Lennuki propelleri tasakaalustamise kohta välitingimustes. Osa 1

1. V.D. Feldman

OU Vibromera peatehnik

Õhusõiduki propelleri tasakaalustamise kohta välitingimustes

 "Propeller on õhusõiduki juht,

ja tasakaalustada saab ainult striver"

1. Veebilehel eessõna asemel

Kaks ja pool aastat tagasi alustas meie ettevõte Balanset-1 masstootmist, mis on mõeldud rootormehhanismide tasakaalustamiseks oma laagrites.

Praeguseks on toodetud rohkem kui 180 komplekti, mida kasutatakse tõhusalt erinevates tööstusharudes, sealhulgas ventilaatorite, heitgaaside, elektrimootorite, tööspindade, pumpade, purustite, separaatorite, tsentrifuugide, veovõllide ja väntvõllide ning muude mehhanismide tootmisel ja käitamisel.

Viimasel ajal on meie ettevõte saanud organisatsioonidelt ja üksikisikutelt palju taotlusi seoses võimalusega kasutada meie seadmeid õhusõidukite ja helikopterite propellerite tasakaalustamiseks välitingimustes.

Kahjuks ei ole meie spetsialistid, kellel on suur kogemus mitmesuguste masinate tasakaalustamisel, selle probleemiga kunagi tegelenud. Seetõttu olid nõuanded ja soovitused, mida me oma klientidele anda suutsime, üldist laadi ja ei võimaldanud neil alati probleemi tõhusalt lahendada.

Sel kevadel hakkas olukord muutuma paremuse poole tänu V. D. Tšvokovi aktiivsele seisukohale, kes organiseeris ja osales koos meiega kõige aktiivsemalt JAK-52 ja SU-29 propellerite tasakaalustamise töödes, mille piloot ta on.

Joonis 1.1. Jak-52 lennuväljal

Joonis 1.2. SU-29 parkimisalal

Selle protsessi käigus oleme õppinud teatavat oskust ja tehnoloogiat õhusõidukite propellerite tasakaalustamiseks välitingimustes, kasutades Balanset-1, sealhulgas:

• vibratsiooniandurite ja faasinurga paigalduskohtade ja -meetodite kindlaksmääramine (paigaldamine) objektil;
• õhusõiduki mitmete konstruktsioonielementide (mootori vedrustus, propelleri laba) resonantssageduste määramine;
• mootori pöörlemiskiiruste (töörežiimide) kindlakstegemine, tagades tasakaalustamise käigus minimaalse jääktasakaalustamatuse;
• propelleri jääktolerantsi kindlaksmääramine jne.

Lisaks saime huvitavaid andmeid M-14P mootoritega varustatud õhusõidukite vibratsioonitaseme kohta.

Nende tööde tulemuste põhjal on allpool soovitatud aruandlusmaterjalid.

Koos tasakaalustamise tulemustega sisaldavad need ka YAK-52 ja SU-29 vibratsiooniuuringute andmeid, mis on saadud maapealsete ja lennuki katsetuste käigus.

Need andmed võivad huvi pakkuda nii õhusõidukite pilootidele kui ka hooldusspetsialistidele.

2. Lennuki YAK-52 propelleri tasakaalustamise ja vibratsioonikatsete tulemused

2.1. Sissejuhatus

2014. aasta mais-juulis viisime läbi M-14P lennukimootoriga varustatud YAK-52 vibratsioonikatsetused ja tasakaalustasime selle kahe labaga propelleri.

Tasakaalustamine viidi läbi samas tasapinnas, kasutades tasakaalustuskomplekti Balanset-1, tehas nr 149.

Tasakaalustamisel kasutatav mõõtmisskeem on esitatud joonisel 2.1.

Tasakaalustamisprotsessi ajal on vibratsiooniandur (kiirendusmõõtur) 1 oli paigaldatud mootori käigukasti esikaane külge, kasutades spetsiaalsel klambril olevat magnetit.

Faasinurga laserandur 2 oli samuti paigaldatud käigukattele ja seda juhtis peegeldav silt, mis oli kinnitatud ühele propelleri labale.

Andurite analoogsignaalid edastati kaablite kaudu Balanset-1 mõõteseadmesse, kus toimus nende esialgne digitaalne töötlemine.

Lisaks edastati need signaalid digitaalsel kujul arvutisse, mis töötles neid ja arvutas välja propelleri tasakaalustamatuse kompenseerimiseks vajaliku korrigeeriva kaalu massi ja paigaldusnurga.

Joonis 2.1. YAK-52 tasakaalustava propelleri mõõtmisskeem.

Zk - peamine hammasratas;

Zс - käigu satelliidid;

Zn - fikseeritud hammasratas.

Selle töö käigus, võttes arvesse kogemusi SU-29 ja YAK-52 propellerite tasakaalustamisel, viisime läbi mitmeid täiendavaid uuringuid, sealhulgas:

• YAK-52 mootori ja propelleri võnkumissageduse määramine;
• uurides vibratsiooni väärtust ja spektraalset koostist teise piloodi kabiinis lennu ajal pärast propelleri tasakaalustamist;
• uurides vibratsiooni väärtust ja spektraalset koosseisu piloodikabiinis lennu ajal pärast propelleri tasakaalustamist ja mootori summuti pingutusjõu reguleerimist.

2.2. Mootori ja propelleri loodussageduste uuringute tulemused.

Õhusõiduki kere summutitele paigaldatud mootori loodussagedused määrati spektrianalüsaatoriga AD-3527, f. A @ D, (Jaapan), mootori võnkumiste löögiärrituse abil.

Me määrasime YAK-52 mootori vedrustuse loomulike võnkumiste spektris 4 põhisagedust, nimelt: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz, mille näide on esitatud joonisel 2.2.

Joonis 2.2. YAK-52 mootori vedrustuse võnkumissageduste spekter.

Sagedused 74 Hz, 94 Hz ja 120 Hz on tõenäoliselt seotud mootori kinnitamise (vedrustuse) omadustega õhusõiduki kere külge.

Sagedus 20 Hz on tõenäoliselt seotud õhusõiduki võnkumistega šassiil.

Samuti määrati propellerilabade võnkesagedused löökergituse meetodil.

Sel juhul näitasime nelja peamist sagedust, nimelt: 36Hz, 80Hz, 104Hz ja 134Hz.

Andmed YAK-52 propelleri ja mootori võnkumissageduste kohta võivad olla eelkõige olulised tasakaalustamisel kasutatava propelleri pöörlemissageduse valimisel. Selle sageduse valimise peamine tingimus on tagada selle maksimaalne võimalik kõrvalekalle õhusõiduki konstruktsioonielementide võnkumissagedustest.

Lisaks sellele võib õhusõiduki üksikute komponentide ja osade võnkumissageduste tundmine olla kasulik, et tuvastada vibratsioonispektri teatavate komponentide järsu suurenemise (resonantsi korral) põhjused eri mootori pöörlemiskiirustel.

2.3. Tasakaalustamise tulemused.

Nagu eespool märgitud, tasakaalustati propeller ühes tasapinnas, mille tulemusena kompenseeriti propelleri võimsuse tasakaalustamatus dünaamikas.

Dünaamiline tasakaalustamine kahes tasapinnas ei olnud võimalik, mis võimaldab (lisaks jõule) kompenseerida propelleri momendi tasakaalustamatust, kuna YAK-52-le paigaldatud propelleri konstruktsioon võimaldab moodustada ainult ühe korrigeerimistasandi.

Propeller tasakaalustati pöörlemissagedusega 1150 rpm (60%), mille juures oli võimalik saada kõige stabiilsemad tulemused vibratsiooni mõõtmisel amplituudi ja faasi osas algusest kuni alguseni.

Propeller tasakaalustati klassikalise "kahe stardi" skeemi järgi.

Esimese käivitamise ajal määrasime vibratsiooni amplituudi ja faasi propelleri pöörlemissagedusel algseisundis.

Teise käivitamise ajal määrasime vibratsiooni amplituudi ja faasi propelleri pöörlemissagedusel pärast seda, kui tõestusmass oli võrdne 7g.

Neid andmeid arvesse võttes arvutasime programmiliselt välja massi M = 19,5g ja korrektsioonimassi paigaldusnurga F = 32.

Võttes arvesse propelleri konstruktsiooniomadusi, mis ei võimalda korrektsioonikaalu paigutada nõutava nurga alla, kinnitatakse propellerile kaks samaväärset kaalu, sealhulgas:

• M1 kaal = 14g nurga F1 = 0º juures;
• M1 kaal = 8,3 g nurga F1 = 60º juures.

Pärast eespool nimetatud korrigeerivate raskuste paigutamist propellerile vähenes propelleri tasakaalustamatusega seotud vibratsioon, mis mõõdeti pöörlemiskiirusel 1150 rpm, algseisundi 10,2 mm/s-lt 4,2 mm/s-ni pärast tasakaalustamist.

Samal ajal vähenes propelleri tegelik tasakaalustamatus 2340 g*mm-lt 963 g*mm-ni.

2.4. Tasakaalustamise mõju testimine YAK-52 vibratsioonitasemele maapinnal erinevate propelleri kiiruste juures.

Tabelis 2.1 on esitatud YAK-52 vibratsioonikatsete tulemused, mis on tehtud mootori muudes töötingimustes, mis on saadud maapealsete katsete käigus.

Nagu tabelist nähtub, mõjutas tasakaalustamine positiivselt YAK-52 vibratsiooni kõigis töörežiimides.

Tabel 2.1

Lisaks sellele ilmnes maapealsete katsete käigus, et õhusõiduki vibratsioon väheneb märkimisväärselt, kui propelleri pöörlemiskiirust suurendatakse.

Seda nähtust võib seletada propelleri pöörlemiskiiruse suurema kõrvalekaldumisega õhusõiduki loomulikust võnkesagedusest šassiil (arvatavasti 20 Hz), mis tekib propelleri suurema pöörlemiskiiruse korral.

2.5. YAK-52 vibratsiooni uurimine õhus peamistel lennurežiimidel enne ja pärast summutite pingutamisjõu reguleerimist.

Lisaks vibratsioonikatsetele, mis viidi läbi pärast propelleri tasakaalustamist maapinnal (vt punkt 2.3), tegime mõõtmisi YAK-52 vibratsiooni kohta lennu ajal.

Vibratsiooni lennu ajal mõõdeti teise piloodi kabiinis. vertikaalsuunas kasutades kaasaskantavat vibratsioonispektri analüsaatorit AD-3527 f. A@D (Jaapan) sagedusvahemikus 5 kuni 200 (500) Hz.

Mõõtmised viidi läbi viiel peamootori pöörlemiskiirusel, mis olid vastavalt 60%, 65%, 70% ja 82% selle maksimaalsest pöörlemiskiirusest.

Enne summutite reguleerimist tehtud mõõtmiste tulemused on esitatud tabelis 2.2.

Tabel 2.2

Näitena on joonistel 2.3 ja 2.4 näidatud spektrite graafikud, mis on saadud YAK-52 kabiini vibratsiooni mõõtmisel režiimidel 60% ja 94% ja mida kasutati tabeli 2.2 täitmisel.

Joonis 2.3. Vibratsioonispekter YAK-52 piloodikabiinis 60% juures.

Joonis 2.4. Vibratsioonispekter YAK-52 kabiinis 94% juures.

Nagu tabelist 2.2 nähtub, ilmnevad teise piloodi kabiinis mõõdetud vibratsiooni põhikomponendid propelleri pöörlemiskiirustel Vv1 (rõhutatud kollasega), mootori väntvõlli Vk1 (rõhutatud sinisega) ja õhukompressori käigukasti (ja/või sagedusanduri) Vn ( rõhutatud rohelisega), samuti nende kõrgematel harmoonilistel Vv2, Vv4, Vv5 ja Vk2, Vk3.

Maksimaalne koguvibratsioon Vå  tuvastati kiirustel 82% (1580 p/min propeller) ja 94% (1830 p/min).

Selle vibratsiooni põhikomponent avaldub 2^nd mootori väntvõlli pöörlemiskiiruse Vk2 harmooniline ja saavutab vastavalt väärtused 12,5 mm/s sagedusel 4800 tsüklit/min ja 15,8 mm/s sagedusel 5520 tsüklit/min.

Võib eeldada, et see komponent on seotud mootori kolbibloki tööga (löögiprotsessid, kui kolvid liiguvad ühe pöörde jooksul kaks korda ümber).

Selle komponendi järsk suurenemine 82% (esimene nominaalne) ja 94% (õhkutõus) režiimidel on tõenäoliselt põhjustatud mitte kolvirühma defektidest, vaid õhusõiduki keresse kinnitatud mootori resonantsvõnkumistest amortisaatoril.

Seda järeldust kinnitavad eespool esitatud mootori vedrustuse võnkete loodussageduste eksperimentaalse kontrollimise tulemused, mille spektris on 74 Hz (4440 tsüklit/min), 94 Hz (5640 tsüklit/min) ja 120 Hz (7200 tsüklit/min).

Kaks neist loodussagedustest, mis on 74 ja 94 Hz, on lähedased 2^nd väntvõlli pöörlemiskiiruse harmooniline, mis toimub mootori töö esimeses nimi- ja stardimomendil.

Tulenevalt asjaolust, et vibratsioonikatsete käigus tuvastasime märkimisväärseid vibratsioone 2^nd väntvõlli harmoonilisus mootori esimeses nimi- ja stardimõõdus, püüti kontrollida ja reguleerida mootori vedrustuse amortisaatorite pingutusjõudu.

Tabelis 2.3 on esitatud võrdlevad katsetulemused, mis saadi enne ja pärast summutite reguleerimist propelleri pöörlemiskiiruse suhtes (Vv1) ja 2^nd väntvõlli pöörlemissageduse harmooniline (Vk2).

Tabel 2.3

Nagu tabelist 2.3 näha, ei põhjustanud summutite reguleerimine olulisi muutusi õhusõiduki vibratsiooni põhikomponentide väärtustes.

Võttes arvesse ülaltoodut, võib YAK-52 vibratsioonikomponendi märgatavat suurenemist esimeses nimi- ja stardirežiimis (meie arvates) pidada õhusõiduki projekteerijate konstruktiivseks valearvestuseks, mis tehti mootori kinnitussüsteemi (vedrustuse) valimisel õhusõiduki keresse.

Sellega seoses tuleb märkida, et propelleri tasakaalustamatusega seotud spektrikomponendi Vv1 amplituud, mis on tuvastatud 82% režiimides ja 94% (vt tabelid 1.2 ja 1.3), on vastavalt 3-7 korda madalam kui nende režiimide amplituudid Vk2 (vt tabelid 1.2 ja 1.3).

Muude lennurežiimide puhul jääb Vv1 komponent vahemikku 2,8-4,4 mm/s.

Lisaks sellele, nagu tabelid 2.2 ja 2.3 näitavad, on üleminekul ühelt režiimilt teisele selle muutused peamiselt tingitud mitte tasakaalustamise kvaliteedist, vaid propelleri pöörlemiskiiruse kõrvalekaldumisest õhusõiduki teatavate konstruktsioonielementide võnkumissagedustest.

2.6. Järeldused töö tulemuste kohta

2.6.1. YAK-52 propelleri tasakaalustamine, mis viidi läbi pöörlemissagedusel 1150 rpm (60%), võimaldas vähendada propelleri vibratsiooni 10,2 mm/s 4,2 mm/s-ni.

Võttes arvesse teatavaid kogemusi, mis on saadud YAK-52 ja SU-29 propellerite tasakaalustamisel Balanset-1 abil, võime eeldada, et YAK-52 propelleri vibratsioonitaset on võimalik veelgi vähendada.

Seda efekti saab saavutada eelkõige propelleri tasakaalustamise ajal erineva (kõrgema) pöörlemissageduse valimisega, mis võimaldab suuremat lahknemist katse ajal tuvastatud õhusõiduki loomulikust 20 Hz (1200 tsüklit/min) võnkesagedusest.

2.6.2. Nagu YAK-52 vibratsioonikatsete tulemused lennu ajal näitavad, on selle vibratsioonispektris (lisaks eespool punktis 2.6.1 nimetatud komponendile, mis ilmneb propelleri pöörlemissageduse juures) veel mitmeid teisi komponente, mis on seotud väntvõlli, mootori kolvirühma ja ka õhukompressori ajamiga (ja/või sagedusanduriga).

Ülaltoodud vibratsioonide väärtused režiimidel 60%, 65% ja 70% on proportsionaalsed vibratsiooni väärtusega, mis on seotud propelleri tasakaalustamatusega.

Nende vibratsioonide analüüs näitab, et isegi propelleri tasakaalustamatusest tuleneva vibratsiooni täielik kõrvaldamine vähendab õhusõiduki kogu vibratsiooni nendes režiimides mitte rohkem kui 1,5 korda.

2.6.3. Maksimaalne koguvibratsioon Vå YAK-52 tuvastati kiirrežiimidel, nimelt: 82% (1580 p/min propeller) ja 94% (1830 p/min propeller).

Selle vibratsiooni põhikomponent avaldub 2^nd mootori väntvõlli pöörlemissageduse Vk2 harmooniline (sagedustel 4800 tsüklit/min või 5520 tsüklit/min), mille puhul saavutatakse vastavalt 12,5 mm/s ja 15,8 mm/s.

Võib eeldada, et see komponent on seotud mootori kolbirühma tööga (löögiprotsessid, mis tekivad, kui kolvid ühe väntvõlli pöörde jooksul kaks korda ümber paigutatakse).

Selle komponendi järsk suurenemine režiimidel 82% (esimene nominaalne) ja 94% (õhkutõus) on tõenäoliselt põhjustatud mitte kolvirühma defektidest, vaid mootori resonantsetest võnkumistest, mis on kinnitatud õhusõiduki kere summutitele.

Katsete käigus ei toonud summutite reguleerimine kaasa olulisi muutusi vibratsioonis.

Seda olukorda võib pidada õhusõiduki projekteerijate konstruktiivseks valearvestuseks, mis tehti mootori paigaldussüsteemi (riputuse) valimisel õhusõiduki keresse.

2.6.4. Tasakaalustamise ja täiendavate vibratsioonikatsete käigus saadud andmed (vt lennukatse tulemused punktis 2.5) võimaldavad järeldada, et perioodiline vibratsiooniseire võib olla kasulik õhusõiduki mootori tehnilise seisundi diagnostiliseks hindamiseks.

Sellist protseduuri saab teostada näiteks Balanset-1 abil, mille tarkvara rakendab spektraalse vibratsioonianalüüsi funktsiooni.