Sobre el Balanceo de Hélices de Aeronaves en Condiciones de Campo

1. Prólogo

Hace dos años y medio, nuestra empresa comenzó la producción en serie del dispositivo "Balanset-1", diseñado para el balanceo de mecanismos rotativos en sus propios rodamientos.

Hasta la fecha, se han producido más de 180 conjuntos. Se utilizan eficazmente en diversas industrias, incluyendo la producción y operación de ventiladores, sopladores, motores eléctricos, husillos de máquinas, bombas, trituradoras, separadores, centrifugadoras, conjuntos de cardán y cigüeñal, y mecanismos similares.

Recientemente, Vibromera ha recibido un gran número de consultas de organizaciones e individuos sobre la posibilidad de utilizar nuestro equipo para el balanceo de hélices de aeronaves y helicópteros en condiciones de campo.

Lamentablemente, nuestros especialistas, a pesar de muchos años de experiencia en el balanceo de diversas máquinas, nunca antes se habían enfrentado a este problema específico. Los consejos y recomendaciones que podíamos dar a nuestros clientes eran, por lo tanto, bastante generales y no siempre les permitían resolver eficazmente la tarea en cuestión.

Esta situación comenzó a cambiar para mejor esta primavera, gracias a la activa participación de V.D. Chvokov, quien organizó y participó junto con nosotros en el trabajo de balanceo de las hélices de las aeronaves Yak-52 y Su-29, que él pilota.

Durante este trabajo, se adquirieron ciertas habilidades y se desarrolló una tecnología para el balanceo de hélices de aeronaves en condiciones de campo utilizando el dispositivo "Balanset-1", que incluye:

• determinar las ubicaciones y los métodos para instalar (montar) sensores de vibración y de ángulo de fase en la aeronave;
• determinar las frecuencias de resonancia de varios elementos estructurales de la aeronave (suspensión del motor, palas de la hélice);
• identificar las frecuencias de rotación del motor (modos de operación) que aseguran el desbalance residual mínimo alcanzable durante el balanceo;
• establecer tolerancias para el desbalance residual de la hélice.

Además, se obtuvieron datos interesantes sobre los niveles de vibración de aeronaves equipadas con motores M-14P.

A continuación se presentan los materiales del informe compilados a partir de los resultados de este trabajo. Además de los resultados del balanceo, presentan datos de las encuestas de vibración de las aeronaves Yak-52 y Su-29, obtenidos durante pruebas en tierra y en vuelo. Estos datos pueden ser de interés tanto para los pilotos de aeronaves como para los especialistas involucrados en su mantenimiento.

2. Balanceo y encuesta de vibración del Yak-52

2.1. Introducción

En mayo–julio de 2014, se llevó a cabo el trabajo de encuesta de vibración de la aeronave Yak-52, equipada con el motor aeronáutico M-14P, y el balanceo de su hélice de dos palas.

El balanceo se realizó en un plano utilizando el kit "Balanset-1", número de serie 149.

El esquema de medición se muestra en la Fig. 2.1. Durante el balanceo, el sensor de vibración (acelerómetro) 1 se instaló en la tapa frontal de la caja de engranajes del motor utilizando un soporte magnético en un soporte diseñado especialmente. El sensor láser de ángulo de fase 2 también se instaló en la tapa de la caja de engranajes y se orientó hacia la marca reflectante aplicada en una de las palas de la hélice.

Las señales analógicas de los sensores se transmitieron mediante cables a la unidad de medición del dispositivo "Balanset-1", donde se realizó un procesamiento digital preliminar. Estas señales en forma digital ingresaron luego a la computadora, donde se llevó a cabo el procesamiento por software y se calcularon la masa y el ángulo del peso de corrección necesarios para compensar el desbalance de la hélice.

Durante este trabajo, teniendo en cuenta la experiencia obtenida del balanceo de las hélices tanto del Su-29 como del Yak-52, se realizaron una serie de estudios adicionales:

• determinar las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y de la hélice del Yak-52;
• medir la magnitud de la vibración y la composición espectral en la cabina del segundo piloto durante el vuelo después del balanceo de la hélice;
• medir la vibración después del balanceo de la hélice y después de ajustar la fuerza de apriete de los amortiguadores del motor.

2.2. Frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y de la hélice

Las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor, montado en amortiguadores en el fuselaje de la aeronave, se determinaron utilizando un analizador de espectros AD-3527 de A&D (Japón) mediante excitación por impacto.

En el espectro de las oscilaciones naturales de la suspensión del motor del Yak-52 (Fig. 2.2), se identificaron cuatro frecuencias principales: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Las frecuencias 74 Hz, 94 Hz y 120 Hz probablemente están relacionadas con las características del montaje (suspensión) del motor al fuselaje de la aeronave. La frecuencia de 20 Hz más probablemente está asociada con las oscilaciones naturales de la aeronave sobre su tren de aterrizaje.

Las frecuencias naturales de las palas de la hélice también se determinaron utilizando el método de excitación por impacto. Se identificaron cuatro frecuencias principales: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz y 134 Hz.

Los datos sobre las frecuencias naturales de oscilación de la suspensión del motor y de las palas de la hélice son de importancia principalmente para elegir la frecuencia de rotación de la hélice durante el balanceo. La condición principal al seleccionar esta frecuencia es asegurar el desacoplamiento máximo de las frecuencias naturales de oscilación de los elementos estructurales de la aeronave, ya que a frecuencias de resonancia la precisión y la repetibilidad de las mediciones de vibración pueden verse significativamente afectadas.

Además, el conocimiento de las frecuencias naturales de los componentes individuales puede ser útil para identificar las causas de aumentos bruscos en la vibración (fenómenos de resonancia) a varios modos de velocidad del motor, que pueden surgir durante la operación de la aeronave.

2.3. Resultados del balanceo

Como se mencionó anteriormente, el balanceo de la hélice se realizó en un plano, compensando así dinámicamente el desbalance de fuerza de la hélice.

El balanceo dinámico en dos planos (que compensaría adicionalmente el desbalance de par) no fue factible, ya que el diseño de la hélice en el Yak-52 permite solo un plano de corrección.

El balanceo se realizó a una frecuencia de rotación de 1150 rpm (60%), a la cual se obtuvieron las mediciones de vibración más estables, tanto en amplitud como en fase, de una ejecución a otra.

Se utilizó el esquema clásico de "dos carreras":

1. Durante la primera carrera, se determinaron la amplitud y la fase de la vibración a la frecuencia de rotación de la hélice en el estado inicial.
2. Durante la segunda carrera, se determinaron la amplitud y la fase de la vibración después de instalar una masa de prueba de 7 g en la hélice.
3. Con base en estos datos, el software calculó: masa de corrección M = 19.5 g en el ángulo F = 32°.

Debido a las características de diseño de la hélice, que no permitían instalar el peso de corrección en el ángulo requerido de 32°, se instalaron dos pesos equivalentes:

• M1 = 14 g en el ángulo F1 = 0°
• M2 = 8.3 g en el ángulo F2 = 60°

2.4. Vibración en otros modos de operación

Los resultados de las verificaciones de vibración en otros modos de operación del motor durante las pruebas en tierra se presentan en la Tabla 2.1. Como se puede observar, el balanceo afectó positivamente la vibración del Yak-52 en todos los modos.

Además, durante las pruebas en tierra, se identificó una tendencia clara de reducción sustancial de la vibración con el aumento de la frecuencia de rotación de la hélice. Esto se puede explicar por un mayor desacoplamiento de la frecuencia de rotación de la hélice respecto a la frecuencia natural de oscilación de la aeronave en el tren de aterrizaje (presumiblemente 20 Hz), lo cual ocurre a frecuencias de rotación más altas.

2.5. Vibración en vuelo antes y después del ajuste de los amortiguadores

Además de las pruebas de vibración en tierra después del balanceo de la hélice (sección 2.3), también se realizaron mediciones de vibración del Yak-52 en vuelo.

La vibración en vuelo se midió en la cabina del segundo piloto en dirección vertical utilizando un analizador de espectro portátil AD-3527 de A&D (Japón) en el rango de frecuencias de 5 a 200 (500) Hz. Las mediciones se tomaron en cinco modos principales de velocidad del motor: 60%, 65%, 70%, 82% y 94% de la frecuencia de rotación máxima.

Los resultados, obtenidos antes de ajustar los amortiguadores, se presentan en la Tabla 2.2.

Como se observa en la Tabla 2.2, los componentes principales de vibración aparecen en la frecuencia de rotación de la hélice V_p1, la frecuencia del cigüeñal V_c1, el accionamiento del compresor de aire (y/o sensor de frecuencia) V_n, y sus armónicos superiores.

Vibración total máxima V_Σ se encontró en los regímenes del 82 % (1580 rpm) y del 94 % (1830 rpm). El componente dominante en estos regímenes aparece en el 2.º armónico de la frecuencia de rotación del cigüeñal V_c2, alcanzando 12,5 mm/s a 4800 ciclos/min y 15,8 mm/s a 5520 ciclos/min.

Se puede asumir que este componente está asociado con el grupo de pistones (procesos de impacto que ocurren durante el doble movimiento de los pistones por cada revolución del cigüeñal). El aumento brusco en los regímenes del 82 % (primero nominal) y del 94 % (despegue) probablemente se debe no a defectos del grupo de pistones, sino a oscilaciones resonantes del motor sobre sus amortiguadores. Esta conclusión está respaldada por las mediciones de frecuencia natural, que revelaron frecuencias de suspensión del motor de 74 Hz (4440 ciclos/min), 94 Hz (5640 ciclos/min) y 120 Hz (7200 ciclos/min). Dos de ellas, 74 Hz y 94 Hz, están cerca de las frecuencias del 2.º armónico del cigüeñal en los regímenes de funcionamiento nominal inicial y de despegue.

Debido a las vibraciones significativas encontradas en V_c2, se verificó y ajustó la fuerza de apriete de los amortiguadores del motor. Los resultados comparativos se presentan en la Tabla 2.3.

Como se observa en la Tabla 2.3, el ajuste de los amortiguadores no condujo a cambios significativos en los componentes principales de vibración de la aeronave.

También cabe señalar que el componente de desbalance de la hélice V_p1 en los regímenes del 82 % y del 94 % es respectivamente 3 a 7 veces menor que V_c2 en esos regímenes. En otros regímenes de vuelo, V_p1 oscila entre 2,8 y 4,4 mm/s, y sus cambios entre regímenes están determinados principalmente no por la calidad del balanceo, sino por el grado de desacoplamiento respecto a las frecuencias naturales de los elementos estructurales de la aeronave.

2.6. Conclusiones

2.6.1.

El balanceo de la hélice del Yak-52 a una frecuencia de rotación de 1150 rpm (60 %) permitió reducir la vibración en la frecuencia de rotación de la hélice de 10,2 mm/s a 4,2 mm/s. Teniendo en cuenta la experiencia acumulada durante el balanceo de las hélices de las aeronaves Yak-52 y Su-29 utilizando el dispositivo «Balanset-1», existe una posibilidad realista de lograr una reducción aún mayor del nivel de vibración, en particular, seleccionando una frecuencia de rotación de la hélice más alta durante el balanceo, lo que permitiría en mayor medida desacoplarse de la frecuencia natural de oscilación de la aeronave de 20 Hz (1200 ciclos/min) identificada durante las mediciones.

2.6.2.

Como muestran las pruebas de vibración en vuelo (ver Tablas 2.2 y 2.3), los espectros de vibración de la aeronave Yak-52 contienen, además de la vibración en la frecuencia de rotación de la hélice V_p1, varios otros componentes significativos, asociados con el cigüeñal V_c1, V_c2, V_c3, el grupo de pistones del motor y el accionamiento del compresor de aire (y/o sensor de frecuencia) V_n.

En los regímenes de velocidad del 60 %, 65 % y 70 %, estos componentes son comparables en magnitud al componente de desbalance de la hélice V_p1. En consecuencia, incluso la eliminación completa de la vibración causada por el desbalance de la hélice permitiría reducir la vibración total de la aeronave en estos regímenes en no más de aproximadamente 1,5 veces.

2.6.3.

Vibración total máxima V_Σ de la aeronave Yak-52 se encontró en los regímenes de velocidad del 82 % (1580 rpm de la hélice) y del 94 % (1830 rpm de la hélice). El componente dominante de esta vibración aparece en el 2.º armónico de la frecuencia de rotación del cigüeñal V_c2, a frecuencias de 4800 ciclos/min y 5520 ciclos/min respectivamente, en las cuales alcanza valores de 12,5 mm/s y 15,8 mm/s.

Como se mostró en las secciones 2.5 y 2.2, el aumento brusco de este componente en los regímenes indicados probablemente se debe no a defectos del grupo de pistones, sino a oscilaciones resonantes del motor sobre sus amortiguadores. El ajuste de la fuerza de apriete de los amortiguadores, realizado durante las pruebas, no condujo a cambios significativos en los niveles de vibración.

Esta situación probablemente puede considerarse un error de diseño (konstruktivny proschet) de los desarrolladores de la aeronave, cometido durante la selección del sistema de montaje (suspensión) del motor en el fuselaje de la aeronave.

2.6.4.

Los datos obtenidos durante el balanceo de la hélice y las pruebas de vibración adicionales realizadas sugieren que el monitoreo periódico de vibraciones puede ser útil para la evaluación diagnóstica del estado técnico del motor de la aeronave, incluida la evaluación del estado del grupo de pistones, cigüeñal, rodamientos del motor y el accionamiento del compresor de aire.

Este trabajo puede realizarse, por ejemplo, utilizando el dispositivo «Balanset-1» (actualmente producido como el Balanset-1A), en cuyo software se implementa la función de análisis espectral de vibraciones.

3. Balanceo de la hélice MTV-9-K-C/CL 260-27 y encuesta de vibraciones del Su-29

3.1. Introducción

El 15 de junio de 2014, se realizaron trabajos de balanceo de la hélice de tres palas del tipo MTV-9-K-C/CL 260-27, instalada en el motor aeronáutico M-14P de la aeronave acrobática Su-29.

Según los datos proporcionados por el fabricante (MT-Propeller), la hélice indicada había sido balanceada estáticamente de manera preliminar, como lo evidencia la presencia en la hélice en el plano 1 de un peso de corrección instalado en la planta de fabricación.

El balanceo de la hélice, instalada directamente en el eje de salida de la caja de cambios del Su-29 (es decir, en el lugar de su instalación permanente), se realizó utilizando el kit de balanceo por vibración «Balanset-1», número de serie 149.

El esquema de medición (Fig. 3.1) fue en general similar al utilizado para el Yak-52. El sensor de vibración (acelerómetro) 1 se instaló en la carcasa de la caja de cambios del motor utilizando un soporte magnético en un soporte diseñado especialmente. El sensor láser de ángulo de fase 2 también se montó en la carcasa de la caja de cambios y se orientó hacia la marca reflectante aplicada en una de las palas de la hélice. Las señales analógicas de los sensores se transmitieron mediante cables a la unidad de medición del dispositivo «Balanset-1», donde se realizó un procesamiento digital preliminar. Posteriormente, las señales en forma digital ingresaron a la computadora, donde se llevó a cabo el procesamiento por software y se calcularon la masa y el ángulo del peso de corrección necesarios para compensar el desbalance de la hélice.

Antes de este trabajo, y teniendo en cuenta la experiencia del balanceo de la hélice del Yak-52, se realizaron estudios adicionales:

• determinación de las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y la hélice del Su-29;
• verificación de la magnitud y la composición espectral de la vibración de referencia en la cabina del segundo piloto antes del balanceo.

3.2. Frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y la hélice

Utilizando el mismo método de excitación por impacto con el analizador AD-3527, se identificaron seis frecuencias principales en el espectro de la suspensión del motor (Fig. 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

Las frecuencias de 66 Hz, 88 Hz y 120 Hz están presumiblemente relacionadas directamente con las peculiaridades del sistema de montaje (suspensión) del motor en el fuselaje de la aeronave. Las frecuencias de 16 Hz y 22 Hz están más probablemente asociadas con las oscilaciones naturales de la aeronave en su conjunto sobre su tren de aterrizaje. En cuanto a la frecuencia de 37 Hz, probablemente está relacionada con la frecuencia natural de oscilación de las palas de la hélice de la aeronave.

Esta última suposición se confirma con los resultados de las mediciones de las frecuencias naturales de oscilación de las palas de la hélice (Fig. 3.3), en cuyo espectro se identificaron tres frecuencias principales: 37 Hz, 100 Hz y 174 Hz.

El conocimiento de las frecuencias naturales de la suspensión del motor y las palas de la hélice del Su-29 es de gran importancia práctica. En primer lugar, permite una selección justificada de la frecuencia de rotación de la hélice para el balanceo, asegurando el máximo desacoplamiento de las resonancias estructurales de la aeronave. En segundo lugar, proporciona la base necesaria para la correcta interpretación y diagnóstico de las causas de vibración observadas en varios modos de operación del motor, como se demostrará en las secciones posteriores de este informe.

3.3. Vibración de referencia en la cabina antes del balanceo

Antes de realizar el procedimiento de balanceo, se llevaron a cabo mediciones de los niveles de vibración de referencia en la cabina del segundo piloto del Su-29. Al igual que en el caso del Yak-52, la vibración se midió en la dirección vertical utilizando el analizador de espectro portátil AD-3527 de A&D (Japón) en el rango de frecuencias de 5 a 200 Hz. Las mediciones se realizaron en cuatro modos principales de velocidad del motor, correspondientes al 60 %, 65 %, 70 % y 82 % de la frecuencia máxima de rotación de la hélice.

Los resultados de estas mediciones se presentan en la Tabla 3.1.

Los principales componentes de vibración aparecen en la frecuencia de rotación de la hélice V_p1, cigüeñal V_c1, accionamiento del compresor V_n, y el 2.º armónico del cigüeñal V_c2 (que en el caso de una hélice de tres palas también puede coincidir con la frecuencia de paso de pala V_p3).

En el espectro del modo al 60 %, también se encontró un componente no identificado a 6120 ciclos/min, posiblemente causado por resonancia a aproximadamente 100 Hz — una de las frecuencias naturales de la pala de la hélice.

La vibración total máxima (11,5 mm/s) se encontró en el modo al 70 %. El componente dominante en este modo es V_c2 a 4020 ciclos/min, alcanzando 10,8 mm/s. Este aumento brusco al 70 % probablemente se debe a las oscilaciones resonantes de la suspensión del motor cerca de 67 Hz (4020 ciclos/min).

También cabe señalar que, además de las excitaciones por impacto del grupo de pistones, la vibración en esta región de frecuencias también puede verse influenciada por las fuerzas aerodinámicas en la frecuencia de paso de pala de la hélice (V_p3). En los modos al 65 % y 82 %, también se observa un aumento notable en el componente V_c2 (V_p3), lo cual también puede explicarse por las oscilaciones resonantes de componentes individuales de la aeronave.

El componente de desbalance de la hélice V_p1 osciló entre 2,4 y 5,7 mm/s en los distintos modos antes del balanceo, generalmente inferior a V_c2 en los modos correspondientes. Su variación entre modos está determinada no solo por la calidad del balanceo, sino también por el grado de desacoplamiento de las frecuencias naturales de los elementos estructurales de la aeronave.

3.4. Resultados del balanceo

El balanceo de la hélice se realizó en un plano a una frecuencia de rotación de 1350 rpm, utilizando dos pasadas de medición (el método clásico de coeficientes de influencia). El protocolo completo del balanceo se encuentra en Apéndice 1.

El procedimiento de balanceo consistió en las siguientes operaciones:

1. Durante la primera pasada (estado inicial), se determinaron la amplitud y la fase de la vibración en la frecuencia de rotación de la hélice.
2. Durante la segunda pasada, se determinaron la amplitud y la fase de la vibración después de instalar una masa de prueba de peso conocido en la hélice.
3. Con base en estos resultados de medición, el software calculó la masa y el ángulo de instalación del peso de corrección en el plano 1, necesarios para compensar el desbalance de la hélice.

No se realizó la verificación de la calidad del balanceo en vuelo debido a daños accidentales a la hélice durante un vuelo de entrenamiento.

Las razones de la discrepancia indicada pueden ser las siguientes:

• errores del sistema de medición del banco de balanceo en la planta de fabricación (esta razón parece ser la menos probable);
• errores geométricos (imprecisiones) de las superficies de montaje del husillo de la máquina de balanceo en la planta de fabricación, causando excentricidad de giro radial de la hélice en el husillo;
• errores geométricos (imprecisiones) de las superficies de montaje del eje de salida de la caja de cambios en la aeronave Su-29, causando excentricidad de giro radial de la hélice cuando se instala en el eje de la caja de cambios.

3.5. Conclusiones

3.5.1.

El balanceo de la hélice de la aeronave Su-29 en un plano a una frecuencia de rotación de la hélice de 1350 rpm (70 %) permitió reducir la vibración a la frecuencia de rotación de la hélice de 6.7 mm/s en el estado inicial a 1.5 mm/s después del balanceo. La vibración asociada con el desbalance de la hélice en otros modos de velocidad del motor también disminuyó significativamente y permaneció dentro de 1–2.5 mm/s.

3.5.2.

Para aclarar las razones de los resultados insatisfactorios del balanceo de la hélice en la planta de fabricación (MT-Propeller), es necesario verificar la excentricidad de giro radial de la hélice en el eje de salida de la caja de cambios del motor de la aeronave Su-29.

Apéndice 1: Protocolo de balanceo