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发动机叶片为什么是松动的?

时间:2021年10月02日   来源:

航空发动机被称为现代工业皇冠上的明珠。其制造成本占整机制造成本的30%左右,输出功率也十分惊人,只有几吨重的航空发动机,却可以推动几十吨上百吨重的客机。
  航空发动机内部结构十分精密复杂。但当你经过飞机发动机时,却能听到从里面传出叮铃铃的声音,就像是飞机风扇叶片松动了。在旅客看来,这简直太不可思议了,发动机的扇叶竟然不是与轮盘整体加工成形或固定焊接在一起的,而是相对松动的,这是怎么回事呢?
  榫卯结构是一种你中有我、我中有你的连接方式,它是中国建筑中最早具有科学设计意义的发明创造。长期以来,航空发动机的风扇叶片并不像普通风扇的扇叶是完全固定在转盘上的,而是巧妙利用了榫卯结构,每个叶片通过榫头,一片片卡在转盘的榫槽里。同时,榫头和榫槽之间还留有间隙,当风扇转盘转动起来时,扇叶凸台就会在这个过程中相互碰撞,从而发出叮铃铃的声响。
  通常来说,做成整体后的强度和稳定性会更好一些。那为何不将发动机扇叶与轮盘加工在一起呢?主要原因有三点:其一,整体式叶片制造技术难度非常大,受加工制造技术的限制,此前无法制造出可靠的整体叶片。其二,采用整体式叶片成本高昂,叶片是相对容易损坏的部件。任意一片叶片出现了破损,为了飞机的安全,都必须将全部叶片换掉。其三,采用榫连接可以承受10万转以上的强大离心力,而不会破盘,从而保障飞行的可靠性和安全性。因此,为了可持续利用、避开加工技术上的限制等,此前我们见到的飞机,基本上采取了单独制造的榫连接方式。
  航空发动机会在飞行中完成对气体的压缩和膨胀,并且以最高效率产生强大的动力,推动飞机前进工作的就是叶片。在重力的作用下,风扇叶片在接近十二点钟位置时,会向轴线方向滑过去;接近六点钟位置时,会向轴心相反的方向滑出去。在这个过程中,叶片相互碰撞在一起发出声音。
  当发动机风扇快速转动而超过临界速度时,转轴由于具有一定弹性开始接近其几何中心,进而越过几何中心接近其不平衡处。此时,叶片受到的离心力方向从新的转轴处出发通过叶片所在的位置。其中沿着涡轮盘切线方向的指向与不平衡处相反的方向,使得叶片偏向这个方向,进而重新调整了不平衡的位置,使得重心接近其几何中心,进而减小了振动。
  这个过程是动态的,从而降低高转速下风扇的振动,而叶片的相对涡轮盘切线方向的角度是周期变化的,需要叶片进行左右摆动,因此叶片的设计是松动的。

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