O balansiranju propelera zrakoplova u terenu

1. Foreword

Pre dve i po godine, naše preduzeće je započelo serijsku proizvodnju uređaja "Balanset-1", namenskog za balansiranje rotacionih mehanizama u njihovim sopstvenim ležajevima.

Do sada je proizvedeno više od 180 kompleta. Oni se uspešno koriste u različitim industrijama, uključujući proizvodnju i rad ventilatora, puhača, elektromotora, vretena mašina, pumpi, drobilica, separatora, centrifuga, kardanskih i kolenastih vratilnih skupova i sličnih mehanizama.

Nedavno je Vibromera primila veliki broj upita od organizacija i pojedinaca o mogućnosti korišćenja naše opreme za balansiranje propelera zrakoplova i helikoptera u terenu.

Nažalost, naši stručnjaci, uprkos multogodišnjem iskustvu u balansiranju različitih mašina, nikada ranije nisu se suočavali sa ovim specifičnim problemom. Saveti i preporuke koje smo mogli dati našim kupcima bili su stoga prilično opšti i nisu uvek dozvoljavali da se zadatak efikasno reši.

This situation began to change for the better this spring, thanks to the active involvement of V.D. Chvokov, who organized and took part alongside us in the work on balancing the propellers of Yak-52 and Su-29 aircraft, which he pilots.

Tokom ovog rada stečene su određene vještine i razvijena tehnologija za balansiranje propelera zrakoplova u terenu pomoću uređaja "Balanset-1", uključujući:

• određivanje lokacija i načina postavljanja (montaže) senzora vibracija i senzora faze na zrakoplovu;
• određivanje rezonantnih frekvencija nekoliko strukturnih elemenata zrakoplova (suspenzija motora, lopatice propelera);
• identifikaciju frekvencija rotacije motora (radni režimi) koji osiguravaju minimalnu dostižnu zaostalu nebalansiranost tijekom balansiranja;
• Uspostavljanje tolerancije za zaostali disbalans propelera, itd.

Osim toga, dobijeni su zanimljivi podaci o nivoima vibracija aviona opremljenih motorima M-14P.

Dolje su prikazani materijali izvještaja sastavljeni iz rezultata ovog rada. Pored rezultata balansiranja, oni sadrže podatke iz mjerenja vibracija zrakoplova Yak-52 i Su-29, dobivene tijekom nazemnih i ljetnih ispitivanja. Ti podaci mogu biti od interesa kako pilotima zrakoplova tako i specijalistima uključenim u njihovo održavanje.

2. Balansiranje i mjerenje vibracija Yak-52

2.1. Uvod

U maju – julu 2014. godine obavljeni su radovi na osmatranju vibracija aviona Jak-52 opremljenog avio-motorom M-14P i balansiranju njegovog dvokrakog propelera.

Balansiranje je izvršeno u jednoj ravnini pomoću kompleta "Balanset-1", serijski broj 149.

Shema mjerenja prikazana je na Sl. 2.1. Tijekom balansiranja je senzor vibracija (akcelerometar) 1 instaliran na prednjoj poklopcu mjenjača motora pomoću magnetnog držača na posebno dizajniranoj napravi. Laserski senzor faze 2 je također instaliran na poklopu mjenjača i orijentiran prema reflektivnoj oznaci primijenjnoj na jednoj od lopatica propelera.

Analogni signali sa senzora prenosili su se preko kablova u mjernu jedinicu uređaja "Balanset-1", gdje je obavljena preliminarna digitalna obrada. Ti signali u digitalnom obliku zatim su ušli u računalo, gdje je obavljena obrada softvera i izračunate su masa i kut korigirajuće težine potrebne za kompenzaciju nebalansiranosti propelera.

Tokom ovog rada, uzimajući u obzir iskustvo stečeno iz balansiranja propelera i Su-29 i Yak-52, provedeno je nekoliko dodatnih studija:

• određivanje prirodnih frekvencija oscilacija motora i propelera Yak-52;
• mjerenje veličine vibracija i spektralnog sastava u kabini drugog pilota tijekom leta nakon balansiranja propelera;
• mjerenje vibracija nakon balansiranja propelera i nakon podešavanja sile stezanja amortizera motora.

2.2. Prirodne frekvencije oscilacija motora i propelera

Prirodne frekvencije oscilacija motora, montiranog na amortizere u telu zrakoplova, određene su korištenjem analizatora spektra AD-3527 tvrtke A&D (Japan) preko impulsne pobude.

U spektru prirodnih oscilacija ovjesa motora Yak-52 (Sl. 2.2), identificirane su četiri glavne frekvencije: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Frekvencije 74 Hz, 94 Hz i 120 Hz vjerojatno su povezane s karakteristikama ovjesa motora na tijelo zrakoplova. Frekvencija 20 Hz najvjerojatnije je povezana s prirodnim oscilacijama zrakoplova na njegovu šasiji za slijetanje.

Prirodne frekvencije listova propelera također su određene primjenom metode impulsne pobude. Identificirane su četiri glavne frekvencije: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz i 134 Hz.

Podaci o prirodnim frekvencijama oscilacija ovjesa motora i listova propelera važni su ponajprije za izbor frekvencije rotacije propelera tijekom balansiranja. Glavni uvjet pri izboru ove frekvencije je osiguranje maksimalnog odvajanja od prirodnih frekvencija oscilacija strukturnih elemenata zrakoplova, jer pri rezonantnim frekvencijama točnost i ponovljivost mjerenja vibracija mogu biti značajno oštećene.

Osim toga, znanje o prirodnim frekvencijama pojedinih komponenti može biti korisno za identificiranje uzroka oštrih povećanja vibracija (rezonantnih pojava) pri različitim brzinama motora, koja se mogu pojaviti tijekom rada zrakoplova.

2.3. Rezultati balansiranja

Kao što je gore navedeno, balansiranje propelera izvedeno je u jednoj ravnini, čime se dinamički kompenzirala neuravnoteženost sile propelera.

Dinamičko balansiranje u dvije ravnine (što bi dodatno kompenziralo neuravnoteženost momenta) nije bilo moguće, jer konstruktor propelera na Yak-52 dozvoljava samo jednu korekcijsku ravninu.

Balansiranje je izvedeno pri frekvenciji rotacije od 1150 okretaja/min (60%), pri kojoj su dobivena najstabilnija mjerenja vibracija, kako po amplitudi tako i po fazi, od pokušaja do pokušaja.

Korišten je klasični "dvotračni" postupak:

1. Tijekom prvog pokušaja, određeni su amplituda i faza vibracija pri frekvenciji rotacije propelera u početnom stanju.
2. Tijekom drugog pokušaja, određeni su amplituda i faza vibracija nakon postavljanja pokusne mase od 7 g na propeler.
3. Na temelju ovih podataka, softver je izračunao: korekcijsku masu M = 19.5 g at angle F = 32°.

Zbog konstruktivnih osobitosti propelera, koje nisu dozvoljavale postavljanje korekcijskog utega pod potrebnim kutom od 32°, postavljena su dva ekvivalentna utega:

• M1 = 14 g at angle F1 = 0°
• M2 = 8.3 g at angle F2 = 60°

2.4. Vibracije na Drugim Radnim Režimima

Rezultati provjere vibracija na drugim režimima rada motora tokom pokusa sa zemlje prikazani su u Tabeli 2.1. Kao što se može vidjeti, uravnoteženje je pozitivno utjecalo na vibracije Yak-52 na svim režimima.

Štoviše, tokom pokusa sa zemlje, identificiran je jasna tendencija značajnog smanjenja vibracija s povećanjem frekvencije rotacije propelera. Ovo se može objasniti većom detuniranom frekvencijom rotacije propelera od prirodne frekvencije osciliranja zrakoplova na šasiji (pretpostavljeno 20 Hz), koja se javlja na većim frekvencijama rotacije.

2.5. Vibracije u Letu Prije i Poslije Podešavanja Amortizera

Osim pokusa vibracija sa zemlje nakon uravnoteženja propelera (odjeljak 2.3), izmjerena su i mjerenja vibracija Yak-52 u letu.

Vibracije u letu mjerene su u kabini drugog pilota u vertikalnom smjeru koristeći prijenosni analizator spektra AD-3527 od A&D (Japan) u frekvencijskom rasponu od 5 do 200 (500) Hz. Mjerenja su provedena na pet glavnih režima brzine motora: 60%, 65%, 70%, 82% i 94% maksimalne frekvencije rotacije.

Rezultati, dobiveni prije podešavanja amortizera, prikazani su u Tabeli 2.2.

Kao što se vidi iz Tabele 2.2, glavne komponente vibracija pojavljuju se na frekvenciji rotacije propelera V_p1, frekvencija radilice V_c1, kompressor zraka (i/ili senzor frekvencije) pogona V_n, i njihovih viših harmonika.

Maksimalna ukupna vibracija V_Σ pronađena je na 82% (1580 o/min) i 94% (1830 o/min) režima rada. Dominantna komponenta na ovim režimima pojavljuje se na 2. harmoniku frekvencije rotacije radilice V_c2, dosižući 12,5 mm/s na 4800 ciklusa/min i 15,8 mm/s na 5520 ciklusa/min.

Može se pretpostaviti da je ova komponenta povezana sa grupom klipova (procesi udaranja koji se dešavaju pri dvostrukom kretanju klipova po jednom okretaju radilice). Oštar porast na 82% (prvi nominalni) i 94% (poletanje) režimima najjednostavnije je uzrokovan ne defektima grupe klipova, već rezonantnim oscilacijama motora na njegovim amortiserima. Ovaj zaključak potvrđuju mjerenja prirodne frekvencije koja su otkrila frekvencije suspenzije motora na 74 Hz (4440 ciklusa/min), 94 Hz (5640 ciklusa/min) i 120 Hz (7200 ciklusa/min). Dva od ovih — 74 Hz i 94 Hz — bliska su frekvencijama 2. harmonika radilice na prvom nominalnom i režimu poletanja.

Zbog značajnih vibracija pronađenih na V_c2, provjerena je i uregulirana sila pritiskanja amortisera motora. Poredni rezultati prikazani su u Tabeli 2.3.

Kako se vidi iz Tabele 2.3, ureguliranje amortisera nije dovelo do značajnih promjena u glavnim komponentama vibracija aviona.

Trebalo bi napomenuti i da je komponenta nebalansa propelera V_p1 na režimima 82% i 94% odnosno 3–7 puta manja od V_c2 na tim režimima. Na ostalim režimima leta, V_p1 kreće se od 2,8 do 4,4 mm/s, i njegove promjene između režima određene su uglavnom ne kvalitetom balansiranja, već stupnjem razštimiranja od prirodnih frekvencija strukturnih elemenata aviona.

2.6. Zaključci

2.6.1.

Balansiranje propelera Jak-52 na frekvenciji rotacije od 1150 o/min (60%) omogućilo je smanjenje vibracija na frekvenciji rotacije propelera sa 10,2 mm/s na 4,2 mm/s. Uzimajući u obzir iskustvo akumulirano tokom balansiranja propelera i Jak-52 i Su-29 aviona koristeći uređaj "Balanset-1", postoji realna mogućnost postizanja još većeg smanjenja nivoa vibracija — naročito odabirom veće frekvencije rotacije propelera tokom balansiranja, što bi omogućilo bolji stupanj razštimiranja od prirodne frekvencije oscilacija aviona na 20 Hz (1200 ciklusa/min) identificiranih tokom mjerenja.

2.6.2.

Kako pokazuju testovi vibracija u letu (vidi Tabele 2.2 i 2.3), spektri vibracija aviona Jak-52 sadržavaju, pored vibracija na frekvenciji rotacije propelera V_p1, nekoliko ostalih značajnih komponenti — povezane sa radilicom V_c1, V_c2, V_c3, grupom klipova motora, i kompresorom zraka (i/ili senzor frekvencije) pogona V_n.

Na brzinama od 60%, 65% i 70%, ove komponente su po veličini usporedive sa komponentom nebalansiranosti propelera V_p1. Shodno tome, čak i potpuno eliminiranje vibracija uzrokovanih nebalansiranošću propelera omogućila bi smanjenje ukupne vibracije zrakoplova na ovim brzinama za tek oko 1,5 puta.

2.6.3.

Maksimalna ukupna vibracija V_Σ zrakoplova Yak-52 pronađena je na brzinama od 82% (1580 okr./min propelera) i 94% (1830 okr./min propelera). Dominantna komponenta ove vibracije pojavljuje se na 2. harmoniku frekvencije rotacije koljenastog vratila V_c2, na frekvencijama od 4800 ciklusa/min i 5520 ciklusa/min respektivno, na kojima dostiže vrijednosti od 12,5 mm/s i 15,8 mm/s.

Kao što je pokazano u odjeljcima 2.5 i 2.2, oštro povećanje ove komponente na navedenim brzinama najvjerovatnije nije uzrokovano neispravnostima klipnog sklopa, već rezonantnim oscilacijama motora na njegovim udarnim apsorbatorima. Podešavanje sile zatezanja apsorbatora, izvršeno tijekom ispitanja, nije dovelo do značajnih promjena u nivoima vibracija.

Ovu situaciju se može smatrati greško dizajna ("konstruktivny proschet) mrakonosa koji je nastala tijekom izbora sistema za pričvršćivanje motora (suspenzije) na trup zrakoplova.

2.6.4.

Podaci dobiveni tijekom uravnotežavanja propelera i dodatnih provedenih ispitivanja vibracija pokazuju da periodičko praćenje vibracija može biti korisno za dijagnostičku procjenu tehničkog stanja motora zrakoplova, uključujući procjenu stanja klipnog sklopa, koljenastog vratila, ležajeva motora i pogona zraka kompresora.

Takav rad može biti izvršen, na primjer, koristeći uređaj "Balanset-1" (trenutno proizveđen kao Balanset-1A), u čijem softveru je implementirana funkcija spektralne analize vibracija.

3. Uravnotežavanje propelera MTV-9-K-C/CL 260-27 i ispitivanje vibracija Su-29

3.1. Uvod

Dana 15. lipnja 2014. izvršeni su radovi na uravnotežavanju tro-listnog propelera tipa MTV-9-K-C/CL 260-27, instaliranog na avionu motoru M-14P Su-29 akrobatskog zrakoplova.

Prema podacima dobivenim od proizvođača (MT-Propeller), navedeni propeler je bio prethodno statički uravnotežen, što je potvrđeno prisutnošću na propeleru u ravnini 1 korigirnog utega instaliranog u proizvodnom postrojenju.

Uravnotežavanje propelera, instaliranog direktno na izlaznom vratilu zupčanika Su-29 (tj. na mjestu njegove stalne instalacije), izvršeno je koristeći komplet za uravnotežavanje vibracija "Balanset-1", serijski broj 149.

Shema mjerenja (sl. 3.1) bila je općenito slična onoj korištenoj za Yak-52. Senzor vibracija (akcelerometar) 1 bio je instaliran na kučištu zupčanika motora pomoću magnetnog držača na posebno dizajniranom nosaču. Senzor laserskog faznog kuta 2 bio je isto tako montiran na kučištu zupčanika i usmjeren prema reflektivnoj oznaci primijenjnoj na jednoj od listova propelera. Analogni signali sa senzora su preneseni putem kabela do mjerne jedinice uređaja "Balanset-1", gdje je izvršena preliminarna digitalna obrada. Zatim su signali u digitalnom obliku ušli u računalo, gdje je izvršena obrada softvera i izračunata masa i kut korigirnog utega potrebnog za kompenzaciju nebalansiranosti propelera.

Prije ovog rada, i uzimajući u obzir iskustvo iz uravnotežavanja propelera Yak-52, provedena su dodatna ispitivanja:

• Određivanje prirodnih frekvencija motora Su-29 i oscilacija propelera;
• Provjera amplitude i spektralnog sastava početne vibracije u kabini drugog pilota prije balansiranja.

3.2. Prirodne frekvencije motora i oscilacija propelera

Koristeći istu metodu udarnog pobude sa analizatorom AD-3527, identificirano je šest glavnih frekvencija u spektru ovjesa motora (Sl. 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

Frekvencije 66 Hz, 88 Hz i 120 Hz su vjerovatno direktno povezane sa karakteristikama sistema učvršćenja (ovjesa) motora u airfrejmskoj konstrukciji. Frekvencije 16 Hz i 22 Hz su vjerovatno povezane sa prirodnim oscilacijama airfrejma u cijelosti na njegovoj šasiji. Što se tiče frekvencije od 37 Hz, ona je vjerovatno vezana za prirodnu frekvenciju oscilacija lopatice propelera airfrejma.

Ova posljednja pretpostavka je potvrđena rezultatima mjerenja prirodnih frekvencija oscilacija lopatica propelera (Sl. 3.3), u čijem spektru su identificirane tri glavne frekvencije: 37 Hz, 100 Hz i 174 Hz.

Znanje o prirodnim frekvencijama ovjesa motora i lopatica propelera Su-29 ima veliku praktičnu važnost. Prvo, omogućava opravdani odabir frekvencije rotacije propelera za balansiranje, osiguravajući maksimalnu detunju od strukturnih rezonancija airfrejma. Drugo, pruža neophodnu osnovu za ispravnu interpretaciju i dijagnostiku uzroka vibracija posmatrane na različitim režimima rada motora, kao što će biti pokazano u narednim dijelovima ovog izvještaja.

3.3. Početna vibracija kabine prije balansiranja

Prije izvršavanja procedura balansiranja, mjerenja nivoa početne vibracije u kabini drugog pilota Su-29 su provedena. Kao i u slučaju Yak-52, vibracija je mjerena u vertikalnom smjeru koristeći prenosivi analizator spektra AD-3527 proizvodnje A&D (Japan) u frekvencijskom opsegu od 5 do 200 Hz. Mjerenja su izvršena na četiri glavna režima brzine motora, što odgovara 60%, 65%, 70% i 82% maksimalne frekvencije rotacije propelera.

Rezultati ovih mjerenja su prikazani u Tabeli 3.1.

Glavne komponente vibracija se pojavljuju na frekvenciji rotacije propelera V_p1, crankshaft V_c1, pogon kompresora V_n, i 2. harmonik koljenastog vratila V_c2 (što u slučaju trokrilnog propelera može također poklapati s frekvencijom prolaska lista V_p3).

U spektru 60% režima, pronađena je i neidentificirana komponenta na 6120 ciklusa/min, moguće uzrokovana rezonancom pri približno 100 Hz — jednom od prirodnih frekvencija krilca propelera.

Maksimalna ukupna vibracijska amplituda (11,5 mm/s) pronađena je pri 70% režimu. Dominantna komponenta u ovom režimu je V_c2 pri 4020 ciklusa/min, dosežući 10,8 mm/s. Ovaj oštar porast pri 70% vjerojatno je zbog rezonantnih oscilacija suspenzije motora blizu 67 Hz (4020 ciklusa/min).

Valja napomenuti i da, osim impulsnog pobude iz klipnog mehanizma, vibracija u ovom frekventnom području može biti utjecana i aerodinamičkim silama na frekvenciji prolaska lista propelera (V_p3). Pri 65% i 82% režima, primjetan je porast komponente V_c2 (V_p3), što se jednako može objasniti rezonantnim oscilacijama pojedinih konstruktivnih dijelova zrakoplova.

Komponenta nebalancirane propelera V_p1 kretala se od 2,4 do 5,7 mm/s u raznim režimima prije balansiranja, općenito manja od V_c2 pri odgovarajućim režimima. Njena varijacija između režima određena je ne samo kvalitetom balansiranja, već i stupnjem odsustva rezonancije s prirodnim frekvencijama konstruktivnih elemenata zrakoplova.

3.4. Rezultati balansiranja

Balansiranje propelera provedeno je u jednoj ravnini pri frekvenciji vrtnje od 1350 o/min, primjenom dvije mjerne serije (klasična metoda koeficijenata utjecaja). Potpuni protokol balansiranja prikazan je u Dodatak 1.

Postupak balansiranja sastojao se od sljedećih operacija:

1. Tijekom prve mjerene serije (početno stanje), određena je amplituda i faza vibracije pri frekvenciji vrtnje propelera.
2. Tijekom druge mjerene serije, određena je amplituda i faza vibracije nakon ugradnje pokusne mase poznate težine na propeler.
3. Na temelju ovih rezultata mjerenja, softver je izračunao masu i kut ugradnje korektivnog utega u ravnini 1, potrebnog za kompenzaciju nebalansa propelera.

Provjera kvalitete balansiranja u letnom stanju nije provedena zbog slučajne oštećenja propelera tijekom školeće letne misije.

Razlozi navedene neusklađenosti mogu biti sljedeći:

• greške mjernog sustava balansirnog stola u proizvodnom pogonu (ovaj razlog čini se najmanje vjerojatnim);
• geometrijske greške (netočnosti) montažnih površina vretena balansirnog stroja u proizvodnom pogonu, što uzrokuje radijalnu istjecajnost elise na vretenu;
• geometrijske greške (netočnosti) montažnih površina izlaznog vratila reduktora na zrakoplovu Su-29, što uzrokuje radijalnu istjecajnost elise pri instalaciji na vratilo reduktora.

3.5. Zaključci

3.5.1.

Balansiranje elise zrakoplova Su-29 u jednoj korekcijskoj ravnini na frekvenciji rotacije elise od 1350 rpm (70%) omogućilo je smanjenje vibracija na frekvenciji rotacije elise sa 6,7 mm/sec u početnom stanju na 1,5 mm/sec nakon balansiranja. Vibracije povezane sa nebalansom elise u ostalim brzinama rada motora također su se značajno smanjile i ostale su u granicama od 1–2,5 mm/sec.

3.5.2.

Kako bi se razjasnili razlozi za nezadovoljavajuće rezultate balansiranja elise u proizvodnom pogonu (MT-Propeller), potrebno je provjeriti radijalnu istjecajnost elise na izlaznom vratilu reduktora motora zrakoplova Su-29.

Prilog 1: Protokol balansiranja