Über das Auswuchten des Propellers eines Flugzeugs in der Praxis. Teil 1

1. V.D. Feldman

Cheftechniker der OU Vibromera

Auswuchten des Propellers des Flugzeugs in der Feldumgebung

 "Der Propeller ist der Treiber des Flugzeugs,

und ausgleichen kann es nur ein Streber"

1. Unter anstelle eines Vorworts

Vor zweieinhalb Jahren begann unser Unternehmen mit der Serienproduktion des Balanset-1, das zum Auswuchten von Rotormechanismen in eigenen Lagern bestimmt ist.

Bis heute wurden mehr als 180 Sätze hergestellt, die in verschiedenen Industriezweigen effektiv eingesetzt werden, u. a. bei der Herstellung und dem Betrieb von Ventilatoren, Absaugern, Elektromotoren, Arbeitsspindeln, Pumpen, Brechern, Abscheidern, Zentrifugen, Antriebs- und Kurbelwellen und anderen Mechanismen.

In letzter Zeit hat unser Unternehmen zahlreiche Anfragen von Organisationen und Einzelpersonen erhalten, die sich für den Einsatz unserer Geräte zum Auswuchten von Flugzeug- und Hubschrauberpropellern in der Praxis interessieren.

Leider haben sich unsere Spezialisten, die über große Erfahrung beim Auswuchten einer Vielzahl von Maschinen verfügen, noch nie mit diesem Problem befasst. Daher waren die Ratschläge und Empfehlungen, die wir unseren Kunden geben konnten, allgemeiner Natur und ermöglichten es ihnen nicht immer, das Problem effektiv zu lösen.

In diesem Frühjahr begann sich die Situation zum Besseren zu wenden, dank des aktiven Einsatzes von V. D. Chvokov, der zusammen mit uns die aktivste Teilnahme an den Arbeiten zum Auswuchten der Propeller von YAK-52 und SU-29, deren Pilot er ist, organisierte und übernahm.

Abb. 1.1. Yak-52 auf dem Flugplatz

Abb. 1.2. SU-29 auf dem Parkplatz

Während dieses Prozesses haben wir eine bestimmte Fähigkeit und Technologie des Auswuchtens von Flugzeugpropellern in der Feldumgebung mit Balanset-1 erlernt, einschließlich:

• Bestimmung der Orte und Methoden für die Installation (Montage) der Schwingungssensoren und des Phasenwinkels an der Anlage;
• Bestimmung der Resonanzfrequenzen einer Reihe von Strukturelementen des Flugzeugs (Triebwerksaufhängung, Propellerblatt);
• Ermittlung der Drehzahlen (Betriebsarten) des Motors, um eine minimale Restunwucht beim Auswuchten zu erreichen;
• Bestimmung der Toleranzen für die Restunwucht des Propellers usw.

Darüber hinaus haben wir interessante Daten über die Vibrationswerte der mit M-14P-Triebwerken ausgestatteten Flugzeuge erhalten.

Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Arbeiten werden im Folgenden Berichtsmaterialien vorgeschlagen.

Zusammen mit den Ergebnissen der Auswuchtung enthalten sie die Daten der Schwingungsmessungen der YAK-52 und SU-29, die während der Tests am Boden und im Flug durchgeführt wurden.

Diese Daten können sowohl für Piloten von Flugzeugen als auch für Wartungsspezialisten von Interesse sein.

2. Die Ergebnisse der Auswuchtung des Propellers und der Schwingungsprüfung des Kunstflugzeugs YAK-52

2.1. Einleitung

Im Mai-Juli 2014 führten wir Vibrationstests an der YAK-52 mit dem Flugzeugtriebwerk M-14P durch und wuchteten den Zweiblattpropeller aus.

Das Auswuchten erfolgte in der gleichen Ebene mit dem Auswuchtset Balanset-1, Werk Nr. 149.

Das beim Auswuchten verwendete Messschema ist in Abbildung 2.1 dargestellt.

Während des Auswuchtvorgangs wird der Schwingungssensor (Beschleunigungsmesser) 1 wurde mit einem Magneten auf einer speziellen Halterung an der vorderen Abdeckung des Motorgetriebes befestigt.

Der Lasersensor des Phasenwinkels 2 war ebenfalls auf dem Getriebedeckel montiert und wurde von einem reflektierenden Schild an einem der Propellerblätter geführt.

Die analogen Signale der Sensoren wurden über Kabel an die Messeinheit des Balanset-1 übertragen, in der die digitale Vorverarbeitung stattfand.

Außerdem wurden diese Signale in digitaler Form an den Computer übertragen, der sie verarbeitete und die Masse und den Einbauwinkel des Ausgleichsgewichts berechnete, das zum Ausgleich der Unwucht am Propeller erforderlich war.

Abb. 2.1. Messschema für den Ausgleichspropeller des YAK-52.

Zk - Hauptzahnrad;

Zс - Getriebe-Satelliten;

Zn - festes Zahnrad.

Im Laufe dieser Arbeit haben wir unter Berücksichtigung der Erfahrungen mit dem Auswuchten von Propellern der SU-29 und YAK-52 eine Reihe zusätzlicher Studien durchgeführt, unter anderem:

• Bestimmung der Eigenfrequenzen der Schwingungen von Motor und Propeller des YAK-52;
• Untersuchung des Wertes und der spektralen Zusammensetzung der Schwingungen im Cockpit des Copiloten während des Fluges nach dem Auswuchten des Propellers;
• Untersuchung des Wertes und der spektralen Zusammensetzung der Schwingungen im Cockpit des Copiloten während des Fluges nach dem Auswuchten des Propellers und der Einstellung der Anzugskraft des Motordämpfers.

2.2. Die Ergebnisse der Studien zu den Eigenfrequenzen von Motor und Propeller.

Die Eigenfrequenzen des auf den Dämpfern im Flugzeugrumpf montierten Triebwerks wurden mit dem Spektrumanalysator AD-3527, f. A @ D, (Japan), durch Stoßanregung der Triebwerksschwingungen ermittelt.

Im Spektrum der Eigenschwingungen der Motoraufhängung des YAK-52 wurden 4 Hauptfrequenzen ermittelt: 20 Hz, 74Hz, 94 Hz, 120 Hz. Ein Beispiel dafür ist in Abb. 2.2 dargestellt.

Abb. 2.2. Das Spektrum der Eigenfrequenzen der Schwingungen der Motoraufhängung des YAK-52

Die Frequenzen 74 Hz, 94 Hz und 120 Hz stehen wahrscheinlich im Zusammenhang mit der Aufhängung des Triebwerks am Rumpf des Flugzeugs.

Die Frequenz von 20 Hz ist höchstwahrscheinlich auf die Schwingungen des Flugzeugs auf dem Fahrgestell zurückzuführen.

Die Eigenfrequenzen der Propellerblätter wurden ebenfalls mit der Stoßanregungsmethode bestimmt.

In diesem Fall haben wir vier Hauptfrequenzen festgestellt, nämlich: 36Hz, 80Hz, 104Hz und 134Hz.

Die Daten über die Eigenschwingungsfrequenzen des Propellers und des Triebwerks von YAK-52 können bei der Wahl der Propellerdrehfrequenz für das Auswuchten von größter Bedeutung sein. Die wichtigste Bedingung für die Wahl dieser Frequenz ist, dass sie möglichst weit von den Eigenschwingungsfrequenzen der Strukturelemente des Flugzeugs entfernt ist.

Darüber hinaus kann die Kenntnis der Eigenfrequenzen der Schwingungen einzelner Komponenten und Teile des Flugzeugs nützlich sein, um die Gründe für einen starken Anstieg (im Falle von Resonanz) bestimmter Komponenten des Schwingungsspektrums bei verschiedenen Motordrehzahlen zu ermitteln.

2.3. Ergebnisse des Ausgleichs.

Wie bereits erwähnt, wurde der Propeller in der gleichen Ebene ausgewuchtet, wodurch das Leistungsungleichgewicht des Propellers in der Dynamik ausgeglichen wurde.

Ein dynamisches Auswuchten in zwei Ebenen, das (zusätzlich zur Kraftebene) den Ausgleich der Momentenunwucht des Propellers ermöglicht, war nicht möglich, da die Konstruktion des auf YAK-52 montierten Propellers nur die Bildung einer Ausgleichsebene zulässt.

Der Propeller wurde bei einer Rotationsfrequenz von 1.150 U/min (60%) ausgewuchtet, bei der es möglich war, die stabilsten Ergebnisse der Schwingungsmessung in Amplitude und Phase von Anfang bis Ende zu erhalten.

Der Propeller wurde nach dem klassischen "Zwei-Start-Schema" ausgewuchtet.

Bei der ersten Inbetriebnahme haben wir die Amplitude und Phase der Schwingungen bei der Frequenz der Propellerdrehung im Ausgangszustand bestimmt.

Während des zweiten Anlaufs wurden die Amplitude und die Phase der Schwingung bei der Frequenz der Propellerdrehung bestimmt, nachdem die Prüfmasse auf 7 g festgelegt worden war.

Unter Berücksichtigung dieser Daten haben wir programmatisch die Masse M = 19,5g und den Aufstellwinkel des Korrekturgewichts F = 32 berechnet.

Unter Berücksichtigung der Konstruktionsmerkmale des Propellers, die es nicht erlauben, das Ausgleichsgewicht im erforderlichen Winkel anzubringen, werden zwei gleichwertige Gewichte am Propeller befestigt, darunter:

• Gewicht M1 = 14g auf dem Winkel F1 = 0º;
• Gewicht M1 = 8,3g auf dem Winkel F1 = 60º.

Nachdem die oben genannten Ausgleichsgewichte am Propeller angebracht wurden, verringerte sich die bei einer Drehzahl von 1.150 U/min gemessene und mit der Unwucht des Propellers verbundene Schwingung von 10,2 mm/s im Ausgangszustand auf 4,2 mm/s nach dem Auswuchten.

Gleichzeitig sank die tatsächliche Unwucht des Propellers von 2.340 g*mm auf 963 g*mm.

2.4. Prüfung des Einflusses des Auswuchtens auf das Vibrationsniveau des YAK-52 am Boden bei verschiedenen Propellerdrehzahlen

Tabelle 2.1 zeigt die Ergebnisse des Vibrationstests des YAK-52, der unter anderen Betriebsbedingungen des Triebwerks durchgeführt wurde, die bei Tests am Boden ermittelt wurden.

Wie die Tabelle zeigt, wirkte sich das Auswuchten in allen Betriebsarten positiv auf die Schwingungen des YAK-52 aus.

Tabelle 2.1

Darüber hinaus wurde bei Tests am Boden die Tendenz festgestellt, die Vibrationen eines Flugzeugs mit einer erhöhten Drehzahl seines Propellers deutlich zu reduzieren.

Dieses Phänomen lässt sich durch eine stärkere Abweichung der Propellerdrehzahl von der Eigenschwingungsfrequenz des Flugzeugs auf dem Fahrgestell (vermutlich 20 Hz) erklären, die mit zunehmender Propellerdrehzahl auftritt.

2.5. Untersuchung der Schwingungen des YAK-52 in der Luft in den Hauptflugmodi vor und nach der Einstellung der Anzugskraft der Dämpfer

Zusätzlich zu den Schwingungstests, die nach dem Auswuchten des Propellers am Boden durchgeführt wurden (siehe Abschnitt 2.3), haben wir Messungen der Schwingungen von YAK-52 im Flug vorgenommen.

Vibrationen im Flug wurden im Cockpit des Copiloten gemessen in vertikaler Richtung mit einem tragbaren Schwingungsspektrumanalysator AD-3527 f. A@D (Japan) im Frequenzbereich von 5 bis 200 (500) Hz.

Die Messungen wurden bei fünf Hauptmotordrehzahlen durchgeführt, die jeweils 60%, 65%, 70% und 82% der Höchstdrehzahl entsprechen.

Die Ergebnisse der vor der Einstellung der Dämpfer durchgeführten Messungen sind in Tabelle 2.2 aufgeführt.

Tabelle 2.2

Als Beispiel zeigen Abb. 2.3 und 2.4 Diagramme der Spektren, die bei der Messung der Schwingungen im Cockpit von YAK-52 in den Modi 60% und 94% erhalten wurden und beim Ausfüllen von Tabelle 2.2 verwendet wurden.

Abb.2.3. Das Schwingungsspektrum im Cockpit von YAK-52 bei 60%.

Abbildung 2.4. Das Schwingungsspektrum im Cockpit von YAK-52 bei 94%.

Wie Tabelle 2.2 zeigt, treten die Hauptkomponenten der im Cockpit des Kopiloten gemessenen Schwingungen bei den Propellerdrehzahlen Vv1 (gelb hervorgehoben), der Motorkurbelwelle Vk1 (blau hervorgehoben) und dem Antriebsrad des Luftkompressors (und/oder dem Frequenzsensor) Vn (grün hervorgehoben) sowie bei deren höheren Harmonischen Vv2, Vv4, Vv5 und Vk2, Vk3 auf.

Die maximale Gesamtschwingung Vå  wurde bei Geschwindigkeiten von 82% (1.580 U/min des Propellers) und 94% (1.830 U/min) festgestellt.

Die Hauptkomponente dieser Schwingung manifestiert sich in der 2^und Harmonischen der Motorkurbelwellendrehzahl Vk2 und erreicht dementsprechend die Werte 12,5 mm/s bei einer Frequenz von 4800 Zyklen/min und 15,8 mm/s bei einer Frequenz von 5.520 Zyklen/min.

Es kann davon ausgegangen werden, dass diese Komponente mit dem Betrieb des Motor-Kolbenblocks zusammenhängt (Stoßvorgänge, wenn die Kolben während einer Kurbelwellenumdrehung zweimal neu positioniert werden).

Der starke Anstieg dieser Komponente in den Betriebsarten 82% (erste Nennleistung) und 94% (Start) wird höchstwahrscheinlich nicht durch Defekte in der Kolbengruppe verursacht, sondern durch Resonanzschwingungen am Triebwerk, das im Flugzeugkörper auf dem Dämpfer befestigt ist.

Diese Schlussfolgerung wird durch die oben genannten Ergebnisse der experimentellen Überprüfung der natürlichen Schwingungsfrequenzen der Motoraufhängung bestätigt, in deren Spektrum 74 Hz (4.440 Zyklen/min), 94 Hz (5640 Zyklen/min) und 120 Hz (7.200 Zyklen/min) liegen.

Zwei dieser Eigenfrequenzen, 74 und 94 Hz, liegen nahe bei den Frequenzen der 2^und Harmonische der Kurbelwellendrehzahl, die in den ersten Nenn- und Startwerten des Motorbetriebs auftreten.

Aufgrund der Tatsache, dass wir bei den Vibrationstests erhebliche Vibrationen an der 2^und Harmonischen der Kurbelwelle in den ersten Nenn- und Startwerten des Motors wurde versucht, die Anzugskraft der Motoraufhängungsdämpfer zu überprüfen und einzustellen.

Tabelle 2.3 zeigt die vergleichenden Testergebnisse, die vor und nach der Einstellung der Dämpfer für die Propellerdrehzahl (Vv1) und die 2^und Harmonische der Kurbelwellendrehfrequenz (Vk2).

Tabelle 2.3

Wie aus Tabelle 2.3 hervorgeht, führte die Einstellung der Dämpfer nicht zu signifikanten Veränderungen der Werte der Hauptkomponenten der Flugzeugschwingung.

In Anbetracht der obigen Ausführungen ist es möglich, eine spürbare Erhöhung der Schwingungskomponente der YAK-52 in den ersten Nenn- und Startmodi (unserer Meinung nach) als eine konstruktive Fehlkalkulation der Flugzeugkonstrukteure zu betrachten, die bei der Wahl eines Motoraufhängungssystems (Aufhängung) im Flugzeugkörper gemacht wurde.

In diesem Zusammenhang sollten wir beachten, dass die Amplitude der spektralen Komponente im Zusammenhang mit dem Ungleichgewicht des Propellers Vv1, in der 82% Modi und 94% (siehe Tabellen 1.2 und 1.3), bzw. 3-7 mal niedriger als die Amplituden Vk2 in diesen Modi.

In anderen Flugmodi liegt die Vv1-Komponente zwischen 2,8 und 4,4 mm/s.

Wie aus den Tabellen 2.2 und 2.3 hervorgeht, werden die Veränderungen beim Übergang von einem Modus zum anderen nicht in erster Linie durch die Qualität der Auswuchtung bestimmt, sondern durch den Grad der Abweichung der Propellerdrehzahl von den Eigenfrequenzen bestimmter Strukturelemente des Flugzeugs.

2.6. Schlussfolgerungen zu den Ergebnissen der Arbeit

2.6.1. Das Auswuchten des Propellers von YAK-52 bei einer Drehfrequenz von 1150 U/min (60%) ermöglichte es, die Propellerschwingung von 10,2 mm/s auf 4,2 mm/s zu reduzieren.

Unter Berücksichtigung bestimmter Erfahrungen, die beim Auswuchten von Propellern der YAK-52 und SU-29 mit dem Balanset-1 gesammelt wurden, können wir davon ausgehen, dass es eine Möglichkeit gibt, das Vibrationsniveau des Propellers der YAK-52 weiter zu reduzieren.

Dieser Effekt kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass beim Auswuchten des Propellers eine andere (höhere) Drehfrequenz gewählt wird, die eine größere Abkopplung von der während der Prüfung festgestellten Eigenschwingungsfrequenz des Flugzeugs von 20 Hz (1.200 Zyklen/min) ermöglicht.

2.6.2. Wie die Ergebnisse der Schwingungstests des YAK-52 im Flug zeigen, weisen seine Schwingungsspektren (neben der oben in Abschnitt 2.6.1 erwähnten Komponente, die bei der Propellerdrehfrequenz auftritt) eine Reihe weiterer Komponenten auf, die mit dem Betrieb der Kurbelwelle, der Kolbengruppe des Motors und auch dem Antriebsrad des Luftkompressors (und/oder dem Frequenzsensor) zusammenhängen.

Die Werte der oben genannten Schwingungen in den Modi 60%, 65% und 70% sind proportional zum Wert der Schwingung, die mit der Unwucht des Propellers verbunden ist.

Die Analyse dieser Schwingungen zeigt, dass selbst die vollständige Beseitigung der durch die Unwucht des Propellers verursachten Schwingungen die Gesamtschwingungen des Flugzeugs in diesen Betriebsarten um höchstens das 1,5-fache reduziert.

2.6.3. Die maximale Gesamtschwingung Vå von YAK-52 wurde in den Hochgeschwindigkeitsmodi festgestellt, und zwar: 82% (1.580 U/min des Propellers) und 94% (1.830 U/min des Propellers).

Die Hauptkomponente dieser Schwingung manifestiert sich in der 2^und Oberschwingung der Motorkurbelwellen-Drehfrequenz Vk2 (bei Frequenzen von 4.800 Zyklen/min bzw. 5.520 Zyklen/min), die Werte von 12,5 mm/s bzw. 15,8 mm/s erreicht.

Es kann davon ausgegangen werden, dass diese Komponente mit dem Betrieb der Kolbengruppe des Motors zusammenhängt (Stoßvorgänge, die entstehen, wenn die Kolben während einer Kurbelwellenumdrehung zweimal neu positioniert werden).

Der starke Anstieg dieser Komponente in den Modi 82% (erste Nennleistung) und 94% (Start) ist höchstwahrscheinlich nicht auf Defekte in der Kolbengruppe zurückzuführen, sondern auf Resonanzschwingungen am Motor, die im Flugzeugkörper auf Dämpfern befestigt sind.

Während der Tests führte die Einstellung der Dämpfer nicht zu signifikanten Veränderungen der Schwingungen.

Diese Situation kann als konstruktive Fehlkalkulation der Flugzeugkonstrukteure angesehen werden, die bei der Wahl des Befestigungssystems (Aufhängung) des Triebwerks im Flugzeugkörper gemacht wurde.

2.6.4. Die beim Auswuchten und bei zusätzlichen Schwingungstests gewonnenen Daten (siehe die Ergebnisse der Flugtests in Abschnitt 2.5) lassen den Schluss zu, dass eine regelmäßige Schwingungsüberwachung für die diagnostische Bewertung des technischen Zustands eines Flugzeugtriebwerks nützlich sein kann.

Ein solches Verfahren kann z. B. mit dem Balanset-1 durchgeführt werden, dessen Software die Funktion der spektralen Schwingungsanalyse implementiert.