O vyvažování vrtule letadla v polních podmínkách. Část 1

1. V.D. Feldman

Hlavní technik OU Vibromera

O vyvažování vrtule letadla v polním prostředí

 "Řidičem letadla je vrtule,

a vyvážit ji může jenom hnací síla"

1. Na adrese místo předmluvy

Před dvěma a půl lety zahájila naše společnost sériovou výrobu zařízení Balanset-1, určeného k vyvažování rotorových mechanismů ve vlastních ložiscích.

K dnešnímu dni bylo vyrobeno více než 180 sad, které se efektivně používají v různých průmyslových odvětvích, včetně výroby a provozu ventilátorů, odsavačů, elektromotorů, pracovních vřeten, čerpadel, drtičů, separátorů, odstředivek, hnacích a klikových hřídelí a dalších mechanismů.

V poslední době naše společnost obdržela velké množství žádostí od organizací i jednotlivců týkajících se možnosti využití našeho zařízení pro vyvažování vrtulí letadel a vrtulníků v polních podmínkách.

Bohužel naši odborníci, kteří mají velké zkušenosti s vyvažováním nejrůznějších strojů, se s tímto problémem nikdy nesetkali. Proto rady a doporučení, které jsme mohli našim zákazníkům poskytnout, byly obecného charakteru a ne vždy jim umožnily problém účinně vyřešit.

Letos na jaře se situace začala měnit k lepšímu díky aktivnímu postoji V. D. Čvokova, který organizoval a spolu s námi se nejaktivněji podílel na pracích na vyvažování vrtulí Jak-52 a SU-29, jejichž je pilotem.

Obr. 1.1. Jak-52 na letišti

Obr. 1.2. SU-29 na parkovišti

Během tohoto procesu jsme si osvojili určité dovednosti a technologie vyvažování vrtulí letadel v polních podmínkách pomocí systému Balanset-1, včetně:

• určení míst a způsobů instalace (montáže) snímačů vibrací a fázového úhlu na zařízení;
• stanovení rezonančních frekvencí řady konstrukčních prvků letadla (závěs motoru, vrtulový list);
• identifikace otáček (provozních režimů) motoru a zajištění minimální zbytkové nevyváženosti v procesu vyvažování;
• stanovení tolerancí pro zbytkovou nevyváženost vrtule atd.

Kromě toho jsme získali zajímavé údaje o úrovni vibrací letadel vybavených motory M-14P.

Níže jsou na základě výsledků těchto prací navrženy materiály pro hlášení.

Spolu s výsledky vyvažování obsahují údaje z vibračních průzkumů letounů Jak-52 a SU-29 získané během zkoušek na zemi a za letu.

Tyto údaje mohou být zajímavé jak pro piloty letadel, tak pro specialisty na údržbu.

2. Výsledky vyvažování vrtule a vibrační zkoušky akrobatického letounu YAK-52

2.1. Úvod

V květnu až červenci 2014 jsme provedli vibrační zkoušky letounu YAK-52 vybaveného leteckým motorem M-14P a vyvažování jeho dvoulisté vrtule.

Vyvažování bylo provedeno ve stejné rovině pomocí vyvažovací soupravy Balanset-1, číslo závodu 149.

Schéma měření použité při vyvažování je znázorněno na obrázku 2.1.

Během procesu vyvažování se snímač vibrací (akcelerometr) 1 byl namontován na přední kryt převodovky motoru pomocí magnetu na speciálním držáku.

Laserový snímač fázového úhlu 2 byl rovněž namontován na krytu převodovky a byl veden odrazovým štítkem umístěným na jednom z vrtulových listů.

Analogové signály ze senzorů byly přenášeny kabely do měřicí jednotky Balanset-1, kde bylo provedeno jejich předběžné digitální zpracování.

Dále byly tyto signály v digitální podobě přeneseny do počítače, který je zpracoval a vypočítal hmotnost a úhel instalace korekčního závaží potřebného k vyrovnání nevyváženosti vrtule.

Obr. 2.1. Schéma měření vyvažovací vrtule letounu YAK-52.

Zk - hlavní ozubené kolo;

Zс - satelity převodovky;

Zn - kolo s pevným převodem.

V průběhu této práce jsme s ohledem na zkušenosti s vyvažováním vrtulí letounů SU-29 a Jak-52 provedli řadu dalších studií, včetně:

• stanovení vlastních frekvencí kmitání motoru a vrtule letounu YAK-52;
• zkoumání hodnoty a spektrálního složení vibrací v kabině druhého pilota za letu po vyvážení vrtule;
• zkoumání hodnoty a spektrálního složení vibrací v kabině druhého pilota za letu po vyvážení vrtule a seřízení utahovací síly tlumiče motoru.

2.2. Výsledky studií vlastních frekvencí motoru a vrtule.

Vlastní frekvence motoru namontovaného na tlumičích v trupu letadla byly stanoveny pomocí spektrálního analyzátoru AD-3527, f. A @ D, (Japonsko), rázovým buzením kmitů motoru.

Ve spektru vlastních kmitů závěsu motoru YAK-52 jsme určili 4 hlavní frekvence, a to: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz, jejichž příklad je uveden na obr. 2.2.

Obr. 2.2. Spektrum vlastních frekvencí kmitání závěsu motoru YAK-52

Frekvence 74 Hz, 94 Hz a 120 Hz pravděpodobně souvisejí s vlastnostmi upevnění (zavěšení) motoru na trup letadla.

Frekvence 20 Hz pravděpodobně souvisí s kmitáním letadla na podvozku.

Vlastní frekvence kmitání vrtulových listů byly rovněž stanoveny metodou rázového buzení.

V tomto případě jsme odhalili čtyři hlavní frekvence, a to: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz a 134 Hz.

Údaje o vlastních frekvencích kmitání vrtule a motoru letounu YAK-52 mohou být důležité především při volbě frekvence otáčení vrtule použité při vyvažování. Hlavní podmínkou pro volbu této frekvence je zajistit její maximální možnou odchylku od vlastních frekvencí kmitání konstrukčních prvků letadla.

Kromě toho může být znalost vlastních frekvencí kmitání jednotlivých součástí a dílů letadla užitečná pro identifikaci příčin prudkého nárůstu (v případě rezonance) určitých složek spektra vibrací při různých otáčkách motoru.

2.3. Výsledky bilancování.

Jak jsme uvedli výše, vrtule byla vyvážena ve stejné rovině, v důsledku čehož byla zajištěna kompenzace výkonové nevyváženosti vrtule v dynamice.

Dynamické vyvážení ve dvou rovinách, které umožňuje (kromě silového) kompenzovat momentovou nevyváženost vrtule, nebylo možné, protože konstrukce vrtule namontované na YAK-52 umožňuje vytvořit pouze jednu korekční rovinu.

Vrtule byla vyvážena při frekvenci otáčení rovné 1 150 ot/min (60%), při které bylo možné získat nejstabilnější výsledky měření vibrací v amplitudě a fázi od počátku do konce.

Vrtule byla vyvážena podle klasického schématu "dva starty".

Při prvním spuštění jsme určili amplitudu a fázi vibrací při frekvenci otáčení vrtule v počátečním stavu.

Při druhém spuštění jsme určili amplitudu a fázi vibrací při frekvenci otáčení vrtule po zafixování zkušební hmotnosti rovné 7 g.

S ohledem na tyto údaje jsme programově vypočítali hmotnost M = 19,5 g a úhel instalace korekčního závaží F = 32.

S ohledem na konstrukční vlastnosti vrtule, které neumožňují umístit korekční závaží pod požadovaným úhlem, jsou na vrtuli upevněna dvě ekvivalentní závaží, včetně:

• Hmotnost M1 = 14 g na úhlu F1 = 0º;
• Hmotnost M1 = 8,3 g na úhlu F1 = 60º.

Po umístění výše uvedených korekčních závaží na vrtuli se vibrace měřené při otáčkách 1 150 ot/min a spojené s nevyvážeností vrtule snížily z 10,2 mm/s v původním stavu na 4,2 mm/s po vyvážení.

Současně se skutečná nevyváženost vrtule snížila z 2 340 g*mm na 963 g*mm.

2.4. Testování vlivu vyvážení na úroveň vibrací letounu YAK-52 na zemi při různých otáčkách vrtule

V tabulce 2.1 jsou uvedeny výsledky vibračních zkoušek letounu YAK-52 provedených za jiných provozních podmínek motoru, které byly získány při zkouškách na zemi.

Jak ukazuje tabulka, vyvažování mělo pozitivní vliv na vibrace modelu YAK-52 ve všech režimech jeho provozu.

Tabulka 2.1

Při testování na zemi byla navíc zjištěna tendence výrazně snížit vibrace letadla při zvýšené rychlosti otáčení jeho vrtule.

Tento jev lze vysvětlit větším stupněm odklonu otáček vrtule od přirozené frekvence kmitání letadla na podvozku (pravděpodobně 20 Hz), ke kterému dochází při zvýšených otáčkách vrtule.

2.5. Zkoumání vibrací letounu YAK-52 ve vzduchu v hlavních letových režimech před a po seřízení utahovací síly tlumičů

Kromě vibračních testů provedených po vyvážení vrtule na zemi (viz oddíl 2.3) jsme provedli měření vibrací letounu YAK-52 za letu.

Vibrace za letu byly měřeny v kokpitu druhého pilota. ve svislém směru pomocí přenosného analyzátoru vibračního spektra AD-3527 f. A@D (Japonsko) ve frekvenčním rozsahu od 5 do 200 (500) Hz.

Měření byla provedena při pěti otáčkách hlavního motoru rovnajících se 60%, 65%, 70% a 82% jeho maximálních otáček.

Výsledky měření provedených před seřízením tlumičů jsou uvedeny v tabulce 2.2.

Tabulka 2.2

Jako příklad jsou na obr. 2.3 a 2.4 uvedeny grafy spekter získaných při měření vibrací v kabině letounu YAK-52 v režimech 60% a 94% a použitých při vyplňování tabulky 2.2.

Obr.2.3. Spektrum vibrací v kabině letounu YAK-52 při 60%.

Obrázek 2.4. Vibrační spektrum v kabině letounu YAK-52 při 94%.

Jak ukazuje tabulka 2.2, hlavní složky vibrací, měřené v kabině druhého pilota, se objevují u otáček vrtule Vv1 (zvýrazněno žlutě), klikového hřídele motoru Vk1 (zvýrazněno modře) a hnacího ústrojí vzduchového kompresoru (a/nebo snímače frekvence) Vn (zvýrazněno zeleně), jakož i u jejich vyšších harmonických Vv2, Vv4, Vv5 a Vk2, Vk3.

Maximální celkové vibrace Vå  byla zjištěna při rychlostech 82% (1 580 otáček vrtule za minutu) a 94% (1 830 otáček za minutu).

Hlavní složka těchto vibrací se projevuje na 2^nd harmonické otáček klikového hřídele motoru Vk2 a podle toho dosahuje hodnot 12,5 mm/s při frekvenci 4800 cyklů/min a 15,8 mm/s při frekvenci 5520 cyklů/min.

Lze předpokládat, že tato složka souvisí s činností pístního bloku motoru (rázové procesy, kdy se písty během jedné otáčky klikového hřídele dvakrát přemístí).

Prudký nárůst této složky v režimech 82% (první jmenovitý) a 94% (vzletový) není s největší pravděpodobností způsoben vadami pístní skupiny, ale rezonančními kmity motoru upevněného v tělese letadla na tlumiči.

Tento závěr potvrzují výše uvedené výsledky experimentálního ověření vlastních frekvencí kmitání zavěšení motoru, v jejichž spektru jsou 74 Hz (4440 cyklů/min), 94 Hz (5640 cyklů/min) a 120 Hz (7200 cyklů/min).

Dvě z těchto vlastních frekvencí, rovnající se 74 a 94 Hz, jsou blízké frekvencím 2.^nd harmonické otáček klikového hřídele, které se vyskytují v prvních jmenovitých a vzletových hodnotách provozu motoru.

Vzhledem k tomu, že jsme při vibračních testech odhalili výrazné vibrace na 2.^nd harmonické klikového hřídele v první jmenovité a vzletové hodnotě motoru, byla snaha zkontrolovat a seřídit utahovací sílu tlumičů pérování motoru.

V tabulce 2.3 jsou uvedeny výsledky srovnávací zkoušky před a po seřízení tlumičů pro otáčky vrtule (Vv1) a 2^nd harmonická frekvence otáčení klikového hřídele (Vk2).

Tabulka 2.3

Jak je vidět z tabulky 2.3, nastavení tlumičů nevedlo k výrazným změnám hodnot hlavních složek vibrací letadla.

S ohledem na výše uvedené je možné považovat výrazné zvýšení složky vibrací letounu YAK-52 v prvním jmenovitém a vzletovém režimu (podle našeho názoru) za konstrukční chybu konstruktérů letounu, které se dopustili při volbě systému uchycení motoru (zavěšení) v trupu letounu.

V této souvislosti je třeba poznamenat, že amplituda spektrální složky související s nevyvážeností vrtule Vv1, zjištěná v režimech 82% a 94% (viz tabulky 1.2 a 1.3), je 3-7krát nižší než amplitudy Vk2 v těchto režimech.

V ostatních režimech letu se složka Vv1 pohybuje v rozmezí 2,8-4,4 mm/s.

Navíc, jak ukazují tabulky 2.2 a 2.3, při přechodu z jednoho režimu do druhého nejsou jeho změny určeny především kvalitou vyvážení, ale mírou odklonu otáček vrtule od vlastních frekvencí kmitání určitých konstrukčních prvků letadla.

2.6. Závěry k výsledkům práce

2.6.1. Vyvážení vrtule YAK-52, provedené při frekvenci otáčení 1150 ot/min (60%), umožnilo snížit vibrace vrtule z 10,2 mm/s na 4,2 mm/s.

S ohledem na určité zkušenosti získané při vyvažování vrtulí letounů YAK-52 a SU-29 pomocí systému Balanset-1 lze předpokládat, že existuje možnost dalšího snížení úrovně vibrací vrtule letounu YAK-52.

Tohoto účinku lze dosáhnout zejména volbou jiné (vyšší) frekvence otáčení vrtule při jejím vyvažování, která umožňuje větší míru odloučení od přirozené frekvence kmitání letadla 20 Hz (1 200 cyklů/min) zjištěné během zkoušky.

2.6.2. Jak ukazují výsledky vibračních zkoušek letounu YAK-52 za letu, jeho vibrační spektra (kromě složky uvedené výše v odstavci 2.6.1, která se objevuje při frekvenci otáčení vrtule) mají řadu dalších složek souvisejících s činností klikového hřídele, pístové skupiny motoru a také hnacího ústrojí vzduchového kompresoru (a/nebo snímače frekvence).

Hodnoty výše uvedených vibrací v režimech 60%, 65% a 70% jsou úměrné hodnotě vibrací, které souvisejí s nevyvážeností vrtule.

Analýza těchto vibrací ukazuje, že i úplné odstranění vibrací způsobených nevyvážeností vrtule sníží celkové vibrace letadla v těchto režimech nejvýše 1,5krát.

2.6.3. Maximální celkové vibrace Vå YAK-52 byl zjištěn ve vysokorychlostních režimech, a to: 82% (1 580 ot/min vrtule) a 94% (1 830 ot/min vrtule).

Hlavní složka těchto vibrací se projevuje na 2^nd harmonické frekvence otáčení klikového hřídele motoru Vk2 (při frekvencích 4 800 cyklů/min nebo 5 520 cyklů/min), při nichž dosahuje hodnot 12,5 mm/s, resp. 15,8 mm/s.

Lze předpokládat, že tato složka souvisí s činností pístní skupiny motoru (rázové procesy vznikající při dvojím přemístění pístů během jedné otáčky klikového hřídele).

Prudký nárůst této složky v režimech 82% (první jmenovitý) a 94% (vzlet) není s největší pravděpodobností způsoben závadami v pístní skupině, ale rezonančními kmity na motoru, upevněnými v tělese letadla na tlumičích.

Během zkoušek nevedlo seřízení tlumičů k výrazným změnám vibrací.

Tuto situaci lze považovat za konstrukční chybu konstruktérů letadla, které se dopustili při volbě systému uchycení (zavěšení) motoru v tělese letadla.

2.6.4. Údaje získané při vyvažování a doplňkových vibračních zkouškách (viz výsledky letových zkoušek v oddíle 2.5) umožňují vyvodit závěr, že periodické sledování vibrací může být užitečné pro diagnostické hodnocení technického stavu leteckého motoru.

Takový postup lze provést například pomocí přístroje Balanset-1, jehož software implementuje funkci spektrální analýzy vibrací.