航空发动机被誉为现代工业“皇冠上的明珠”,其内部结构复杂,零件连接精密。在飞机发动机运行过程中,我们常常会听到“哒哒哒”的声响。难道是发动机里面的叶片松动了吗?没错,发动机的叶片结构设计就是松动的。
航空发动机属于热机,工作原理是将热能转化成机械能。叶片是航空发动机通过燃气产生推力的关键部件,主要由叶身与榫头两部分组成。
榫头的作用是连接叶片与轮盘,将叶片所承受负荷转移到轮盘上。当发动机风扇转起来后,叶片榫头带动着轮盘一起转动。我们知道,连接榫头和轮盘之间的榫槽会有一定间隙,叶片转到12点钟位置时,榫头向下移动,朝轴心的方向滑去;当叶片转到6点钟的位置时,榫头同样向下移动,朝与轴心相反的方向滑去。整个过程,榫头与榫槽发生碰撞,就会发出“哒哒哒”的声响。
为什么航空发动机叶片会设计成松动结构?这是因为,随着发动机转速加快,离心力越来越大,叶片会呈现出“向外甩”的趋势,但叶片榫头只能在榫槽内移动,每个叶片的移动距离不尽相同,这样可以使叶片始终处于动态平衡状态,进而减少叶片振动。通俗地讲,离心力小了,多滑动一点;离心力大了,少滑动一点,风扇的重心始终接近几何中心位置。
一般航空发动机涡轮叶片根部所承受的离心力高达150千牛,叶片榫头又在高温环境中工作,榫头与榫槽的间隙除减小振动外,还可以允许轮缘受热后自由膨胀,减小连接处的热应力。
需要注意的是,叶片长时间振动会导致叶片产生裂纹,为增大叶片强度,科研人员会在每个叶片中部加工出一个减振凸台,改变叶片固有频率,尽可能减小叶片振动。