- D. Feldman
Técnico jefe de OU Vibromera
Parte 1 : https://vibromera.eu/example/on-balancing-the-propeller-of-the-aircraft-in-the-field-environment-part-1/
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"
- Resultados del equilibrado de la hélice MTV-9-K-C/CL 260-27 y pruebas de vibración del avión acrobático SU-29
3.1. Introducción
El 15 de junio de 2014 equilibramos la hélice tripala MTV-9-K-C/CL 260-27 del motor M-14P del avión acrobático SU-29.
Según el fabricante, la hélice especificada estaba preequilibrada estáticamente, como lo demuestra la hélice en el plano 1 del peso corrector fijado en la planta de fabricación.
La hélice montada directamente en el SU-29 se equilibró utilizando el equipo de equilibrado de vibraciones Balanset-1, planta nº 149.
El esquema de medición utilizado en el equilibrado se muestra en la figura 3.1.
Durante el proceso de equilibrado, el sensor de vibraciones (acelerómetro) 1 se montó en la carcasa del engranaje del motor con un imán en un soporte especial.
El sensor láser para el ángulo de fase 2 también estaba montado en la carcasa 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 formato 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 de la hélice.
Fig. 3.1 Esquema de medición del equilibrado de la hélice del SU-29
Zk - rueda dentada principal con 75 dientes;
Zс - satélites de engranaje en la cantidad de 6 piezas con 18 dientes;
Zn - rueda dentada fija de 39 dientes.
En el curso de este trabajo, teniendo en cuenta la experiencia en el equilibrado de las hélices del YAK-52, realizamos una serie de estudios adicionales, entre ellos:
- determinación de las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y la hélice del SU-29;
- examinar el valor y la composición espectral de la vibración inicial en la cabina del copiloto antes del equilibrado;
3.2. 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 seis frecuencias principales, a saber: 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz (véase la figura 3.2.) en el espectro de oscilaciones naturales de la suspensión del motor.
Fig. 3.2 Espectro de las frecuencias naturales de oscilación de la suspensión del motor SU-29
Es probable que las frecuencias de 66 Hz, 88 Hz y 120 Hz estén directamente relacionadas con las características de montaje (suspensión) del motor en el cuerpo de la aeronave.
Las frecuencias de 16 Hz y 22 Hz están muy probablemente asociadas a las oscilaciones naturales del avión sobre el chasis.
La frecuencia de 37 Hz está probablemente relacionada con la frecuencia natural de oscilación de la pala de la hélice del avión.
Esta última hipótesis se confirma por los resultados de la comprobación de las frecuencias naturales de oscilación de la hélice, obtenidas también por el método de excitación de choque.
En el espectro de las oscilaciones naturales de la pala de la hélice (véase la Fig. 3.3), detectamos tres frecuencias principales, a saber: 37Hz, 100Hz y 174Hz.
Fig. 3.3 Espectro de frecuencias naturales de oscilación de las palas de la hélice del SU-29
Los datos sobre las frecuencias naturales de oscilación de la pala de la hélice y del motor del SU-29 pueden ser de importancia primordial a la hora de elegir la velocidad de rotación de la hélice utilizada en el equilibrado. La condición principal para elegir esta frecuencia es garantizar su máxima desintonía posible con las frecuencias naturales de oscilación 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.
3.3. Comprobación de vibraciones en la cabina del copiloto del SU-29 en tierra antes del equilibrado.
Medimos la vibración inicial del SU-29, detectada antes del equilibrado de la hélice, 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 Hz.
Las mediciones se realizaron a cuatro regímenes principales del motor iguales a 60%, 65%, 70% y 82% de su régimen máximo.
Los resultados figuran en el cuadro 3.1.
Como podemos ver en la tabla 2.1, los principales componentes de la vibración se manifiestan en las velocidades de rotación de la hélice Vv1, el cigüeñal del motor Vk1 y el engranaje de accionamiento del compresor de aire (y/o sensor de frecuencia) Vn, así como el 2nd armónico del cigüeñal Vk2 y posiblemente el 3rd El armónico de la hélice (pala) Vv3, cuya frecuencia es próxima al segundo armónico del cigüeñal.
Cuadro 3.1
| No. | Velocidad de rotación de la hélice | Componentes del espectro de vibraciones, frecuencia, Hz alcance, mm/s | Vå, mm/s | ||||||||
| % | rpm | ||||||||||
| Vv1 | Vn | Vk1 | Vv3 | Vk2 | Vv4 | Vk3 | V? | ||||
| 1 | 60 | 1150 | 1150 5.4 | 1560 2.6 | 1740 2.0 | 3450 | 3480 4.2 | 6120 2.8 | 8.0 | ||
| 2 | 65 | 1240 | 1240 5.7 | 1700 2.4 | 1890 1.3 | 3720 | 3780 8.6 | 10.6 | |||
| 3 | 70 | 1320 | 1320 2.8 | 1800 2.5 | 2010 0.9 | 3960 | 4020 10.8 | 11.5 | |||
| 4 | 82 | 1580 | 1580 3.2 | 2160 1.5 | 2400 3.0 | 4740 | 4800 8.5 | 9.7 | |||
Además, en el espectro de vibraciones en el modo de velocidad 60%, revelamos un componente no identificado con el espectro calculado a una frecuencia de 6.120 ciclos/min, que puede estar causado por una resonancia a una frecuencia de unos 100Hz de uno de los elementos estructurales de la aeronave. Dicho elemento, por ejemplo, puede ser una hélice, con una de las frecuencias naturales de 100Hz.
La vibración total máxima de la aeronave Vå, que alcanzó los 11,5 mm/seg, se puso de manifiesto en el modo de velocidad 70%.
El componente principal de la vibración total en este modo se manifiesta en el 2nd armónico (4.020 ciclos/min) de la velocidad de rotación del cigüeñal del motor Vk2 y es igual a 10,8 mm/s.
Cabe suponer que este componente está asociado al funcionamiento del grupo de pistones del motor (procesos de choque cuando los pistones se reposicionan dos veces durante una revolución del cigüeñal).
El fuerte aumento de este componente en el modo 70% se debe probablemente a las oscilaciones resonantes de uno de los elementos estructurales del avión (suspensión del motor en el cuerpo del avión) a una frecuencia de 67 Hz (4.020 ciclos/min).
Cabe señalar que, además de las excitaciones de choque asociadas al funcionamiento del grupo de pistones, el valor de la vibración en la frecuencia dada puede verse influido por la fuerza aerodinámica, que se manifiesta en la frecuencia de las palas de la hélice (Vv3).
En los modos de alta velocidad de 65% y 82%, también observamos un notable aumento de la componente Vk2 (Vv3), que puede explicarse por las oscilaciones resonantes de los distintos componentes de la aeronave.
La amplitud de la componente espectral asociada al desequilibrio de la hélice Vv1, revelado por los principales modos de velocidad antes del equilibrado, osciló entre 2,4 y 5,7 mm/s, que es generalmente inferior al valor de Vk2 en los modos correspondientes.
Además, como podemos ver en la tabla 3.1, sus cambios durante la transición de un modo a otro vienen determinados no sólo por la calidad del equilibrado, sino también por el grado de desintonía de la frecuencia de rotación de la hélice con respecto a las frecuencias naturales de oscilación de los elementos estructurales de la aeronave.
3.4. Resultados del equilibrado.
La hélice se equilibró en el mismo plano a la frecuencia de rotación. Gracias a este equilibrado, se compensa el desequilibrio de potencia de la hélice en dinámica.
El protocolo de equilibrado figura a continuación en Anexo 1.
El equilibrado se realizó a una frecuencia de rotación de la hélice de 1.350 rpm, y previó la realización de dos arranques de medición.
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 vibración a la frecuencia de rotación de la hélice tras fijar un peso de prueba de la masa especificada en la hélice.
Según los resultados de estas mediciones, se determinaron la masa y el ángulo de instalación del peso corrector en el plano 1.
Tras fijar el valor calculado del peso corrector de 40,9 g en la hélice, la vibración en este modo de velocidad disminuyó de 6,7 mm/s en el estado inicial a 1,5 mm/s después del equilibrado.
El nivel de vibración asociado al desequilibrio de la hélice en otros modos de alta velocidad también disminuyó y tras el equilibrado se situó dentro del intervalo de 1 a 2,5 mm/s.
No llevamos a cabo el examen de la influencia de la calidad del equilibrado en el nivel de vibración de la aeronave en vuelo debido al daño de emergencia de la hélice durante uno de los vuelos de entrenamiento.
Debe tenerse en cuenta que el resultado obtenido al realizar el equilibrado especificado difiere significativamente del resultado del equilibrado en la planta de fabricación.
En particular:
- la vibración se reduce más de 4 veces en la frecuencia de rotación de la hélice después de equilibrarla en un lugar permanente de instalación (en el eje de salida del engranaje del SU-29);
- El peso corrector, colocado en el proceso de equilibrado, se desplaza con respecto al peso fijado en la planta de fabricación unos 130º.
Los posibles motivos de esta situación pueden ser:
- errores del sistema de medición del soporte de equilibrado del fabricante (lo que es poco probable);
- Errores geométricos de los asientos de acoplamiento del husillo de la máquina equilibradora de hélices, que provocan la excentricidad radial de la hélice cuando se instala en el husillo;
- errores geométricos de los asientos de acoplamiento del eje del tren de aterrizaje del avión, que provocan una excentricidad radial de la hélice cuando se instala en el eje del tren de aterrizaje.
3.5. Conclusiones sobre los resultados del trabajo
3.5.1. El equilibrado de la hélice del SU-29, realizado en el mismo plano a una velocidad de la hélice de 1350 rpm (70%), permitió reducir la vibración de la hélice de 6,7 mm/s a 1,5 mm/s.
El nivel de vibración asociado al desequilibrio de la hélice en otros modos de alta velocidad también disminuyó significativamente y osciló entre 1 y 2,5 mm/s.
3.5.2. Para aclarar las posibles razones de los resultados insatisfactorios del equilibrado en la planta de fabricación, es necesario comprobar su excentricidad radial en el eje de accionamiento del tren motor de la aeronave.
Anexo 1
PROTOCOLO DE EQUILIBRIO
para las hélices MTV-9-K-C/CL 260-27 de los aviones acrobáticos SU-29
- Cliente: V. D. Chvokov
- Lugar de instalación de la hélice: el eje de transmisión del engranaje del SU-29
- Tipo de hélice: MTV-9-K-C/CL 260-27
- Método de equilibrado: montado en el lugar de funcionamiento (en rodamientos propios), en el mismo plano
- Velocidad de la hélice durante el equilibrado, rpm: 1.350
- Modelo, nº de planta y fabricante del dispositivo de equilibrado: Balancet-1, planta nº 149, OU Vibromer
- Documentos reglamentarios utilizados en la compensación:
7.1. GOST ISO 1940-1-2007 Vibración. Requisitos de calidad de equilibrado para rotores rígidos. Parte 1. Determinación del desequilibrio admisible. Determinación del desequilibrio admisible.
7.2. _____________________________________________________________
_____________________________________________________________
- Fecha del balance: 15 de junio de 2014
- Tabla resumen de los resultados del equilibrado:
| No. | Resultados de las mediciones | Vibración, mm/s | Desequilibrio, g* mm |
| 1 | Antes de equilibrar *) | 6.7 | 6,135 |
| 2 | Después de equilibrar | 1.5 | 1,350 |
| Tolerancia según GOST ISO 1940 para la clase G 6.3 | 1,500 | ||
*) Nota: El equilibrado se ha realizado manteniendo el peso correctivo de la hélice fijado por el fabricante.
- Conclusión:
10.1. El nivel de vibración (desequilibrio residual) después de equilibrar la hélice instalada en el eje de transmisión del engranaje del SU-29 (véase el apartado 9.2) se reduce en más de 4 veces en comparación con el inicial (véase el apartado 9.1).
10.2. Los parámetros del peso corrector (masa, ángulo de instalación) utilizados para lograr el resultado de la cláusula 10.1 son significativamente diferentes de los parámetros del peso corrector establecidos en la planta de fabricación (hélice MT).
En particular, al equilibrar la hélice, colocamos un peso corrector adicional de 40,9 g, que se desplazó con respecto al peso fijado en la planta de fabricación, en un ángulo de 130º.
(El peso colocado en la planta de fabricación no fue eliminado de la hélice durante el equilibrado adicional).
Los posibles motivos de esta situación pueden ser:
- errores del sistema de medición del puesto de equilibrado de la planta de fabricación;
- errores geométricos de los asientos de acoplamiento del husillo de la máquina equilibradora de la planta de fabricación, que provocan la excentricidad radial de la hélice cuando se instala en el husillo;
- errores geométricos de los asientos de acoplamiento del eje de transmisión del tren de aterrizaje de la aeronave, que provocan una excentricidad radial de la hélice cuando se instala en el eje del tren de aterrizaje.
Es necesario identificar la razón específica que provoca el aumento del desequilibrio de la hélice al instalarla en el eje de transmisión del engranaje del Su-29:
- comprobar el sistema de medición y la precisión geométrica de los asientos de husillo de la máquina equilibradora utilizada al equilibrar la hélice MTV-9-K-C/CL 260-27 en la planta de fabricación;
- para comprobar la excentricidad radial de la hélice instalada en el eje de transmisión del engranaje del SU-29.
Ejecutor:
Técnico jefe de OU Vibromera
V. D. Feldman