航空发动机叶片,为啥是松动的?
有朋友一定会好奇,像飞机发动机这么重要的部件,不是应该极其牢固吗?
如果这些叶片是松动的,那怎么保证安全呢?
别急,我们先来假设一下。
如果试着将这些叶片固定在发动机的转轴上,甚至我们用机床车出一个完整的、一体成型的叶轮。
就像船舶的螺旋桨那样,会怎么样?
当航空发动机在运转过程中,会产生极高温度,而这种高温会导致金属材料的膨胀。
如果叶片是固定死的,那么它们可能会因热膨胀而受损,或者因振动而产生共振,这也会导致叶片破裂。
最后,叶片需要承受高温、高压、以及高速旋转所带来的剧烈振动。
因此,它们通常选用特殊的高强度、耐高温的合金材料制成,而这些材料可能并不适合用来制造发动机的其他部分。
而且在后期,这些叶片的角度和位置还要进行微调,以优化燃烧效率和推力,所以叶轮的一体化成型是做不到的。
除了发动机内部恶劣的环境,叶片还要承受离心力的恐怖撕扯。
一般来说,涡轮叶片的转速可达每分钟数万转。
假设一个涡轮叶片质量为1公斤,旋转半径为0.5米,转速为1万转每分钟,那么它承受的离心力相当于54吨的力。
这几乎是叶片自身重量的5.5万倍。
那么我们需要一个不那么紧密的结构,但又非常牢靠,不能让叶片飞出去,怎么办?
答案是榫卯结构。
这是一种你中有我,我中有你,靠缝隙连接的独特构造。
由于榫卯结构的连接方式允许某种程度的弹性位移,这使得在地震发生时,建筑结构能够吸收一部分震动能量,从而提高建筑的抗震性能。
传说,波音公司在设计发动机叶片时,就参考了这种结构。
当时的美国工程师在遇到这个难题时,也是一筹莫展。
有个叫王助的中国工程师突发奇想,听说古代榫卯结构的建筑都非常结实,或许可以尝试下。
于是工程师们经过不断的尝试,最终弄出一款可插拔的叶片,虽然看起来松松垮垮,但其实非常可靠。
松动的榫卯结构有助于保持叶片的动态平衡。
随着发动机转速加快,离心力越来越大,叶片会呈现出“向外甩”的趋势。
但叶片榫头只能在榫槽内移动,每个叶片的移动距离不尽相同,这样就可以使叶片始终处于动态平衡的状态,进而减少叶片振动。
比如,如果左边的叶片被小石子砸伤,损失了1克重量。
不要紧,在高速旋转的时候,右边的叶片会用榫卯中的空隙来弥补这1克重量。
整个叶轮转起来的时候,用空间换重心,让每个叶片都能自我修复,最终转成一个标准的正圆。
虽然结构松松垮垮,但叶片却能紧紧贴合,不得不说,这也算一种智慧了。