莱特R-3350----高性能航空活塞发动机的终章
从开始的时间上看不出来，但是莱特坚持到了最后。
R-3350是莱特旋风系列最后也是最大的一种量产型，这算是同期美国最麻烦缠身的发动机项目了，军刀在制造麻烦方面可以与其相比，不过就时间跨度来讲，R-3350还要恶劣一些。因为R-3350是当时可用的尺寸最大的量产型号，它很快就和陆航最重要的项目联系在了一起，即1938到39年开始的超远程轰炸机计划。5个公司给出了5种方案，XB-29/30/31/32/33，最后其中两种投产。有其他几种可供选择的发动机型号，R-2600、R-2800、R-2160和V-3420，不过在招标的时候，R-3350是最合适的一种，所有公司都以R-3350为主要方案。
----V-3420可能才是最好的选择。这东西先装上了XB-19进行测试。而且很奇妙的是，在各种并联发动机里面，就V-3420运行的比较稳定，而且功率也比当时的R-3350大。1944年12月9日，改装V-3420的XB-39进行了试飞，该机表现得不错，但是因为缺乏适配的废气涡轮，计划时间已经拖延的太晚了。在1944年底，R-2800的C系发动机，加上ADI系统，可以成为较为理想的替代型号。但是B-29已经进入大规模生产，这时候就算要换发动机，没有一年半载也做不完。----
战时R-3350的表现不太好，就算不是离失败一步之遥，也是在危险的边缘游荡，最后刚刚救了回来。到了战后，莱特公司仍然坚持不懈的进行改进，给他们的发动机挽回了信誉，但是也因为没有成功转向喷气发动机，很快就从这个行业淡出了。现在寇蒂斯-莱特，这个带着莱特兄弟名字的公司还在正常营业，在纽交所上市，只是已经没有了当年的荣光。
如之前所说，R-3350是系列发动机计划之一，1936年1月开始设计。同其他公司类似，莱特先集中改进较小的R-2600，R-3350的设计拖延比较大，到了1941年才第一次上机飞行。此时重型轰炸机发展的要求使得莱特转而把R-2600丢到一边，但是对于这个飞机项目来说，已经显得有点晚了。而后的R-4090也放弃了，R-3350需要集中资源改进。
基本设计
汽缸设计基于R-2600，缸径6.125英寸，冲程6.3215英寸保持不变，只是数量增加4个。压缩比有两种6.7:1和6.85:1，可以说基本同时发展，而最后6.7:1反而留了下来。总体结构当然也大量沿用了R-2600的设计，最明显的首先是仍然由三个锻造镁铝合金组件栓接的曲轴箱，后期同样改为了钢制组件。
曲轴箱，注意沿着汽缸接口中线的接缝
同样的三个滚柱轴承支撑曲轴。曲轴上有两个大型动态平衡配重，用于消除震动。但是初期生产型的使用发现这两个配重不够用，二阶震动传到螺旋桨轴，导致螺旋桨轴疲劳损坏。然后又加装了二阶配重，和凸轮盘安装在一起，以二倍曲轴转速旋转。这个改进设计以最简单的方式解决了问题，对生产的影响也很小。
-23型的曲轴，红线是配重，蓝线是轴承
整体式主连杆由银-铅-铟合金轴承支撑。汽缸的设计还是类似于R-2600，所谓的“W”散热片套安装在汽缸外。汽缸头为铸造，这个设计后来造成了很多问题。18个汽缸的散热片总面积为5850平方英尺，每个汽缸为3900平方英寸。这个数字很好，比如P&W公司在1940年的水平是每个汽缸3100平方英寸。但实际使用的时候仍然不够，在B-29低速爬升的途中，R-3350总是倾向于过热。
燃烧室同以前一样，半球形，双气门，排气门中空充钠。前排汽缸的排气门向前方排出废气，而非向后，这个设计很可能只是为了方便废气涡轮的排气收集管布置，且仅限陆航的飞机使用。其他双排发动机却都让前排汽缸向后排气，比如P&W公司的型号、宝马801、ASH-82、誉，甚至是莱特自己的R-2600。向前排气乍看起来没问题，但是使得排气管必须绕一圈再转向后，同时减小了迎风面上的散热片面积，影响了散热性能。
莱特还没到不知道怎么办的程度。他改变了排气方向，又给改回去了。海军一开始就使用向后排气的发动机，但是B-29和B-32就没有办法了。
B-29的发动机布局，注意前排汽缸的废气收集管。
涡轮复合型R-3350，蓝色是前排汽缸的排管。
从R-2600开始，机械增压器由莱特自己设计，R-3350也是，虽然生产仍然包给了通用电气。莱特设计的增压器在同期是效率比较高的，和RR的灰背隼相当，甚至高一些。莱特和RR从通向增压叶轮的进气道拐弯里面学到了一样的经验，较窄的设计形式会损失7.5%的效率，在重新设计了之后，效率损失下降到了1%。到了1943年，增压器效率增加到了81%，压缩比为2:1。发动机级增压器有两种，单速型和二速型，传动比有很多种，以提供不同高度的性能。最低的是6.06:1，高速挡可以到8.67:1。机械增压型号主要供海军使用，重型轰炸机的型号统一使用6.06:1的单速机械增压。
-23型的增压器叶轮和传动轴
有说法称进气道设计导致了前后汽缸混合气分配失衡，但是进气歧管是在增压器叶轮后方的，这是进气歧管的设计有问题。由于前排汽缸比后排汽缸更为贫油，使得它们更容易过热。这个问题难以解决，最后只能更改供油方式，从单点喷射改成了缸内直喷。1944年中，本迪克斯-斯托姆堡和美国博世分别给莱特提供了两种不同的缸内直喷系统。这两种系统的基本原理相同：在原来化油器的位置上安装一个主控器，主控器同以前化油器一样的测量空气流量，然后主控器会操纵两个喷射泵，分别向前排和后排汽缸供油。本迪克斯和美国博世的区别主要是前者的系统有一根平衡杆，协调两侧喷射泵的动作，而美国博世的没有这个东西。博世的系统重量要小很多，两种主控器都是49磅多，但是博世的喷射泵只有33.7磅，管线1.75磅。本迪克斯的喷射泵有63.6磅重，管线还有13.8磅的重量。
直喷系统在1945年进入服役，这个东西不会增加功率，实际上反而可能有微妙的降低。但是解决了又一个过热的问题源头，还消除了回火导致进气系统起火的毛病。
本迪克斯-斯托姆堡的喷射系统，其中6即为平衡杆。
补，莱特的增压叶轮没有活动导流片，导流靠固定在叶轮前面的弯折
磁电机只有一个，通常是本迪克斯-辛缇拉生产的型号，通过前机匣安装的双配电器向前后汽缸供电，传动比为1.125：1。配电器以0.5:1的速度传动，给前后两排汽缸供电。陆航重轰所用的型号点火提前角都是固定的，为上止点前20度。
配电器、点火配线以及火花塞
减速齿轮是传统的多齿行星齿轮型，但是有很多毛病，尤其是在发展初期。发动机支架设计很独特，通过位于汽缸和增压器之间的摇臂盒支架与飞机连接。作为悬架系统，这种设计很好，但是并不实用，它使得汽缸更换比较困难。
ADI系统在后期型号上算是普遍的配置，但是战时并未推广使用。虽然考虑过给B-29安装ADI系统，由于会增加重量和复杂性而作罢。回想起来这显然是个大错，喷水系统很适合解决过热问题，并且提供额外的几百马力，比较适用的解决B-29的问题。因为百病缠身以及没有加装ADI系统，战争时期服役的R-3350输出功率定格在2200马力/2800转。
-23型左前侧试图，注意红线是排气口盖
-23型右后视图
莱特公司在新泽西州的伍德里奇新建了一个工厂，只用于R-3350生产。原来在辛辛那提市的工厂也转产加入。美国三大汽车公司之一的克莱斯勒也加入了生产，他下属的道奇分部在芝加哥建立了一个新工厂。
在道奇工厂建设的时候，有过争论说汽缸头到底该铸造还是锻造，而后因为生产工具交付延迟，决定保留莱特的铸造设计。这本是个宝贵的机会，很可能可以摆脱一个毛病源头。
战争结束时，道奇供应了18413台发动机，莱特自己也只不过产了13791台。在发动机通过型号测试之前，道奇工厂就开始准备机床了，而后他们被多达48500项工程改动搞的焦头烂额，自然影响了生产计划。
改动之一就是前面提到的二阶配重。此外还有诸如增加滑油流量，从140磅/分到160磅/分。改良汽缸散热片等等。在那几万项改动实用之后，战争末期发动机的大修间隔从100小时提高到了400小时。
为了生产R-3350，当时引入了很多新技术。包括抛丸清理和高压水/沙打磨，不用再人工进行表面抛光。
发动机测试包括在1400转下运转7.5小时，再加上2800转下的起飞功率测试。后来这7.5小时测试减少到了3.75小时。在初次运转测试通过之后，发动机会被拆解检查，再重装进行3.5小时测试，这个步骤后来也减少到了2.75小时。为了节约能源，测试用的发动机会连上发电机，这些电力会回流到生产厂的电网中。
B-29和B-32
波音的方案是最受看好的，其次是洛克希德的方案，而后洛克希德退出，联合的B-32作为预备方案重新加入。B-29使用了大量新技术，当然也包括新的R-3350，B-32也是如此，但是由于毛病更多，很多东西在投产的时候被取消了。
XB-29原型机用R-3350-5发动机，只有2000马力/2400转，减速比16:7。而后改用了-13型，-13型的减速比改为20:7，同时螺旋桨也由三叶改成了四叶。到了YB-29阶段，发动机改为了-21型。早期量产型飞机使用-21/21A，-23/23A，带A后缀的型号表示加入了大量工程设计变动。其中-21/23是所谓的“战斗”发动机，姑且算是靠谱到可以实战，因为此前的大量变动使得发动机后勤维护几乎不可能进行。而后的-57/57A和-59/59A是缸内直喷型。另外B-32也使用以上这些型号。
不论哪种发动机，辅助级增压都是两个并联排列的GE生产的B系废气涡轮，每一排汽缸的废气驱动其中一个。进气通过涡轮后流经中冷器，最后进入发动机级机械增压。
1943年2月18日，XB-29从西雅图的波音机场起飞，目的是测试爬升和平飞性能，以及衡量发动机散热状态。起飞后5分钟，1号发动机起火，飞行员艾伦切断燃油供应，并顺桨。随机工程师关掉散热片并打开CO2灭火器，看起来火灾被扑灭了。飞机转头往回飞行。几分钟后2号发动机开始冒烟，这次火灾迅速沿着机翼蔓延，甚至烧到了弹仓中。而后飞机坠毁，机上10人全部身亡，包括跳伞逃生失败的，地面20人死亡。
这次事故对B-29项目有灾难性影响，因为这个项目的重要性，飞机发展停滞了几个月，以详细调查原因。当时还是参议员的杜鲁门负责调查委员会，一开始原因被甩到毛病缠身的发动机上，但是最后发现是波音的设计失误，使得两台发动机之间的机翼前缘开始起火，最终致使飞机坠毁。
莱特公司分析了从42年10月到43年2月的82次发动机故障。其中减速齿轮是个很主要的问题。莱特引入了多项改进，包括减小齿轮系统的公差，虽然这会增加生产难度。匀速器响应迟缓是另一个大毛病，会使发动机容易超速，解决方式是增加液压油流量。
B-29事故有利于B-32计划继续进行，既从备用计划的角度上，也从发动机改进的角度上，但是好景不长，5月10日，距离XB-29坠毁不到3个月。XB-32原型机起飞进行第31次试飞，目的是检验飞机以100000磅的设计起飞重量起飞的性能，而后飞机起飞失败，撞进了机场另一头的陆战队兵营。这起事故造成4人死亡63人受伤。14日的初步调查报告列了一串可能的理由，第一条就是动力不足。但是后来更多的证据表明坠毁原因是襟翼操作失误。
B-29的废气涡轮，两个涡轮垂直安装在发动机舱外侧。
B-32的废气涡轮，两个涡轮横向安装，朝斜后方排气。
终于B-29开始服役生涯，最早的任务是从成都的机场起飞轰炸中国境内和日本目标。发动机过热的毛病立刻凸显出来，散热片是个关键问题，如果开的时间太久，会跟不上编队，如果开的时间太短，又会导致严重过热。汽缸散热片安装过松或者有损坏，会额外恶化散热情况。战地改装能缓解这个问题，手段包括加装通往上方汽缸的送风管，还有沿着摇臂盒的额外滑油管线。
早期任务要求飞机爬升到接近3万英尺的高空，进行高空轰炸。长时间低速爬升是散热问题的根源之一，降低轰炸高度有效改善了这个情况，并且增加了命中精度。起飞基地从成都转往提尼安岛也改善了飞机的维护水平，沿着驼峰航线运送零件可不是什么轻松愉快的事。
莱特公司的分析找出了几个过热的病根。发动机在起飞时，汽缸温度上限为260度，以自动贫油巡航时上限为232度。这没有考虑到热电偶式温度计的误差，以及测量的是哪个汽缸的温度。检查发现温度计经常校准错误，而且汽缸间导流片损坏导致某些汽缸散热不足。起飞前的地面运转时间可以长至20分钟，但是地面运转时，散热片必须开到最大的26度。起飞中才能见小到8度。
后排顶部汽缸，即1、3、5号最容易受到排气阀腐蚀的影响。在运转175小时之后会发生这种状况。有些部队发现了这个问题，他们在运转150小时后就直接更换发动机，费时费力。为此引入了一个维护计划表，在运转150小时之后，每隔15小时检查一遍排气阀，如果有腐蚀现象，再更换发动机。
还有个同样严重的问题，排气收集环的接头泄露，废气直接对着汽缸头吹，导致汽缸过热。这是前向排气带来的坏处之一。重新设计接头缓解了这个问题。
为了改善在地面的散热，螺旋桨根部加装了叶片套，相当于半个散热风扇。散热片长度减少，同时给上部汽缸加装了散热片。汽缸散热片和密封都有所改进，摇臂盒的滑油管线变成了标准设计。如此等等，使得R-3350在战争末期的大修间隔增加到了400小时，达到了当时的平均水平。
爱德美的模型，加套的螺旋桨。
早期飞机，注意发动机顶部没有散热片。
后来的型号添加了散热片。
海军航空兵
陆航在轰炸机项目上有更高优先权，使得海航在战时只有少量飞机使用R-3350。不过他们也因此得益，避开了毛病多发的时期。另外如此前所述，海军的型号没有前向的排气阀出口。除此之外最大的区别就是海军型号没有废气涡轮。
R-3350-8的后排和前排汽缸，可见进气口和出气口都在朝后的方向上。注意散热片末端的弯折，这就是为什么叫做“W”散热片
海军最早使用R-3350的飞机是马丁JRM火星，这种水上飞机相当大，比B-29还要大一些，是盟军最大的量产型水上飞机。1941年12月5日，在发动机测试的时候，右翼内侧螺旋桨匀速器出现故障，发动机超转速并且起火燃烧。一片螺旋桨被甩飞，穿透机身，差点把工程师切了。发动机烧烂支架后掉在水里，最后被消防车扑灭。
火星和B-26的对比，下图就是这一次有点喜感的事故。
由于发展缓慢，JRM到了45年中才量产交付，加上原型机总共就7架。这种大型飞艇飞行性能不怎么好，但是运载量很大，主要作为运输机在美国本土使用，创下了几项运输记录。飞机内油容量13320加仑，比B-29（不足10000加仑）还要多出30%以上。由于R-3350动力不足，最后一架改用了R-4360，编号也改为JRM-2。
第二种飞机是道格拉斯BTD毁灭者，造了30架，道格拉斯自认为性能太差，把项目砍掉了，集中资源到下一代攻击机上。下一代的XBT2D在计划的时候预定了R-3350-24型，最大功率增加到了2500马力。搭配一级二速增压器，传动比6.46:1和8.67:1。同时有了点火提前角自控系统，可以在上止点前20度到30度之间变化。
陆航把雷都趟了，作为战后已经经过大量改进的成熟型号，R-3350在天袭者上表现得不错，中期A-1开始使用的-26WA/B可以输出2700马力，转速也提高到了2900转，需要115/145号汽油。海军的发动机基本都是6.7:1的压缩比，不过其他改进使得输出功率继续上升，并没有因为压缩比稍小而更低。
战后的商用系列发动机系列更类似于海军的型号，没有废气涡轮，2900转/分钟，可搭配ADI系统。此外标配缸内直喷系统，以便节省燃油，而海军的型号反而使用单点喷射较多。低压点火系统也从这个时期开始推广使用。
涡轮复合
莱特从1942年开始研究各种动力恢复手段，到了1946年，海军航空局资助了最终方案。即所谓的吹气回传（blow-down）系统，或者将整套系统称作涡轮复合（turbo compound）。此时距离R-3350开始研制已有10年，R-3350迈入了终极气冷活塞发动机的大门。
在运转时，发动机废气会以2200英尺/秒的速度离开汽缸，在废气的温度下这相当于音速。废气是涡轮的动力来源，驱动了涡轮之后，涡轮再将动能回传到曲轴。这就是涡轮复合的基本原理，这一套动力恢复系统完全不用增加发动机油耗。用于增压的涡轮就不一样，本质上还是通过增加进气量和喷油量增强动力。
这种方式主要有4个优点：
1，在整个运转范围内，提供直接的动力增加和经济性改善，而不需要再更改发动机基本设计。
2，不需要飞行员或者随机工程师额外的操作。
3，提供0.9磅/马力的动力恢复水平，而废气增压涡轮大概有1.3磅/马力。
4，未来发展上也很理想，可以在恢复涡轮后面再加上一个增压涡轮。
初期测试使用一台R-1820发动机，加装了一个动力恢复涡轮，而后才是R-3350测试。最早的R-3350测试机有6个恢复涡轮，重量增加太多，而后发现可以通过调整排管布局，将涡轮减少到3个，并且不减少动力恢复量。由于涡轮重量有200磅，使得发动机整体重量增长很大，不过单位重量功率仍然保持在相当的水平。
1948年，海军下了第一笔涡轮复合发动机订单。1949年，发动机在一架B-17的机头上进行飞行测试，1950年初通过型号测试，进入量产阶段。这开创了一个R-3350新系列，被称作R-3350 TC18，TC就是涡轮复合旋风的缩写。
初期批次提供3250马力的干动力，喷水时可以达到3500马力。1956年时分别达到了3400和3700马力，3400马力就“干动力”来说的话相当高。实际上R-4360的装机功率也不过3800马力。
涡轮复合系统可以将气冷发动机的单位油耗率拉低到液冷发动机的水平，这是一个巨大的进步。
洛克希德的P2V-4是第一个用户，此前这种飞机用普通R-3350创下了不停机不加油飞行距离记录----1946年9月9日开始，从澳大利亚的珀斯起飞，飞过18083.6公里，在俄亥俄州的哥伦布降落，飞行时间55小时18分钟。涡轮复合的P2V显然有更大的潜力，虽说并没有第二次创纪录飞行。而后TC系发动机称为了海军远程飞机的核心动力。洛克希德WV-2，RC-121D和加拿大的CL-28都有使用。
然后马丁P5M、仙童C-119、洛克希德超级星座、道格拉斯DC-7都相继转用涡轮复合发动机。到1956年为止，涡轮复合发动机已经累计了750万飞行小时，加上25000小时的测试和试验。
R-3350TC的解剖照，红框内是动力恢复涡轮，涡轮复合系统的排气回压和普通直接排出的方式相当。
动力恢复涡轮的解剖图
TC系发动机的前半截和后半截与普通发动机一样，中间加入了11英寸长的涡轮段，用于安置3个120度夹角的恢复涡轮。在巡航时，涡轮转速为16000转，起飞时则为19000转。涡轮会以最大27500转进行测试，实际上废气涡轮可用最大转速基本都在20000转以上，比这上面的常用转速高不少。部分型号在涡轮盘上钻有4个孔，当涡轮超过24000转时用它们泄压，防止超速。涡轮的动力会通过液力传动传递到曲轴后方的传动轴上，最后再传递到曲轴。涡轮到曲轴的总传动比是6.52:1。液力传动可以吸收涡轮产生的震动，避免动力传递到曲轴时产生额外的震动，还可以在转速改变时吸收负荷。涡轮内置的空气冷却会把工作温度保持在大约700华氏度，让涡轮的寿命保持在不错的水平。
少量型号配有手动控制的可变点火提前系统，是个让人惊讶的设计。虽然有随机工程师负责操纵，但就自动化的角度来看，这是一种倒退。
恢复涡轮的传动系统，动力线传递到三组小型齿轮上，再传回曲轴。
汽缸对应的涡轮，以及安装角度
这张图展示了转速对应的动力恢复水平。
军用型涡轮复合发动机总产量11996台，民用型4148台。这些发动机可谓经久耐用，民用型平均大修间隔700-1000小时，最多可达到2000小时以上，军用型的TBO标准时间为1700小时。实际上P2V一直使用到1984年才全部退役，而后又继续作为灭火飞机使用。而DC-7在2010年仍然有17架注册在案，虽然没什么作用。
战争末期到战后初期，R-3350的功率不足时，多种飞机改换了R-4360，或者以R-4360为基础设计。再过了几年，TC系的性能反而又将不再改进的R-4360淘汰掉，可见动力恢复涡轮的功效。1955年是R-4360生产的最后一年，总产量18679太，R-3350TC生产延续到了1961年，距离开始研制已经过了25年。R-4360采用的VDT系统通过取消机械增压器，减少机械消耗来增加动力，但是从结果上来讲，涡轮复合胜出了。
VDT的体积很大，这是TC系的另一个优点，发动机尺寸增长较小。当然，如果要再添加增压涡轮，尺寸仍然会很大。相对于液冷发动机，气冷发动机的动力恢复涡轮更容易控制尺寸，R-3350TC和V-1710-127的对比明显体现出了这一点，液冷直列汽缸发动机只能将涡轮拖在后尾，使得发动机长度大为增加。
莱特的研究方案，三个动力恢复涡轮加上增压涡轮。
P2V-7海王星，两台R-3350-32W，单台3700马力，这是功率最大的型号。注意三管发动机排口。
大型风冷活塞发动机的发展就到此为止了，实际上对于整个业界来讲也是如此，液冷终结的更早。涡桨发动机在性能上有明显的优势，活塞发动机进入了注重经济性的时代。R-3350TC算是一个虽然不完美，但是很合适的结局。
型号表
V-3420，是两台V-1710并联，挺有趣的，在XB19上还做成了个快速更换包。
谢谢楼主好文章，这玩意就是串了个涡轴啊
纳皮尔的nomad也是复合涡轮发动机，它更疯狂，轴流式压缩机，加上气缸出来后补燃，nomad1还直接驱动螺旋桨，就是涡轴和活塞串联的东西。
费了这么大的力气，然后大家都玩涡轴了。
http://aviatechno.net/constellation/moteurs.php
aviatechno.net/constellation/turbo_compound.php
我是在这个法文网站上R-3350和复合涡轮的东西的，法文看不懂，但是有些细节图不错，希望对楼主有帮助。
这张图看明白了R-3350涡轮冷却气体流向。
还有和主轴连的液力耦合器也是大轴套小轴的设计，这么一弄这玩意启动的时候转动惯量不小啊