Sobre el equilibrado de la hélice del avión en el entorno de campo. Parte 1

1. V.D. Feldman

Técnico jefe de OU Vibromera

Sobre el equilibrado de la hélice de la aeronave en el terreno

 "La hélice es el motor del avión,

y para equilibrarlo sólo puede un esforzado"

1. En en lugar de un prefacio

Hace dos años y medio, nuestra empresa inició la producción en serie del Balanset-1, destinado a equilibrar mecanismos de rotor en sus propios cojinetes.

Hasta la fecha, se han producido más de 180 conjuntos, que se utilizan eficazmente en diversas industrias, incluida la producción y el funcionamiento de ventiladores, extractores, motores eléctricos, husillos de trabajo, bombas, trituradoras, separadores, centrifugadoras, ejes de transmisión y cigüeñales y otros mecanismos.

Recientemente, nuestra empresa ha recibido un gran número de solicitudes de organizaciones y particulares relacionadas con la posibilidad de utilizar nuestros equipos para equilibrar hélices de aviones y helicópteros en el entorno de campo.

Lamentablemente, nuestros especialistas, con gran experiencia en el equilibrado de una gran variedad de máquinas, nunca se habían enfrentado a este problema. Por lo tanto, los consejos y recomendaciones que podíamos dar a nuestros Clientes eran de carácter general y no siempre les permitían resolver eficazmente el problema.

Esta primavera la situación empezó a cambiar a mejor gracias a la postura activa de V. D. Chvokov, que organizó y tomó, junto con nosotros, la parte más activa en los trabajos de equilibrado de hélices de YAK-52 y SU-29, de los que es piloto.

Fig. 1.1. Yak-52 en el aeródromo

Fig. 1.2. SU-29 en la zona de aparcamiento

Durante este proceso, hemos aprendido cierta habilidad y tecnología de equilibrado de hélices de aeronaves en el entorno de campo utilizando Balanset-1, entre otras cosas:

• determinar los lugares y métodos de instalación (montaje) de los sensores de vibración y ángulo de fase en la instalación;
• determinación de las frecuencias de resonancia de una serie de elementos estructurales de la aeronave (suspensión del motor, pala de la hélice);
• identificar las velocidades de rotación (modos de funcionamiento) del motor, proporcionando un desequilibrio residual mínimo en el proceso de equilibrado;
• determinar las tolerancias para el desequilibrio residual de la hélice, etc.

Además, hemos obtenido datos interesantes sobre los niveles de vibración de los aviones equipados con motores M-14P.

A continuación se sugieren materiales de información basados en los resultados de estos trabajos.

Junto con los resultados del equilibrado, contienen los datos de los estudios de vibraciones de YAK-52 y SU-29 obtenidos durante las pruebas en tierra y en vuelo.

Estos datos pueden ser de interés, tanto para los pilotos de aeronaves como para los especialistas en mantenimiento.

2. Resultados del equilibrado de la hélice y pruebas de vibración del avión acrobático YAK-52

2.1. Introducción

En mayo-julio de 2014, realizamos las pruebas de vibración del YAK-52 equipado con motor de avión M-14P, así como el equilibrado de su hélice bipala.

El equilibrado se realizó en el mismo plano utilizando el juego de equilibrado Balanset-1, planta nº 149.

El esquema de medición utilizado en el equilibrado se muestra en la figura 2.1.

Durante el proceso de equilibrado, el sensor de vibraciones (acelerómetro) 1 se montó en la cubierta delantera del engranaje del motor mediante un imán en un soporte especial.

El sensor láser del ángulo de fase 2 también estaba montado en la cubierta del engranaje y se guiaba por una etiqueta reflectante aplicada a una de las palas de la hélice.

Las señales analógicas de los sensores se transmitían por cable a la unidad de medición del Balanset-1, en la que se realizaba su procesamiento digital preliminar.

Además, estas señales en forma digital se transmitían al ordenador, que las procesaba y calculaba la masa y el ángulo de instalación del peso corrector necesarios para compensar el desequilibrio en la hélice.

Fig. 2.1. Esquema de medición para equilibrar la hélice del YAK-52.

Zk - rueda dentada principal;

Zс - satélites de engranaje;

Zn - rueda dentada fija.

En el curso de este trabajo, teniendo en cuenta la experiencia en el equilibrado de hélices de SU-29 y YAK-52, realizamos una serie de estudios adicionales, entre los que se incluyen:

• determinación de las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y la hélice del YAK-52;
• examinar el valor y la composición espectral de la vibración en la cabina del copiloto en vuelo tras equilibrar la hélice;
• examinar el valor y la composición espectral de la vibración en la cabina del copiloto en vuelo tras equilibrar la hélice y ajustar la fuerza de apriete del amortiguador del motor.

2.2. Resultados de los estudios de las frecuencias naturales del motor y la hélice.

Las frecuencias naturales del motor montado en los amortiguadores en el cuerpo de la aeronave se determinaron utilizando el analizador de espectro AD-3527, f. A @ D, (Japón), por excitación de choque de las oscilaciones del motor.

Determinamos 4 frecuencias principales, a saber: 20 Hz, 74Hz, 94 Hz, 120 Hz en el espectro de oscilaciones naturales de la suspensión del motor del YAK-52, un ejemplo de las cuales se muestra en la Fig. 2.2.

Fig. 2.2. Espectro de las frecuencias naturales de las oscilaciones de la suspensión del motor del YAK-52

Las frecuencias de 74Hz, 94Hz, 120Hz están probablemente asociadas a las características de montaje (suspensión) del motor en el cuerpo del avión.

Lo más probable es que la frecuencia de 20 Hz esté asociada a las oscilaciones del avión sobre el chasis.

También se determinaron las frecuencias naturales de oscilación de las palas de la hélice mediante el método de excitación de choque.

En este caso, revelamos cuatro frecuencias principales, a saber: 36Hz, 80Hz, 104Hz y 134Hz.

Los datos sobre las frecuencias naturales de las oscilaciones de la hélice y el motor del YAK-52 pueden ser de importancia primordial a la hora de elegir la frecuencia de rotación de la hélice utilizada en el equilibrado. La condición principal para elegir esta frecuencia es asegurar su máxima desintonía posible con las frecuencias naturales de oscilaciones de los elementos estructurales de la aeronave.

Además, el conocimiento de las frecuencias naturales de las oscilaciones de los distintos componentes y partes de la aeronave puede ser útil para identificar las razones de un aumento brusco (en caso de resonancia) de determinados componentes del espectro de vibraciones a distintos regímenes del motor.

2.3. Resultados del equilibrado.

Como hemos señalado anteriormente, la hélice estaba equilibrada en el mismo plano, por lo que se compensaba el desequilibrio de potencia de la hélice en dinámica.

No fue posible el equilibrado dinámico en dos planos, que permite (además del de fuerza) compensar el desequilibrio de momento de la hélice, ya que el diseño de la hélice montada en el YAK-52 permite formar un solo plano de corrección.

La hélice se equilibró a una frecuencia de su rotación igual a 1.150 rpm (60%), a la que fue posible obtener los resultados más estables de la medición de las vibraciones en amplitud y fase de principio a fin.

La hélice estaba equilibrada según el esquema clásico de "dos arranques".

Durante la primera puesta en marcha, determinamos la amplitud y la fase de vibración a la frecuencia de rotación de la hélice en el estado inicial.

Durante la segunda puesta en marcha, determinamos la amplitud y la fase de la vibración a la frecuencia de rotación de la hélice tras fijar la masa de prueba igual a 7g.

Teniendo en cuenta estos datos, calculamos la masa M = 19,5 g de forma programada y el ángulo de instalación del peso de corrección F = 32.

Teniendo en cuenta las características de diseño de la hélice, que no permiten colocar el peso de corrección en el ángulo requerido, se fijan en la hélice dos pesos equivalentes, que incluyen:

• Peso M1 = 14g en el ángulo F1 = 0º;
• Peso M1 = 8,3g sobre el ángulo F1 = 60º.

Después de colocar los pesos correctores mencionados en la hélice, la vibración medida a una velocidad de rotación de 1.150 rpm y asociada al desequilibrio de la hélice disminuyó de 10,2 mm/s en el estado inicial a 4,2 mm/s después del equilibrado.

Al mismo tiempo, el desequilibrio real de la hélice disminuyó de 2.340 g*mm a 963 g*mm.

2.4. Comprobación del efecto del equilibrado sobre el nivel de vibración del YAK-52 en tierra a diferentes velocidades de la hélice.

La tabla 2.1 sugiere los resultados de la prueba de vibración del YAK-52, realizada en otras condiciones de funcionamiento del motor obtenidas durante las pruebas en tierra.

Como muestra la tabla, el equilibrado tuvo un efecto positivo en la vibración del YAK-52 en todos los modos de funcionamiento.

Cuadro 2.1

Además, durante las pruebas en tierra, se reveló una tendencia a reducir significativamente la vibración de un avión con un mayor índice de rotación de su hélice.

Este fenómeno puede explicarse por un mayor grado de desajuste de la velocidad de rotación de la hélice con respecto a la frecuencia de oscilación natural de la aeronave sobre el chasis (presumiblemente 20 Hz), que se produce con el aumento de la velocidad de rotación de la hélice.

2.5. Examen de la vibración del YAK-52 en el aire en los principales modos de vuelo antes y después de ajustar la fuerza de apriete de los amortiguadores.

Además de las pruebas de vibración realizadas tras equilibrar la hélice en tierra (véase la sección 2.3), realizamos mediciones de la vibración del YAK-52 en vuelo.

Las vibraciones en vuelo se midieron en la cabina del copiloto en dirección vertical utilizando un analizador de espectro de vibraciones portátil AD-3527 f. A@D (Japón) dentro de la gama de frecuencias de 5 a 200 (500)Hz.

Las mediciones se realizaron a cinco regímenes del motor principal iguales a 60%, 65%, 70% y 82% de su velocidad máxima de rotación, respectivamente.

Los resultados de las mediciones efectuadas antes de ajustar los amortiguadores figuran en el cuadro 2.2.

Cuadro 2.2

Como ejemplo, las Fig. 2.3 y 2.4 muestran gráficos de los espectros obtenidos al medir la vibración en la cabina del YAK-52 en los modos de 60% y 94% y utilizados al rellenar la tabla 2.2.

Fig.2.3. Espectro de vibraciones en la cabina del YAK-52 a 60%.

Figura 2.4. Espectro de vibraciones en la cabina del YAK-52 a 94%.

Como muestra la Tabla 2.2, los principales componentes de la vibración, medidos en la cabina del copiloto, aparecen en las velocidades de rotación de la hélice Vv1 (resaltada en amarillo), el cigüeñal del motor Vk1 (resaltado en azul) y el engranaje de transmisión del compresor de aire (y/o sensor de frecuencia) Vn ( resaltado en verde), así como en sus armónicos superiores Vv2, Vv4, Vv5 y Vk2, Vk3.

La vibración total máxima Visite  se detectó a velocidades de 82% (1.580 rpm de la hélice) y 94% (1.830 rpm).

El principal componente de esta vibración se manifiesta en los 2^nd armónico de la velocidad del cigüeñal del motor Vk2 y, en consecuencia, alcanza los valores de 12,5 mm/s a una frecuencia de 4.800 ciclos/min y 15,8 mm/s a una frecuencia de 5.520 ciclos/min.

Cabe suponer que este componente está asociado al funcionamiento del bloque de pistones del motor (procesos de choque cuando los pistones se reposicionan dos veces durante una revolución del cigüeñal).

Lo más probable es que el fuerte aumento de este componente en los modos 82% (primera nominal) y 94% (despegue) no esté causado por los defectos del grupo de pistones, sino por oscilaciones resonantes en el motor fijado en el cuerpo del avión sobre el amortiguador.

Esta conclusión queda confirmada por los resultados anteriores de la verificación experimental de las frecuencias naturales de las oscilaciones de la suspensión del motor, en cuyo espectro se encuentran 74 Hz (4.440 ciclos/min), 94 Hz (5.640 ciclos/min) y 120 Hz (7.200 ciclos/min).

Dos de estas frecuencias naturales, iguales a 74 y 94 Hz, están próximas a las frecuencias de los 2^nd armónicos de la velocidad de rotación del cigüeñal, que tienen lugar en los primeros regímenes nominal y de despegue del funcionamiento del motor.

Debido a que durante las pruebas de vibración revelamos vibraciones significativas en el 2^nd armónico del cigüeñal en los primeros regímenes nominal y de despegue del motor, se intentó comprobar y ajustar la fuerza de apriete de los amortiguadores de suspensión del motor.

La tabla 2.3 muestra los resultados comparativos de los ensayos obtenidos antes y después de ajustar los amortiguadores para la velocidad de rotación de la hélice (Vv1) y el 2^nd armónico de la frecuencia de rotación del cigüeñal (Vk2).

Cuadro 2.3

Como podemos ver en la tabla 2.3, el ajuste de los amortiguadores no produjo cambios significativos en los valores de los principales componentes de la vibración de la aeronave.

Teniendo en cuenta lo anterior, es posible considerar un notable aumento del componente de vibración del YAK-52 en los primeros modos nominal y de despegue (en nuestra opinión) como un error de cálculo constructivo de los diseñadores de la aeronave, cometido al elegir un sistema de montaje del motor (suspensión) en el cuerpo de la aeronave.

A este respecto, cabe señalar que la amplitud de la componente espectral asociada al desequilibrio de la hélice Vv1, detectada en los modos 82% y 94% (véanse los cuadros 1.2 y 1.3), respectivamente, es entre 3 y 7 veces inferior a las amplitudes Vk2 en estos modos.

En los demás modos de vuelo, la componente Vv1 se sitúa entre 2,8 y 4,4 mm/s.

Además, como muestran las tablas 2.2 y 2.3, durante la transición de un modo a otro sus cambios vienen determinados principalmente no por la calidad del equilibrado, sino por el grado de desajuste de la velocidad de rotación de la hélice con respecto a las frecuencias naturales de oscilación de determinados elementos estructurales de la aeronave.

2.6. Conclusiones sobre los resultados del trabajo

2.6.1. El equilibrado de la hélice del YAK-52, realizado a una frecuencia de rotación de 1150 rpm (60%), permitió reducir la vibración de la hélice de 10,2 mm/s a 4,2 mm/s.

Teniendo en cuenta cierta experiencia adquirida en el proceso de equilibrado de hélices de YAK-52 y SU-29 utilizando el Balanset-1, podemos suponer que existe la posibilidad de reducir aún más el nivel de vibración de la hélice de YAK-52.

Este efecto puede conseguirse, en particular, seleccionando una frecuencia de rotación diferente (más alta) de la hélice durante su equilibrado, lo que permite un mayor grado de distanciamiento de la frecuencia de oscilación natural del avión de 20 Hz (1.200 ciclos/min) detectada durante la prueba.

2.6.2. Como muestran los resultados de las pruebas de vibración del YAK-52 en vuelo, sus espectros de vibración (además del componente mencionado anteriormente en el apartado 2.6.1, que aparece a la frecuencia de rotación de la hélice), tienen una serie de otros componentes relacionados con el funcionamiento del cigüeñal, el grupo de pistones del motor, y también el engranaje de transmisión del compresor de aire (y/o el sensor de frecuencia).

Los valores de las vibraciones anteriores en los modos de 60%, 65% y 70% son proporcionales al valor de la vibración, que está asociada al desequilibrio de la hélice.

El análisis de estas vibraciones muestra que incluso la eliminación completa de la vibración procedente del desequilibrio de la hélice reducirá la vibración total del avión en estos modos en no más de 1,5 veces.

2.6.3. La vibración total máxima Vå de YAK-52 se detectó en los modos de alta velocidad, a saber: 82% (1.580 rpm de la hélice) y 94% (1.830 rpm de la hélice).

El principal componente de esta vibración se manifiesta en los 2^nd armónico de la frecuencia de rotación del cigüeñal del motor Vk2 (a frecuencias de 4.800 ciclos/min o 5.520 ciclos/min), en las que alcanza respectivamente valores de 12,5 mm/s y 15,8 mm/s.

Cabe suponer que este componente está relacionado con el funcionamiento del grupo de pistones del motor (procesos de choque que se producen cuando los pistones se reposicionan dos veces durante una revolución del cigüeñal).

Lo más probable es que el fuerte aumento de este componente en los modos 82% (primer nominal), y 94% (despegue) no esté causado por defectos en el grupo de pistones, sino por oscilaciones resonantes en el motor, fijadas en el cuerpo del avión sobre amortiguadores.

Durante las pruebas, el ajuste de los amortiguadores no produjo cambios significativos en las vibraciones.

Esta situación puede considerarse un error de cálculo constructivo de los diseñadores de aeronaves, cometido al elegir el sistema de montaje (suspensión) del motor en el cuerpo del avión.

2.6.4. Los datos obtenidos durante el equilibrado y las pruebas de vibración adicionales (véanse los resultados de las pruebas de vuelo en la sección 2.5) permiten concluir que la supervisión periódica de las vibraciones puede ser útil para la evaluación diagnóstica del estado técnico de un motor de aeronave.

Este procedimiento puede realizarse, por ejemplo, utilizando el Balanset-1, cuyo software implementa la función de análisis espectral de vibraciones.