在登机的时候,你有没有注意过航空发动机?如果你注意了就一定会发现,这个东西真是漂亮。
为什么漂亮呢?因为它的叶片扭来扭去,呈现出了一种难以名状的曲线之美,那么问题来了,航空发动机的叶片为什么要设计得这么扭曲呢?难道就只是为了好看吗?当然不是。航空发动机的叶片之所以要扭起来,第一就是为了飞行的平稳。当航空发动机旋转起来之后,叶片转动的角速度是一样的,但叶片上每个部位转动的线速度却不同,而这个线速度又被称为“周向速度”。
一个叶片转动了一圈,叶根的部分只是走过了一个小圆圈,而叶尖的部分却走过了一个大圆圈,两个部分的周向速度显然是不一样的。
也就是说,叶根部分和叶尖部分推动的空气量是不一样的,所承受的空气阻力也是不一样的,这就导致了一种不平衡。如果这种不平衡长期存在,最严重的后果就是导致叶片发生断裂,即便短时间内没有断裂,也会影响到飞机的飞行平稳并产生更大的噪音。为了解决这个问题,就必须把发动机的叶片扭一扭,让叶根部位保持大迎角,让叶尖部位逐渐变为小迎角。
这样一来,两个部位的周向速度虽然不同,但承受的阻力却相等了,自然也就平衡了。
不过这只是航空发动机叶片的第一扭,如果只是扭了这一下,并没有什么大不了,因为所有的风扇叶片也都是这么扭的,而航空发动机叶片的独特之处在于,在扭了第一次的基础之上,它又扭了一下,从而让整个叶片看起来有些近似于S型。为什么要扭这第二下呢?普通民航客机的飞行速度是远低于音速的,但这并不意味着飞机上的每一个部分都低于音速。
事实上航空发动机叶片叶尖部分的转动周向速度就超越了音速。
超越音速会怎样?会产生激波。当一个物体向前移动时,会推动前方的空气向前移动,而前方的空气又会进一步推动更前方的空气,并以此类推。如果物体的移动速度不是很快,那么被推动的空气就会在压缩、恢复、弹开之间不断往复,但如果物体的移动速度过快,达到了音速,那么被推动压缩的空气就来不及复原,而这些被挤压的空气因密度不同,会与两侧未被挤压的空气形成一道明确的界限,这个界限就是激波。
激波就如同一道屏障一般,会产生巨大的阻力,并影响物体运动的稳定性。
由此可见,如果叶尖部分出现激波,发动机的转速以及飞机的稳定都会受到影响,而将叶片再扭一下,就可以完美地解决这个问题。因为再一次的扭动使得叶片出现了一个明显的角度,这个角度将通过叶片的空气分成了两个不同的方向,这样一来,每一个方向上的空气流速都会显著下降,低于音速,也就阻止了激波的出现。
如果再仔细观察就会发现,航空发动机的叶片在扭了两次之后,在叶尖部分又出现了一个向上勾的弧度,这又是为什么呢?
航空发动机在转动的过程中,会导致一部分空气因离心力的作用而被甩出去,叶尖部位的这一勾就是为了把被离心力甩出去的空气给勾回来,让它们重归发动机的中心。不浪费一丁点的空气,发动机的效率自然也就提升了。事实上航空发动机叶片的扭动角度还有进一步优化的空间,事实上也一直在不断优化,所以你会发现,越是新制造的航空发动机,上面的叶片扭得就越漂亮。