VDT发动机

发动机发展的最大难题就是如何提升热效率，一台典型的二战军用活塞发动机通过燃烧汽油获得的能量是很可观的，但最终能输出到螺旋桨上的只有约15%，其中超过60%的能量都随着废气被发动机排出了，所以研究如何利用发动机废气就成了提升热效率的最热门课题。

一般来说普通发动机只能选择将高温高速的废气通过排气管向后排出获得推力，这个推力是非常可观的，以Jumo213E为例，在32000ft的高度军推档位动力可以获得380磅的废气推力，而同高度的Jumo004喷气发动机甚至都只有600磅的推力，不过说到底这种方法还是太原始了，所以就有了废气涡轮增压器，通过废气驱动增压是个很聪明的想法，但这对材料工艺的水平提出了极高的要求，常规的涡轮增压器要忍受近2000℉的高温废气，并要在这种情况下达到数万转速，而且涡轮的运用场景有限，在低空它几乎完全就是一个累赘，否则发动机绝对会因为过度增压而爆炸。

后来又诞生了复合涡轮turbo-compound，废气依旧被用来推动涡轮，但涡轮不再为发动机增压，而是直接将废气推动的动力用传动轴传输到发动机曲轴上，例如R-3350TC，每一个复合涡轮可以提供150hp左右的动力，非常可观。复合涡轮的下一个发展就是VDT，可变排量涡轮，这项技术的主持开发者是普拉特-惠特尼PW，在VDT之前世界上所有的发动机，不管是二级增压还是一级增压还是涡轮增压，它们都会有一级机械增压，这个设计除了保证了发动机的进气压力不会太低以外，对于化油器发动机来说这级叶轮会充分打散进气道里的空气和燃料，让它们混合得更均匀，但这样设计也是存在问题的，在高空机械增压器会需要从发动机里抽取几百匹马力才能保证进气能力的稳定，常见的二战活塞发动机机械增压在9km以上就会抽取超过500hp的动力，如果我们不需要这级机械增压，纯靠涡轮增压来给发动机提供进气压力呢？这就是VDT的设计思路，所有冠以VDT发动机名号的无一例外不存在任何一级机械增压器，在高空足以让发动机曲轴解放出来几百匹马力。

同时VDT发动机缺少离心盘混合空气燃料的能力也能够通过使用缸内直喷来解决，虽然乍一听这个方案并不是很激进，但需要注意的是VDT发动机是没有节气门的，飞行员控制VDT发动机的动力靠的是操纵VDT涡轮排放出废气的通道口大小，这个通道口类似蛤壳，这就对发动机的自控系统提出了巨大的挑战，没有节气门也是一个很不错的设计，常规的节气门就是进气道里的一块板子，会让进气产生严重的涡流，同时在VDT涡轮增压后这些废气还能提供超过500磅的推力。

总而言之，VDT发动机除了需要优秀的涡轮增压器外，发动机自控系统和燃料直喷器也是其必要条件。

VDT发动机的最主要条件就一个，那就是没有机械增压器，除此之外各种细节设计是完全不同的，比如PW曾经思考将燃料喷射到VDT涡轮后的排气管里，再度点燃，这基本上直接等于一个小喷气发动机了；还有安装了更多涡轮，例如在涡轮增压器前安装复合涡轮先将动力传给曲轴再输送给涡轮增压器的做法，PW的实际图纸中有非常多完全不同的VDT方案。PW的目标就是将发动机的油耗降低到柴油机的水平，即巡航档动力下约0.37的BSFC

PW早期在R-2800上就试验过VDT系统，我们摘取几个简单的数据比较一下：

小型发动机的VDT其实并没有什么吸引力，AAF指定的VDT发动机实际上即R-4360-51，带强冷风扇额定功率约4300hp，用于计划中的B-35C，后续AAF还指定了R-4360-55，拥有高达7.5:1的压缩比，理论上燃料消耗会比普通发动机低20%，-55型发动机虽然被制造出来过，但从未实际运行过，我们来看一下R-4360-55发动机的CHM-2型VDT涡轮增压器，-55型发动机安装两个CHM-2型VDT涡轮加一个CH-8常规涡轮增压器，两个CHM-2涡轮吸入冲压空气后进入中冷器，再被CH-8涡轮压缩进入后冷器，再输入发动机气缸，而废气回路则是先通过一个热交换器，保证废气温度低于1650℉后再让废气驱动CH-8涡轮增压，之后再分开驱动CHM-2型VDT涡轮，最后再被排出，确实是很大程度上利用了发动机的废气，这套VDT系统理论上可以让R-4360-55保持输出3000hp直到50000英尺（15km）的高度。

CHM-2型VDT涡轮的具体参数如下：

最大持续涡轮转速：18500rpm

涡轮所能接受的最高废气温度：1650℉

涡轮排放后的最高废气温度：450℉

滑油循环量：涡轮18500rpm下每分钟6夸脱

最大直径：29英寸

最大长度：42又16分之11英寸

重量：575磅

当然CHM-2只是VDT涡轮的一个前奏，它的数据并不好看，又大又重而且转速也低，在后续的CHM-3等改进型VDT涡轮上应该数据会更好，但VDT项目的终止让我们无缘看见更进一步的发展了，CHM-3是和全新的CH-9涡轮增压器配套的，专为B-36F设计，GE的文件显示其不仅能让B-36速度提升40mph，还能增加50%的有效载荷，排放废气温度可以达到955℉，是CHM-2的一倍，可以有效提供VDT发动机的排气推力。

B-50轰炸机也曾考虑使用VDT发动机，根据PW工程师Phil-Hopper的记录，当时CHM-2+CH-8的VDT组合系统在实验室内已经证明可以轻松将发动机功率保持到50000英尺的高空，潜力很大。AMC即航空材料司令部的报告认为，R-4360-43（为B-50C设计的VDT发动机，有实机提供）的冷却效果在实际表现中比B-29和B-50A更好，1948年12月，由于GE的拖延，VDT发动机第一次在B-50上实现了首飞，总共测试了55小时的实际飞行，表现还不错，修正了一些小细节，但很快计划就结束了。

B-36C的VDT计划就是一坨烂账，这里不详细说了，1948年PW开始开发4800hp级别的R-4360VDT，同时油耗率目标低至0.375，涡轮增压的设计有很多公司参与，比如常见的巨头GE、以效率出名的TEC公司、甚至洛克希德都设计一种轴流式涡轮增压器参与，但可惜的是缺少数据。

根据B-36C的性能，VDT发动机大致减少了15%的发动机油耗，并同时提升了600hp的巡航动力，以及数量及其可观的排气推力，小型飞机肯定是用不了这个设计的，但对大型活塞飞机来说是一个非常优秀的设计。