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源于航空发展 涡轮增压技术的起源

来源:无敌汽车网 文:ModiAuto 图:网络 鸣谢: 审:R.P

2013-05-24

[导读] 早在20世纪初,机械增压器技术在工业领域获得了长足的发展。但是利用废气压力推动进气叶轮旋转,进行强制进气的涡轮增压技术却在发展之初没有受到足够的重视。直到战争爆发,涡轮增压技术的发展才真正走上正轨。

19世纪末期,当戈特利布•戴姆勒(Gottlieb Daimler)于1885年创立了利用压气机将空气强制压入内燃机中(即机械增压器的前身。有兴趣的读者可点击《谈古论今 漫谈机械增压器的起源与分类》,我们便知早在100多年前,工业发达的欧美已经开始找寻一种办法,让空气能够更多地进入内燃机中,帮助提高内燃机的燃烧效率。

不过机械增压器在使用时会产生一个问题:由于需要利用曲轴动力作为增压器的动力来源,在一定程度上浪费了内燃机的输出功率,对发动机的性能具有一定的影响。时间到了1905年,就职于瑞士Gebruder Sulzer发动机制造公司的工程师阿尔弗雷德•布奇(Alfred Büchi)(1879-1959)发明了利用废气压力来强制进气的压气机,从而提高内燃机的输出功率。但是这一技术用了近20年的时间才将其转变为现实。

图:瑞士工程师阿尔弗雷德•布奇(Alfred Büchi)以及其设计的产品图纸。

20世纪初期最新的工业技术往往最先应用在军事领域。尤其是两次大战爆发的这几十年内,工业技术得到了飞速发展,这为涡轮增压技术的进步奠定了坚实的基础。在航空领域,由于早期的螺旋桨发动机也全都采用往复式活塞发动机(只是燃烧室数量要比汽车来的多),燃烧时需要大量的空气与燃料混合形成混合气。但是高空中,随着海拔不断升高,空气就会变得越来越稀薄,飞机的最高爬升高度也受到了制约(飞机爬升得越高,越不容易被地面察觉,也不容易被地面的防空火炮击中,高空域的动力性是侦察机和轰炸机急需解决的主要问题之一)。这时候,工程师们就想到利用额外的机械将空气强制压入燃烧室中,从而解决飞机在高空中的动力性。虽然当时机械增压器技术相对比较成熟,但是进气效率低,耗费的曲轴做功相对较多(当时还未出现离心式机械增压器,只有鲁氏以及蜗杆式),实用性不甚理想。

图:一战期间法国空军使用的Bréguet 14双翼战斗机。

第一次世界大战期间,法国工程师Auguste Rateau第一次将涡轮增压器安装在使用雷诺引擎的法国战斗机上。不过在当时涡轮增压器还没有受到军方高层的重视,那时的各国的武器制造商还是将注意力集中在使用功率更大的发动机,火力更强的机枪上。

美国航空工程师Sanford Alexander Moss一直在对燃气轮发动机进行研究。1918年,他首次将涡轮增压器安装在一台V12飞机发动机上,并在14.000英尺(海拔4300米)的高度上飞跃了科罗拉多州的派克峰,打破了之前的世界记录。只是在涡轮增压器准备广泛应用前,一战便结束了。

图:美国航空工程师Sanford Alexander Moss。

涡轮增压器能够消除自然吸气内燃机在高海拔地区由于空气稀薄,对发动机功率造成的不利影响。通用电气公司(General Electric)将这种增压系统称为turbosupercharging,在当时,最被常规使用的是机械增压器。

随着涡轮增压器技术的逐渐成熟,以及二次世界大战的再次爆发,在和平时期沉寂了一段时间的涡轮增压器也在此获得了第二次发展的机会。此时,战斗机已经逐渐从双翼木质结构时代变为了单翼金属蒙皮时代,发动机的动力性也越来越好,军用飞机上专用的涡轮增压器也逐渐开始应用到民用飞机、船舶以及火车机车头上了。涡轮增压器最被广泛使用的是美国航空,这也引领着美国通用电气公司在技术上的突飞猛进。二次世界大战中安装有涡轮增压器的战斗机包括B-17空中堡垒(Flying Fortress)轰炸机,B-24解放者(Liberator)轰炸机,P-38闪电(Lightning)以及P-47 Thunderbolt等战斗机。在轴心国方面,德国空军也在福克-沃尔夫190(Focke-Wulf Fw 190)战斗机上安装了涡轮增压器。

图:美国P-47战斗机涡轮增压器结构图,图中右侧的小圈内为涡轮增压器安装位置。

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