谢尔盖·巴兰金的超级无曲柄式航空发动机

2022-10-29 02:39 作者:徐祺七 0人读过 | 我要投稿

Серге́й Степа́нович Бала́ндин 谢尔盖·斯捷潘诺维奇·巴兰金，1907年7月4日——1992年9月12日，苏联著名的发动机设计师，在二战前后设计了一系列性能极佳的全新航空发动机，取消了传统发动机上的无曲柄设计，能够输出10000hp+。

巴兰金于1972年出版的«Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания»《无曲柄式内燃机》一书为我们展示了这一系列发动机的优越性呢和结构，我节选了其中比较有趣的内容和图片进行了翻译，如下：

巴兰金在1935-1936年率先在蒸汽机上使用了无曲柄的构型，后来在1937-1951年他转而试图将这种构型运用于航空发动机上。在1938年到1948年，巴兰金先后开发了ОМБ、МБ-4、МБ-46、МБ-8、МБ-86、ОМ-127о、ОМ-127РН这一系列的无曲柄构型航空发动机，并在之后设计建造了集大成者М-127К，理论上能输出高达10000+匹马力。

上图显示的是两种标准构型的无曲柄发动机，在这种构型中，气缸中活塞的直线往复运动通过无曲柄连接动力机构（БСМ）转变为曲轴的圆周运动；据图所示，每对活塞在曲轴箱的两侧同轴布置，与一个共同的连杆-2相互连接，在运行过程中活塞自Y-Y、X-X轴线提供直线往复运动，在理想公差条件下，无曲柄发动机活塞和气缸壁之间存在承重油膜，可以完全不和气缸壁产生摩擦就能完成工作。

上图则是巴兰金设计无曲柄连接动力机构（БСМ），带有活塞和连杆的-1，ACB即БСМ，围绕ОС和ОС'执行圆周运动，在给定的公差里，АС=ВС=ОС=г=1/4 S，S=活塞的行程值，AB在结构上和曲柄比较类似，通过轴承和连杆-1相连，沿着轴线进行往复运动，同时以一定的角速度进行旋转将动力传输给曲轴。由于连杆和轴承中心的距离只有活塞行程的四分之一，所以尺寸和重量相比常规发动机要小得多。

当然看巴兰丁的手稿还是不够清楚，我制作了一份gif清晰展示了无曲柄发动机的工作方式

如果gif无法播放，下有视频链接：

https://www.bilibili.com/video/BV1yP4y1S7Dh/?spm_id_from=333.999.list.card_archive.click

同时由于无曲柄发动机的连杆是直来直去的，不像普通发动机一样会幅度摇晃，所以可以设计双向燃烧室，能双倍利用气缸的工作容积。同时由于无曲柄机构大幅削减了发动机的曲柄运动时对活塞施加的横向力，减少了活塞对气缸壁的摩擦。

发动机的升功率比较，1是常规发动机，2是ОМ-127РН和М-127К两种无曲柄发动机

发动机a）是常规曲柄发动机，
b）是无曲柄发动机，功率和a）相同，
c）是无曲柄发动机，气缸缸径和行程和a）相同

上图是发动机轴承上的功率负荷比较

1. V型连杆轴承AM-35发动机，1200hp，2050rpm

2. V型连杆轴承V-1710C-15发动机，1100hp，3000rpm

3. X型连杆轴承双燃烧室无曲柄发动机ОМ-127РН，3200hp，2800rpm

再这三条线无曲柄发动机ОМ-127РН的负荷最低

左图是最大功率110马力的曲柄连杆发动机M-11，右图是无曲柄机构的140马力发动机，活塞和气缸是一致的，但是仅仅通过改变设计，迎风面积就减少了几乎两倍，二者后来还进行了机械效率的测算，M-11发动机在1580rpm时机械效率=0.845，而四缸无曲柄发动机则有0.932，即无曲柄发动机由于摩擦造成的功率损失要比M-11烧2.28倍。

高机械效率确保了无曲柄发动机不仅升功率更高，而且每马力的油耗也更低，寿命更长。在双燃烧室的八缸无曲柄发动机中（即指ОМ-127РН），转速=2650rpm时摩擦损耗仅占ihp的6%，比传统发动机要少3-4倍，每生产10亿马力的发动机，无曲柄发动机可以多获得额外的1-1.5亿马力，因此它也更加便宜。