航空發(fā)動(dòng)機被稱(chēng)為現代工業(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(dòng)機,卻可以推動(dòng)幾十噸上百?lài)嵵氐目蜋C。
航空發(fā)動(dòng)機內部結構十分精密復雜。但當你經(jīng)過(guò)飛機發(fā)動(dòng)機時(shí),卻能聽(tīng)到從里面傳出叮鈴鈴的聲音,就像是飛機風(fēng)扇葉片松動(dòng)了。在旅客看來(lái),這簡(jiǎn)直太不可思議了,發(fā)動(dòng)機的扇葉竟然不是與輪盤(pán)整體加工成形或固定焊接在一起的,而是相對松動(dòng)的,這是怎么回事呢?
榫卯結構是一種你中有我、我中有你的連接方式,它是中國建筑中最早具有科學(xué)設計意義的發(fā)明創(chuàng )造。長(cháng)期以來(lái),航空發(fā)動(dòng)機的風(fēng)扇葉片并不像普通風(fēng)扇的扇葉是完全固定在轉盤(pán)上的,而是巧妙利用了榫卯結構,每個(gè)葉片通過(guò)榫頭,一片片卡在轉盤(pán)的榫槽里。同時(shí),榫頭和榫槽之間還留有間隙,當風(fēng)扇轉盤(pán)轉動(dòng)起來(lái)時(shí),扇葉凸臺就會(huì )在這個(gè)過(guò)程中相互碰撞,從而發(fā)出叮鈴鈴的聲響。
通常來(lái)說(shuō),做成整體后的強度和穩定性會(huì )更好一些。那為何不將發(fā)動(dòng)機扇葉與輪盤(pán)加工在一起呢?主要原因有三點(diǎn):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(wú)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(wàn)轉以上的強大離心力,而不會(huì )破盤(pán),從而保障飛行的可靠性和安全性。因此,為了可持續利用、避開(kāi)加工技術(shù)上的限制等,此前我們見(jiàn)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(dòng)機會(huì )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(dòng)力,推動(dòng)飛機前進(jìn)工作的就是葉片。在重力的作用下,風(fēng)扇葉片在接近十二點(diǎn)鐘位置時(shí),會(huì )向軸線(xiàn)方向滑過(guò)去;接近六點(diǎn)鐘位置時(shí),會(huì )向軸心相反的方向滑出去。在這個(gè)過(guò)程中,葉片相互碰撞在一起發(fā)出聲音。
當發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇快速轉動(dòng)而超過(guò)臨界速度時(shí),轉軸由于具有一定彈性開(kāi)始接近其幾何中心,進(jìn)而越過(guò)幾何中心接近其不平衡處。此時(shí),葉片受到的離心力方向從新的轉軸處出發(fā)通過(guò)葉片所在的位置。其中沿著(zhù)渦輪盤(pán)切線(xiàn)方向的指向與不平衡處相反的方向,使得葉片偏向這個(gè)方向,進(jìn)而重新調整了不平衡的位置,使得重心接近其幾何中心,進(jìn)而減小了振動(dòng)。
這個(gè)過(guò)程是動(dòng)態(tài)的,從而降低高轉速下風(fēng)扇的振動(dòng),而葉片的相對渦輪盤(pán)切線(xiàn)方向的角度是周期變化的,需要葉片進(jìn)行左右擺動(dòng),因此葉片的設計是松動(dòng)的。