追求高效 三款1.6T涡轮增压发动机解析（全文）
以往豪华品牌们都以大排量发动机的声浪和线性的动力输出为自己的卖点之一，不过现在涡轮增压发动机却纷纷出现在豪华品牌的车型上，不过这正是大势所趋，各国日益严格的环保标准逼迫汽车厂商们推广经济性更佳的涡轮增压技术。
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网易汽车11月5日报道 现在汽车厂商们对于油耗的口号就是没有最低，只有更低，所以涡轮增压也成为大家的技术取向之一。此前我们已经介绍了三款来自、通用和的小排量涡轮增压发动机（点击阅读：），而这次我们介绍的则是来自、和福特的三台1.6T发动机，它们的适用范围更为广泛。
奔驰M2701.6T
装备车型：新B
级（B180/B200
新奔驰B级在车身、底盘、科技配置等方面的技术变化可以说非常大，同时它所采用的M270系列1.6T涡轮增压发动机也是技术亮点之一，这台发动机和其他新型涡轮发动机一样，尽可能地缓解了涡轮迟滞现象，无论是低功率还是高功率版本，发动机的峰值扭矩在1250转就开始输出，这也使动力的响应速度和市区的经济性得到很大提升。
(参考成交价)
这款发动机集涡轮增压、缸内直喷、可变气门正时、快速暖机等设计于一身，其中奔驰独有的BlueDIRECT直喷技术此前更多是在排量更高的V6和V8发动机上使用，而在B级上已经算是第三代技术，基于高精度的压电多孔喷射装置，发动机的燃烧效率也得到了进一步提升，同时排放标准已经奔向了欧6的目标。此外，M270发动机的增压器也在模块集成、冷却等各方面进行了优化，增压值达到1.9Bar，转速则达到230000rpm。结合可变正时气门和直喷，这台发动机的低速动力输出和经济性也同样出色。
M270 1.6T与两款国产奔驰发动机参数对比
功率（kw/rpm）
扭矩（N·m/rpm）
M270 1.6T（B180）
M270 1.6T（B200）
M271 1.6S（C180）
M271 1.8T（C200）
　　　　　　制表
虽然新B级上面搭载的M270发动机调校的参数并不是特别出众（B180的最大功率只有90千瓦，甚至不如一些同排量的自然吸气发动机，不过最大扭矩还是达到了200牛·米），但与7速7G-DCT双离合变速器外加启停系统组成的高效动力系统，推动整备质量达到1494公斤的B180居然可以&达到6.2升的百公里综合工况油耗，即便是动力更强一些的B200这个数值也只有6.6升，很是符合现在追求低排放的潮流。
M270发动机布局
相关文章阅读：
小评：奔驰M270系列发动机具备不同参数的调校，同时除开搭配在A、B级这样的发动机横置布局车型上之外，也有望在纵置布局的全新C级上得到应用，可谓是一机多用，奔驰深厚的技术功底可见一斑。
宝马N131.6T&
装备车型：新1
作为新一代涡轮发动机，N20和N13系列已经开始全面取代此前的N46和N52系列直列四缸/六缸自然吸气发动机，在宝马拥有丰富涡轮增压发动机的设计制造经验基础上，N13系列发动机更是成为了当下小排量涡轮增压发动机的代表之一。目前N13系列发动机主要装备1系，根据不同的调校分别达到136和170马力，并命名为116i和118i两款车型。
(参考成交价)
N13发动机与N55、N20两款涡轮增压发动机在技术上有着很多相通之处，比如这三款发动机都采用了带双涡管技术的涡轮增压器、缸内直喷以及Valvetronic电子气门这三项宝马发动机现在的看家本领。更重要的是，依靠在涡轮增压发动机上的积累，宝马现在几乎可以实现发动机的模块化设计制造，比如在N20基础上减去一个气缸，就变成了新的1.5T三缸发动机，动力搭配的灵活性也大为提升。
1.6T与两款宝马发动机参数对比
功率（kw/rpm）
扭矩（N·m/rpm）
N13 1.6T（116i）
N13 1.6T（118i）
N46 2.0（120i）
M20 2.0T（125i）
　　　　　　制表
经济性同样在N13系列发动机的设计中占据着重要的地位，以116i领先型为例，N13发动机在它身上的最大功率为100千瓦/4400转，可以在转输出最大扭矩220牛·米，搭载8AT变速器，其0-100公里/小时加速成绩为9.1秒，虽然看上去这个成绩算不上出众，但是如果你知道它的百公里综合油耗为5.6升的&话，要知道116i的整备质量达到了1475公斤，可见这套动力系统是多么高效了。
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小评：虽然此前宝马粉丝们对几款经典自然吸气发动机的退役还耿耿于怀，但是不可否认的是，N20和N13发动机都以自己的实力说明了一切，宝马在涡轮增压技术上有着优良的传统和丰富的经验，相信此后还会有新品问世。
福特ECOBOOST1.6T&
装备车型：翼虎、福克斯、嘉年华ST
旗下的紧凑级翼虎已经开始了进军国内市场的步伐，而翼虎上装备这台EcoBoost 1.6T发动机也进入了大家的视野。除开翼虎之外，这台1.6T发动机也在美版的蒙迪欧（Fusion）、欧版福克斯等车型上装备。此外，ST这样的小钢炮也搭载了这台1.6T发动机，并匹配6速手动变速器，由此也可见这台发动机适用的车型范围是很广的。
(参考成交价)
与主流的涡轮增压发动机一样，这款小排量涡轮发动机也采用了涡轮增压、缸内直喷和可变正时气门三项主流技术。在涡轮增压方面，低惯量涡轮的引入改善了低转速下的动力响应，也有助于经济性的改善。EcoBoost 1.6T发动机同样也有高低功率版本，分别为110千瓦和132千瓦，可以取代从1.8到2.4排量的自然吸气发动机。
EcoBoost 1.6T 与三款福特国产发动机参数对比
功率（kw/rpm）
扭矩（N·m/rpm）
EcoBoost 1.6T （翼虎）
2.0直喷（福克斯）
2.3（蒙迪欧-）
EcoBoost 2.0T（低功率）
　　　　　　制表
这台1.6T发动机的整体经济性依然是不错的，以美版翼虎（Escape）为例，两驱1.6T车型搭配6速SelectShift自动变速器，高速工况下的百公里平均油耗为7.1升，而纯市区工况下的百公里油耗则不那么理想了，为10.2升，看来这台发动机峰值扭矩出来的较晚（2500转）对于经济性还是有一定影响的。而在低功率版的欧版福克斯上面，结合启停系统，综合工况百公里油耗则降到了5.9升。
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小评：福特在将新车型和技术引入中国市场这方面似乎做的有些缓慢，实际上诸如新福克斯、翼虎这样的车型，来得都有些晚，这台1.6T发动机也有点姗姗来迟的意味，它会不会成为福特国产车型的主力发动机呢？我们也会拭目以待。
总结：实际上除了我们前后介绍的这六款小排量涡轮增压发动机之外，还有不少这个级别的涡轮增压发动机处于研发过程中，比如大众就有1.0T、1.4T等多款机型。由于新能源技术在很多层面还存在局限，所以在很长时间内，对传统内燃机的改进还会继续，我们也会看到更多高效的涡轮增压发动机。
(本文来源：网易汽车
作者：侯杰)
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重型卡车柴油发动机 涡轮增压器使用与保养常识
卡路里0 卡
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& && &&&不同品牌的废气涡轮增压器(包括卡特、惠远、盖瑞特等)在各种大、中型柴油卡车、平板运输车、自卸车以及各种工程机械上应用广泛。如ZL-50装载机的上柴6135柴油机上装有GJ110、J112增压器Y-180平地机的D6114柴油机上装有HIE增压器;解放工程王自卸车装有WHIC增压器;斯太尔重型车装有盖瑞特增压器等。它们使柴油机在结构尺寸不变的条件下明显提高功率、增大扭矩,同时降低油耗,减少排气污染,尤其在高原地区效果更加明显。在工作过程中,增压器的转速高达每分钟数万转,并且长期在排气高温下运转,因此其工作条件恶劣。上述车辆在使用中,都不同程度出现过由于增压器使用不当造成的动力下降、油耗上升,进而导致作业效率和经济效益大幅下降。笔者根据常年在工程实践中对柴油机废气涡轮增压器各种故障的研究,就其常见故障的产生原因及预防措施特作如下讨论。
1、正确使用柴油机
　　首先是柴机油的质量等级,对于低增压柴油机,应选用不低于CC级的柴机油;对于中增压柴油机,则应选用不低于CD级的柴机油。其次是柴机油的粘度等级,应根据气温条件、机件磨损状况等选用合适的粘度牌号。再次是柴机油的清洁性,因为废气涡轮增压器的转子轴与其轴承(轴套)的配合较为精密,若柴机油过脏或变质,会将杂质或磨粒等带入增压器内,轻则加速轴承磨损,重则不能形成润滑油膜而使转子轴与轴承咬死。因此一定要保持机油的清洁,经常清洁机油滤清器,及时更换变质失效的机油。
2、正确的冷车起动方法
　　车辆起动后,应让柴油机怠速运转几分钟(取决于发动机温度和外界大气温度),待机油达到一定的温度和压力,流动性能改善,增压器轴承得到充分润滑后,方可提高转速,起步行驶或投入施工作业,这一点在外界气温较低时尤为重要。对于停车时间较长(如超过数天)的车辆,起动前应该松开增压器进油管接头,向进油口加注适量与油底壳同牌号的机油,以防起动时因润滑不良而使转子轴发生烧蚀。有的用户在解放工程王自卸车上,在日本小松平地机上曾经发生过类似的情况,应该尽量避免。
3、正确的熄火方法
　　正在高速运转的柴油机,如果突然熄火,废气涡轮增压器内的机油会因机油泵停转而马上停止循环流动,但增压器的转子轴在惯性作用下仍在高速旋转,这就容易因断油而与其轴承烧死。另外,带负荷运转的柴油机,其排气歧管温度很高,若突然停转,该处热量便传至增压器壳体上,把已经停止流动的机油熬煎成积炭。当积炭越积越多时,还会阻塞进油口,导致轴承缺油,即使进油口不堵塞,积炭也会加速轴承磨损。为此,熄火前务必让柴油机逐渐减少负荷,最后怠速运转适当时间,待增压器转子轴转速降低和机油温度有所下降后再熄火停车。熄火后,增压器转子轴仍会继续空转一定时间,有时可听到轻微的“嗡嗡”声。
　4、柴油机运转中的正确操作
　　①保持增压器的正常工作温度。增压器工作时,涡轮壳正常温度为400℃左右,压气机壳的温度以不烫手为合适,在使用中,若柴油机供油量过大,供油时间过晚,长时间超负荷运转或经常轰油门,都会因排气温度过高而使增压器过热,磨损加剧。若涡轮端油封失效,增压器内的机油窜入涡轮壳,随着排出气缸的高温废气一起排出,造成机油过度消耗,排气管也出现冒烟。若压气机端油封失效,增压器内的机油便窜入压气机壳,随着进气被吸入气缸内燃烧,同样造成机油过度消耗,排气冒烟,还造成气缸内积炭增多。
　　②保持正常的润滑系统机油压力。柴油机在运转中,当润滑系统机油压力低于015MPa时,应停车检查,以防增压器润滑不良而烧蚀转子轴与轴承。机油压力也不可过高,以免机油窜入涡轮室或压气机室。柴油机低速空转的时间不可过长,以防机油压力过低而使增压器润滑不良。
　　③加强空气滤清器的保养工作。要使喷入气缸的柴油充分燃烧,需供给大量的清洁空气。柴油机加装增压器后,喷油泵供油量相应调大,如果空气滤清器堵加强气滤清器的保养,确保其正常工作状态。另外,若滤清器滤芯破损或密封胶圈老化失效,增压器会因灰砂侵入而转速不稳,噪声加剧,并导致轴承、油封和气封组件加剧磨损。需注意的是,保养空滤器,切勿让硬物落入进气管,以免吸入增压器后击碎叶轮或折断转子轴,还有可能引发拉缸事故。
5、增压器的正确保养
　　在使用中,应经常检查并紧固增压器三壳体之间的螺栓,消除漏油、漏气现象。柴油机每工作500~1000h,应卸下增压器,检查转子是否旋转灵活,增压器进、回油口有无积炭,并仔细清除干净,确保机油畅通无阻。刮除沉积在压气机喉口上的微小尘埃,清洗中间壳水夹层中的水垢、气封道及油腔,清除涡轮、喷嘴环及涡轮壳内的积炭,清洗各气封件和油封件,并检查其损伤情况,必要时予以更换。拆装增压器时,由于涡轮壳与压气机壳均为薄壁铸件,切忌摔打碰撞,必要时应用木锤轻敲,不可使用铁器,以防击破。转子轴组件装配时必须按原记号就位,以免影响其动平衡。总装时要保持清洁,不可让杂物落入壳体内腔或管道中。中间壳上的机油进、出油口应垂直安装,出油管从增压器接出后应逐渐弯曲接到曲轴箱去,中间不得有“死弯”,以防回油不畅通而使机油向涡轮室或压气机室渗漏。
柴油2203 升
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重卡司机, 积分 3323, 距离下一级还需 6677 积分
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10:58发表在 1楼
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必须的，以后慢慢跟大家分享车辆保养的基本维护
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涡轮发动机
FD 3/67 喷气涡轮发动机是 Kurt Schrechlings 开发最后一款发动机，而且它的装配不需要特别的工具。关于作者：Kurt Schreckling, Dipl.-Ing.,生于 1939 年 Kurt Schreckling 早期受到过基础技术教育，后来又修完了重点在应用物理学方 面的工程课程。 之后又在一家大型的化工公司从事工程控制和系统控制方面的工 作。 Herr Schreckling 在 15 岁之前已经有了飞行模型的经验，那是他第一次把一 套飞机模型套件组装起来后的事。 几年之后他开始学习制造模型飞机和无线电控 制设备。他特别钟情于模型的动力系统，但那时还没有重大的进展。因此他投入 了相当多的时在电动飞行器方面的开发： 可调螺距的推进系统和计算机优化的电 动飞行系统。 接下来他的首次成功尝试是用他自己制作的一套电动直升机，随后 是他为 Wolfgang Kueppers 设计了电动系统，并创造了竞速模型的速度记录。再 随后的五年中他把他的全部业余时间投入了喷气发动机的开发， 并且抽出时间写 出他在这方面的成功经验。 因此， 如决定要开发专业级的模型喷气发动机的话， Herr Schreckling 是最适 合的合作人选。 虽然 Herr Schreckling 并不是非常好的模型飞行员， 但是他具有独创的见解， 并且在一个领域有独创， 并把他自己做的发动机装到了模型中并且飞了起来，因 此他必定是我们这个时代最多才多艺最有经验的模型制造者。 编者序言 至今已经有很多种成功类型的 FD 3/64 涡轮喷气发动机被制造出来，这促使 我决定要给这本新版本的书添加一个附录，涉及到喷气发动机的一些特殊问题， 但是如果我要写一个很透切的附录那肯定会超出本书的范围， 甚至会让读者困惑。 很多问题摆在我面前，比如说：“为什么你把 FD 3/64 发动机设计成这个样子而 不是那样？” 对于这个问题我只能作一些比较片面的回答。当面对一个比较棘手 的问题， 比如轴承润滑的供给， 我试图使用一些简单实用的解决方案而不使用比 较完善但复杂的测试每一种方法找出最好的系统的方法。 有很多在喷气模型方面比较成功的模型爱好者，他们的活动在 1994 年在 Nordheim 举行的争夺战利品 Ohain/Whittle 中形成了一个高潮。尽管是作为一个 非完全专业的模型爱好者来参加竞赛的， 但是由 Reiner Eckstein 制作并操作使用 FD 3/64 涡轮喷气发动机的一架“涡轮驯马师”获得了&Best of Show&奖。 自从第一个版本出现以后很多真正的开发工作已经进行， 并且在半像真比例 模型和 FD 3 发动机的飞行中获得了很多经验，这导致了一种新的更精确完美的 设计的产生：FD 3/67 LS 涡轮喷气发动机套件。 当然我会很愿意对按我的图纸制作发动机中遇到的问题进行解释， 对于过去 在电话中耐心的听我指导的模型爱好者我在这向他们表示感谢。 KurtSchrecklingReiner Eckstein 赢得了&Best of Show&奖杯在第一界 Ohain-Whittle 竞赛中，他使用 的是他设计制作的“涡轮驯马者”，使用自制的 FD 3/64 涡轮喷气发动机。 目录 1． 简介 2． 模型涡轮喷气发动机背后的基本物理和技术原理 2.1 简单的涡轮喷气发动机如何工作 2.2 一个用业余制作燃气轮机的好方法 2.3 燃烧系统 2.3.1 燃料 2.3.2 燃烧室和燃油喷射器 2.4 2.5 3． 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.4 3.5 3.6 4． 4.1 4.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.4 4.4.1 4.4.2 5． 5.1 5.2 温度问题 冷却 喷气发动机和模型 涡轮喷气推进和螺旋桨推进的本质区别 在典型的模型飞行器飞行中的动力效应 滑跑起飞 爬升性能和最大速度 典型的动力运动：圆周运动 涡轮喷气模型的飞行经验 今天的涡轮喷气发动机模型 涡轮喷气发动机模型的特性 飞行中的涡轮喷气发动机 噪声 模型介绍 设计一台模型涡轮喷气发动机：计算 角速度和平面速度 涡轮的设计过程 压缩机的设计过程 增压涡轮的设计与空气动力的关系 扩散系统的设计 增压涡轮的强度 燃料消耗 FD 3/64 的燃料消耗的计算 最佳燃料消耗量对应的运行参数 测量仪器，测量技术及测量的分析结果 测量旋转速度 测量压力5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 6． 6.1 6.2 6.3 6.4 6.4.1测量推力 测量温度 测量燃油消耗量 喷射口气流流动方向的测量 测量结果分析 其他附件 点火系统 燃油仪器系统 油箱 启动设备 鼓风机或压缩空气 电子启动器 FD 3/64 涡轮喷气发动机制作指导 一般信息 组成构造 转动系统 轴承 增压涡轮 涡轮 夹具 内部构造 机架 涡轮叶片系统和涡轮机架 涡轮叶片系统和涡轮机架的连接 内部结构中心定位 外壳的制作 燃烧室 燃油喷雾器 燃烧室内燃油喷雾器的安装 环形喷射口6.4.2 7． 7.1 7.2 7.2.1 7.2.1.1 7.2.1.2 7.2.1.3 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.2.7 7.2.8 7.2.9 7.2.10 7.2.11 7.2.127.3 总装 7.4 配件列表 7.5 设计图 第一章 简介 “一台为模型飞行器设计的涡轮喷气发动机？涡轮喷气发动机是什么？在 这你可以获得什么类型的发动机？”这是我以前经常听到的几个问题，甚至是从 很有经验的模型发动机爱好者那里听到。 有时候一些小的知识被这样一个问题透露：“它需要多少个涡轮才能运行？”偶然--很偶然--我会被问一个关于压缩比 的问题。 之后我明白我已经成这一领域的专家！ 但所有问我的人都有一个共同点： 他们都想知道一个涡轮喷气装置的真正的工作原理。 涡轮喷气机正像涡轮喷气发动机一样，利用气体喷射产生推力。它被叫做涡轮喷 气机是因为它的工作媒介―空气―是一种气体形态。 请注意燃料在气态下会有什 么事情发生。 利用这种简单的结构形态这种类型的热力发动机被用来制造高性能 的飞行器的动力系统。当气体涡轮变成了喷射涡轮，或是涡轮喷射机，这时在废 气中的有用的能量就会在喷管的作用下被浓缩。然而这并不是本质的原理。第一 个喷气涡轮推进的航空器是 He178,它的第一次飞行在 1939 年 8 月 22 日。它被 在一家叫 Heinkel 工厂制造飞行员是 Erich Warsitz。 这种革命性的发动机是 Dr. Papst von Oharn 创造出来的。在这种以涡轮喷气发动机推进的航空器的第一次 飞行中就达到了 600km/h 的飞行速度， 比那个时候的任何型号的螺旋桨推进的航 空器都要快的多。确实，简而言之这种发动机简单并且有独创性：一个压缩涡轮 吸取空气并把它在燃烧室中压缩，然后燃烧的燃料增加了热空气的热能，接着热 废气经过涡轮在热空气的作用下旋转，这就是模型涡轮喷气发动机的雏形。 第一个实验性的设计，目的是证明涡轮喷气机使用简单的构造方法就能工作，在 1989 年被完成并使用汽油靠自身产生的能量运行。涡轮被排放到外面的空气中由此产生推力.涡轮仅吸取足够使增压涡轮能够正常 工作的能量。所有的模型涡轮机，涡轮小模型，涡轮风扇和很多相似的使用在直 升机中的发动机本质上都是基于气体涡轮， 今天已经有很多混合类型的发动机被 开发出来。就连 Papst von Ohain 先生也几乎不会相信今天的发动机就是利用这 种简单的原理。 模型爱好者很渴望得到一个真正能与自己的模型飞行器完美结合的涡轮喷 气发动机， 这一点能从今天很多半像真模型飞机普遍是喷气机看得出来。但是很 多年了这个梦想似乎很难变成现实。其中面临的一个事实是：制作一个缩小的涡 轮喷气发动机决不能使用真的发动机一样的方法。 其中一个原因是的涡轮喷气发 动机在设计制造方法上是非常复杂的， 但在大多数情况下阻挡我们的物理规则是 重量问题。 没有任何人会企图完全按照真发动机制作一个比例缩小的活塞发动机 模型， 而全尺寸的涡轮喷气发动机更难于缩小到适合模型的尺寸上。如果你正在 进行一个小的活塞发动机的设计并且设计得约来越小，或者是做成多汽缸的，那 么它的输出能量会有规律的减小，而制作的复杂度却会不断增加，结果是这种类 型的发动机根本就不会被相信能运行起来。这个问题已经被公认，它们命中注定 只能呆陈列窗中。 一些模型涡轮喷气发动机已经按这种形式按全尺寸涡轮喷气发 动机被制造出来。 他们的唯一缺点是它们不能工作，这是大家都知道的高性能飞 行器的比例模型的飞行性能会随着比例的缩小而恶化。一个实验涡轮机末端的照片。轴承外露，并且靠环绕着的流有冷却油的管道，但 这个方案的效果并不满意。 涡轮移开后的扩散系统(左图) 盖子被打开的压缩机末端并且压缩轮被移开了， 这个机架有四个扩散出口而没有 扩散页片， 这个系统相当有效， 但是要作为模型的动力装置的话它就太大了。 （右 图）但是我们可以相当完美的制作飞行性能很好的滑翔机， 而小型的活塞式发动机也 是有很强大的能量。 却极少有微型的涡轮喷气发动机能够工作。使用简单的方法 和技术去观察物理现象并正确的利用它们这些都是可能的， 惟独以下一点还没实 现：缩小一个机器的比例并且还要他能够正常的工作。 至今仍然没有一套比较完整的论述涡轮喷气发动机的技术和理论的著作。 实 际上， 随着我在这个领域取得成功我越来越觉得有必要去写这样一本书，它的目 的是提供给你这样一本有意思的书， 使用里边的信息你能够在利用基础物理学和 技术经验去制作一台自己的涡轮喷气发动机。 在准备投入这项工作以前我已经估计到大部分模型爱好者即不是工程师也 不是物理学家， 因此，我认为要传授一定水平的能够被理解的物理和技术原理并 让他们能够据此制作出能够用在飞行器上的涡轮喷气发动机不是那么简单的， “FD 1”（左图）并不是答案，它有能力自动运行，但是运行温度非常高，因此 在“FD 2”中从新设计了一个具有更大的机架的压缩涡轮。 因此在我向读者介绍这种革命性的模型动力装备的制作指导和技术图纸之 前， 在第二章逐渐渗入一些不太难懂的数学计算。在第四章讲解了一些与模型涡 轮喷气发动机相关的基础原理，此书的目的是要具有一定的技术和科学根据，上图：被拆散的最初版本的“FD 2”,这里所示的燃烧室和轴承后来已经被重新 设计使其能够用在飞行器中。 左图： FD 2” “ 涡轮的尾部， 随着涡轮的转动我们能看到涡轮盘和扩散体的叶片。 使用了各种类型的涡轮叶片进行实验之后，结果最后的定型出奇的简单，但是它 能满足涡轮喷气发动机的各项要求虽然我并不要求在科学方面尽善尽美。 这个涡轮喷气发动机制作的描写是我的实 际开发工作的结果， 并且实际运行证明它是具有实用价值的发动机，并且制作所 须的工具是在大多数的业余爱好者的工作室中都能找到的。我已经尽量的简化， 但是作为一种高科技产品发动机必须具备一定的制造精度，请不要轻视这一点！ 你的工作室的加工条件必须能够满足以下几条要求： 1． 车床，至少能够加工直径 54 毫米，长 300 毫米的部件 2． 气焊机3． 4． 5． 6．耐高温和抗氧化的高硬度焊接材料精确的夹具，以能夹住能打出 0.5 毫米到 10 毫米孔径的钻孔器材 一些常用的工具，比如钻孔机，锉刀，剪刀，锤子，钳子和尺子 运行发动机的测量仪器，比如转速计，温度计，压力计，以及推力 测量平台 相对来说，材料的花费比工具少得多，选择材料时我总是在保证能用的前提 下选用最普通的材料。 配件列表是制作工作的一个很好的补充，在上边每一个配 件和它的材料都被清楚的列出来， 但是要成功的制作一个喷气式发动机的最重要 的因素是要有熟练的手工制作技能。如果你是一个热爱实践的模型爱好者，我建 议您在进行制作之前先仔细的阅读这本书。另一方面，如果你只满足于按本书的 指导作一个完全一样的发动机， 那你不必对本书所说的一些理论进行深入的了解。 如果你确认您是个老手了，那您最好深入研究那些理论！ 本书中的图片和文档介绍的涡轮喷气发动机模型是以第一款成功的实验发 动机“FD 3/64”为蓝版的，它已经经过无数飞行实验。我发现当我看到别的模 型爱好者也在进行同样类似的项目的制作时我就觉得很有成就感。 其中取得最大 成功的是 Reiner Binczyk。我们最被关注的时候是在 1991 年 8 月 24 日 Reiner Binczyk 的以模型涡轮喷气发动机为动力的飞行器成功飞行和我的“Rutonius” 在 Holstebro, Denmark 展示期间。 “FD 3/64”的定型产品。和最初的实验品相比其不同点是增压涡轮增添了碳纤维材料的加固，并且涡轮也更厚。其尾端的锥形喷管能大大优化静态推力。第二章 2．1 简单的涡轮机如何工作 涡轮喷气发动机的核心能被归于一类既是普通的吸气热力发动机， 这和往复 式的活塞发动机、 脉冲喷气发动机和冲压喷气发动机是一样的类型。这些发动机 能够把燃料燃烧产生的能量转换成能够方便使用的动能。 涡轮喷气发动机动能的 唯一来源是尾喷管喷出的高速气流。 推力的大小会随着尾喷管气流的喷射速度的 增加而增加。 这种能量的转化只有在工作媒介―空气的压力大于大气压力时才有 可能发生。 这些现象的精确物理理论解释涉及一些比较偏的动力学问题，这超出 了本书的范围。 当你读到下一部分时请参照涡轮喷气发动机的示意图，它能帮助 您理解涡轮喷气发动机的工作原理。 这种类型的发动机不能工作在没有压缩装置的情况下， 很明显的一个例子是 活塞发动机都具有活塞环或是一个能够自由活动但密封的活塞， 在活塞发动机的 工作过程中活塞在消耗能量和产生能量两种状态下不断循环，就这样，如果发动 机产生的能量比自身消耗的能量多的话它就能自动运行下去。同样，涡轮喷气发 动机也仅在涡轮克服轴间摩擦和空气阻力所消耗的能量小于它产生的能量时才 能自动运行。 在物理学里发动机在每个单位时间里完成的工作量就叫做发动机的 功率。 对于一个不断运行的机器，它的功率就等于我们能够利用的那部分输出功 率。一想到活塞发动机我们一般都知道它的能量都在旋转的轴上， 除非装上螺旋 桨否则它是不会产生推力的。 因此我不能简单的用涡轮喷气发动机的推力和活塞 发动机的轴向力相互比较， 这个问题需要进一步的阐述，这将在第三章中详细论 述。 现在让我们进一步了解涡轮喷气发动机的工作原理。 在涡轮喷气发动机中压 缩和轴向能量不断交互产生，既然工作媒介--空气的压缩和解压剧烈变化不能在 同一时刻发生， 因此涡轮喷气发动机有两个独立的工作过程，也就是压缩过程和 涡轮机运行过程。 每一个过程都分别由一个带有降页和扩散体的旋转固定装置来 完成―增压涡轮和涡轮机―它们成对装在一根轴上， 增压涡轮和涡轮机组成转子 组件。中空气流的热能燃烧室中被提高，燃烧室位于增压涡轮和涡轮机之间，其 并无很复杂的结构， 燃气轮机与燃料的类型完全无关。然而要在尽可能小的空间 里形成剧烈的燃烧， 这是一个有效的模型涡轮喷气发动机所要求的，光要达到这 一点就需要在实验阶段花费相当大的努力。 所有的燃气轮机都有一个危险的特性，而这一点必须被铭记在心：它们在燃 料的消耗上是贪得无厌的。共给的燃料越多，推力就会约大，温度和转速也会越 高，同时能量的转换效率也会随着转速增长。如果燃料的供应不加限制，那么涡 轮的速度将会增长到它的其中一个部件不再能承受巨大增长的离心力为止。 这个 过程即使在使用了控制传感器后还是会发生，结果是发动机变成碎片。幸好这个 问题被解决了， 我们将会在后边详细的讨论。预防发生这种情况的方法是避免发 动机不受控制的运行。 简单的燃气轮机和涡轮喷气发动机之间的区别是燃气轮机是涡轮喷气发动 机的雏形， 并且涡轮喷气发动机的尾部就有一个燃气轮机。在燃气轮机前边套一 个引流装置就成了一台涡轮喷气发动机。 严格意义上的涡轮喷气发动机就是把一 个喷管或喷气机装在涡轮前边， 以此来增强和优化喷气流所产生的推力。这并不 是作为模型飞机涡轮喷气动力系统的特别结构。 另一个问题是燃气轮机的启动。 正像活塞发动机一样不能依靠自己的能力从 零转速提升到工作速度， 启动它需要某种启动设备的帮助。请注意发动机有能力 在启动后进入不受控制的状态，如果，比如说有不受控制的燃油供应。因此如果 你想要启动你的发动机，你就必须先要仔细阅读操作指导。 为了能够使发动机点火， 必须需要一些附加的额外能量。 和活塞发动机相比， 燃烧在涡轮喷气发动机里是连续的，因此只要点火一次，这个是燃气轮机的最后 一个问题。 2．2．使用业余方法制作燃气轮机转子的正确方法 在技术方面燃气轮机转子是燃气轮机中最复杂的部分。 如果你能够制作转子， 那你将无庸质疑的能够战胜剩下的技术问题。 一个比较好的方法是从汽车用的一 大堆涡轮增压机里挑选部件， 然后设计省下的部分，这些转子是由增压涡轮和相 似形状的涡轮机组成的半开放空间。 这样做的涡轮喷其发动机将无庸质疑能够运 行， 但是不幸的是这些技术不是一个普通爱好者的工作室利用我介绍的装备和方法能够达到的。 主要问题是要精确的制作一个涡轮机的外壳，因为涡轮机的外壳 和带有放射形的叶片的增压涡轮以及涡轮机转子对于轴向上的精度都非常敏感。 制作完外壳然后再制作在轴向上配合的转子这时问题似乎会变得比下边的 工作更棘手。 第一步就是要忘掉以前你所看到的和听说的关于模型涡轮喷气发动机的情 况， 因为它们中没有一个是关于使用业余方法制作的。使用下面的方法依靠物理 理论和周密的考虑已经取得了成功，下面是靠辛苦的实践积累的经验： 1． 全尺寸涡轮喷气发动机的所有物理原则也同样适用于小型的发动 机。唯一难点是精确的计算和评估不可避免的各项损失―我们称 之为内在效率，但计算最大损失，也就是保持燃气轮机运行的最 低内在效率，这是比较现实的。 2． 如果我们做一个相似的比较， 比如模型螺旋桨和载人的航空器上 的螺旋桨推进器，我们会发现：全尺寸的螺旋桨的最高效率在 85-89%之间。我们自己用电动模型实验发现模型螺旋桨最高效率 大约在 75%。从这些数字比较中我们可以得出对于模型涡轮喷其 发动机至关重要的效率不会发生急剧的下降，尽管尺寸比例已经 有很大的减小。如果我们比较通过螺旋桨和涡轮增压轮的气流， 我们能发现有相似的地方。在两种情况下气流都是首先被加速然 后速度又放慢。因为增压涡轮的放射形的叶片（作为一个例子） 空气被加速并吸进快速转动的叶轮并在桨叶的外围达到约 200 米每秒的速度然后飞离涡轮增压机。当然必须有能量才能用这种方 法压缩这些空气。一部分压力的增加是依靠离心力，另一部分是 依靠增压机的扩散系统把气流的速度放慢。不幸的是我们必须接 受这个过程中造成的大约 20%的能量损失。另一部分损失由摩擦 力和经过桨叶缝隙进来的无效的空气。这个物理法则使我们不能 做出无损失的涡轮压缩机。 不过， 有一种特殊的放射状的压缩涡轮在这种高损失的过程中―也就是降低气流 流速的过程中―的影响并不很严重，并且经过缝隙的损失实际上可以被忽略掉。 这是一种带有反向曲线扩散桨叶和金属外壳的放射式叶轮。 这种叶轮被应用在工 业上的空气输送系统和可燃气供应设备中，而这就造成它有各种各样的尺寸。这 些桨叶的效率都超过了 80%。 一个比较熟悉的应用是在一种小型的真空吸尘器里。 但不要企图拆掉真空吸尘器的零件用来做成涡轮喷气发动机！ 一些读者解释我的 文章是好像就是这样，虽然我曾经提及第一个成功的涡轮喷气发动机、FD 2 和 真空吸尘器核心马达在某些方面很相似。现在我郑重声明，我没有在涡轮喷气发 动机中使用过真空吸尘器的任何部件！ 如果我能够缩小工业设备使用的桨叶尺寸到涡轮喷气发动机转子所需要的 尺寸，并且在功效上达到螺旋桨的水平，那么我们的“战役”也就可以告一个段 落了。 这可能吗？我能够靠实验回答这个问题：我制作了一个以高效电动马达为动力的模型压缩机。 喷嘴被装在压缩机的下方。在马达已知效率和能量消耗的点 上运行， 并且压力计装在喷嘴出口，这样就有可能公正而精确的测量出叶轮的效 率和它的特性曲线。结果很鼓舞人心，这些小的压缩轮的最高效率大概在 75% 左右， 也就是仅有 25%的能量损失。 这些计算方法已经在专业的书里被详细描述， 比如说 Boh1(1)，而且这些方法也能很好的应用在小型压缩轮上。使用这些方法 测量的全尺寸压缩机， 它的压缩轮的特性曲线是没有临界值的。这对于我们很有 帮助， 因为这意味着发动机的运行特性并不会随着荷载的变化而恶化，比如当发 动机在运行， 然后突然改变通过燃器轮机的气流。另一个结论是我们可以预见到 发动机能够稳定可靠的运行。 如果使用反向曲线的扩散桨叶那么扩散系统和压缩 轮之间的匹配也可以有很大的灵活性。 有一点很重要的情况我应该要提醒一下， 使用在这个实验中的电动马达仅能 够提供每分钟大概 20000 转的转速， 这大概是涡轮喷气发动机的待机状态的转速。 然而， 依照流体动力学的原理我们能够预期到流体的动能损失将会减小当转速和 空气流量增长时。 相似的升力系数也能在模型飞机已高速和低速运行时的条件下 观察到，并且雷诺系数也适用，当高速爬升时。在一般情况下，这种方法的摩擦 力可以完全只记空气的阻力而忽略其它的。 压缩轮的外壳也是我们的制作中至关重要的部分： 其允许公差要比用在涡轮 充电器中的半开放的压缩机要严格的多，紧密的配合是必须的。如果不这样，那 么缝隙间的损失将会严重的影响效率， 导致不能做出能够运行的模型涡轮喷气发 动机。 和放射式叶轮相比反向曲线扩散叶轮的唯一缺点是必须要直径大得多， 意思 就是反向曲线叶轮为了取得更高的压缩率和更高的气流转动速率就必须承受更 大的转动荷载。 我在开发工作中得出要应付模型涡轮发动机的巨大转动荷载就必 须用碳纤维加强， 制作指导中对这部分的制作有详细的说明。这个技巧的结果是 得出一个很轻的叶轮， 也很容易设计它的轴和轴承，这使平衡问题很好解决―对 于燃气轮机来说平滑转动是非常重要的。 剩下的一个问题的回答： 为什么不使用轴向的压缩机？对于一个真正的模型工程 师来说最好的回答是： 试一试就知道了！对于这一点我不想陷入复杂的数值计算 中， 但是我希望下面能给你一个大概的概念：在计算反向曲线扩散桨叶的时候我 使用了某些物理原理和数学方法。如果我把同样的规则应用于轴向压缩机，我们 会发现要达到相同的性能必须要有至少四个进程， 这意思是要构造四个压缩轮和 四个扩散体系统。 全尺寸的这种类型的压缩机要比放射结构形式的压缩机有更高 的效率， 但是我们不能期望在模型中有同样的改进因为我们的扩散桨叶的雷诺系 数很低。 有很多专业的小型燃气轮机和我们的涡轮喷气发动机很相似，但是它们 中没有一种是采用轴向的压缩机的。 我自己用一个小的轴向压缩机做实验也显示 其效率要明显的小于放射结构形式的压缩机。 轴向气流避开了一些壳体设计方面 的一些问题： 唯一基本要求是轮子必须严格的放置在壳体的中央，外围不能有阻 挡转动的东西。 轴向结构在这一点上是没有问题的。扩散系统和涡轮之间的距离对功效的影响在这种类型的涡轮机中是不明显的。 压缩空气的热能在燃烧室里被 增加， 涡轮机的用处之一就是吸取这些能量中的一部分， 并且把他传给压缩涡轮。 剩下的部分被全部作为废气以高速气流的形式排出。 实际上所有的燃气轮机对空 气的操作都是自动的。对于我们的模型的运行我们根本不必去干涉。 对于涡轮机两个主要问题是巨大的离心荷载和运行中的高温。 很明显动力会 随着转数的增加而增高， 而且升高的比率会比转速升高的比率高。但是在某些阶 段这些因素对涡轮的影响回加重到它不能再承受， 这也就是小型的燃气轮机都是 使用耐高温的合金使用精密铸造工艺做成的。 这些材料和制作工艺都不是业余爱 好 3 的工作室能够达到的， 使用电火花腐蚀加工材料的电脑数值控制机床也因同 样的原因被排除了。 然而，我们不必放弃因为我们可以使用技巧来克服以上问题。不要忘记我们 的目标是要制作能够运行的涡轮喷气发动机模型。为了有助于我们的方法，我们 将预先学习一些在第 4.1 章中讲到的计算方法：这并不是说涡轮桨叶运行温度将 会和商用产品一样。我们能成功的把桨叶温度控制在 600℃。精确的控制冷空气 的传送能够把涡轮盘和受作用力最高的桨跟处的温度控制在相当底的水平。 当然， 这时的温度仍然比木材， 铝或者类似的材料能承受的温度高。甚至连普通的低合 金钢在温度达到 400℃以上时，它们的强度就下降得不能再承受涡轮机高速旋转 产生的离心荷载。当我们计算离心荷载时我们主要考虑这个物体的最外围速度。 这是因为几何尺寸不同的物体如果它们的最外围的速度一样它们会受到一样的 离心荷载。 比较适合于涡轮的耐用的材料是镍铬合金钢，通常也叫做 V2A,V4A.更好的 材料是镍铬合金钢里加入一定量的钼元素。 这些材料被应用于各种场所―尤其是 锅炉和熔炉等地方。 你应该能轻易的得到一些这样的材料，而且零售合金材料的 商人在将来也会不断增加。 当你拿到这些材料时，你的涡轮喷气发动机的原料问 题也就基本解决。 现在让我们开始造型。我们上面提到的材料能够被标准的硬质工具切削，也 就是说，它们能够被钻孔、剪，挫，扭曲和压平，柔韧性方面也很好。它们也能 够被气焊和硬焊。 当你将进行一个复杂的项目之前，你必须知道你是否有成功的希望。但是有了我 们的实验你不必担心这个！ 你不必重复任何工作如果你想要的是制作一台涡轮喷 气发动机。 在这个阶段对于我们最重要的是：在没有做过完整的燃气轮机的情况 下要制作出一个耐用的涡轮， 这可能吗？带着这种想法我开始实验决定要找出涡 轮能够被多简单的工艺制作出来， 仍然能够保持比较高效率的在涡轮喷气发动机 中运行。 现在我用来实验的小型气轮压缩机已经被完成，并且进行了计算验证，但结果得 出的涡轮机的效率很不确定， 唯一的办法是用实验的方法来得出比较稳定的结果。 另一个普通流体理论的发现也很有帮助。 实际上在所有的燃气轮机中被压缩 的空气最后都要被解压，并因此而被加速，在扩散系统和涡轮的作用下。这种现象叫喷射流。如果喷嘴的形状很合理那么能量的损失会低于 3%，也就是 97%的 压缩燃气的能量能被转化成喷射流的动能。 但是不幸的是很少有比较专业的书籍 论述当雷诺系数很低的时候喷射流和涡轮叶片对效率影响的关系， 正如我们的系 统。当喷口和扩散系统与涡轮的轴线形成一个角度，而喷管也是弯曲的时，情况 就会恶化。 不幸的是这个角度是必须的为了能够使气流转向，因为没有这个偏转 涡轮将得不到推力。 没有外力使涡轮扭转也就没有动力可以驱动增压涡轮。另外 我们还要考虑叶片顶端与机壳之间的缝隙造成的不可避免的损失。 所有这些使我 们用现在的方法还不能制作出真正的低损失的系统。 因此， 回到实验中。 我使用了一个类似于马略可岛上的风车作为涡轮机的替代品 来做实验； 它有点像西方电影里的风力驱动的抽水机。这种轮子确实属于涡轮机 类， 因为它能够把风的流动能量变成机械能。但选择它主要的原因是得到它比做 一个比例模型要容易得多。我使用的材料是 0.5 毫米厚的不锈钢薄板。现在我最 早在实验中用的那个轮子还能够使用。这个涡轮被装在一个内径 65 毫米的管子 里，它与管壁的缝隙大概 0.5 毫米。扩散系统也是用不锈钢做的，它被装在涡轮 的前部。 扩散系统是一个简单的曲线管道环。这曲率被设计成能够最有效的扭曲 当涡轮旋转时经过的气流。 从一点观察，旋转的涡轮叶片似乎以扭转气流相同的 速度在旋转。 拱形的涡轮叶片能够使气流向旋转相反的方向扭转。结果涡轮扭矩 被产生了。 这种扭转运动与风车的机制是一样的它大大的增加了涡轮的扭矩。涡 轮叶片和扩散体的精确排列角度和精确拱形的合理配合是很关键的。例如，风车 能够在空气只发生轻微流动的情况下开始转动。不幸的是，精确的描述流动的气 流和扩散体与涡轮之间的关系只能靠一种特殊的数学计算方法得， 它要求的条件 是涡轮前的气流不能有旋转动作，也就是只在轴向上流动。结果使用流体动力数 学原理计算扩散体的方法因为涡轮被完全的否定了。 理论也可以预计扩散体和涡 轮对气流进行正向和反向数量相等的偏转之后的最小损失。 回到我们的实验装备：在管子的前部构建了一个高温气体燃烧室，使用一个 吸尘器的风扇来代替压缩涡轮去压缩空气。为了分担一部分加在涡轮上的荷载， 在涡轮室外边的涡轮轴上安装了一个小的螺旋桨。 螺旋桨的转速与动力之间的关 系是事先知道的，并使用电动马达来测出效率。螺旋桨的转速能被测量，这样我 就能把涡轮输出的轴动力数据与已知的电动马达系统作比较。 压力也是能够测量 出来的，温度和气流速度也一样，因此我能够确定涡轮机的输出功率。轴向动力 与涡轮获得的动力的比率形成了一个至关重要的数据―也就是涡轮机的效率。 实 验显示该数字大概 75%。通过加热燃烧室我们能够得出温度与效率之间的关系。 结果没发现可测量的差异。 测量结果让人惊讶使我怀疑它们的正确性。 下一步是制作涡轮转子的桨叶形 状和拱线这点与全尺寸燃气轮机的很接近。先不管制作涡轮的巨大难度，测量结 果并不比以前的实验结果好很多。 这个涡轮后来被用在最初完成的燃气轮机上并 且能够自动的运行。 正像料想的那样这些费了好大工夫才做出来的涡轮并不能高 速旋转的离心力，仅能够用在最初的基本实验里。总的来说，很清楚，制作模型发动机的很多折丧都是因为制作条件的限制。 正确塑造的涡轮必定有比较大的质 量， 结果这引发了一个严重的热传导问题，在小直径的涡轮喷气发动机中情况越 发严重。热量被传导到轴承和轴上，必须被冷切。比如，如果使用的是涡轮充电 器里厚重的放射式涡轮， 那么冷却系统只能靠一个复杂的润滑油冷却系统来解决。 当然汽车上使用的就是这种类型的润滑油冷却系统。 但模型涡轮发动机的只能用 定制的特殊系统。 正如图中所示，FD 3/64 中使用的涡轮和最初的实验品很相似。制作指导中 很详细的介绍了涡轮的制作方法。但是在你要直接跳过这一段时，你最好仔细的 阅读剩下的理论部分。除非你想发明自己的涡轮发动机而不用我的指导… 一些涡轮的几何问题，再我的实验品中已经确定下来。桨叶的长度大概是外 径的 1/6。缩短桨叶的长度不会影响效率，但是涡轮盘的直径增加而吸气量会减 少，推力也就会减小。如果桨叶长度增加，相对桨盘来说就显得巨大了，这样涡 轮可承受的离心荷载就会降低， 震动而发生碎裂的可能性就会增加。在这点上我 提出一个与涡轮强度关系很重要的问题，虽然我不曾用数学/物理的方法来测试 涡轮与轴的连接问题， 但是很明显涡轮不应该被钻孔，空心盘片能承受的离心荷 载只有实心的一半。 如果涡轮不得不在中心钻孔， 那么它的中心应该做得比较厚。 涡轮的分割问题，也就是桨叶的片数，在最后的实验中片数为十七。桨叶的 增加确实会减低效率， 同时也更难做。少而巨大的桨叶也很难保持它们的形状的 良好。最后的分析得出了一个新的涡轮。 桨叶的形状只为增加强度。 通常的全尺寸涡轮发动机的桨叶被设计成能够降低当 空气流的荷载发生变化时由于不可避免的装配误差造成的冲击损失。 根据物理法 则， 这种表面形状影响仅在雷诺系数较高时才发生。模型涡轮发动机的涡轮叶片 很小温度又很高， 这使得它的雷诺系数甚至比小型的自由飞模型飞机还要低。温 度对雷诺系数的影响如下：当温度从 500℃降低到室温的 1/6（20℃）。涡轮和 机壳之间的缝隙将会增加到桨叶长度的 5%，但并没有引起效率明显下跌. 意思 是说涡轮机壳中点的定位精度并不是很严，这减小了制造的难度。 涡轮转子的最后一部分是轴，它传送涡轮机的扭矩给增压涡轮。如果仅仅要 达到传输增压涡轮扭矩的作用，轴可以做得很细，因为这里的扭矩是相当低的， 甚至当转速很高的时候。 传输的功率与输出扭矩的大小和转速的高低成正比。与 活塞发动机相比， 没有弯矩作用在涡轮与轴的连接点上。 但是涡轮的轴必须很硬， 因为高速旋转时震动是非常危险的。 因此必须找到避免发生共振的涡轮转子制作 方法。如果忽略了这一点，轴会在转速大约为 60000 转每分钟的时候发生共振， 这会对转子发生破坏性的影响。 用精确平衡涡轮转子的方法避免共振是不可能的。 地心引力引起的弯矩很小， 但是不可避免， 并且会强烈的促进震动当共振发生时。使用特殊的热加工方法或 是高硬度钢材来增加轴的硬度来避免共振实际上很少被采用。 因为这样会造成发生共振时轴不是弯曲而是被振碎， 安全的办法是使转子发生共振的频率至少比转 子的最高转速高 20%。 计算共振频率的方法在十一章第一节里有介绍。 轴在使用中发生的共振的频 率，使用这种方法计算，我使用非常细的轴的作品“FD 2”的共振频率大概为 100000 转每分钟，但是它在大概 65000 转每分钟的时候损坏了。这根轴，直径 8 毫米，长 120 毫米，被弯曲了 2 毫米。后来计算显示主共振弯曲发生在预期的转 速上。 很明显，为了减小加在轴承上的荷载，转子和轴自己的不平衡度应该尽量的 小。比如，你的轴的偏心率为 0.01 毫米，那么当达到最大转速的时候轴承会受 到大概 10 牛顿的周期性的作用力。荷载的交互作用使整个涡轮喷气发动机发生 振动， 并会产生一种巨大的啸声，转子的不平衡是涡轮喷气发动机的主要噪声来 源。 截面相对比较大的轴对扩散从涡轮传导过来的热流很有帮助。 为了增大这种 效果的影响结果， 我成功的开发了中心是用铝合金制作的轴。 它比钢材的粗一些， 但是硬度相同，因此有更大的表面积来扩散过多的热量。顺便说一下，它的质量 比钢材的稍微轻一些，其他性质基本一样。自然，轴的末端必须用钢材制作以便 安装轴承和涡轮。 当你在沉思在比例模型中与模型涡轮喷气发动机相关的问题， 即轴承必须承 受高速的旋转运动时， 很容易失去信心。 然而， 高速轴承是我们广泛研究的领域， 很多场合的应用需要高速轴承，因此问题的解决方法就很明显了。 一种方法是使用有润滑油的滑动轴承， 就像使用在涡轮充电器里运行在非常 高的转速下的轴承。轴的表面悬浮在油层中，不相互直接接触。这个解决方案很 可行，并具有较底的磨损率，但是，这个系统需要有润滑油循环系统，一个油泵 和相对较多的油。 这些在汽车上能够看到。我的这个方向的实验使我得出这样一 个结构形式的轴承会在高转速和低扭矩的状态下消耗掉涡轮轴向能量的很大一 部分。运行过程当中的高温很自然会抬高油的温度，因此，如果油量太少油就会 蒸发掉并燃烧。 这种不安全因素对于要使用在航空模型飞行器动力系统中的模型 涡轮喷气发动机来说是不可容忍的。 一个更简单的解决办法是使用滚轴承和油雾润滑。既然转子的质量很小，因而轴 承受的作用力就低， 可以使用小而轻的轴承。这种轴承的厂商都说明它能在有油 雾润滑的情况下达到大约 90000 转每分钟的速度。 而模型涡轮发动机的最高转速 也仅是 75000 转每分钟。 油雾润滑系统是全自动的， 并且无磨损。油能够被增压涡轮和轴与轴承之间空隙 的压力差自动吸取。矿物油，被广泛的用在缝纫机，自行车和别的机械上，已经 证明是很好的润滑剂， 油的燃烧现象也极少。整体结构图显示了润滑系统是如何 工作的。 如果你要保持你的轴承工作在最好的状态下， 我建议你使用一种特殊的涡轮 专用油 560 号航空减速器涡轮用油。2．3 燃烧系统 2．3．1 燃料 最简单的加热涡轮前部的压缩空气的方法是在那里的气流中燃烧燃料。 对于 飞行模型来说最好的燃料是每燃烧一千克产生的热量最多的那种， 也就是说有较 高的燃烧比热的那种。包括汽油，柴油，热油，石油，煤油，以及丙烷和丁烷气 体。这些燃料的比热都大致相同，大约在 40000 到 45000 千焦每千克之间。不要 企图找到能量密度更高而且容易运输的燃料， 因为他们并不存在。 甲醇及乙醇 （甲 基类）的能量密度低得多，因而不适合使用。柴油很类似与煤油，有以上提及的 燃料当中能量密度最高的， 在加油站里也最常见。很明显它也是单位容积的能量 密度最高的。 这些使柴油成为我们的模型涡轮喷气发动机的最适合的燃料。据我 所知 FD 2 涡轮喷气发动机是第一个实用的使用柴油的动力装置。 燃料只有呈现气态并且与空气混合。 之后混合气体被点燃。 对于活塞发动机， 燃料与油的混合比率的正确性是至关重要的，并且气体要彻底混合。 燃料含量 太低或太高都不容易点燃而且燃烧微弱或根本就不燃。你可能认 为准备可燃混合气体的最好办法是使用丙烷和丁烷气体， 因为它们在常温常压下 是气态的。 丙烷实际上已经解决了很多模型发动机的燃料供应问题，而且是最初 基本型的涡轮机的燃料，10 年之前英国的一个小组开发的。然而对于模型的飞 行丙烷的优点被重量太大这个缺点给覆盖了：因为它需要一个压力容器，而且容 器的容量等于装相同质量的柴油的两倍，因为液态丙烷的密度仅 0.5 千克没升。 比较好的一点是， 使用丙烷的话油泵就成了多余的了因为油箱里高的压力，但这 一点也是它的缺点。对于所有液体，其蒸汽的压力与温度的关系非常大。为了保 证燃料供应的正确必设计一个无线电控制的调整系统。 这些技术上的不利条件使我决定， 从开始， 在我的涡轮喷气发动机使用柴油运行。 为柴油设计的燃气轮机通常也可使用液体丙烷，但是反过来就不行。另一方面， 丙烷非常有利于开发工作和静态测试。 考虑到汽油也是一种候选燃料，因为它比柴油更容易汽化。因为这个原因很 值得画一个两种燃料的特性对比曲线。 汽油/空气混合物在温度高于 600℃时才能 被点燃， 而柴油/空气混合物在 300℃左右就能点燃。 低的点火温度对于我们的涡 轮喷气发动机很有用， 因为它能够帮助维持燃烧室里的火焰稳定。因此燃烧室内 的空气流的调整变得简单多了。 但实际上我已经发现使用纯的柴油启动涡轮喷气 发动机稍微更难一些。 因此在柴油中加入了 10-15%的汽油。不幸的是这种混合柴油燃料成分并不 能均匀的混合。如果你拿不定主意，我建议你使用 JET A 或 JP4 煤油，这种燃料 的成分更均匀。 2．3．2 燃烧室和雾化器 在开始阶段，液态的燃料必须首先在燃烧室中汽化。虽然这个处理过程的原 理很简单，解决这个问题花掉了整个实验过程中相当多的闲散时间。这是原理：适量燃料必须在燃烧室燃烧以便加热涡轮机前部的压缩空气到 600℃左右。然而， 燃烧区的温度高得多―大约在 1700℃左右，因此只有一小部分空气被注入燃烧 区， 大部分冷空气用来冷却燃烧室壁，预热的空气接着在燃烧室和燃烧区非常热 的空气混合。结果得到中等温度的燃烧室排放废气，这正是我们想要的。这个处 理过程有和涡轮喷气发动机本身一样长的历史。不过，有几个困难要克服当我们 是在制作比例模型涡轮喷气发动机时： 1． 燃烧室内的火焰必须在整个速度范围内保持稳定，包括过渡阶 段，无论运行在地面还是在空中都要求一样。 2． 我们所期望的中等温度必须尽可能的平均分布在燃烧室出口的 截面上。在理想的状态下温度会平均的分布在出口和扩散体和涡 轮的浆根区域。实际上不规则的温度分布会在涡轮腔内或多或少 的产生一些“热点”。热点区域就是温度异常分布的地方，在发 动机里的表现就是温度特高或特低的部位。过热的部分特别是外 表面上的，能够在机壳上产生应力和变形。在最糟糕的情况下涡 轮就会穿透外壳。后来发现那是一个很难解决的问题，并需要花 大量的时间实验找出解决办法。 料的供应量应使燃料尽可能的燃烧完全。燃烧室被分割成主区 域也就是燃烧发生的地方和次区域，热空气与未燃烧的冷空气混 合的地方。这些区分是靠在燃烧室内的隔壁上的开的孔的尺寸和 位置决定的。很不幸，不能按照全尺寸发动机的燃烧室直接缩小3．来作为模型的燃烧室。为了产生具有能量的空气，需要更大的燃 烧事和更高的压力（是指空气的密度），更容易获得这个效果的 方法是正确的分割燃烧室。燃烧室的最好的可能形状是环形（指 环形），无论在技术角度还是空间利用效率来说都是最好的。实 际上这种形状的燃烧室被用在各种专业的小型燃气轮机上，。但 是这些燃烧室对于模型涡轮喷气发动机来说仍然太大了。世界上 第一个涡轮喷气机，Paps von Ohain 博士开发的，也是使用类似 的燃烧室。 随着燃烧室尺寸的增加，它周围的外壳等的重量也会越来越大，如果我们想 要获得一个比较好的推重比， 我们应该尽量保持涡轮喷气发动机的小型，我们的 方法就是以无数次实验来达到选出最小体积的燃烧室。 与燃烧室同样重要的是燃料系统的设计。这又得再一次提起 von Ohain 博士 和 Frank Whittle 先生的最初设计，它采用的是喷雾器的原理，形状是很基本的。 这种装置能把燃料分裂成雾状，这在全尺寸的涡轮喷气发动机里也被广泛使用， 但这个看来不太适合于在模型涡轮喷气发动机里使用。这种喷雾器需要 10 个大 气压的操作压力，因而可操作的小型喷雾器仍然需要重新设计。 喷雾系统只不过是一根插入燃烧室内部的热交换系统管道。 燃料被油泵推进 管道。 流动的热气流加热燃料， 雾状燃料在进入燃烧区之前要以气态的形式经过几步操作。喷雾器的理想直径只能由实验确定。如果在到达燃烧室以前，燃料没 有完全雾化，并且一部分以液态形式到达燃烧室，结果就会发生不规则的燃烧， 并且还会有剩余燃料从尾部喷出。如果喷雾器得到太多的热量，那么燃料可能在 喷雾管里分解，也就是说燃料里的碳元素被分解出来，结果是整个系统炭化。燃 料从喷雾器里喷出的速度应足够高， 以确保燃料和空气在到达燃烧室的主区域之 前完全混合。 要启动涡轮喷气发动机，喷雾器的温度必须要提高到一定水平。要达到这个 目的就是先以气体燃料代替柴油通入燃烧室。 丙烷或丙烷丁烷混合气体仅需几秒 钟就能预热喷雾器。 气体容器不是航空器的一部分。详细的操作流程在操作指导 里有详细介绍。 不锈钢已经被证实是燃烧室和喷雾器的良好构造材料。 这里的设计和制作方 法仅是很多种可供使用的方案中的一个。 然而对于实验时期大量的不成功实验我 并不详细描述， 我是希望实验能使模型爱好者不会去随便改变燃烧室的几何形状。 2．4 温度问题 正如很多的内部燃烧发动机一样， 要对不可避免的高温对个别部件的影响关 注。高温有两个影响：被加热时几乎所有的物体都会变得更大更长，而它们的强 度会因为温度的升高而急剧减小。 一个部件的热膨胀能被计算出来，如果你知道材料的热膨胀系数和升高的温度。 但几乎不可能精确计算每一个过程中的温度。 而使事情更困难的是温度改变时各 连接的部件的变化并不都一样， 因为热量是按照材料本身的性质在内部传导和扩 散的。在不好的情况下，这些影响可能回对各个部件之间产生强大的压力，结果 会发生永久性的破裂和扭曲。 虽然如此，我们还是能够得出某一个状态的近似计算结果。请参考关于设计 计算里的详细内容（第四章第二节）。在涡轮喷气发动机运转时你会发现你的计 算结果是很精确的。 发动机的设计应该遵循这样一个原则：不可避免的处在主要 温度起伏区的部件的膨胀不可忽视。在 FD 3/64 的制作描述中已经使用了这种办 法，这是理论和实践的结果。因为这个原因，不顾温度问题去更改设计和选材是 非常危险的。 为了帮助阐明这个情况我们将要讨论涡轮的旋转问题。这个轮子必 须能在无动力的状态下自由旋转。 如果涡轮叶片碰到外壳这就与活塞在汽缸中被 卡住的情况类似。 因为涡轮叶片的高外围圆周速度，它不可能完全使用润滑油滑 动运行， 就像活塞与汽缸。 唯一的解决办法就是让叶片离开机壳一定距离。 然而， 这样气体将不可避免的从缝隙中漏走，因此缝隙不能太宽，否则气体的损失将会 非常巨大以至于不能驱动涡轮。 当涡轮的温度升高到工作温度以后，膨胀就已完 全，缝隙会完全闭合。你可能计算时还考虑到机壳也同时发生膨胀。因此缺口可 以保持不变。这基本上是正确的，有一个点必须把握当发动机开始运行，或运行 速度发生变化， 内部温度就会发生变化，但是各部分并不会同时以相同的速率变 化。 涡轮叶片和扩散体叶片在两面都会受到热空气流的加热，同时外壳被包围在 周围的冷空气中因此不能和涡轮达到相同的温度甚至当温度稳定下来以后。 缝隙会因此不可避免的变窄， 如果开始启动时空隙太小，那么涡轮将会突然不可避免 的突然卡住。相反，如果你为了保持安全而采用太宽的缝隙，结果就会变得太热 和造成无效的发动机由于缝隙损失太大。 在某一阶段，整个发动机处于温度不断变化的过程中，这对于转动的发动机 部件很不利，这是现实中的情况。不可避免的会引起暂时的变形，这也会改变涡 轮在机壳里的中心位置， 就是说缝隙偏向某个方向。主要原因是燃烧室燃烧的不 均匀。 我只能够通过大量的实验来得出缝隙的最佳大小。 我现在能够比较肯定的确 定最佳的缝隙开始点大概是在涡轮直径 0.6%的地方。 比如 64 毫米直径的涡轮那 么缝隙的宽度就是 0.4 毫米。 与涡轮叶片一样，扩散体的叶片也会完全的改变长度，我们能用相似的办法 解决这个问题，就是在叶片和机壳之间留下一个缝隙。因为这部分不旋转，因此 缝隙能被缩小到涡轮直径的 0.2%。扩散体叶片会在过热时发生轻微的变形但不 影响涡轮的转动特性。 现在我们来考虑当温度升高时强度减小的问题，再一次以涡轮为例子。我们都会 毫不怀疑的认为这个与增压涡轮相临的部件，承受比地心引力高得多的离心力： 在这点上增压涡轮受温度的影响可以忽略， 因为它的温度仅 300℃， 压力也很低。 另一方面涡轮机叶片两面都收工作热气流的影响，假定两面温度相同，这个值将 会是 600℃，再现代的高性能燃气轮机中，叶片是在它的中心被冷却的，但这对 于我们并不可行， 我们不能使用我们的设备加工出这样的结构，即使我们知道怎 样做。 所有金属和合金的强度都会随温度的升高而降低。然而当我们确定我们的 涡轮喷气发动机在大概 600℃下工做，那么不必太失望，第四章将会详细论述这 个问题，我们能够预计当涡轮腔内的温度为 600℃时模型涡轮喷气发动机产生的 推力。普通的钢材和工具钢不能承受这个条件。镍铬合金钢，无论怎样都能承受 轮腔内的温度为 600℃的情况。这种钢材在这个温度下的强度是普通钢的 3 倍。 同时可能靠自然冷却降低涡轮盘的温度，这能对强度的稳定很有益。例如，当温 度从 600℃降低到 500℃材料的强度几乎能够倍增。 我们也要铭记，滚动轴承与轴之间的间隙也会因为温度的变化而变化，因为 它们的间距很小， 因此很小范围的温度变化都会使它们间的配合发生问题。轴承 缝隙与轴承绝对不能有温度变形当由于温度变化而在长度方向上发生变化时。 如 果滚珠轴承被安装在有巨大轴向应力的地方，那么它将不可避免的过热。轴承损 坏了， 那么发动机也就发生灾难性的故障。最简单的解决方法就是确保滚珠轴承 袖口能够在涡轮机末端自由滑行。 然而，滚珠轴承在抵挡高温方面也有本身的限制。钢珠和轴的表面是硬化的 钢，在温度达到大约 260℃的时候材料表面的强度就会降低。因为这个原因防止 热量传导到轴承上来，同时冷却轴的措施变得至关重要。这些法则的应用在 FD 3/64 被一个简化的涡轮喷气发动机的剖面图清楚的显示。我们能够预测到发动机内最大的尺寸变化发生在燃烧室的长度方向和机壳 之间。这种变化的总计大概有 1 毫米。实际上这种现象并不明显，如果燃烧室并 不是一种不可发生温度变形的形状的话。 固定燃烧室的部件必须被设计成一种类 似弹簧的结构， 而且要十分具有柔韧性。在全尺寸发动机里燃烧室被分成很多能 够互相滑动的小段，但是这样的结构对于我们的应用不必要。 2．5 冷却 穿过压缩机的冷空气被我们利用来冷却发动机。 无庸质疑燃烧室部件是最需 要冷却的部件。大约有 3/4 的冷空气会在与燃烧区的非常热的空气混合之前围绕 燃烧室运动。 这使空气的温度均匀的升高到正常的运行温度，并直到它们与热空 气混合―这不会影响发动机的运行,如果没有空气的损失并且空气的流动不受强 烈的阻挡那么这会是事实。 燃烧室的冷却对于转子的效率并没有重大的影响。我 们不得不接受由于空气流反抗阻力进入燃烧室造成的大约 5%损失。轴也必须被 冷却，这一点已经被讨论过了，这大约需要 3%到 5%的气流量。气流同时携带 油雾通过轴。当空气流进燃烧室时会损失一部分压力，冷却轴也会损失一部分， 这是压缩机的工作效率为什么会比单独安装在测试车上时的低， 传送冷空气的管 道的正确尺寸只能由实验来确定。但有一点是确定的，那就是冷却系统能很完美 的工作。 一个很普遍的问题是： 涡轮喷气发动机的表面温度能变得多热？发动机最热 的部分是扩散系统的叶片部分， 涡轮机， 和喷管口， 外部温度大概 450℃到 500℃。 不必外加冷却系统来提高发动机的效率。如果你想冷却这个发动机，你可以把它 放进冷却套中， 这样能达到满意的效果而且也不会招致推力的损失。原理已经清 楚的在图表中显示。 机壳其他部分的温度大概 100℃。你甚至能够在发动机运行的时候触摸机壳 的前部，而没有烧伤自己的危险。第三章 喷气发动机和模型 3．1 涡轮喷气发动机的推力与螺旋桨推力的本质区别 至今我仍然没有机会建立一个一个实验基金来进行涡轮喷气发动机原理的 研究。 那样我们可能会做得好得多比盲目的做简单的实验。一些很小的应用在新 型飞行器动力装置上的物理应用也可以对它的能性和限制很可靠的进行被评估。 对于一架固定的模型来说使用涡轮喷气发动机为动力的比使用螺旋桨推进器为 动力的进行不同飞行状态下的推进效率计算时容易得多， 这是因为涡轮喷气发动 机的推力，在测试的时候，可以被看作是恒定的即使它正以很高的空速运行。与 之相比， 螺旋桨或推进叶轮的推力与空速的关系非常复杂。因此比较这些完全不 同的动力装置的时候都是以静态推力为基准的， 并且使用特性曲线来对比那个是 更好的动力系统。对比两台活塞发动机也是采用相同的逻辑。推进器把活塞发动机的轴向能量转化成推力，对于这个过程的规则：推力乘 以速度的值总是比不上电动机的瞬间功率。速度被时间分割成距离相等的段，推 力作用在运动的方向上。推力乘以时间就是功，而功除以时间就是功率。这能被 综合成：推力乘以速度就是飞行的功率。既然有不可避免的推进损失，飞行功率 肯定比发动机的输出功率小。结论，推力就等于飞行的功率除以速度。 使用一个活塞或电动马达是可能产生不同的推力的， 只要你使用不同的螺旋 桨和不同比速的减速齿轮箱。 要注意马达的输出功率可以不发生改变。不管结果 是否是一个实用的航空模型动力装置，也就是说，它的空速很明显的依赖于推进 装置和马达的特性。 计算出推力速度关系图，即基于推进装置的动力系统的功率 曲线图， 在这个图上添加马达的动力特性曲线也很必须。当然我们不必都使用普 通的模型飞行来达到以上目标，靠本能用耳朵、眼睛观察发动机、模型和螺旋桨 的声音的办法也很好而且是可能的， 只要你的模型速度不是比厂商建议的速度超 出很多。 当然， 涡轮喷七发动机并不是永动机―他不能不靠任何能能量就能产生能量。 虽然那样， 恒定推力的产生机制是很清楚的。主要的能量―是燃料释放的巨大热 能。对于 FD 3/64 涡轮发动机来说在满载时大概是 80 千瓦。随着发动机的速度 在提高，能量的转化率，也就是发动机的效率也不断升高。这是与全尺寸涡轮喷 气发动机一样的特性。 图显示了一台基于螺旋桨动力的模型和基于 FD 3/64 涡轮 喷气发动机典型的推力/速度和功率/速度曲线图。活塞发动机被假设工作容积为 10cc 功率在转速为 12000 转每分钟时为 1000 瓦。螺旋桨直径 28 厘米，螺距 18 厘米，并且能和发动机完美搭配。发动机的最大效率为 75%，在转速为最大转速 的 0.7 倍的时候达到。下边的公式能够近似的计算出发动机的静态推力： Fst=0.6*?√(D?*3.14*(ρ /2)*P?) Fst=静态推力单位牛顿 D=螺旋桨直径单位米 P=轴功率单位瓦特 ρ =空气密度=1.2 千克每立方米 结果是竟台静态推力为 33 牛顿 图能够清晰的显示螺旋桨在比较低的速度下能够提供比较高的飞行性能。涡轮喷气发动机与螺旋浆相比 图线显示推力和飞行功率与空速之间的关系 螺旋桨 20/20 厘米，10 毫升容积发动机 FD 3/64 涡轮喷气发动机在速度达到 40 米每秒的时候，涡轮喷气发动机有更高的性能表象。换用不同的 螺旋桨， 图线会发生移动， 也就是说虽然静态推力在减小但是你能够在更高的速 度下获得更高的功率。 但是曲线形状是一样的。在两重发动机中有另外一些明显 区别，但很难解释。俯冲时螺旋桨的旋转速度由发动机决定。在这点上螺旋桨动 力系统变成了一个刹车系统， 如果我们假设发动机还能提供剩余功率。在实践中就是螺旋桨飞机的俯冲速度有一个限制。与其对比，刹车效应在涡轮喷气发动机 里是不会发生的。 甚至当在涡轮喷气中安装停机设备时也一样，在俯冲时发动机 仍然能够提供推力。这已经表明―那个最后会是你的模型的动力装置。 最后是活塞发动机的扭矩。扭矩动力在涡轮喷气发动机中不存在。同样函道 推进系统也是和螺旋桨一样用旋转的叶片稳定的吸入气流然后加速排出产生推 力，它也要使用扭矩。 3．2 在典型的模型飞行器飞行阶段的动力影响 对于任何类型的动力装置基本问题是一样的： 什么是发动机在各种飞行状态 要克服的阻力？比如， 什么是起飞时旋转须克服的阻力？空气阻力如何随速度的 提高而变化？当翻滚和圆周飞行时拉力变化范围如何？如果你正在考虑发动机， 那么答案是：在每种情况下发动机产生的推力是多少？ 3．2．1 地面起飞 这里我们需要知道模型所受的阻力。着与很多因素直接相关，模型重量，起 飞地带的特性， 当然包括起落架的质量。很明显草地起飞比硬质地面起飞的阻力 大。 我们自己实测表明中等大小的模型在草地上起飞受到的阻力大约是模型重的 20%。而硬质路面上这个数字仅 5%。如果你假设您的模型起飞重量是 4 千克， 那么阻力是： 0. 2*4*9.81=8N 如果涡轮喷气发动机的推力是 20N 那么剩下 12N 来提升模型的滑跑速度。 如果模型在地面的机翼攻角为零度，那么空气阻力就可以被忽略直到起飞，12N 的推力加速度是 12/4 米每秒平方 b=3m/s? 但是什么是起飞速度 v?要计算这个我们需要知道翼的面积和翼的最大升力 系数。升力、速度和翼的面积之间的关系能用以下方法计算： Fa=ca*A*(ρ /2)*v? 如果我们假设一个高速机翼，那么 0.6 的升力系数是比较保守的。我们假设 我们的模型的机翼面积是 0.5 平方米，空气密度是 1.2 千克每立方米。这因素使 机翼的荷载大概为 80 牛顿每平米。Fa 相应的就是空气动力学里模型的升力 =9.81*4.计算公式如下： V=√((2*Fa)/(ca*A*ρ ))=√(2*9.81*4)/(0.6*0.5*1.2)=14.8m/s 起飞耗费的时间是： t=v/b=14.8/3=5s 最后要计算的是滑跑距离 S。如果你假设加速度是常量，那么可以使用以下 的公式： S=b/2*t? 利用公式计算得地面滑跑距离为 S=37.5m. 大部分的模型飞行场地的跑道比这长的多。一般说安全的推力大小为：推重 比达到 0.5 就可以达到从草地起飞，假设这样的推力大小并不过分。如果你是在设计一架涡轮喷气发动机的飞行器， 那么能很容易达到以上的限 制。 半像真的军用喷气飞机似乎会有更多的问题， 特别是当你选择较为流行的 “玻 璃钢” 为模型表面的覆盖物时。 三角翼飞行器通常由于质量和翼面积比很小因而 没有滑跑距离的问题。 我将会讨论一些特殊数字的含义在描述模型时。 3．2．2 攀升性能和最大速度 最大速度 vmax 就是当模型的牵引力 Wges 等于发动机的推力时的速度。计 算它要假设模型不是在很高的高度上进行俯冲飞行。Wges 能用以下方法计算： Wges=v?*(ρ /2)*(Cwfl*A+Cwr*Ar+Cwf*Af+Cwifl*Afl) Cw 指翼、机尾、机身和起落架的阻力。A 表示表面积。机身起落架垂面面积 是这个方案的垂面面积，模型的尺寸数据我们总结在下表中： 模型部件 Fl*Am2 拉力系数 Cw A*Cw*(ρ /2) m? 翼 0.5 0.006 0.0018 机身 0.011 0.1 0.0006 起落架 0.004 0.6 0.00144 Cwi 能被忽略，如果飞行器是在高速飞行的时候。 如果要进行精确的计算必须把雷诺系数的影响包含进去。 在剧烈流动的空气 流中的金属平板周围的雷诺系数按以下速率减小： 5√(Re1/Re2)*a*b（5 意思是指开 5 次方） 如果速度加倍，系数就变成原来的 0.87 倍。然而，这样的影响只是近似的， 仅能在主翼和尾翼上使用。 既然我们只要求近似计算，这样我们就可以安全的忽 略这点。如果我们把这些数字放在一起并假设发动机的推力是 20 牛顿，那么公 式就如下： Vmax=√20/0.m/s 因此我们的模型最大速度水平是 Vmax=71.6m/s 或 258 公里/小时。 如果你打 算飞行它那么你要有很大的勇气和广阔的场所， 甚至当发动机推力变成原来的一 半，它的速度仍然达到原来的 1/√2 大约 180 公里/小时。 下一个要计算的是爬升率，它是一个常量 vb.我们可以看到飞机以一定角度 爬升的过程，这个角度称为。在这种状态下，阻力 G*sin作用在与拉力 W 相反 的方向上。速度保持在 F=W+G*sin,即处于一个平衡状态，爬升率可以用下面的 公式计算： Vsteig=Vb*sin Sin=(F-W)/G 在这 G=mg 也能用下面的公式表示： Vsteig=Vb*(F-W)/G=Vb*(F-W)/(m*g)我们可以使用前边的表中的数据计算拉力。 这个情况下我们可以忽略速度对 拉力的影响，公式仅在速度比起飞速度大得多的时候成立。模型的运行参数与速度的关系众所周知拉力与模型的速度的平方成正比。因为近似计算也很复杂，因此我引用 图表来说明。这个图表显示的是我的“Rutonius”的数据，描绘了模型的潜在最 大速度， 最小滑跑距离， 和相对于推力的最优爬升速度。 20 牛顿推力的时候， 在 模型可以在空速为 40 米/秒以 13 米/秒的爬升速度爬升。一个容易概括这些方法 的结果是： 涡轮喷气发动机能从草地起飞并能够在空中表现顶级性能。推力重量 比在 0.5 时已经能得到满意的结果，甚至在半像真模型中。 3．2．3 一种典型的操作：圆周运动 模型能以多大的半径做圆周飞行？很容易估计这需要的最大动力条件。 图能 帮助我们明白事实。 如果我们想到动能平衡原理那么我们能很快得出解释。 模型以一定的速度进 行圆周飞行，速度接近 Vu 因此储存的动能 Ekin=m/2*Vu?。M 是模型的质量单 位为千克。当到达圆周运动的顶部时，高度差为 2r，这需要模型提供的动能为 Epot=m*g*2r，而不管模型沿那条路线飞行到达这点的。我们还能用模型的拉力 在飞行中从 Fu 变化到 Fo 计算出动力损失。既然模型爬升时速度的降低能被预 测到， 那么拉力也会随速度下降。在进行特技飞行时的动能平衡计算时需要进行 大量的精确计算， 既然我们只要得到近似的结果，那么我们可以简化问题以忽略 拉力在速度变化时会发生变化，以恒定值代之，在整个特技飞行阶段。使用这种 简单的方法， 我们能够的比实践好得多的结果。发动机的推力作用在正好相反的 方向上。我们可以把推力看成恒定的。向前的有效拉力是 Ft-Fl，动能平衡公式 为 Ex=r*(Ft-Fl)。在最坏的情况下模型在圆周顶部的动能 Ekino=Ekinu+r*π *(Ft-Fl)-2*r*m*g。 如果我们得出的为负数那么表示不能到达顶部，如果为正数，那么用以下公 式计算速度 Vo： Vo=√2*Ekino/m 到此为止，剩下的就是拉力的计算。在圆周运动的开始点，也就是飞行员推 杆时， 在这点上模型承受外加的自身质量造成的力的作用，方向为垂直与速度的 方向。这是由加速度产生的： bkreis=v?/r 这时机翼必须产生升力 Fa=m*(g+b)。因此我们必须知道升力系数 ca： ca=(2*Fa)/(A*Vu*ρ ) 一旦知道升力系数，我们就可以计算出阻力诱导系数： cwi=Ca?/π *λ π =圆周率 λ =翼的纵横比 外加的诱导阻力可以用下面的公式计算：Wi=Va?*A*Cwi*(ρ /2) 当然，大多数的螺旋桨模型机身外形的阻力也会随 ca 增高，如果你看一下 外形数据你能从特性曲线上发现这个数据。 为了阐明这个问题我们将从给定的条件计算这些数据。模型的质量保持 4 千 克不变，具有地面起飞的能力，适合使用 20 牛顿推力的发动机。我们假设速度 Vu=50 米/秒在圆周运动的开始阶段。在以前的章节中提起的轴，是比较合理的 外形。 我们把圆周半径定在 r=40 米。 翼形为 NANC009， 也就是典型的高速翼形。 为了使这个问题清楚，我将再一次概述假设的数据，并完成计算： m=4kg Ft=20N A=0.5M? Vu=50m/s r=40m λ =5 bk=50?/40(m/s?) Fa=4*(9.81+62.5)*(kgm/s?)=289N Ca=(2*289)/(0.5*)=0.385 Cwi=0.385?/(3.14*5)=0.00945 Wi=50?*0.5*0.N=7.1N 基于者升力系数 Ca，翼形的阻力系数近似的从 0.006 变化到 0.01。现在机翼的 阻力是： Wi==0.001**0.6N=7.5 另外的机身和起落架的阻力也必须计算在内，为了确定最大速度。我们假设这些 特性都是不变的，因而在速度为 50 米/秒的时候它们产生的阻力是 5.3 牛顿。总 阻力是 5.3+7.5+7.1=19.9 牛顿，也就是说实际上大概就等于发动机的推力。结果 模型飞行到顶点的全部的能量平衡就是： Ekinu=5000Nm 2r*m*g=-3139Nm wu*r=13Nm Ekino=1874Nm 从这我们能够看出模型最后的速度 Vo 是 30.6 米/秒 最后顶部的外围近似速度为：23.4m/s? 在这点上，地球的引力作用在相反的方向上，并指向圆周的中心。然而，重 力加速度仅 9.81m/m?,相当的小。意思就是说仍然需要一点舵面偏转来抵消圆周 运动的离心力，即使是在顶部，带推力装置的模型的近似计算显示：推重比仅为 0.5 仍然能很好的进行这项特技飞行，然而进入时必须要有相当高的初速度。 正像我们计算显示的那样， 我们不能忽略总阻力的增长归功于诱导阻力在向心力 的作用下不断的升高。 现在让我们用三角翼飞行器比较来看看效果。如果我们假设三角翼具有和机翼一样的面积， 诱导阻力的增长将大概五倍与一般的情况就是 我们刚才讨论的模型。也就是说三角翼在快速的翻滚飞行中会严重的损失速度。 类似的现象在基于现代军事喷气机的模型中也能被观察到。因此，如果你想用这 类模型进行惊心动魄的特技飞行你就得使用动力非常充足的发动机。 进行同样的 特技飞行你的需要是：推重比为一，也就是 40 牛顿推力。在飞行速度为 50 米/ 秒的时候相当于飞行功率为 2000 瓦。如果你是使用活塞发动机函道推进系统， 那么你必须考虑动力装置是否能装载在模型上。 如果我们估计系统的效率大概为 60%那么我们需要的发动机的轴动力大概为 =3333w 或 4.5 马力。 请注意 我们甚至还没考虑到对于函道风扇来说必须有的空气入口额外阻力。 与涡轮喷气 发动机相比，要取得很好的效果的话入口的直径仅需 60 毫米。 3．3 飞行 模型涡轮喷气发动机的经验。 3．3．1 涡轮喷气发动机的时代 我已经有五年的涡轮发动机动力模型的飞行经验，使用了总共五种类型的 FD 系列的发动机，在开发的高级阶段。 本质的模型数据总结在下表中。 这个表格仅反映了我自己的实际经验。很多以 FD 发动机为动力的模型飞行 器已成功飞行，它们的飞行数据都是不同的，必须自己填写下表。 模型 质量 翼展 翼面积 首飞日期 发动机 推力 转速 Elkete 3.1 1.5 0.4 0.5 0.55 89-9-10 90-5-21 90-1―20 FD2 FD2s FD3 10 17 18
72000Mirage 1.11 (Delta) Scnurf(Delta)3.3 1.15Rutonius 3.8 1.77 0.48 91-8-2 F100 6.2 1.47 0.6 92-11 Elkete 纯粹的功能模型，而且大概是第一台液体燃料（柴油）涡轮喷气发动机。虽 然它的推力：推重比仅为 0.32，但是它能轻易的从停机坪起飞。 后来我改进了发动机，这个模型也能从草地起飞了。我能够靠观察起飞的录 象片段来确定计算起飞滑跑距离（3.2.1）。模型的速度并不特别快，因为发动机 的巨大尺寸和高的安装位置。 使我惊讶的是，模型在各种不同推力下没有出现倾 斜， 虽然发动机的轴线高于模型重心线很多。当节流阀打开时似乎二次冷空气流 打在机尾上而形成一个轻微的上仰角，类似于升降舵的影响。在转动片刻后就会 出现自动补偿。Reiner Binczyk 的第一个实验模型也有类似的结果。 Mirage 2000 这是修改的半像真模型。它的推力：推重比大概为 0.5 而机翼的荷载稍微超 过 80 克每平方， 它的滑跑距离大概为 40 米，它的爬升率和最高速度非常令人满FD3/62 13 FD3/64 18 FD3/64s 20 FD3/64s 22意， 在推力中断后它仍然能够快速飞行。它很小的比例使函道飞机飞行员感到非 常惊讶。 Turbo-Schnurf 这也是三角翼，但它的起飞质量很小而且有更薄的机翼截面比起以前的。甚 至能在推力仅 13 牛顿时就能可靠的从地面滑跑起飞。一旦起飞，13 牛顿的推力 就可以被大幅度的减小， 而看不出模型出现动力不足。当模型被安装跟大功率的 FD 3/64 发动机时，18 牛顿的最大推力仅在起飞，加速爬升和翻滚飞行时使用。 当节流阀完全打开时被认为是全场飞得最快的模型。 Rutonius Rutonius 的机翼几何形状是很通用的类型，有一个薄 15%的侧面。Rutonius 的尾翼在后来被修改了，修改的地方是刚才提及的尾翼的不合理排列。空气进口并没有很绝对的要求。推力很有利：推重比高于 0.5 模型的飞行性能相当出色。厚的机翼截面使飞 行速度极快并能很有效把速度转化为高度。它是真正的特技飞行模型。在降落的 时候没有出现螺旋桨发动“Rutonius”,一台功能“FD 3/64”喷气发动机动力模型，它的进器口穿过机身。 起落架是可收放的。小的支撑轮被放在尾翼末端。这样的起落架设计表现非常的 出色，但是尾部的安排，对比之下，不很好。机的刹车效应。所以必须像高性能滑翔机一样关掉发动机才能降落。 这个模型的位置高的 T 形尾翼的表现和 Elkete 相反。 当发动机从待机状态提 高到节流阀完全打开时，发动机的噪声减小。当节流阀关闭时，噪声稍微增大。 模型的倾斜角发生变化的现象是由于不规则的二次气流对尾翼的影响。 在原始的 Rutonius 中， 尾翼使用一种看起来像 V 字形的尾翼。 使用这种配置这个模型几乎 无法控制。 Rutonius 的起落架使用一个寻常的设计。它由一个可操作收放的处于机身中 部，距离重心大概 10 厘米的前方。两个小轮在尾部提供了非常好的起降性能。 起落架使飞机有 5B的拱角。 在安全方面， 热的废气被穿过机身的金属片偏转向尾翼的下方， 当发动机启动时。 启动气流被从主进气口壁的侧面开口吹进，这时一个气阀会自动打开。一旦发动 机达到最低运行速度，这个进气口就不再需要。这种结构提供了极好的性能，尤 其是从草地起飞时。 F 100 超级马刀观众和模型飞行员都认为这台机器是“喷气飞行器”的原型，这架全尺寸的 机器在 1953 年首飞，并是第一个在水平速度上突破音障的飞行器。 在世界上很多地方的厂商为此模型设计函道风扇动力系统套件。 像很多类似 的模型一样， 它的机翼有一个很大角度的后掠，这个特性对于模型的空速来说很 不利。原因如下：与传统的运动机的设计相比，大的后掠角就需要机翼有较大的 拱角以便在相同的空速下产生一样的升力与翼面荷载。 一般用来衡量升力的是升 力系数 ca，比如，ca=0.8 就要求如果运动模型要起飞就要有 6-8 度的上拱角。如 果你使用一个具有相同 ca 但是后掠角较大的机翼，那么上拱角的度数就要两倍 于运动机，就是 12° 16° 到 ，但是那样大的上拱角能够产生巨大的阻力，再加上 机翼和机身的阻力。 结果可能是， 甚至当模型已经起飞， 脱离了地面阻力的影响， 但是仍然会产生急剧增加的阻力。这会突然的刹住模型，使模型重新落回地面。 你能够避免这个问题靠尽量的增加地面时的加速度这样就不会被突然拉回地面， 因为它的速度已经很高了当你要求它爬升时， 而它能安全的在较小的 ca 下爬升。 还有一个特性就是这种类型的模型的地面滑跑距离比一般的模型长得多。 这个基本原理适用于任何类型动力系统。既然着陆场地的面积有限，因此你 要在开始飞行喷气模型时就要清楚这些不可避免的事实。 要减少这个问题的影响最重的是要保持机翼的荷载不超过一定范围， 以便保 证地面的滑跑距离尽可能的短。 这要靠精心设计的起落架，坚固的轮轴和尽可能 大直径的轮子。当然，推力：推重比必须足够高。实践中你可能会发现最大推力 可能要用在起飞的时候，但是在离地后的飞行中几乎不会用到那个水平的推力。 要制作一架与 F100 一模一样的模型就是一场模型喷气发动机的战役，也就 是说要找一台合适的涡轮喷气发动机，更长远的挑战是设计和飞行：涡轮喷气发 动机必须被完整的装进机身。 我制作 F100 是基于 Kudelka 公司生产的一套套件。机身是环氧树脂―玻璃 钢浇注的， 机翼和尾翼是用热缩膜和泡沫核芯。水平尾翼和小的机翼部件都是可 拆卸的， 能够很容易的移动。 控制系统包括副翼， 由装在机翼上的两台舵机操作， 一个全动水平尾翼，一个可控机轮，发动机风门调节系统。起落架是空气减振的 可收放起落架。 下边的表显示了动力系统的部件的质量： 发动机 800 克 油泵 油泵电池 推力导管 电子控制单元 润滑油箱（不包含油） 管道和阀 燃料油箱 燃料（1 升柴油） 110 克 120 克 110 克 40 克 30 克 30 克 120 克 340 克总计2210 克你可能比较喜欢画自己的动力系统表格，并比较重量。 模型的起飞重量是 6.2 千克，包括燃料。机身和无线电控制系统占用了几乎 4 千 克的重量。为了优化起飞特性我们必须节省重量，不减小模型的尺寸。把模型做 得更小将会真正的做到节省重量，但这会增加翼面荷载。这样将会获得很高的起 飞速度，因此空间问题将不必解决。这台 F100 模型的飞行特性如下：静态推力 20 牛顿。在沥青跑道上，当风速为零的时候，滑跑距离为 50 米。在空中，模型 看起来非常像真，推力充足，足以进行缓慢的翻滚动作，例如，当有 25 牛顿推 力时最佳的草地滑跑距离大概是 80 米。在 30 牛顿推力下，起飞距离问题就可能 没有了。 如果模型在广阔的曲线上飞行， 它就能够很轻松的完成巨大的翻滚动作， 快速和缓慢的翻滚以及惊心动魄的爬升。 现在让我们看看模型的内部：燃料箱必备，当然安在模型重力中心。发动机 安装在油箱之后，两者之间大概有 5―6 厘米的间隔。巨大的机身截面提供了特 别充足的空气供应。发动机排放的空气通过一个 43 厘米长的管道，它的进气口 与发动机的喷气口大概有 10 毫米的间隙， 圆形的。 它的进气口直径大约 80 毫米， 喷口 75 毫米。推力管道使用 0。1 毫米厚的不锈钢薄片制作。接缝即能铆固也能 点焊。 空气被从发动机的喷口和推力管道的入口处吸进，然后在推力管道里与很 热的废气混合。结果推力管道壁的温度大概 350℃。推力管道喷口中心的温度为 380℃。 仔细的调整发动机喷口与推力管道之间的距离能够增加推力约 1-2 牛顿。 推力管道和机身末尾之间的过渡区是由镍铬合金薄片制成。 喷口的直径大概比推 力喷管喷口的直径大 5 毫米。 推力管道插进喷口大概 3 毫米深度。使用这种设置 方法， 没有观察到推力损失， 而且有额外的冷空气被吸进喷口和推力管道之间的 区域。 机身的后部被薄的防热层保护，带有胶水的铝箔被用在这个功能上，这相当 有效。保护的范围从发动机的前端到机身尾翼的末端。 当飞行器保持不动或以中等速度飞行时，在机身中会形成一个轻微的真空， 这样显然}