航空發(fā)動機被稱為現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠。其制造成本占整機制造成本的30%左右,輸出功率也十分驚人,只有幾噸重的航空發(fā)動機,卻可以推動幾十噸上百噸重的客機。
航空發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分精密復雜。但當你經(jīng)過飛機發(fā)動機時,卻能聽到從里面?zhèn)鞒龆b忊彽穆曇?,就像是飛機風扇葉片松動了。在旅客看來,這簡直太不可思議了,發(fā)動機的扇葉竟然不是與輪盤整體加工成形或固定焊接在一起的,而是相對松動的,這是怎么回事呢?
榫卯結(jié)構(gòu)是一種你中有我、我中有你的連接方式,它是中國建筑中最早具有科學設(shè)計意義的發(fā)明創(chuàng)造。長期以來,航空發(fā)動機的風扇葉片并不像普通風扇的扇葉是完全固定在轉(zhuǎn)盤上的,而是巧妙利用了榫卯結(jié)構(gòu),每個葉片通過榫頭,一片片卡在轉(zhuǎn)盤的榫槽里。同時,榫頭和榫槽之間還留有間隙,當風扇轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動起來時,扇葉凸臺就會在這個過程中相互碰撞,從而發(fā)出叮鈴鈴的聲響。
通常來說,做成整體后的強度和穩(wěn)定性會更好一些。那為何不將發(fā)動機扇葉與輪盤加工在一起呢?主要原因有三點:其一,整體式葉片制造技術(shù)難度非常大,受加工制造技術(shù)的限制,此前無法制造出可靠的整體葉片。其二,采用整體式葉片成本高昂,葉片是相對容易損壞的部件。任意一片葉片出現(xiàn)了破損,為了飛機的安全,都必須將全部葉片換掉。其三,采用榫連接可以承受10萬轉(zhuǎn)以上的強大離心力,而不會破盤,從而保障飛行的可靠性和安全性。因此,為了可持續(xù)利用、避開加工技術(shù)上的限制等,此前我們見到的飛機,基本上采取了單獨制造的榫連接方式。
航空發(fā)動機會在飛行中完成對氣體的壓縮和膨脹,并且以最高效率產(chǎn)生強大的動力,推動飛機前進工作的就是葉片。在重力的作用下,風扇葉片在接近十二點鐘位置時,會向軸線方向滑過去;接近六點鐘位置時,會向軸心相反的方向滑出去。在這個過程中,葉片相互碰撞在一起發(fā)出聲音。
當發(fā)動機風扇快速轉(zhuǎn)動而超過臨界速度時,轉(zhuǎn)軸由于具有一定彈性開始接近其幾何中心,進而越過幾何中心接近其不平衡處。此時,葉片受到的離心力方向從新的轉(zhuǎn)軸處出發(fā)通過葉片所在的位置。其中沿著渦輪盤切線方向的指向與不平衡處相反的方向,使得葉片偏向這個方向,進而重新調(diào)整了不平衡的位置,使得重心接近其幾何中心,進而減小了振動。
這個過程是動態(tài)的,從而降低高轉(zhuǎn)速下風扇的振動,而葉片的相對渦輪盤切線方向的角度是周期變化的,需要葉片進行左右擺動,因此葉片的設(shè)計是松動的。