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          發動機葉片為什么是松動的?

          時間:2021年10月02日   來源:

          航空發動機被稱為現代工業皇冠上的明珠。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動機,卻可以推動幾十噸上百噸重的客機。
            航空發動機內部結構十分精密復雜。但當你經過飛機發動機時,卻能聽到從里面傳出叮鈴鈴的聲音,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設計意義的發明創造。長期以來,航空發動機的風扇葉片并不像普通風扇的扇葉是完全固定在轉盤上的,而是巧妙利用了榫卯結構,每個葉片通過榫頭,一片片卡在轉盤的榫槽里。同時,榫頭和榫槽之間還留有間隙,當風扇轉盤轉動起來時,扇葉凸臺就會在這個過程中相互碰撞,從而發出叮鈴鈴的聲響。
            通常來說,做成整體后的強度和穩定性會更好一些。那為何不將發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難度非常大,受加工制造技術的限制,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,為了可持續利用、避開加工技術上的限制等,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出聲音。
            當發動機風扇快速轉動而超過臨界速度時,轉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軸處出發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。
            這個過程是動態的,從而降低高轉速下風扇的振動,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,因此葉片的設計是松動的。

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