Sur l'équilibrage des hélices d'aéronefs sur site
Résumé: Ce rapport technique documente la première application réussie du dispositif portable Balanset-1 pour l'équilibrage sur site d'hélices d'aéronefs. Les travaux ont été menés sur des aéronefs Yak-52 (hélice bipale) et Su-29 (hélice tripale MTV-9-K-C/CL 260-27) équipés de moteurs M-14P, entre mai et juillet 2014. Principaux résultats : les vibrations de l'hélice du Yak-52 ont été réduites de 10,2 à 4,2 mm/s ; celles du Su-29, de 6,7 à 1,5 mm/s (soit une réduction de plus de 4×). Le rapport présente également une analyse détaillée du spectre vibratoire pour différents modes de fonctionnement et identifie les principales sources de vibrations, notamment les harmoniques du vilebrequin et les résonances structurelles.
1. Avant-propos
Il y a deux ans et demi, notre entreprise a commencé la production en série du dispositif " Balanset-1 ", conçu pour équilibrer les mécanismes rotatifs dans leurs propres roulements.
À ce jour, plus de 180 exemplaires ont été produits. Ils sont utilisés efficacement dans diverses industries, notamment pour la production et l'exploitation de ventilateurs, de souffleurs, de moteurs électriques, de broches de machines, de pompes, de concasseurs, de séparateurs, de centrifugeuses, d'ensembles de transmission par cardan et vilebrequin, et de mécanismes similaires.
Récemment, Vibromera a reçu un grand nombre de demandes de renseignements de la part d'organisations et de particuliers concernant la possibilité d'utiliser notre équipement pour l'équilibrage des hélices d'avions et d'hélicoptères sur site.
Malheureusement, malgré leurs nombreuses années d'expérience dans l'équilibrage de machines diverses, nos spécialistes n'avaient jamais été confrontés à ce problème précis. Les conseils et recommandations que nous pouvions donner à nos clients étaient donc assez généraux et ne leur permettaient pas toujours de résoudre efficacement le problème rencontré.
Cette situation a commencé à s'améliorer ce printemps, grâce à l'implication active de VD Chvokov, qui a organisé et participé avec nous aux travaux d'équilibrage des hélices des avions Yak-52 et Su-29 qu'il pilote.
Au cours de ces travaux, certaines compétences ont été acquises et une technologie d'équilibrage des hélices d'aéronefs sur site, utilisant le dispositif " Balanset-1 ", a été développée, notamment :
- déterminer les emplacements et les méthodes d'installation (montage) des capteurs de vibrations et d'angle de phase sur l'aéronef ;
- déterminer les fréquences de résonance de plusieurs éléments structurels de l'aéronef (suspension du moteur, pales d'hélice) ;
- identifier les fréquences de rotation du moteur (modes de fonctionnement) qui garantissent le balourd résiduel minimal réalisable lors de l'équilibrage ;
- établir des tolérances pour le balourd résiduel de l'hélice.
En outre, des données intéressantes sur les niveaux de vibration des avions équipés de moteurs M-14P ont été obtenues.
Vous trouverez ci-dessous les documents du rapport établis à partir des résultats de ces travaux. Outre les résultats d'équilibrage, ils présentent les données issues des relevés vibratoires des avions Yak-52 et Su-29, obtenus lors d'essais au sol et en vol. Ces données peuvent intéresser aussi bien les pilotes que les spécialistes chargés de la maintenance de ces appareils.
2. Étude d'équilibrage et de vibrations du Yak-52
2.1. Introduction
De mai à juillet 2014, des travaux ont été réalisés sur l'étude des vibrations de l'avion Yak-52, équipé du moteur d'aviation M-14P, et sur l'équilibrage de son hélice bipale.
L'équilibrage a été effectué dans un seul plan à l'aide du kit "Balanset-1", numéro de série 149.
Le schéma de mesure est illustré sur la figure 2.1. Lors de l'équilibrage, le capteur de vibrations (accéléromètre) 1 Il a été installé sur le couvercle avant de la boîte de vitesses du moteur à l'aide d'un support magnétique fixé sur un support spécialement conçu. Capteur d'angle de phase laser 2 Il était également installé sur le couvercle de la boîte de vitesses et orienté vers la marque réfléchissante apposée sur l'une des pales de l'hélice.
Les signaux analogiques provenant des capteurs étaient transmis par câbles à l'unité de mesure de l'appareil " Balanset-1 ", où un prétraitement numérique était effectué. Ces signaux, sous forme numérique, étaient ensuite traités par ordinateur, où la masse et l'angle de la masse de correction nécessaire pour compenser le balourd de l'hélice étaient calculés.
Zk — roue dentée principale ; Zs — satellites ; Zn — roue dentée fixe.
Au cours de ces travaux, et en tenant compte de l'expérience acquise lors de l'équilibrage des hélices du Su-29 et du Yak-52, un certain nombre d'études supplémentaires ont été menées :
- déterminer les fréquences naturelles des oscillations du moteur et de l'hélice du Yak-52 ;
- mesurer l'amplitude des vibrations et la composition spectrale dans la cabine du second pilote pendant le vol après l'équilibrage de l'hélice ;
- Mesure des vibrations après équilibrage de l'hélice et après réglage de la force de serrage des amortisseurs du moteur.
2.2. Fréquences naturelles des oscillations du moteur et de l'hélice
Les fréquences naturelles des oscillations du moteur, monté sur des amortisseurs dans le fuselage de l'avion, ont été déterminées à l'aide d'un analyseur de spectre AD-3527 par A&D (Japon) par excitation d'impact.
Dans le spectre des oscillations naturelles de la suspension du moteur du Yak-52 (Fig. 2.2), quatre fréquences principales ont été identifiées : 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.
Les fréquences de 74 Hz, 94 Hz et 120 Hz sont probablement liées aux caractéristiques de la fixation du moteur (suspension) au fuselage. La fréquence de 20 Hz est très probablement associée aux oscillations naturelles de l'avion sur son train d'atterrissage.
Les fréquences propres des pales d'hélice ont également été déterminées par la méthode d'excitation par impact. Quatre fréquences principales ont été identifiées : 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz et 134 Hz.
Les données relatives aux fréquences propres d'oscillation de la suspension du moteur et des pales de l'hélice sont essentielles pour le choix de la fréquence de rotation de l'hélice lors de l'équilibrage. Le principal impératif pour sélectionner cette fréquence est d'assurer un désaccord maximal par rapport aux fréquences propres d'oscillation des éléments structuraux de l'aéronef, car aux fréquences de résonance, la précision et la répétabilité des mesures de vibrations peuvent être fortement compromises.
De plus, la connaissance des fréquences naturelles des composants individuels peut être utile pour identifier les causes des fortes augmentations de vibrations (phénomènes de résonance) à différents régimes moteur, qui peuvent survenir pendant le fonctionnement de l'aéronef.
2.3. Résultats de l'équilibrage
Comme indiqué ci-dessus, l'équilibrage de l'hélice a été effectué dans un seul plan, compensant ainsi dynamiquement le déséquilibre de force de l'hélice.
L'équilibrage dynamique sur deux plans (qui compenserait en outre le déséquilibre de moment) n'était pas réalisable, car la conception de l'hélice du Yak-52 ne permet qu'un seul plan de correction.
L'équilibrage a été effectué à une fréquence de rotation de 1150 tr/min (60%), à laquelle les mesures de vibration les plus stables, tant en amplitude qu'en phase, ont été obtenues d'un passage à l'autre.
Le schéma classique en " deux passages " a été utilisé :
- Lors du premier essai, l'amplitude et la phase de vibration à la fréquence de rotation de l'hélice dans l'état initial ont été déterminées.
- Lors du deuxième essai, l'amplitude et la phase de vibration après l'installation d'une masse d'essai de 7 g sur l'hélice ont été déterminées.
- À partir de ces données, le logiciel a calculé : la masse de correction M = 19,5 g à angle F = 32°.
En raison des caractéristiques de conception de l'hélice, qui ne permettaient pas d'installer la masselotte de correction à l'angle requis de 32°, deux masselottes équivalentes ont été installées :
- M1 = 14 g à l'angle F1 = 0°
- M2 = 8,3 g à l'angle F2 = 60°
Résultat: Après l'installation des masselottes de correction, les vibrations à 1150 tr/min ont diminué de 10,2 mm/sec à 4,2 mm/sec. Le déséquilibre réel a diminué de 2340 g·mm à 963 g·mm.
2.4. Vibrations dans d'autres modes de fonctionnement
Les résultats des contrôles de vibrations dans d'autres modes de fonctionnement du moteur lors des essais au sol sont présentés dans le tableau 2.1. Comme on peut le constater, l'équilibrage a eu un effet positif sur les vibrations du Yak-52 dans tous les modes.
| # | Puissance, % | tr/min | Vitesse de vibration RMS, mm/sec |
|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1153 | 4.2 |
| 2 | 65 | 1257 | 2.6 |
| 3 | 70 | 1345 | 2.1 |
| 4 | 82 | 1572 | 1.25 |
De plus, lors des essais au sol, une nette réduction des vibrations avec l'augmentation de la fréquence de rotation de l'hélice a été observée. Ceci s'explique par un désaccord plus important entre la fréquence de rotation de l'hélice et la fréquence d'oscillation naturelle de l'aéronef sur le châssis (probablement de 20 Hz), désaccord qui se produit aux fréquences de rotation plus élevées.
2.5. Vibrations en vol avant et après réglage des amortisseurs
En plus des tests de vibration au sol après l'équilibrage de l'hélice (section 2.3), des mesures de vibration du Yak-52 ont également été effectuées en vol.
Les vibrations en vol ont été mesurées dans la cabine du copilote, dans le sens vertical, à l'aide d'un analyseur de spectre portable AD-3527 (A&D, Japon), dans la gamme de fréquences de 5 à 200 (500) Hz. Les mesures ont été effectuées à cinq régimes moteur principaux : 60%, 65%, 70%, 82% et 94% de la fréquence de rotation maximale.
Les résultats, obtenus avant le réglage des amortisseurs, sont présentés dans le tableau 2.2.
| # | Vitesse de l'hélice | Composants du spectre vibratoire, fréquence (CPM) / amplitude (mm/sec) |
VΣ, mm/s |
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| % | tr/min | Vp1 | Vn | Vc1 | Vp2 | Vc2 | Vp4 | Vc3 | Vp5 | ||
| 1 | 60 | 1155 | 1155 4.4 |
1560 1.5 |
1755 1.0 |
2310 1.5 |
3510 4.0 |
4620 1.3 |
5265 0.7 |
5775 0.9 |
6.1 |
| 2 | 65 | 1244 | 1244 3.5 |
1680 1.2 |
1890 2.1 |
2488 1.2 |
3780 4.1 |
4976 0.4 |
5670 1.2 |
6.2 | |
| 3 | 70 | 1342 | 1342 2.8 |
1860 0.4 |
2040 3.2 |
2684 0.4 |
4080 2.9 |
5369 2.3 |
5.0 | ||
| 4 | 82 | 1580 | 1580 4.7 |
2160 2.9 |
2400 1.1 |
3160 0.4 |
4800 12.5 |
13.7 | |||
| 5 | 94 | 1830 | 1830 2.2 |
2484 3.4 |
2760 1.7 |
3660 2.8 |
5520 15.8 |
7320 3.7 |
17.1 | ||
Vp = harmoniques de l'hélice (1re, 2e, 4e, 5e) Vn = compresseur / capteur de fréquence Vc1, Vc2, Vc3 = vilebrequin 1er, 2e, 3e Valeur supérieure = fréquence (CPM), inférieure = amplitude (mm/sec).
Comme le montre le tableau 2.2, les principales composantes de vibration apparaissent à la fréquence de rotation de l'hélice Vp1, la fréquence du vilebrequin Vc1, l'entraînement du compresseur d'air (et/ou du capteur de fréquence) Vn, et leurs harmoniques supérieures.
Vibration totale maximale VΣ Elle a été détectée aux modes 82% (1580 tr/min) et 94% (1830 tr/min). La composante dominante à ces modes apparaît à la deuxième harmonique de la fréquence de rotation du vilebrequin V.c2, atteignant 12,5 mm/s à 4800 cycles/min et 15,8 mm/s à 5520 cycles/min.
On peut supposer que ce composant est lié au groupe piston (processus d'impact survenant lors du double mouvement des pistons par tour de vilebrequin). La forte augmentation observée aux modes 82% (premier régime nominal) et 94% (décollage) est très probablement due non pas à des défauts du groupe piston, mais à des oscillations de résonance du moteur sur ses amortisseurs. Cette conclusion est étayée par les mesures de fréquences propres, qui ont révélé des fréquences de suspension du moteur à 74 Hz (4 440 cycles/min), 94 Hz (5 640 cycles/min) et 120 Hz (7 200 cycles/min). Deux d'entre elles — 74 Hz et 94 Hz — sont proches des fréquences de la deuxième harmonique du vilebrequin aux modes de fonctionnement du premier régime nominal et de décollage.
En raison des vibrations importantes constatées à Vc2, la force de serrage des amortisseurs du moteur a été vérifiée et ajustée. Les résultats comparatifs sont présentés dans le tableau 2.3.
| # | % | tr/min (avant / après) |
Vp1 | Vc2 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Avant | Après | Avant | Après | |||
| 1 | 60 | 1155 / 1140 | 1155 4.4 |
1140 3.3 |
3510 3.0 |
3480 3.6 |
| 2 | 65 | 1244 / 1260 | 1244 3.5 |
1260 3.5 |
3780 4.1 |
3840 4.3 |
| 3 | 70 | 1342 / 1350 | 1342 2.8 |
1350 3.3 |
4080 2.9 |
4080 1.2 |
| 4 | 82 | 1580 / 1590 | 1580 4.7 |
1590 4.2 |
4800 12.5 |
4830 16.7 |
| 5 | 94 | 1830 / 1860 | 1830 2.2 |
1860 2.7 |
5520 15.8 |
5640 15.2 |
Valeur supérieure = fréquence (CPM), valeur inférieure = amplitude (mm/sec).
Comme le montre le tableau 2.3, le réglage de l'amortisseur n'a pas entraîné de changements significatifs dans les principales composantes de vibration de l'aéronef.
Il convient également de noter que la composante de déséquilibre de l'hélice Vp1 aux modes 82% et 94%, elle est respectivement 3 à 7 fois inférieure à Vc2 dans ces modes. Dans les autres modes de vol, Vp1 elle varie de 2,8 à 4,4 mm/s, et ses variations entre les modes sont principalement déterminées non pas par la qualité de l'équilibrage, mais par le degré de désaccord par rapport aux fréquences naturelles des éléments structurels de l'aéronef.
2.6. Conclusions
2.6.1.
L'équilibrage de l'hélice du Yak-52 à une fréquence de rotation de 1150 tr/min (60%) a permis de réduire les vibrations à cette fréquence de 10,2 mm/s à 4,2 mm/s. Forts de l'expérience acquise lors de l'équilibrage des hélices des Yak-52 et Su-29 à l'aide du dispositif " Balanset-1 ", il est envisageable d'obtenir une réduction encore plus importante des vibrations, notamment en choisissant une fréquence de rotation plus élevée lors de l'équilibrage. Ceci permettrait un désaccordage plus marqué par rapport à la fréquence naturelle d'oscillation de l'appareil, de 20 Hz (1200 cycles/min), identifiée lors des mesures.
2.6.2.
Comme le montrent les essais de vibrations en vol (voir tableaux 2.2 et 2.3), les spectres de vibrations de l'avion Yak-52 contiennent, outre les vibrations à la fréquence de rotation de l'hélice Vp1, plusieurs autres composantes importantes — associées au vilebrequin Vc1, Vc2, Vc3, le groupe piston du moteur et l'entraînement du compresseur d'air (et/ou du capteur de fréquence) Vn.
Aux régimes de fonctionnement de 60%, 65% et 70%, ces composantes sont d'une amplitude comparable à la composante de déséquilibre de l'hélice Vp1. Par conséquent, même une élimination complète des vibrations causées par le déséquilibre de l'hélice ne permettrait de réduire les vibrations totales de l'aéronef dans ces modes que d'environ 1,5 fois au maximum.
2.6.3.
Vibration totale maximale VΣ Des vibrations de l'avion Yak-52 ont été détectées aux régimes 82% (1580 tr/min de l'hélice) et 94% (1830 tr/min de l'hélice). La composante dominante de ces vibrations apparaît à la deuxième harmonique de la fréquence de rotation du vilebrequin V.c2, à des fréquences de 4800 cycles/min et 5520 cycles/min respectivement, auxquelles elle atteint des valeurs de 12,5 mm/sec et 15,8 mm/sec.
Comme indiqué dans les sections 2.5 et 2.2, la forte augmentation de cette composante aux modes indiqués est très probablement due non pas à des défauts du groupe piston, mais à des oscillations de résonance du moteur sur ses amortisseurs. Le réglage de la force de serrage des amortisseurs, effectué lors des essais, n'a pas entraîné de modifications significatives des niveaux de vibration.
Cette situation peut vraisemblablement être considérée comme un oubli de conception (konstruktivny proschet) des concepteurs de l'avion, admis lors de la sélection du système de montage (suspension) du moteur dans le fuselage.
2.6.4.
Les données obtenues lors de l'équilibrage de l'hélice et des tests de vibration complémentaires suggèrent qu'une surveillance périodique des vibrations peut être utile pour le diagnostic de l'état technique du moteur d'avion, notamment pour l'évaluation de l'état du groupe piston, du vilebrequin, des paliers du moteur et de l'entraînement du compresseur d'air.
Ces travaux peuvent être effectués, par exemple, à l'aide de l'appareil " Balanset-1 " (actuellement produit sous le nom de Balanset-1A), dans le logiciel duquel la fonction d'analyse spectrale des vibrations est implémentée.
3. Équilibrage de l'hélice MTV-9-K-C/CL 260-27 et étude des vibrations du Su-29
3.1. Introduction
Le 15 juin 2014, des travaux ont été effectués sur l'équilibrage de l'hélice tripale de type MTV-9-KC/CL 260-27, installée sur le moteur d'aviation M-14P de l'avion de voltige Su-29.
Selon les données fournies par le fabricant (MT-Propeller), l'hélice indiquée avait été préalablement équilibrée statiquement, comme en témoigne la présence sur l'hélice dans le plan 1 d'un poids correctif installé à l'usine de fabrication.
L'équilibrage de l'hélice, installée directement sur l'arbre de sortie de la boîte de vitesses du Su-29 (c'est-à-dire à l'emplacement de son installation permanente), a été effectué à l'aide du kit d'équilibrage des vibrations "Balanset-1", numéro de série 149.
Le dispositif de mesure (Fig. 3.1) était globalement similaire à celui utilisé pour le Yak-52. Capteur de vibrations (accéléromètre) 1 a été installé sur le carter de la boîte de vitesses du moteur à l'aide d'une fixation magnétique sur un support spécialement conçu. Capteur d'angle de phase laser 2 Le capteur était également monté sur le carter de la boîte de vitesses et orienté vers le repère réfléchissant apposé sur l'une des pales de l'hélice. Les signaux analogiques provenant des capteurs étaient transmis par câbles à l'unité de mesure du dispositif "Balanset-1", où un prétraitement numérique était effectué. Ensuite, les signaux numériques étaient transmis à l'ordinateur, où un traitement logiciel était réalisé afin de calculer la masse et l'angle de la masse de correction nécessaire pour compenser le balourd de l'hélice.
Zk — roue dentée principale ; Zc — satellites ; Zn — roue dentée fixe.
Avant ces travaux, et en tenant compte de l'expérience acquise lors de l'équilibrage de l'hélice du Yak-52, des études complémentaires ont été menées :
- déterminer les fréquences naturelles des oscillations du moteur et de l'hélice du Su-29 ;
- vérification de l'amplitude et de la composition spectrale des vibrations de base dans la cabine du deuxième pilote avant l'équilibrage.
3.2. Fréquences naturelles des oscillations du moteur et de l'hélice
En utilisant la même méthode d'excitation par impact avec l'analyseur AD-3527, six fréquences principales ont été identifiées dans le spectre de la suspension du moteur (Fig. 3.2) : 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.
Les fréquences de 66 Hz, 88 Hz et 120 Hz sont vraisemblablement liées aux particularités du système de fixation (suspension) du moteur dans le fuselage. Les fréquences de 16 Hz et 22 Hz sont très probablement associées aux oscillations naturelles de l'aéronef sur son châssis. Quant à la fréquence de 37 Hz, elle est probablement liée à la fréquence naturelle d'oscillation des pales de l'hélice.
Cette dernière hypothèse est confirmée par les résultats des mesures des fréquences naturelles d'oscillation des pales de l'hélice (Fig. 3.3), dans le spectre desquelles trois fréquences principales ont été identifiées : 37 Hz, 100 Hz et 174 Hz.
La connaissance des fréquences propres de la suspension du moteur et des pales d'hélice du Su-29 revêt une importance pratique considérable. Premièrement, elle permet de choisir judicieusement la fréquence de rotation de l'hélice pour l'équilibrage, garantissant ainsi un désaccord maximal par rapport aux résonances structurelles de l'aéronef. Deuxièmement, elle fournit les éléments nécessaires à l'interprétation et au diagnostic corrects des causes de vibrations observées dans différents modes de fonctionnement du moteur, comme le démontreront les sections suivantes de ce rapport.
3.3. Vibrations de base de la cabine avant équilibrage
Avant de procéder à l'équilibrage, des mesures des niveaux de vibration de référence ont été effectuées dans la cabine du second pilote du Su-29. Comme pour le Yak-52, les vibrations ont été mesurées verticalement à l'aide de l'analyseur de spectre portable AD-3527 (A&D, Japon) dans la gamme de fréquences de 5 à 200 Hz. Les mesures ont été réalisées à quatre régimes moteur principaux, correspondant à 60%, 65%, 70% et 82% de la fréquence de rotation maximale de l'hélice.
Les résultats de ces mesures sont présentés dans le tableau 3.1.
| # | Vitesse de l'hélice | Composants du spectre vibratoire, fréquence (CPM) / amplitude (mm/sec) |
VΣ, mm/s |
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| % | tr/min | Vp1 | Vn | Vc1 | Vp3 | Vc2 | Vp4 | Vc3 | 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 | |||
Vp = harmoniques de l'hélice (1re, 3e, 4e) Vn = compresseur / capteur de fréquence Vc1, Vc2 = vilebrequin 1er, 2e V? = composant non identifié. Valeur supérieure = fréquence (CPM), valeur inférieure = amplitude (mm/sec).
Les principales composantes de vibration apparaissent à la fréquence de rotation de l'hélice Vp1, vilebrequin Vc1, entraînement du compresseur Vn, et le 2e harmonique du vilebrequin Vc2 (qui, dans le cas d'une hélice tripale, peut également coïncider avec la fréquence de passage des pales Vp3).
Dans le spectre du mode 60%, une composante non identifiée à 6120 cycles/min a également été trouvée, peut-être causée par une résonance à environ 100 Hz — l'une des fréquences naturelles de la pale de l'hélice.
La vibration totale maximale (11,5 mm/s) a été observée en mode 70%. La composante dominante dans ce mode est Vc2 à 4020 cycles/min, atteignant 10,8 mm/s. Cette forte augmentation au 70% est probablement due aux oscillations de résonance de la suspension du moteur aux alentours de 67 Hz (4020 cycles/min).
Il convient également de noter que, outre les excitations dues aux impacts du groupe piston, les vibrations dans cette plage de fréquences peuvent également être influencées par les forces aérodynamiques à la fréquence de passage des pales de l'hélice (Vp3). Aux modes 65% et 82%, on observe une augmentation notable de la composante Vc2 (Vp3) est également observée, ce qui peut s'expliquer par des oscillations résonantes de composants individuels de l'aéronef.
La composante de balourd de l'hélice Vp1 variait de 2,4 à 5,7 mm/s selon les modes avant l'équilibrage, généralement inférieure à Vc2 aux modes correspondants. Sa variation entre les modes est déterminée non seulement par la qualité de l'équilibrage, mais aussi par le degré de désaccord par rapport aux fréquences naturelles des éléments structurels de l'aéronef.
3.4. Résultats de l'équilibrage
L'équilibrage de l'hélice a été effectué dans un plan à une fréquence de rotation de 1350 tr/min, à l'aide de deux séries de mesures (méthode classique des coefficients d'influence). Le protocole complet d'équilibrage est donné dans Annexe 1.
La procédure d'équilibrage comprenait les opérations suivantes :
- Lors du premier essai (état initial), l'amplitude et la phase de vibration à la fréquence de rotation de l'hélice ont été déterminées.
- Lors du deuxième essai, l'amplitude et la phase des vibrations après l'installation d'une masse d'essai de poids connu sur l'hélice ont été déterminées.
- Sur la base de ces résultats de mesure, le logiciel a calculé la masse et l'angle d'installation du poids correctif dans le plan 1, nécessaire pour compenser le balourd de l'hélice.
Résultat: Après avoir installé le poids correcteur de 40,9 g, les vibrations ont diminué de 6,7 mm/sec à 1,5 mm/sec. À d'autres vitesses, les vibrations liées au balourd de l'hélice restaient dans 1–2,5 mm/sec.
La vérification de la qualité de l'équilibrage en vol n'a pas pu être effectuée en raison d'un endommagement accidentel de l'hélice lors d'un vol d'entraînement.
Écart significatif par rapport à l'équilibrage d'usine. Il convient de noter que le résultat obtenu lors de l'équilibrage sur site diffère sensiblement du résultat de l'équilibrage effectué en usine :
- Les vibrations à la fréquence de rotation de l'hélice après l'équilibrage sur site au lieu d'installation permanente (sur l'arbre de sortie de la boîte de vitesses du Su-29) ont été réduites de plus de 4 fois par rapport à l'état initial (c'est-à-dire par rapport à l'état équilibré en usine) ;
- Le poids correctif installé lors de l'équilibrage sur site a été déplacé d'environ 130° par rapport au poids correctif installé à l'usine de fabrication (MT-Propeller).
Le poids correctif installé à l'usine de fabrication était non supprimé de l'hélice lors de l'équilibrage sur site supplémentaire.
Les raisons de l'écart constaté peuvent être les suivantes :
- erreurs du système de mesure du banc d'équilibrage de l'usine de fabrication (cette raison semble être la moins probable) ;
- erreurs géométriques (imprécisions) des surfaces de montage de la broche de la machine d'équilibrage dans l'usine de fabrication, provoquant un faux-rond radial de l'hélice sur la broche ;
- erreurs géométriques (imprécisions) des surfaces de montage de l'arbre de sortie de la boîte de vitesses sur l'avion Su-29, provoquant un faux-rond radial de l'hélice lorsqu'elle est installée sur l'arbre de la boîte de vitesses.
3.5. Conclusions
3.5.1.
L'équilibrage de l'hélice du Su-29 dans un plan, à une fréquence de rotation de 1 350 tr/min (70%), a permis de réduire les vibrations de 6,7 mm/s initialement à 1,5 mm/s après équilibrage. Les vibrations dues au balourd de l'hélice aux autres régimes moteur ont également diminué de manière significative et sont restées comprises entre 1 et 2,5 mm/s.
3.5.2.
Afin de clarifier les raisons des résultats insatisfaisants de l'équilibrage de l'hélice à l'usine de fabrication (MT-Propeller), il est nécessaire de vérifier le faux-rond radial de l'hélice sur l'arbre de sortie de la boîte de vitesses du moteur de l'avion Su-29.
Annexe 1 : Protocole d'équilibrage
PROTOCOLE D'ÉQUILIBRAGE
Hélice MTV-9-K-C/CL 260-27 de l'avion de voltige Su-29
1. Client : VD Chvokov
2. Site d'installation : Arbre de sortie de la boîte de vitesses du Su-29
3. Type d'hélice : MTV-9-K-C/CL 260-27
4. Méthode d'équilibrage : Assemblé sur place (avec ses propres roulements), un plan
5. Régime d'équilibrage : 1350
6. Dispositif d'équilibrage : "Balanset-1", n° de série 149, Vibromera
7. Normes utilisées : ISO 1940-1 — Exigences de qualité d'équilibrage pour les rotors rigides.
8. Date : 15.06.2014
9. Résumé des résultats d'équilibrage :
| # | Mesures | Vibration, mm/s | Balourd, g·mm |
|---|---|---|---|
| 1 | Avant l'équilibrage * | 6.7 | 6135 |
| 2 | Après l'équilibrage | 1.5 | 1350 |
| Tolérance ISO 1940 pour la classe G 6.3 | 1500 | ||
* L'équilibrage a été effectué en conservant la masse correctrice installée en usine sur l'hélice.
10. Constatations :
10.1. Les vibrations résiduelles (déséquilibre) après l'équilibrage de l'hélice sur l'arbre de sortie de la boîte de vitesses du Su-29 ont été réduites de plus de 4 fois par rapport à l'état initial.
10.2. Les paramètres du contrepoids correctif (masse, angle) diffèrent sensiblement de ceux installés par le fabricant (MT-Propeller). Un contrepoids correctif supplémentaire de 40,9 g a été installé, décalé de 130° par rapport au contrepoids d'origine. Ce dernier n'a pas été retiré.
Pour identifier la cause précise, il est nécessaire de :
- vérifier le système de mesure et la précision géométrique du montage de la broche sur la machine d'équilibrage du fabricant ;
- vérifier le faux-rond radial de l'hélice sur l'arbre de sortie de la boîte de vitesses du Su-29.
Exécuteur testamentaire :
Spécialiste en chef, Vibromera
V.D. Feldman
Questions fréquemment posées
Qu’est-ce que l’équilibrage d’hélice sur le terrain et pourquoi est-ce important ?
L'équilibrage d'hélice sur le terrain est effectué avec l'hélice installée sur l'aéronef et tournant à sa vitesse opérationnelle. Contrairement à l'équilibrage statique en usine (réalisé hors de l'aéronef), il tient compte des conditions réelles d'installation : tolérances de la boîte de vitesses, géométrie de montage et dynamique complète de l'aéronef. Dans le cas de notre Su-29, le poids correctif nécessaire sur le terrain était décalé de 130° par rapport au poids installé en usine, ce qui démontre que l'équilibrage en usine seul peut s'avérer insuffisant pour des résultats optimaux.
Quel équipement est nécessaire pour l'équilibrage des hélices d'avion ?
Le kit d'équilibrage Balanset-1A comprend un capteur de vibrations (accéléromètre), un capteur d'angle de phase laser (tachymètre), une interface USB pour le traitement numérique du signal et un ordinateur exécutant le logiciel d'équilibrage. Les capteurs sont fixés au carter de la boîte de vitesses du moteur à l'aide d'un support magnétique. Un repère adhésif réfléchissant sur une pale d'hélice sert de référence de phase.
Comment le régime d'équilibrage est-il sélectionné ?
La fréquence de rotation pour l'équilibrage doit assurer un désaccord maximal par rapport aux fréquences naturelles des éléments structuraux de l'aéronef (suspension du moteur, pales d'hélice, aéronef sur son châssis). De plus, le régime moteur choisi doit permettre d'obtenir des mesures de vibrations stables en amplitude et en phase d'un essai à l'autre. Pour le Yak-52, 1 150 tr/min (60%) ont été sélectionnés ; pour le Su-29, 1 350 tr/min (70%).
Quels niveaux de vibration sont acceptables après l'équilibrage ?
Conformément à la norme ISO 1940 pour la classe G 6.3, le balourd résiduel ne doit pas excéder 1 500 g·mm. En pratique, de bons résultats se traduisent par des vibrations inférieures à 2,5 mm/s RMS à la fréquence de rotation de l'hélice. Sur le Su-29, l'équilibrage a permis d'atteindre 1,5 mm/s avec un balourd résiduel de 1 350 g·mm, soit dans les limites de tolérance ISO.
L'équilibrage des hélices peut-il éliminer toutes les vibrations de l'aéronef ?
Non. Le spectre vibratoire d'un avion à pistons comprend des composantes provenant du vilebrequin, du groupe piston, de l'entraînement du compresseur d'air et des résonances structurelles. Notre analyse du Yak-52 a montré que même une élimination complète du balourd de l'hélice ne réduirait les vibrations totales que d'environ 1,5 fois dans la plupart des modes de fonctionnement. Aux modes 82% et 94%, la deuxième harmonique du vilebrequin dominait les vibrations totales d'un facteur 3 à 7 par rapport à la composante de l'hélice.
À quelle fréquence les hélices d’avion doivent-elles être équilibrées ?
Il convient d'équilibrer les hélices lors des inspections majeures, après réparation ou en cas de dommages, et dès que des vibrations excessives sont constatées. Les avions de voltige peuvent nécessiter un équilibrage plus fréquent en raison des contraintes plus élevées. La surveillance périodique des vibrations par analyse spectrale (disponible dans le logiciel Balanset-1A) peut également servir d'outil de diagnostic pour évaluer l'état du moteur.
Quels modèles de Balanset sont disponibles pour l'équilibrage des hélices ?
Vibromera propose plusieurs modèles adaptés à l'équilibrage des hélices et des rotors : Balanset-1A (1 975 €) est un système portable à deux canaux utilisé dans cette étude ; Balanset-1A OEM (€1 735) est une version prête à l'intégration pour les ateliers et les organisations de maintenance ; le Balanset-4 (6 803 €) est un système à quatre canaux destiné aux tâches d'équilibrage complexes sur plusieurs plans. Tous les modèles intègrent une fonction d'analyse spectrale des vibrations et sont fournis avec des capteurs de vibrations, un tachymètre laser, un système de fixation magnétique et un logiciel PC.
Vibromera peut-elle proposer un service d'équilibrage d'hélices sur site ?
Oui. Outre la fabrication et la vente d'équipements d'équilibrage, Vibromera propose des services d'équilibrage sur site pour les machines tournantes. Pour les organisations ne disposant pas de leur propre équipement d'équilibrage, ou pour des interventions ponctuelles complexes, les spécialistes de Vibromera peuvent réaliser un équilibrage dynamique sur site à l'aide des mêmes instruments Balanset décrits dans ce rapport. Les demandes de renseignements concernant nos services peuvent être adressées via le page de contact.
