Ju-88与涡轮增压

德国的废气涡轮增压器主要由DVL设计，具体的负责人是流体机械研究所Institut für Strömungsma-schinen的所长Werner von der Nüll，他主导开发了TK-9型涡轮增压器，后来由Hirth公司进行了量产，主要是给Hs-128的DB-601使用的；还有后继型号TK-11型，编号9-2281，以测试为目的进行了小批量生产。

按照计划，在结束Ju-88S-1的生产后到开始Ju-188的生产之间会有几个月的空窗期，于是Junkers的Heinrich Hertel教授在1943年中期开始寻找一个临时解决方案，最后的计划就是在Ju-88A-4的机体上安装TK-11涡轮增压，将飞机的临界高度提高到11km，水平极速550km/h，航程从Ju-88S-1的1100km达到1400km，因为新飞机可以不需要GM-1及额外的操作和控制系统，所以有效载荷也能从1000kg增加到1300kg。

 

为了让Junkers在这架原型机完成之前积累一点涡轮增压发动机的操作经验，位于Oranienburg的Versuchsstelle für Höhenflüge高空测试飞行中心，简称VfH，给Junkers提供了一架He-111H-21（W-Nr.160417, T9+EL）。从1943年10月16日到12月20日，Junkers的飞行员在Dessau驾驶该机进行了数次高达10km的飞行测试。

 

时间回到1943年7月，RLM向Junkers公司提供了两架二手的Ju-88A-4用于改装，分别编号V93和V94，10月1日，Ju-88 V93（W-Nr.8722,NJ+BE）率先进行了首飞，在经过进一步的测试和修改之后，V93于1943年11月1日在Dessau进行了详细测试，该机没有安装ETC挂架、俯冲减速板、武器、后机身油箱以及Bodenwanne（？）和Einfach-Linsendach（？）。

 

Ju-88 V93的TK-11 9-8211A-1涡轮增压系统安装在Jumo-211和发动机防火墙之间一个450mm长的空间中，新的发动机被命名为Jumo-211Q，除了涡轮增压以外还安装了新的辅助滑油泵、Hydronalium合金增压器叶轮、高空型火花塞和新的进排气系统。

 

由于发动机整体前移，所以测试机在后机身还安装了140kg的压舱物。到11月14日，V93已经完成了8次试飞测试，其中5次是在6500-9350m的高空进行的。飞机在试飞过程中暴露了大量问题，涡轮增压器对Ju-88的飞行性能产生了巨大影响，飞起来非常不稳定，主要原因在于涡轮增压的排气口排出的热气流对飞机的上层机翼气流流动产生了不利影响。

 

除此之外，TK-11涡轮的表现也很差，控制废气流量的活板直接被烧毁了，导致飞行中无法控制进气压力，同时涡轮前的废气温度也过高，达到了970-990℃；还有另一个重要问题是涡轮机本身的冷却空气流量不足，指标是0.2kg/s，但实际只有0.15kg/s，在9km高度的时候甚至降低到了0，涡轮机直接过热。

 

在11月14日的高空飞行测试中，V93的右发动机的进气压力在9250m突然暴跌到0，降落调查后发现发动机涡轮已经彻底损坏，三根叶片断裂，撕破了涡轮机的外壳，故障原因是冷却空气流量不足而导致的过热，Hirth的工程师发现左侧的涡轮机也差不多坏了，因为过热导致叶轮的叶片开始松动。

 

随后对TK-11涡轮增压系统的改修花费了大约4周的时间，Junkers首先改进了涡轮的冷却系统，把发动机废气的温度先降低了40℃，并增加了涡轮机冷却空气的流速，但12月17日的试飞当中，V93在9000m的高空时涡轮突然爆炸，13枚叶片被炸毁，3枚松动。后来Junkers和Hirth的工程师发现涡轮过热的原因可能是排气口处的压力过高，限制了冷却空气的流速，于是他们按照下图重新设计了TK-11的涡轮增压系统，从涡轮增压的进气端引了一条空气流路，非常简单粗暴地把一部分增压过后的空气喷射到冷却涡轮机的空气管道里。

1944年2月4日，V93号机终于完成了首次高空无故障飞行测试，在海波8250m的高空，涡轮机在910℃的排气温度下一度达到了20000rpm的最高转速记录，新的冷却系统很有效，涡轮没有再发射故障，但飞机的飞行特性依旧很糟糕。处于实验目的飞机没有安装消焰系统，结果飞机机翼顶部因为涡轮机排出的废气扰乱了气流导致副翼几乎无法操纵，起飞后就几乎坠毁；而且飞机也没达到预期的性能，普通的Ju-88A-4的海平面极速约为390km/h，但V93只有340km/h，原因被归咎于飞机的空气动力学性能很糟糕，而且发动机后冷器的散热效率不佳，计算为50%，但实际只有37%。

 

Jumo-211Q的TK-11涡轮增压系统比较特殊，在发动机的机械增压器进气道前有一道旁支引向涡轮增压器的控制系统，感知并保持这一段内发动机的进气压力，随着飞机的高度增加，进气压力减少，控制系统就会调小废气节流阀的角度，使得涡轮机的转速越来越快，在7km的高度上达到最高18000rpm，随后飞行员就要手动切换TK-11的增压压力为高速挡0.65ata，涡轮机的转速就回到了14000rpm，并且在11.3km的高空达到了第二次临界高度，此时的涡轮增压还需要飞行员手动完成大部分控制工作，因为对应的自控系统还在开发中。

 

Ju-88V93的测试结果由于废气问题并不理想，不过V94也因此修改了发动机的排气系统，虽然只是用一块板子把排气管垫高，但就是这样一个简单的设计，不仅让Ju-88的操纵性能回到了原来的水平，其海平面极速也达到了370km/h，甚至由于排气管对着吹的机翼表面温度降低到了60℃以下，原来垫在这里防止过热的金属板也能被拆掉了，飞机的重量也变轻了。

 

V94的机况和V93差不多，不过拆除了飞机上的所有装甲，因此后机身的压舱物也不需要了，整机的飞行重量为11290kg，满载燃料，机组三人，此外还换装了新的中冷器，1944年4月6日，Ju-88V94（W-Nr. 5790，KN+PL）飞抵Dessau，很快就达成了9.6km高空无故障飞行的记录，随后在4-5月继续了进一步的测试，飞机一度达到了10.3km的高空，之后也修复了各种小问题，比如散热器调节挡板的电动马达在高空被冻住、排气管由于通风不良被积碳堵住、火花塞只飞行了三四个小时就失效了等等。修正后的V94海平面极速甚至达到了405km/h，在10km高空极速为500km/h（预期结果为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旧是无法解决涡轮排气引起的机翼表面气流紊乱导致的。

 

至于修改后的TK-11涡轮增压系统，原本预计涡轮机在20000rpm的转速下临界高度为11.3km，但由于Ju-88机体限制爬升不到这个高度所以无法验证；至于预期中的550km/h极速，德国人觉得可以继续通过改进发动机后冷器和废气排管来实现。

 

1943年底，Junkers给装备了TK-11涡轮增压系统的Ju-88A-4重新命名为S-5系列，同时收到了RLM的75架飞机订单，但在1944年3月2日的高层会议上Ju-88S-5被取消了，战争形势让RLM将重点转移到了夜间战斗机Ju-88G上。

 

Ju-88V93一直服役到1944年4月底，累积试飞时长31小时42分钟，试飞了42次，其中9次是在9-10km的高空进行的，在这之后它被改装成了A-16，然后又被拉去改成了榭寄生，而Ju88V94作为测试机则服役到了1944年6月中旬，累积试飞时长17小时25分钟，试飞了17次，其中8次是在9-10km的高空进行的，后来也被拉去改成了榭寄生。

 

有关使用Jumo-211的Ju-88安装涡轮增压系统的故事就到此为止了，但其实早在Ju-88和V93和V94之前一年，就有人考虑为Ju-88装备使用涡轮增压器的BMW-801发动机，他们就是前文提到的位于Oranienburg的高空飞行实验中心Versuchsstelle für Höhenflüge，简称VfH，VfH的主要任务是对其他欧洲国家进行空中侦查，因而聚集了一大批当时德国空军内部最好最有经验的飞行员，比如Siegfried Knemeyer、Cornelius Noell，他们的飞机也大部分是改装特制的，比如1940年初VfH接收了两架Dessauer工厂特别改装的Ju 88 Sa-1执行英国上空的侦察任务。

 

BMW-801TJ——T表示发动机QEC舱，M则是裸机，J才是发动机型号名，该型号发动机也可以叫TI，有说法认为其原名为TI，后来在德国空军内部以讹传讹成为了TJ——是德国空军唯一量产了的带有废气涡轮增压器的汽油发动机，该发动机源于项目P.8001，是基于BMW-801D建造的，1942年7月就有14台进行了交付，RLM计划将他们安装在Hs-130和Ju-88上，但实际上只有Hs-130C/V4（NK+EB）安装了，该机于1942年11月27日完成了首飞。

 

BMW-801TJ这款发动机最大的特点就是涡轮设计非常不寻常。当时的涡轮增压器——比如德国人的DVL和美国人的GE产品——都是纯粹的风冷式恒压涡轮。

当时还没有油冷涡轮的技术；德国人的涡轮形制资料不多，不过应该和美国人的没什么区别，那么先看下图：

但如此设计就有一个问题，那就是冷却空气可以冷却涡轮轴和废气涡轮盘，但是却无法冷却直接和废气接触的叶轮，那么该怎么办呢？答案也很简单，直接将叶轮外置，以损失一部分废气能量和阻力增加的代价进行叶轮的冷却：

这些都是当时典型的涡轮增压器设计，这种涡轮由于必须外置叶轮进行冷却，所以发动机废气在喷嘴箱Nozzle Box处就必须膨胀到环境压力的水平，这意味着发动机会损失不少废气能量，再加上定压涡轮本身对废气的利用效率就不如脉冲涡轮（复合涡轮就是典型的脉冲涡轮，而二战时涡轮增压器基本上都是定压涡轮），直接导致了涡轮增压发动机的排气推力非常非常低，而排气推力对于二战的活塞飞机来说是很重要的，比如下图里Jumo-213A在18000英尺的高空有340磅排气推力，Jumo-213E在32000英尺则有380磅，而筒高度的Jumo-004甚至也只有600磅左右的推力，而常规的涡轮增压发动机这一数据几乎等于0。

这时候慕尼黑的BMW公司对于涡轮增压的设计则另辟蹊径，避免了旧有系统的缺陷，他们把涡轮的轴和叶片全部掏空，使得风冷涡轮的散热可以在内部进行，并且将冷却完叶片的空气直接从叶片外端排放到废气中进行混合，实现了废气能量的最大化利用，这样的设计使得发动机的涡轮能够内嵌在机体里面，不需要额外凸出徒增飞机阻力：

空心叶片这项设计最早是1937年12月BMW公司的Alfred Müller博士设计的，并且获得了专利，在1942年之前，BMW-801TJ的涡轮增压设计也是实心叶片，至少后来进行了全新的推翻设计，不仅引入了空心叶片技术，也通过修改细节设计让叶片尖端速度从365达到了400mps（原文如此），BMW-801TJ的空心叶片是铬锰钢D712建造的，1942年1月完成了100小时测试，实际上发动机完全可以在废气进入涡轮前安装热交换器进行冷却，但可能由于为了发动机的紧凑性，BMW似乎没有考虑过这个设计。

很明显BMW的设计是很先进的，理论上它能够让发动机额外产出430ps动力和80kg的推力（虽然由于BMW-801本身的问题没有实现），而其他两种涡轮只有250ps左右，BMW的涡轮是由Borsig工厂进行生产的，这也是一家老牌工厂了，是做蒸汽机车起家的，现在是莱茵金属旗下的公司，生产一直持续到1944年4月，工厂由于盟军空袭而失去了生产能力。

 

BMW-801TJ-0 是最初的型号，也是下文中使用的型号，Startleistungdes动力档海平面输出为1615 PS，Steig- und Kampfleistung动力档海平面输出为1472 PS，临界高度12,3 km输出为1430 PS；后续的BMW 801 TJ-1动力性能则更进一步，海平面输出1810 PS临界高度11km为1490 PS，后来通过改进，TJ-1甚至可以使用MW-50，喷射150kg/h的MW-0可以提升320ps，喷射250kg/h的MW-50则能提升420ps，也就是最高可以输出2230ps的动力，达到了涡轮增压发动机的正常提升水平。

 

但TJ-0后续则表现不甚理想，它的排气管喷嘴最初的截面为3.2 dm2，但经过多次修改，在1944年10月交付的版本中，其出口截面为4.2 dm2，这直接导致发动机临界高度下的废气推力损失了30kg左右，但BMW方面做出这种修正的理由不明。

话题回到Ju-88上来，1941年2月，编号W-Nr. 0648 (GE+ YM)的Ju-88C-4在改装下成为了C-7，换装了BMW-801A发动机并且加装了侦查设备并于同年9月交付给了VfH，注册号变更为K9+VH。1942年4月，在Siegfried Knemeyer的推动下该机成为了第一架安装了GM-1系统的Ju-88，并且于同年夏季成功执行了对亚历山大、塞得港、苏伊士三个军事重地的侦查任务，而在K9+VH之前德国人在此地的侦查行动因为喷火战斗机的拦截已经数月没有成功过了。

 

Ju-88C-7出色的高空性能并没有让VfH停下脚步，他们继续寻求一种提升飞机高空性能的解决方案，因此在1942年秋季VfH决定将两架Ju-88改装使用带涡轮增压器的BMW-801TJ型发动机，第一架被改装的飞机就是W-Nr. 0648（编号又变更为T9-EH）；然而此时Junkers是工厂由于长期超负荷远转，所以改装工作只能由VfH自己在Oranienburg进行了，Junkers公司只能提供飞机的设计图纸和零部件来帮助他们。

 

1942年10月，期盼已久的两台BMW-801TJ抵达了Oranienburg，这两台是以BMW-801D为基础改装的实验型号，编号V74和V79。VfH方面很快就完成了改装，11月29日，飞机进行了发动机地面试车，在增压压力最高的情况下达到了2500rpm，第二天进行的试车中发动机的动力输出也很令人满意，但测试过程中发现由于机翼上表面气流的下压力问题会让涡轮增压排出的废气一直黏在机翼上，导致机翼油漆剥落甚至高温变形，甚至会引燃机翼附近的油箱，德国人对此只是先安装了排气导流板进行缓解。

1942年12月1日，装备了涡轮增压型BMW-801TJ的Ju-88 T9-EH进行了首飞，其速度仅仅略低于装备了BMW-801D的普通型Ju-88，在之后的测试飞行中爬升高度超过了6km，随之也暴露了飞机的一些问题，比如发动机在5-6km左右的高度上震颤十分激烈，有可能是因为螺旋桨除冰系统的问题，所以德国人通过将强冷风扇前移5mm平衡发动机重心解决了这个问题。

12月5日，T9-EH在5-6km的高空进行了一个半小时的试飞，发动机也进行了全功率飞行测试，但废气灼伤机翼和油箱的问题依旧十分严重，只能尝试用石棉网和钢板遮住机翼表面，德国人又把涡轮的排气管被拉高了20mm，并且从废气涡轮叶轮冷却空气入口拉出一根新的通风道管，将冷却空气从下往上吹到涡轮排气管处，这一系列操作后机翼上表面的气流仅有200-300℃，基本上解决了过热问题。

 

1943年春天在Oranienburg，T9-EH又进行了一些列的飞行测试，在起飞重量11.6吨的情况下于11.4km使用Kampfleistung动力档飞机达到了584km/h，使用Höchstdauerleistung动力档也有523km/h，飞机在11.7km的爬升速度还有1m/s。

 

涡轮增压的BMW-801TJ和台架测试的数据一样表现良好，即使在热带条件下汽缸盖温度也一直低于限制值，增压空气的温度也在接受范围内，唯一的问题是在9.5km以上的高空发动机滑油的温度会飙升。

 

1943年7月，VfH将T9-EH转交给了BMW进行测试，BMW在该机上测试积累了大量涡轮增压的使用经验，1944年4月T9-EH被送还给了Oranienburg，但此时德国空军已经对该机失去了兴趣，重新编号为T9+BL，换装了Ju-88S-3的机翼并使用Jumo-213A发动机测试MW-50和GM-1系统。

 

除了T9-EH以外，还有数架Ju-88被改装成了涡轮增压的BMW-801TJ发动机，但是具体事迹并不清晰，比如W-Nr.430130 (SC+CL)，没有资料说明其是在什么时候进行的改装，只知道1943年中期VfH和Junkers公司合作驾驶该机进行数次测试，编号当时改为了T9+GH：

在1.2ata进气压2300rpm转速下该机在11.4km达到了590km/h，在1.32ata 2400rpm下则是620km/h，在1.45ata和2500rpm下则在10.5km的高空达到了635km/h的速度。

 

此外该机的飞行试验报告还说明BMW-801的内置进气道让飞机的临界高度降低了400m，而且因为增压空气的温度也因此升高了20℃，临界高度又降低了100m，功率也降低了4%。

 

1943年10-11月，T9+GH在扩大了冷却空气出口截面后进行了试飞，但汽缸盖温度依旧高达235℃，于是BMW设计了新的033式强冷风扇，其结果是在11月17日爬升到10km的测试中飞机的汽缸盖温度仅仅只有208℃，该机后面的事迹不明，有说法认为其参与过侦查英国本土的实战任务。

 

1944年2月，还有两架大修后的Ju-88D-1被拉去改装成为了BMW-801TJ的载机，分别是W-Nr.430373 (RA+OS)和W-Nr.430409 (BG+QI)，具体事迹不详。

 

除了这四架Ju-88以外，一架Ju-188 W-Nr. 260308 (RM+UH)也换装了BMW-801TJ，该机于1944年中期才在Rechlin进行了首飞，后续进行了高达12km的高空飞行测试，但由于缺乏燃料进一步测试开展得非常缓慢，而且废气的问题依旧没解决，导致1944年8月飞行40小时后该机的襟翼被废气破坏，只能继续用钢板铺在上面防止过热，1944年9月17日该机坠毁，全体机组人员死亡，事故原因经调查确定为BMW-801TJ的发动机主连杆卡死导致，而此时发动机仅仅只工作了50个小时，不过根据VfH的报告说：“装备BMW-801TJ发动机的Ju-188测试非常顺利。”

 

需要注意的是，以上这些Ju-88实际上都没有增压座舱，投入实战是几乎没有意义的，再加上BMW的设计过于复杂，所以尽管1943年5月RLM下了一份降20架Ju-88改装为BMW-801TJ的订单，但仅仅两个月后就被取消了，原有的机体作为Ju-88T-1交付，使用正常的BMW-801发动机；而BMW-801TJ的命运也不好，尽管交付了接近100台，但1945年2月RLM还是决定放弃在风冷发动机上安装涡轮增压器，并且开始研究以Jumo-213为基础的涡轮增压发动机快速替换方案。