎn)燃，這基本上直接等于一個(gè)小噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)了；還有安裝了更多渦輪，例如在渦輪增壓器前安裝復(fù)合渦輪先將動(dòng)力傳給曲軸再輸送給渦輪增壓器的做法，PW的實(shí)際圖紙中有非常多完全不同的VDT方案。PW的目標(biāo)就是將發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗降低到柴油機(jī)的水平，即巡航檔動(dòng)力下約0.37的BSFC
PW早期在R-2800上就試驗(yàn)過(guò)VDT系統(tǒng)，我們摘取幾個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)比較一下：
小型發(fā)動(dòng)機(jī)的VDT其實(shí)并沒(méi)有什么吸引力，AAF指定的VDT發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上即R-4360-51，帶強(qiáng)冷風(fēng)扇額定功率約4300hp，用于計(jì)劃中的B-35C，后續(xù)AAF還指定了R-4360-55，擁有高達(dá)7.5:1的壓縮比，理論上燃料消耗會(huì)比普通發(fā)動(dòng)機(jī)低20%，-55型發(fā)動(dòng)機(jī)雖然被制造出來(lái)過(guò)，但從未實(shí)際運(yùn)行過(guò)，我們來(lái)看一下R-4360-55發(fā)動(dòng)機(jī)的CHM-2型VDT渦輪增壓器，-55型發(fā)動(dòng)機(jī)安裝兩個(gè)CHM-2型VDT渦輪加一個(gè)CH-8常規(guī)渦輪增壓器，兩個(gè)CHM-2渦輪吸入沖壓空氣后進(jìn)入中冷器，再被CH-8渦輪壓縮進(jìn)入后冷器，再輸入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，而廢氣回路則是先通過(guò)一個(gè)熱交換器，保證廢氣溫度低于1650℉后再讓廢氣驅(qū)動(dòng)CH-8渦輪增壓，之后再分開(kāi)驅(qū)動(dòng)CHM-2型VDT渦輪，最后再被排出，確實(shí)是很大程度上利用了發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣，這套VDT系統(tǒng)理論上可以讓R-4360-55保持輸出3000hp直到50000英尺（15km）的高度。
CHM-2型VDT渦輪的具體參數(shù)如下：
最大持續(xù)渦輪轉(zhuǎn)速：18500rpm
渦輪所能接受的最高廢氣溫度：1650℉
渦輪排放后的最高廢氣溫度：450℉
滑油循環(huán)量：渦輪18500rpm下每分鐘6夸脫
最大直徑：29英寸
最大長(zhǎng)度：42又16分之11英寸
重量：575磅
當(dāng)然CHM-2只是VDT渦輪的一個(gè)前奏，它的數(shù)據(jù)并不好看，又大又重而且轉(zhuǎn)速也低，在后續(xù)的CHM-3等改進(jìn)型VDT渦輪上應(yīng)該數(shù)據(jù)會(huì)更好，但VDT項(xiàng)目的終止讓我們無(wú)緣看見(jiàn)更進(jìn)一步的發(fā)展了，CHM-3是和全新的CH-9渦輪增壓器配套的，專為B-36F設(shè)計(jì)，GE的文件顯示其不僅能讓B-36速度提升40mph，還能增加50%的有效載荷，排放廢氣溫度可以達(dá)到955℉，是CHM-2的一倍，可以有效提供VDT發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣推力。
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B-50轟炸機(jī)也曾考慮使用VDT發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)PW工程師Phil-Hopper的記錄，當(dāng)時(shí)CHM-2+CH-8的VDT組合系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已經(jīng)證明可以輕松將發(fā)動(dòng)機(jī)功率保持到50000英尺的高空，潛力很大。AMC即航空材料司令部的報(bào)告認(rèn)為，R-4360-43（為B-50C設(shè)計(jì)的VDT發(fā)動(dòng)機(jī)，有實(shí)機(jī)提供）的冷卻效果在實(shí)際表現(xiàn)中比B-29和B-50A更好，1948年12月，由于GE的拖延，VDT發(fā)動(dòng)機(jī)第一次在B-50上實(shí)現(xiàn)了首飛，總共測(cè)試了55小時(shí)的實(shí)際飛行，表現(xiàn)還不錯(cuò)，修正了一些小細(xì)節(jié)，但很快計(jì)劃就結(jié)束了。
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B-36C的VDT計(jì)劃就是一坨爛賬，這里不詳細(xì)說(shuō)了，1948年P(guān)W開(kāi)始開(kāi)發(fā)4800hp級(jí)別的R-4360VDT，同時(shí)油耗率目標(biāo)低至0.375，渦輪增壓的設(shè)計(jì)有很多公司參與，比如常見(jiàn)的巨頭GE、以效率出名的TEC公司、甚至洛克希德都設(shè)計(jì)一種軸流式渦輪增壓器參與，但可惜的是缺少數(shù)據(jù)。
根據(jù)B-36C的性能，VDT發(fā)動(dòng)機(jī)大致減少了15%的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，并同時(shí)提升了600hp的巡航動(dòng)力，以及數(shù)量及其可觀的排氣推力，小型飛機(jī)肯定是用不了這個(gè)設(shè)計(jì)的，但對(duì)大型活塞飛機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。
