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Ju-88與渦輪增壓

德國的廢氣渦輪增壓器主要由DVL設計,具體的負責人是流體機械研究所Institut für Strömungsma-schinen的所長Werner von der Nül

德國的廢氣渦輪增壓器主要由DVL設計,具體的負責人是流體機械研究所Institut für Strömungsma-schinen的所長Werner von der Nüll,他主導開發瞭TK-9型渦輪增壓器,後來由Hirth公司進行瞭量產,主要是給Hs-128的DB-601使用的;還有後繼型號TK-11型,編號9-2281,以測試為目的進行瞭小批量生產。

1937年DVL就給Hs-128定下瞭野心勃勃的指標,臨界高度16km升限16.8km

按照計劃,在結束Ju-88S-1的生產後到開始Ju-188的生產之間會有幾個月的空窗期,於是Junkers的Heinrich Hertel教授在1943年中期開始尋找一個臨時解決方案,最後的計劃就是在Ju-88A-4的機體上安裝TK-11渦輪增壓,將飛機的臨界高度提高到11km,水平極速550km/h,航程從Ju-88S-1的1100km達到1400km,因為新飛機可以不需要GM-1及額外的操作和控制系統,所以有效載荷也能從1000kg增加到1300kg。

為瞭讓Junkers在這架原型機完成之前積累一點渦輪增壓發動機的操作經驗,位於Oranienburg的Versuchsstelle für Höhenflüge高空測試飛行中心,簡稱VfH,給Junkers提供瞭一架He-111H-21(W-Nr.160417, T9+EL)。從1943年10月16日到12月20日,Junkers的飛行員在Dessau駕駛該機進行瞭數次高達10km的飛行測試。

時間回到1943年7月,RLM向Junkers公司提供瞭兩架二手的Ju-88A-4用於改裝,分別編號V93和V94,10月1日,Ju-88 V93(W-Nr.8722,NJ+BE)率先進行瞭首飛,在經過進一步的測試和修改之後,V93於1943年11月1日在Dessau進行瞭詳細測試,該機沒有安裝ETC掛架、俯沖減速板、武器、後機身油箱以及Bodenwanne(?)和Einfach-Linsendach(?)。

1944年2月的Ju-88 V93照片,可以清晰地看見渦輪增壓器的進氣口和排氣口

Ju-88 V93的TK-11 9-8211A-1渦輪增壓系統安裝在Jumo-211和發動機防火墻之間一個450mm長的空間中,新的發動機被命名為Jumo-211Q,除瞭渦輪增壓以外還安裝瞭新的輔助滑油泵、Hydronalium合金增壓器葉輪、高空型火花塞和新的進排氣系統。

由於發動機整體前移,所以測試機在後機身還安裝瞭140kg的壓艙物。到11月14日,V93已經完成瞭8次試飛測試,其中5次是在6500-9350m的高空進行的。飛機在試飛過程中暴露瞭大量問題,渦輪增壓器對Ju-88的飛行性能產生瞭巨大影響,飛起來非常不穩定,主要原因在於渦輪增壓的排氣口排出的熱氣流對飛機的上層機翼氣流流動產生瞭不利影響。

V93舊版本的排氣口,分成上下兩個部分,下面的部分是前後開通的,讓沖壓空氣進入和排出的廢氣混合進行降溫,但明顯效果不理想同上,V93的排氣口

除此之外,TK-11渦輪的表現也很差,控制廢氣流量的活板直接被燒毀瞭,導致飛行中無法控制進氣壓力,同時渦輪前的廢氣溫度也過高,達到瞭970-990℃;還有另一個重要問題是渦輪機本身的冷卻空氣流量不足,指標是0.2kg/s,但實際隻有0.15kg/s,在9km高度的時候甚至降低到瞭0,渦輪機直接過熱。

在11月14日的高空飛行測試中,V93的右發動機的進氣壓力在9250m突然暴跌到0,降落調查後發現發動機渦輪已經徹底損壞,三根葉片斷裂,撕破瞭渦輪機的外殼,故障原因是冷卻空氣流量不足而導致的過熱,Hirth的工程師發現左側的渦輪機也差不多壞瞭,因為過熱導致葉輪的葉片開始松動。

隨後對TK-11渦輪增壓系統的改修花費瞭大約4周的時間,Junkers首先改進瞭渦輪的冷卻系統,把發動機廢氣的溫度先降低瞭40℃,並增加瞭渦輪機冷卻空氣的流速,但12月17日的試飛當中,V93在9000m的高空時渦輪突然爆炸,13枚葉片被炸毀,3枚松動。後來Junkers和Hirth的工程師發現渦輪過熱的原因可能是排氣口處的壓力過高,限制瞭冷卻空氣的流速,於是他們按照下圖重新設計瞭TK-11的渦輪增壓系統,從渦輪增壓的進氣端引瞭一條空氣流路,非常簡單粗暴地把一部分增壓過後的空氣噴射到冷卻渦輪機的空氣管道裡。

Jumo-211Q的TK-11渦輪增壓系統圖解

1944年2月4日,V93號機終於完成瞭首次高空無故障飛行測試,在海波8250m的高空,渦輪機在910℃的排氣溫度下一度達到瞭20000rpm的最高轉速記錄,新的冷卻系統很有效,渦輪沒有再發射故障,但飛機的飛行特性依舊很糟糕。處於實驗目的飛機沒有安裝消焰系統,結果飛機機翼頂部因為渦輪機排出的廢氣擾亂瞭氣流導致副翼幾乎無法操縱,起飛後就幾乎墜毀;而且飛機也沒達到預期的性能,普通的Ju-88A-4的海平面極速約為390km/h,但V93隻有340km/h,原因被歸咎於飛機的空氣動力學性能很糟糕,而且發動機後冷器的散熱效率不佳,計算為50%,但實際隻有37%。

V93的發動機艙照片

Jumo-211Q的TK-11渦輪增壓系統比較特殊,在發動機的機械增壓器進氣道前有一道旁支引向渦輪增壓器的控制系統,感知並保持這一段內發動機的進氣壓力,隨著飛機的高度增加,進氣壓力減少,控制系統就會調小廢氣節流閥的角度,使得渦輪機的轉速越來越快,在7km的高度上達到最高18000rpm,隨後飛行員就要手動切換TK-11的增壓壓力為高速擋0.65ata,渦輪機的轉速就回到瞭14000rpm,並且在11.3km的高空達到瞭第二次臨界高度,此時的渦輪增壓還需要飛行員手動完成大部分控制工作,因為對應的自控系統還在開發中。

V93的發動機艙照片,包括螺旋槳在內總重為1655kg

Ju-88V93的測試結果由於廢氣問題並不理想,不過V94也因此修改瞭發動機的排氣系統,雖然隻是用一塊板子把排氣管墊高,但就是這樣一個簡單的設計,不僅讓Ju-88的操縱性能回到瞭原來的水平,其海平面極速也達到瞭370km/h,甚至由於排氣管對著吹的機翼表面溫度降低到瞭60℃以下,原來墊在這裡防止過熱的金屬板也能被拆掉瞭,飛機的重量也變輕瞭。

Ju-88V94的渦輪排氣口照片,極其簡單粗暴得拉高,類似的設計後來被Ju-388所使用Ju-388V7的渦輪排氣口,早期型沒有墊高時機翼也被燒得漆黑,非常危險Ju-388L1的照片,可以看見渦輪排氣口被墊高瞭不少

V94的機況和V93差不多,不過拆除瞭飛機上的所有裝甲,因此後機身的壓艙物也不需要瞭,整機的飛行重量為11290kg,滿載燃料,機組三人,此外還換裝瞭新的中冷器,1944年4月6日,Ju-88V94(W-Nr. 5790,KN+PL)飛抵Dessau,很快就達成瞭9.6km高空無故障飛行的記錄,隨後在4-5月繼續瞭進一步的測試,飛機一度達到瞭10.3km的高空,之後也修復瞭各種小問題,比如散熱器調節擋板的電動馬達在高空被凍住、排氣管由於通風不良被積碳堵住、火花塞隻飛行瞭三四個小時就失效瞭等等。修正後的V94海平面極速甚至達到瞭405km/h,在10km高空極速為500km/h(預期結果為550km/h),海平面爬升率8m/s,9km爬升率3m/s,爬升率如此低下的原因依舊是無法解決渦輪排氣引起的機翼表面氣流紊亂導致的。

V94的發動機艙照片,可以清晰地看見渦輪增壓系統讓Ju-88的發動機艙變長瞭不少

至於修改後的TK-11渦輪增壓系統,原本預計渦輪機在20000rpm的轉速下臨界高度為11.3km,但由於Ju-88機體限制爬升不到這個高度所以無法驗證;至於預期中的550km/h極速,德國人覺得可以繼續通過改進發動機後冷器和廢氣排管來實現。

V94的發動機艙照片V94的發動機艙照片

1943年底,Junkers給裝備瞭TK-11渦輪增壓系統的Ju-88A-4重新命名為S-5系列,同時收到瞭RLM的75架飛機訂單,但在1944年3月2日的高層會議上Ju-88S-5被取消瞭,戰爭形勢讓RLM將重點轉移到瞭夜間戰鬥機Ju-88G上。

Ju-88V93一直服役到1944年4月底,累積試飛時長31小時42分鐘,試飛瞭42次,其中9次是在9-10km的高空進行的,在這之後它被改裝成瞭A-16,然後又被拉去改成瞭榭寄生,而Ju88V94作為測試機則服役到瞭1944年6月中旬,累積試飛時長17小時25分鐘,試飛瞭17次,其中8次是在9-10km的高空進行的,後來也被拉去改成瞭榭寄生。

有關使用Jumo-211的Ju-88安裝渦輪增壓系統的故事就到此為止瞭,但其實早在Ju-88和V93和V94之前一年,就有人考慮為Ju-88裝備使用渦輪增壓器的BMW-801發動機,他們就是前文提到的位於Oranienburg的高空飛行實驗中心Versuchsstelle für Höhenflüge,簡稱VfH,VfH的主要任務是對其他歐洲國傢進行空中偵查,因而聚集瞭一大批當時德國空軍內部最好最有經驗的飛行員,比如Siegfried Knemeyer、Cornelius Noell,他們的飛機也大部分是改裝特制的,比如1940年初VfH接收瞭兩架Dessauer工廠特別改裝的Ju 88 Sa-1執行英國上空的偵察任務。

BMW-801TJ的剖面圖,BMW盡力在壓縮渦輪增壓發動機整套系統的體積

BMW-801TJ——T表示發動機QEC艙,M則是裸機,J才是發動機型號名,該型號發動機也可以叫TI,有說法認為其原名為TI,後來在德國空軍內部以訛傳訛成為瞭TJ——是德國空軍唯一量產瞭的帶有廢氣渦輪增壓器的汽油發動機,該發動機源於項目P.8001,是基於BMW-801D建造的,1942年7月就有14臺進行瞭交付,RLM計劃將他們安裝在Hs-130和Ju-88上,但實際上隻有Hs-130C/V4(NK+EB)安裝瞭,該機於1942年11月27日完成瞭首飛。

BMW-801TJ這款發動機最大的特點就是渦輪設計非常不尋常。當時的渦輪增壓器——比如德國人的DVL和美國人的GE產品——都是純粹的風冷式恒壓渦輪。

現在的渦輪基本上都是油冷式的

當時還沒有油冷渦輪的技術;德國人的渦輪形制資料不多,不過應該和美國人的沒什麼區別,那麼先看下圖:

這是典型的美式轟炸機渦輪增壓器的佈置圖,我們能清晰地看見中冷器進氣道分出來瞭一小支,將空氣輸送到渦輪增壓器的軸承和葉輪處進行冷卻同上圖依舊同上圖

但如此設計就有一個問題,那就是冷卻空氣可以冷卻渦輪軸和廢氣渦輪盤,但是卻無法冷卻直接和廢氣接觸的葉輪,那麼該怎麼辦呢?答案也很簡單,直接將葉輪外置,以損失一部分廢氣能量和阻力增加的代價進行葉輪的冷卻:

P-38的渦輪,外置設計,隻是在上面套瞭個殼子P-47的渦輪,同樣也隻是套瞭個殼子B-17的渦輪同上,還是外置設計

這些都是當時典型的渦輪增壓器設計,這種渦輪由於必須外置葉輪進行冷卻,所以發動機廢氣在噴嘴箱Nozzle Box處就必須膨脹到環境壓力的水平,這意味著發動機會損失不少廢氣能量,再加上定壓渦輪本身對廢氣的利用效率就不如脈沖渦輪(復合渦輪就是典型的脈沖渦輪,而二戰時渦輪增壓器基本上都是定壓渦輪),直接導致瞭渦輪增壓發動機的排氣推力非常非常低,而排氣推力對於二戰的活塞飛機來說是很重要的,比如下圖裡Jumo-213A在18000英尺的高空有340磅排氣推力,Jumo-213E在32000英尺則有380磅,而筒高度的Jumo-004甚至也隻有600磅左右的推力,而常規的渦輪增壓發動機這一數據幾乎等於0。

恒壓渦輪和脈沖渦輪的不同之處在於利用廢氣的峰值壓力不同美軍軍教片中渦輪增壓的剖面Jumo-213E的排氣推力Jumo-213A的排氣推力

這時候慕尼黑的BMW公司對於渦輪增壓的設計則另辟蹊徑,避免瞭舊有系統的缺陷,他們把渦輪的軸和葉片全部掏空,使得風冷渦輪的散熱可以在內部進行,並且將冷卻完葉片的空氣直接從葉片外端排放到廢氣中進行混合,實現瞭廢氣能量的最大化利用,這樣的設計使得發動機的渦輪能夠內嵌在機體裡面,不需要額外凸出徒增飛機阻力:

BMW-801TJ的渦輪分析圖

空心葉片這項設計最早是1937年12月BMW公司的Alfred Müller博士設計的,並且獲得瞭專利,在1942年之前,BMW-801TJ的渦輪增壓設計也是實心葉片,至少後來進行瞭全新的推翻設計,不僅引入瞭空心葉片技術,也通過修改細節設計讓葉片尖端速度從365達到瞭400mps(原文如此),BMW-801TJ的空心葉片是鉻錳鋼D712建造的,1942年1月完成瞭100小時測試,實際上發動機完全可以在廢氣進入渦輪前安裝熱交換器進行冷卻,但可能由於為瞭發動機的緊湊性,BMW似乎沒有考慮過這個設計。

BMW的空心葉輪技術最後被用到瞭大量噴氣式發動機上,圖中是HeS-011Jumo-004的空心葉輪這是BMW-003的空心葉輪

很明顯BMW的設計是很先進的,理論上它能夠讓發動機額外產出430ps動力和80kg的推力(雖然由於BMW-801本身的問題沒有實現),而其他兩種渦輪隻有250ps左右,BMW的渦輪是由Borsig工廠進行生產的,這也是一傢老牌工廠瞭,是做蒸汽機車起傢的,現在是萊茵金屬旗下的公司,生產一直持續到1944年4月,工廠由於盟軍空襲而失去瞭生產能力。

BMW-801TJ的照片,它有四塊環繞發動機的中冷器BMW-801TJ的略圖

BMW-801TJ-0 是最初的型號,也是下文中使用的型號,Startleistungdes動力檔海平面輸出為1615 PS,Steig- und Kampfleistung動力檔海平面輸出為1472 PS,臨界高度12,3 km輸出為1430 PS;後續的BMW 801 TJ-1動力性能則更進一步,海平面輸出1810 PS臨界高度11km為1490 PS,後來通過改進,TJ-1甚至可以使用MW-50,噴射150kg/h的MW-0可以提升320ps,噴射250kg/h的MW-50則能提升420ps,也就是最高可以輸出2230ps的動力,達到瞭渦輪增壓發動機的正常提升水平。

BMW-801TJ的照片,可以清晰地看見閃閃發亮的大型中冷器BMW-801TJ的渦輪葉輪

但TJ-0後續則表現不甚理想,它的排氣管噴嘴最初的截面為3.2 dm2,但經過多次修改,在1944年10月交付的版本中,其出口截面為4.2 dm2,這直接導致發動機臨界高度下的廢氣推力損失瞭30kg左右,但BMW方面做出這種修正的理由不明。

Ju-388測試報告裡的BMW-801TJ排氣推力,TJ-1的推力比TJ-0要多不少BMW-801TJ的最大問題不在於渦輪,而是在於發動機本體的壽命比渦輪還要低;其渦輪增壓平均壽命超過120小時,而發動機本體隻有不到100小時,最為極端的案例V73不到20小時發動機就壞瞭

話題回到Ju-88上來,1941年2月,編號W-Nr. 0648 (GE+ YM)的Ju-88C-4在改裝下成為瞭C-7,換裝瞭BMW-801A發動機並且加裝瞭偵查設備並於同年9月交付給瞭VfH,註冊號變更為K9+VH。1942年4月,在Siegfried Knemeyer的推動下該機成為瞭第一架安裝瞭GM-1系統的Ju-88,並且於同年夏季成功執行瞭對亞歷山大、塞得港、蘇伊士三個軍事重地的偵查任務,而在K9+VH之前德國人在此地的偵查行動因為噴火戰鬥機的攔截已經數月沒有成功過瞭。

Ju-88C-7出色的高空性能並沒有讓VfH停下腳步,他們繼續尋求一種提升飛機高空性能的解決方案,因此在1942年秋季VfH決定將兩架Ju-88改裝使用帶渦輪增壓器的BMW-801TJ型發動機,第一架被改裝的飛機就是W-Nr. 0648(編號又變更為T9-EH);然而此時Junkers是工廠由於長期超負荷遠轉,所以改裝工作隻能由VfH自己在Oranienburg進行瞭,Junkers公司隻能提供飛機的設計圖紙和零部件來幫助他們。

T9+EH的照片

1942年10月,期盼已久的兩臺BMW-801TJ抵達瞭Oranienburg,這兩臺是以BMW-801D為基礎改裝的實驗型號,編號V74和V79。VfH方面很快就完成瞭改裝,11月29日,飛機進行瞭發動機地面試車,在增壓壓力最高的情況下達到瞭2500rpm,第二天進行的試車中發動機的動力輸出也很令人滿意,但測試過程中發現由於機翼上表面氣流的下壓力問題會讓渦輪增壓排出的廢氣一直黏在機翼上,導致機翼油漆剝落甚至高溫變形,甚至會引燃機翼附近的油箱,德國人對此隻是先安裝瞭排氣導流板進行緩解。

T9+EH的四葉螺旋槳

1942年12月1日,裝備瞭渦輪增壓型BMW-801TJ的Ju-88 T9-EH進行瞭首飛,其速度僅僅略低於裝備瞭BMW-801D的普通型Ju-88,在之後的測試飛行中爬升高度超過瞭6km,隨之也暴露瞭飛機的一些問題,比如發動機在5-6km左右的高度上震顫十分激烈,有可能是因為螺旋槳除冰系統的問題,所以德國人通過將強冷風扇前移5mm平衡發動機重心解決瞭這個問題。

T9+EH的照片,可以清晰看見鋪設在渦輪排氣口防止過熱的鋼板同上,鋼板和機翼之間還鋪設瞭一層石棉網,但機翼表面依舊被熏得漆黑

12月5日,T9-EH在5-6km的高空進行瞭一個半小時的試飛,發動機也進行瞭全功率飛行測試,但廢氣灼傷機翼和油箱的問題依舊十分嚴重,隻能嘗試用石棉網和鋼板遮住機翼表面,德國人又把渦輪的排氣管被拉高瞭20mm,並且從廢氣渦輪葉輪冷卻空氣入口拉出一根新的通風道管,將冷卻空氣從下往上吹到渦輪排氣管處,這一系列操作後機翼上表面的氣流僅有200-300℃,基本上解決瞭過熱問題。

1943年春天在Oranienburg,T9-EH又進行瞭一些列的飛行測試,在起飛重量11.6噸的情況下於11.4km使用Kampfleistung動力檔飛機達到瞭584km/h,使用Höchstdauerleistung動力檔也有523km/h,飛機在11.7km的爬升速度還有1m/s。

渦輪增壓的BMW-801TJ和臺架測試的數據一樣表現良好,即使在熱帶條件下汽缸蓋溫度也一直低於限制值,增壓空氣的溫度也在接受范圍內,唯一的問題是在9.5km以上的高空發動機滑油的溫度會飆升。

1943年7月,VfH將T9-EH轉交給瞭BMW進行測試,BMW在該機上測試積累瞭大量渦輪增壓的使用經驗,1944年4月T9-EH被送還給瞭Oranienburg,但此時德國空軍已經對該機失去瞭興趣,重新編號為T9+BL,換裝瞭Ju-88S-3的機翼並使用Jumo-213A發動機測試MW-50和GM-1系統。

除瞭T9-EH以外,還有數架Ju-88被改裝成瞭渦輪增壓的BMW-801TJ發動機,但是具體事跡並不清晰,比如W-Nr.430130 (SC+CL),沒有資料說明其是在什麼時候進行的改裝,隻知道1943年中期VfH和Junkers公司合作駕駛該機進行數次測試,編號當時改為瞭T9+GH:

為數不多的幾張T9+GH照片

在1.2ata進氣壓2300rpm轉速下該機在11.4km達到瞭590km/h,在1.32ata 2400rpm下則是620km/h,在1.45ata和2500rpm下則在10.5km的高空達到瞭635km/h的速度。

此外該機的飛行試驗報告還說明BMW-801的內置進氣道讓飛機的臨界高度降低瞭400m,而且因為增壓空氣的溫度也因此升高瞭20℃,臨界高度又降低瞭100m,功率也降低瞭4%。

T9+GH的速度測試

1943年10-11月,T9+GH在擴大瞭冷卻空氣出口截面後進行瞭試飛,但汽缸蓋溫度依舊高達235℃,於是BMW設計瞭新的033式強冷風扇,其結果是在11月17日爬升到10km的測試中飛機的汽缸蓋溫度僅僅隻有208℃,該機後面的事跡不明,有說法認為其參與過偵查英國本土的實戰任務。

1944年2月,還有兩架大修後的Ju-88D-1被拉去改裝成為瞭BMW-801TJ的載機,分別是W-Nr.430373 (RA+OS)和W-Nr.430409 (BG+QI),具體事跡不詳。

除瞭這四架Ju-88以外,一架Ju-188 W-Nr. 260308 (RM+UH)也換裝瞭BMW-801TJ,該機於1944年中期才在Rechlin進行瞭首飛,後續進行瞭高達12km的高空飛行測試,但由於缺乏燃料進一步測試開展得非常緩慢,而且廢氣的問題依舊沒解決,導致1944年8月飛行40小時後該機的襟翼被廢氣破壞,隻能繼續用鋼板鋪在上面防止過熱,1944年9月17日該機墜毀,全體機組人員死亡,事故原因經調查確定為BMW-801TJ的發動機主連桿卡死導致,而此時發動機僅僅隻工作瞭50個小時,不過根據VfH的報告說:“裝備BMW-801TJ發動機的Ju-188測試非常順利。”

需要註意的是,以上這些Ju-88實際上都沒有增壓座艙,投入實戰是幾乎沒有意義的,再加上BMW的設計過於復雜,所以盡管1943年5月RLM下瞭一份降20架Ju-88改裝為BMW-801TJ的訂單,但僅僅兩個月後就被取消瞭,原有的機體作為Ju-88T-1交付,使用正常的BMW-801發動機;而BMW-801TJ的命運也不好,盡管交付瞭接近100臺,但1945年2月RLM還是決定放棄在風冷發動機上安裝渦輪增壓器,並且開始研究以Jumo-213為基礎的渦輪增壓發動機快速替換方案。

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