有朋友一定會好奇,像飛機發動機這麼重要的部件,不是應該極其牢固嗎?
如果這些葉片是鬆動的,那怎麼保證安全呢?
別急,我們先來假設一下。
如果試著將這些葉片固定在發動機的轉軸上,甚至我們用機床車出一個完整的、一體成型的葉輪。
就像船舶的螺旋槳那樣,會怎麼樣?
當航空發動機在運轉過程中,會產生極高溫度,而這種高溫會導致金屬材料的膨脹。
如果葉片是固定死的,那麼它們可能會因熱膨脹而受損,或者因振動而產生共振,這也會導致葉片破裂。
最後,葉片需要承受高溫、高壓、以及高速旋轉所帶來的劇烈振動。
因此,它們通常選用特殊的高強度、耐高溫的合金材料製成,而這些材料可能並不適合用來製造發動機的其他部分。
而且在後期,這些葉片的角度和位置還要進行微調,以最佳化燃燒效率和推力,所以葉輪的一體化成型是做不到的。
除了發動機內部惡劣的環境,葉片還要承受離心力的恐怖撕扯。
一般來說,渦輪葉片的轉速可達每分鐘數萬轉。
假設一個渦輪葉片質量為1公斤,旋轉半徑為0.5米,轉速為1萬轉每分鐘,那麼它承受的離心力相當於54噸的力。
這幾乎是葉片自身重量的5.5萬倍。
那麼我們需要一個不那麼緊密的結構,但又非常牢靠,不能讓葉片飛出去,怎麼辦?
答案是榫卯結構。
這是一種你中有我,我中有你,靠縫隙連線的獨特構造。
由於榫卯結構的連線方式允許某種程度的彈性位移,這使得在地震發生時,建築結構能夠吸收一部分震動能量,從而提高建築的抗震效能。
傳說,波音公司在設計發動機葉片時,就參考了這種結構。
當時的美國工程師在遇到這個難題時,也是一籌莫展。
有個叫王助的中國工程師突發奇想,聽說古代榫卯結構的建築都非常結實,或許可以嘗試下。
於是工程師們經過不斷的嘗試,最終弄出一款可插拔的葉片,雖然看起來鬆鬆垮垮,但其實非常可靠。
鬆動的榫卯結構有助於保持葉片的動態平衡。
隨著發動機轉速加快,離心力越來越大,葉片會呈現出“向外甩”的趨勢。
但葉片榫頭只能在榫槽內移動,每個葉片的移動距離不盡相同,這樣就可以使葉片始終處於動態平衡的狀態,進而減少葉片振動。
比如,如果左邊的葉片被小石子砸傷,損失了1克重量。
不要緊,在高速旋轉的時候,右邊的葉片會用榫卯中的空隙來彌補這1克重量。
整個葉輪轉起來的時候,用空間換重心,讓每個葉片都能自我修復,最終轉成一個標準的正圓。
雖然結構鬆鬆垮垮,但葉片卻能緊緊貼合,不得不說,這也算一種智慧了。