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Napier Nomad 复合涡轮柴油机

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活塞发动机在功重比、可靠性、寿命等方面已取得了重大进步,但是在热效率和油耗方面改善并不大,现在(1950s)相比于一战时期大约提升了20%,而早期的涡喷发动机在这个方面甚至是退步。
对于发动机的热循环,高温废气会浪费相当一部分能量,满油门时甚至能达到3/4。喷射式排气管是一种简单直观的改善,然而还有更高效的方法,即通过废气涡轮来回收能量,可用于驱动增压器,甚至将动力传回曲轴。
经Napier公司多年研究,集热效率、功重比、可靠性、泛用性于一身的复合涡轮二冲程柴油发动机Napier Nomad最终问世。


IP属地:江苏1楼2021-07-06 11:33回复
    1944-45年曾经有过6000hp级别的四冲程活塞发动机需求,而当时燃气轮机还在起步阶段,Napier公司最初设计了一种H-24型的二冲程柴油机,排量约75L,有两个曲轴,气缸夹角150度,使用轴流式增压器。1946年Napier决定放弃6000hp项目,将这台75L的大家伙切成两半,变成了3000hp的水平对置式柴油机,取名为Napier Nomad。
    这台12缸柴油机有两副螺旋桨,曲轴驱动后侧螺旋桨,涡轮通过延长轴驱动离心式增压器以及前侧螺旋桨。整个系统需要6.5ata的压力驱动,单靠一台轴流式增压器达不到,于是又增加了一台离心式增压器,由曲轴驱动,涡轮的延长轴穿过空心的离心叶轮。两台增压器中间设有中冷器,在气缸和涡轮之间设有辅助燃烧室,涡轮有主副两台,均有阀门控制开合。


    轴流式增压器提供大约5.5:1的压缩比,两台总压缩比约为11.3:1,最高增压达到95.5psi,排气压力78psi。为了兼顾最大起飞功率和巡航效率,辅助涡轮只在起飞功率时开启,此时离心叶轮从S档调至M档,并开启辅助燃烧室。
    由于其体积庞大结构复杂,Nomad最初展示时并不受欢迎,尽管1951年在林肯试验台上的表现良好,启动迅速,并且同轴螺旋桨也没有因为功率不同出现问题。


    IP属地:江苏2楼2021-07-06 11:33
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      随着Napier Naiad涡桨发动机的发展,轴流式增压器取得了一定进展,可变的叶片角度极大增加了灵活性,Nomad发动机被重新设计。新的Nomad 2(NNm.6)缸径6in,冲程7in,总排量41.1L,采用轴流式增压器,有12级叶片,压缩比高达8.45:1,由3级的废气涡轮驱动。



      新设计只有一副螺旋桨,涡轮直接驱动的螺旋桨被取消,离心增压器也被取消,涡轮轴连接至后部的齿轮箱以实现变速和传动。在全功率运行时,涡轮机除了驱动轴流增压器,还可将多于功率通过后部齿轮箱传给螺旋桨。
      早期设计Nomad 1以恒定增压运行 fth高度27000ft,前螺旋桨和涡轮轴恒速连接,通过改变桨距来改变轴转速以改变增压,直到螺旋桨超速。改进后的Nomad2通过齿轮箱传动可以实现无级变速,随高度控制增压,以及更高效的传输动力。
      Nomad的重新设计取消了离心叶轮、辅助燃烧室、辅助涡轮和相关阀门,以及应用了新材料、新结构设计的气缸、齿轮箱和螺旋桨,对于发动机本身减重超过700lb,完整安装减重超过1100lb,提升了整体效率,减少了热损失。


      IP属地:江苏3楼2021-07-06 11:35
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        Nomad的最佳油耗比可低至0.35 lb/hr/bhp,相比于同时期的涡喷约为1.0,涡桨约为0.5,活塞发动机约为0.42,可谓相当高效。以下是功率曲线,海平面3150hp,2050rpm曲轴转速,18200rpm涡轮转速,增压89psi,通过注水加力还可以达到3580hp,复合注水和“再加热”技术甚至能达到4095hp。


        Nomad还有其他优势,比如不仅可以使用专用的柴油,同时可以燃烧汽油、煤油等其他燃料,以及它对温度变化并不敏感(环境温度升高10度,起飞功率损失不到2%),可以说直到开发出核动力发动机之前,没有任何发动机的经济性可以与之媲美。


        IP属地:江苏4楼2021-07-06 11:35
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          部分选自FLIGHT, 30 April 1954,还有一部分讲材料和内燃机原理和齿轮机械结构的就不翻了咱也看不懂,有兴趣翻阅原文
          1UAvYDX6l8974B3mIe1lWHA
          码: 2fru


          IP属地:江苏5楼2021-07-06 11:40
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            这个是纳皮尔控制不了度的典范之一了吧
            为了增加热效率复杂化,可能导致发动机全寿命成本比普通的更高,80年代推不动涡轮复合的原因之一
            虽然他本身也没飞机可装了


            IP属地:四川7楼2021-07-06 22:11
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              其实可不可以理解为..大规模商用,喷气式发动机淘汰活塞机是必然,从成本、经济性和效率上来讲。


              IP属地:加拿大来自iPhone客户端8楼2021-07-07 02:34
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                最后一句话作者是吹过头了,应该是时代局限性放眼1950s初,确实Nomad经济性最高,油耗少且不挑食,早期涡桨效率不如活塞,涡扇又没研发出来


                IP属地:江苏来自Android客户端9楼2021-07-07 06:29
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                  纳皮尔同时在进行两个大型柴油机项目
                  nomad和deltic,没什么竞争关系,deltic是水陆用的
                  柴油压燃先天热效率高,但高转速性能差,单位功率低,对飞机整体设计很不利
                  0.35磅/小时/马力的bsfc其实很早就达成了

                  这个构型还简单,而且没动力恢复系统
                  在这种情况下,能用jumo的飞机都不多
                  nomad没有军事订单的情况下毫无出路
                  deltic虽然是三组汽缸,但没复杂的动力恢复系统,同时能有和nomad差不多的BSFC,就至少能装火车上
                  nomad单纯的路走错了


                  IP属地:四川10楼2021-07-07 10:18
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                    50年代还卖得出去新品的大型机就R3350TC
                    这东西可以说紧凑简单
                    涡轮甚至都不增压,尽管给他再套个增压也还能再提高热效率


                    IP属地:四川11楼2021-07-07 10:25
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                      为什么压气机进气口和螺旋桨反方向?这玩意是为轰炸机和客机设计的吗?


                      IP属地:江西来自Android客户端12楼2021-10-06 00:21
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