三分钟谈科普
登机时你有没有注意过航空发动机?如果你留心,你一定会注意到这东西真的很漂亮。
为什么它很漂亮?因为它的叶片扭曲和转动,呈现出一种难以形容的曲线美,那么问题来了,为什么航空发动机的叶片被设计成如此扭曲?只是为了好看吗?当然不是。 航空发动机的叶片之所以要拧起来,首先是为了飞行平稳。 航空发动机旋转时,叶片的角速度相同,但叶片各部分的线速度不同,这种线速度也称为“圆周速度”。
当叶片绕一圈转动时,叶片的根部只穿过一个小圆圈,而叶片的尖端穿过一个大圆圈,两部分的圆周速度明显不同。
也就是说,叶片的根部和叶片的尖端部分推动的空气量不一样,空气阻力也不同,导致不平衡。 如果这种不平衡长期持续下去,最严重的后果是叶片会断裂,即使短时间不断裂,也会影响飞机的平稳飞行,产生更多的噪音。 为了解决这个问题,需要扭转发动机的叶片,使叶片根部保持大迎角,使叶尖部分逐渐变成小迎角。
这样一来,虽然两部分的圆周速度不同,但它们承受的阻力相等,自然是平衡的。
不过,这只是航空发动机叶片的第一次扭动,如果只扭一次就没什么大不了的了,因为所有的扇叶也是这样扭的,而航空发动机叶片的独特之处在于,在第一次扭动的基础上,又扭动,让整个叶片看起来有点类似于S形。 为什么要第二次扭曲?普通民用客机的飞行速度远低于音速,但这并不意味着飞机的每个部分都低于音速。
事实上,航空发动机叶片尖端的圆周旋转速度超过了声速。
除了音速之外会发生什么?产生冲击波。 当一个物体向前移动时,它会将它前面的空气向前推,这反过来又会将空气进一步向前推,依此类推。 如果物体的运动速度不是很快,那么被挤压的空气就会在压缩、恢复、弹跳之间继续往复,但如果物体移动得太快,达到声速,那么被推的压缩空气就没有时间恢复,这些被挤压的空气会由于密度不同而与两侧未被挤压的空气形成清晰的边界, 而这个极限就是冲击波。
冲击波就像一个屏障,会产生巨大的阻力并影响物体运动的稳定性。
由此可见,如果叶片尖端有冲击波,发动机的转速和飞行器的稳定性都会受到影响,而将叶片再扭动一点就可以完美地解决这个问题。 由于再次扭曲,叶片以明显的角度出现,将通过叶片的空气分成两个不同的方向,使每个方向的空气速度显着降低,低于声速,从而防止了冲击波的形成。
如果你仔细观察,你会发现,航空发动机的叶片扭曲两次后,叶片尖端有一个向上的钩弧
在航空发动机旋转的过程中,一部分空气会由于离心力的作用而被抛出,而叶片尖端的这个钩子就是将离心力抛出的空气钩回去,让它们回到发动机的中心。 在不浪费一丁点空气的情况下,发动机的效率自然而然地提高了。 其实航空发动机叶片的扭转角度还有进一步优化的空间,事实上它一直在不断优化,所以你会发现,越是新制造的航空发动机,上面的叶片就越会扭曲得漂亮。