A repülőgép légcsavarjának kiegyensúlyozásáról terepi környezetben. 1. rész

1. V.D. Feldman

Az OU Vibromera főtechnikusa

A légi jármű légcsavarjának kiegyensúlyozásáról terepi környezetben

 "A propeller a repülőgép vezetője,

és az egyensúlyt csak egy striver"

1. A oldalon. előszó helyett

Két és fél évvel ezelőtt cégünk megkezdte a Balanset-1 sorozatgyártását, amely a saját csapágyazású rotormechanizmusok kiegyensúlyozására szolgál.

Eddig több mint 180 készletet gyártottak, amelyeket hatékonyan használnak különböző iparágakban, beleértve a ventilátorok, kipufogók, villanymotorok, munkaorsók, szivattyúk, zúzók, szeparátorok, centrifugák, hajtótengelyek és forgattyús tengelyek és egyéb mechanizmusok gyártását és működtetését.

A közelmúltban vállalatunk számos megkeresést kapott szervezetektől és magánszemélyektől azzal kapcsolatban, hogy felszereléseinket repülőgépek és helikopterek légcsavarjainak kiegyensúlyozására használhatják terepi környezetben.

Sajnos szakembereink, akiknek nagy tapasztalatuk van a legkülönbözőbb gépek kiegyensúlyozásában, még soha nem foglalkoztak ezzel a problémával. Ezért a tanácsok és ajánlások, amelyeket Ügyfeleinknek adhattunk, általános jellegűek voltak, és nem mindig tették lehetővé a probléma hatékony megoldását.

Idén tavasszal a helyzet kezdett jobbra fordulni V. D. Chvokov aktív kiállásának köszönhetően, aki szervezte és velünk együtt a legaktívabban részt vett a YAK-52 és SU-29 légcsavarok kiegyensúlyozásán végzett munkálatokban, amelyeknek ő a pilótája.

1.1. ábra. Jak-52-es a repülőtéren

1.2. ábra. SU-29 a parkolóban

E folyamat során megtanultunk egy bizonyos készséget és technológiát a repülőgépek légcsavarjainak kiegyensúlyozására terepi környezetben a Balanset-1 segítségével, többek között:

• a rezgésérzékelők és a fázisszögek telepítési helyének és módjának meghatározása a létesítményen;
• a repülőgép számos szerkezeti elemének (hajtómű felfüggesztése, légcsavarlapát) rezonanciafrekvenciájának meghatározása;
• a motor fordulatszámának (üzemmódjainak) azonosítása, minimális maradék kiegyensúlyozatlanságot biztosítva a kiegyensúlyozás során;
• a légcsavar maradék kiegyensúlyozatlanságára vonatkozó tűréshatárok meghatározása stb.

Ezenkívül érdekes adatokat kaptunk az M-14P hajtóművekkel felszerelt repülőgépek rezgésszintjéről.

Az alábbiakban e munkák eredményei alapján jelentési anyagokat javasolunk.

A kiegyensúlyozás eredményei mellett tartalmazzák a YAK-52 és a Szu-29-es repülőgépek rezgésvizsgálatainak adatait, amelyeket a földi és repülési tesztek során nyertek.

Ezek az adatok mind a repülőgépek pilótái, mind a karbantartó szakemberek számára érdekesek lehetnek.

2. A légcsavar kiegyensúlyozásának és a YAK-52 műrepülőgép rezgésvizsgálatának eredményei

2.1. Bevezetés

2014 május-júliusában elvégeztük az M-14P repülőgépmotorral felszerelt YAK-52 vibrációs vizsgálatát, valamint a kétlapátos légcsavar kiegyensúlyozását.

A kiegyensúlyozást ugyanabban a síkban végezték a 149. számú Balanset-1 kiegyensúlyozó készlettel.

A kiegyensúlyozás során alkalmazott mérési séma a 2.1. ábrán látható.

A kiegyensúlyozási folyamat során a rezgésérzékelő (gyorsulásmérő) 1 egy speciális konzolra szerelt mágnes segítségével a motorhajtómű első fedelére szerelték.

A fázisszög lézeres érzékelője 2 szintén a hajtóműfedélre volt felszerelve, és az egyik légcsavarlapátra rögzített fényvisszaverő címke irányította.

Az érzékelők analóg jeleit kábelen keresztül továbbították a Balanset-1 mérőegységébe, ahol az előzetes digitális feldolgozásuk történt.

Továbbá ezeket a jeleket digitális formában továbbították a számítógéphez, amely feldolgozta őket, és kiszámította a légcsavar kiegyensúlyozatlanságának kiegyenlítéséhez szükséges korrekciós súly tömegét és beépítési szögét.

2.1. ábra. A YAK-52 kiegyensúlyozó légcsavarjának mérési sémája.

Zk - fő fogaskerék;

Zс - fogaskerék-szatellitek;

Zn - rögzített fogaskerék.

E munka során, figyelembe véve a SzU-29 és a YAK-52 légcsavarok kiegyensúlyozásával kapcsolatos tapasztalatokat, számos további vizsgálatot végeztünk, többek között:

• a YAK-52 hajtóműve és légcsavarja rezgéseinek sajátfrekvenciáinak meghatározása;
• a légcsavar kiegyensúlyozása után a másodpilóta pilótafülkében a rezgés értékének és spektrális összetételének vizsgálata repülés közben;
• a másodpilóta pilótafülkéjében a légcsavar kiegyensúlyozása és a motorcsillapító meghúzási erejének beállítása után a rezgés értékének és spektrális összetételének vizsgálata repülés közben.

2.2. A motor és a légcsavar sajátfrekvenciáira vonatkozó vizsgálatok eredményei.

A repülőgép testében lévő csillapítókra szerelt hajtómű sajátfrekvenciáit az AD-3527, f. A @ D, (Japán) spektrumanalizátorral határozták meg a hajtómű rezgéseinek lökésszerű gerjesztésével.

A YAK-52 motorfelfüggesztésének természetes rezgéseinek spektrumában 4 fő frekvenciát határoztunk meg, nevezetesen: 20 Hz, 74Hz, 94 Hz, 120 Hz, amelyek példáját a 2.2. ábra mutatja.

2.2. ábra. A YAK-52 motorfelfüggesztés rezgéseinek sajátfrekvenciáinak spektruma

A 74Hz, 94Hz, 120Hz frekvenciák valószínűleg a hajtóműnek a repülőgép testére való felszerelésének (felfüggesztésének) jellemzőihez kapcsolódnak.

A 20 Hz-es frekvencia valószínűleg a repülőgép alvázon történő rezgéséhez kapcsolódik.

A légcsavarlapátok rezgésének sajátfrekvenciáit is meghatározták a lökésgerjesztés módszerével.

Ebben az esetben négy fő frekvenciát tártunk fel, nevezetesen: 36Hz, 80Hz, 104Hz és 134Hz.

A YAK-52 légcsavarja és motorja rezgéseinek sajátfrekvenciáira vonatkozó adatok elsősorban a kiegyensúlyozás során használt légcsavar forgási frekvenciájának kiválasztásakor lehetnek fontosak. E frekvencia megválasztásának fő feltétele, hogy a lehető legnagyobb eltérést biztosítsa a repülőgép szerkezeti elemeinek sajátrezgési frekvenciáitól.

Ezenkívül a repülőgép egyes alkatrészei és részei rezgéseinek sajátfrekvenciáinak ismerete hasznos lehet a rezgési spektrum egyes komponenseinek különböző motorfordulatszámok mellett történő erőteljes növekedésének (rezonancia esetén) okainak azonosításához.

2.3. Kiegyenlítési eredmények.

Amint fentebb megjegyeztük, a légcsavar egy síkban volt kiegyensúlyozva, aminek következtében a légcsavar teljesítményegyenlőtlenségét a dinamikában kompenzálták.

A dinamikus kiegyensúlyozás két síkban nem volt lehetséges, ami lehetővé teszi (az erőkiegyenlítés mellett) a légcsavar nyomatéki kiegyensúlyozatlanságának kompenzálását, mivel a YAK-52-re szerelt légcsavar kialakítása csak egy korrekciós sík kialakítását teszi lehetővé.

A légcsavar kiegyensúlyozását 1150 fordulat/perc (60%) fordulatszámon végezték, amelynél a legstabilabb eredményeket lehetett kapni a rezgésmérés amplitúdójában és fázisában a kezdetektől a kezdetig.

A légcsavar kiegyensúlyozása a klasszikus "két start" séma szerint történt.

Az első indítás során meghatároztuk a rezgés amplitúdóját és fázisát a légcsavar forgási frekvenciáján a kezdeti állapotban.

A második indítás során meghatároztuk a rezgés amplitúdóját és fázisát a légcsavar forgási frekvenciáján, miután a próbatömeget 7 g-ban rögzítettük.

Ezen adatok figyelembevételével programszerűen kiszámítottuk az M = 19,5g tömeget és a korrekciós súly F = 32 beépítési szögét.

Figyelembe véve a légcsavar konstrukciós jellemzőit, amelyek nem teszik lehetővé a korrekciós súlynak a kívánt szögben történő elhelyezését, két egyenértékű súlyt rögzítenek a légcsavaron, többek között:

• M1 súlya = 14g az F1 = 0º szögben;
• M1 súlya = 8,3 g az F1 = 60º szögben.

Miután a fenti korrekciós súlyokat elhelyezték a légcsavaron, a légcsavar kiegyensúlyozatlanságával összefüggő, 1150 fordulat/perc fordulatszámon mért rezgés a kezdeti 10,2 mm/s-ról a kiegyensúlyozás után 4,2 mm/s-ra csökkent.

Ugyanakkor a légcsavar tényleges kiegyensúlyozatlansága 2340 g*mm-ről 963 g*mm-re csökkent.

2.4. A kiegyensúlyozás hatásának vizsgálata a YAK-52 földön lévő rezgésszintjére különböző légcsavar-fordulatszámok mellett.

A 2.1. táblázat a YAK-52 vibrációs vizsgálatának eredményeit mutatja be, amelyet a földi vizsgálatok során kapott más motorüzemi körülmények között végeztek.

Amint a táblázat mutatja, a kiegyensúlyozás pozitív hatással volt a YAK-52 rezgésére minden üzemmódban.

2.1. táblázat

A földi tesztek során továbbá kiderült, hogy a légcsavar fordulatszámának növelésével jelentősen csökken a repülőgép rezgése.

Ez a jelenség azzal magyarázható, hogy a légcsavar forgási sebessége nagyobb mértékben eltér a repülőgép alvázon lévő természetes rezgési frekvenciájától (feltehetően 20 Hz), ami a légcsavar megnövekedett forgási sebességével következik be.

2.5. A YAK-52 rezgésének vizsgálata a levegőben a fő repülési módokban a csillapítók meghúzási erejének beállítása előtt és után

A légcsavar földi kiegyensúlyozását követően elvégzett rezgésvizsgálatokon (lásd a 2.3. szakaszt) kívül a YAK-52-es repülőgép rezgésének mérését is elvégeztük.

A repülés közbeni rezgést a másodpilóta pilótafülkében mérték. függőleges irányban az AD-3527 f. A@D (Japán) hordozható rezgésspektrum-analizátorral az 5 és 200 (500) Hz közötti frekvenciatartományban.

A méréseket öt főmotor fordulatszámánál végezték el, amelyek a maximális fordulatszám 60%, 65%, 70% és 82% értékének felelnek meg.

A csillapítók beállítása előtt végzett mérések eredményeit a 2.2. táblázat tartalmazza.

Asztal 2.2

A 2.3. és 2.4. ábra példaként a YAK-52 pilótafülkében a 60% és a 94% üzemmódban végzett rezgésmérés során kapott és a 2.2. táblázat kitöltésekor használt spektrumok grafikonjait mutatja.

2.3. ábra. A YAK-52 pilótafülkéjének rezgési spektruma 60%-nél.

2.4. ábra. A YAK-52 pilótafülkéjének rezgési spektruma 94%-nél.

Amint a 2.2. táblázat mutatja, a másodpilóta pilótafülkéjében mért rezgés fő összetevői a légcsavar forgási sebességénél Vv1 (sárgával kiemelve), a motor forgattyútengelyénél Vk1 (kékkel kiemelve) és a légkompresszor hajtóművénél (és/vagy frekvenciaérzékelőjénél) Vn ( zölddel kiemelve), valamint ezek magasabb harmonikusainál Vv2, Vv4, Vv5 és Vk2, Vk3.

A maximális teljes rezgés Vå  82% (a légcsavar 1580 fordulat/perc) és 94% (1830 fordulat/perc) sebességnél észlelték.

Ennek a rezgésnek a fő összetevője a 2^nd a motor forgattyústengely fordulatszámának Vk2 harmonikusa, és ennek megfelelően 4800 ciklus/perc frekvenciánál 12,5 mm/s, 5520 ciklus/perc frekvenciánál pedig 15,8 mm/s értéket ér el.

Feltételezhető, hogy ez az összetevő a motor dugattyúblokkjának működéséhez kapcsolódik (lökésszerű folyamatok, amikor a dugattyúk a forgattyús tengely egy fordulatán belül kétszer átfordulnak).

Ennek az összetevőnek a 82% (első névleges) és a 94% (felszállás) üzemmódokban tapasztalható erőteljes növekedését valószínűleg nem a dugattyúcsoport hibái okozzák, hanem a repülőgép testében a csillapítóra rögzített motor rezonáns rezgései.

Ezt a következtetést megerősítik a motor felfüggesztése rezgéseinek sajátfrekvenciáinak kísérleti ellenőrzésének fenti eredményei, amelyek spektrumában 74Hz (4440 ciklus/perc), 94Hz (5640 ciklus/perc) és 120Hz (7200 ciklus/perc) található.

E sajátfrekvenciák közül kettő, 74 és 94 Hz, közel áll a 2^nd a forgattyús tengely fordulatszámának harmonikusa, amely a motor működésének első névleges és felszállási fokozatában jelentkezik.

Mivel a rezgésvizsgálatok során jelentős rezgéseket mutattunk ki a 2^nd a forgattyús tengely felharmonikusa a motor első névleges és felszállási értékénél a motor felfüggesztési csillapítók meghúzási erejének ellenőrzésére és beállítására törekedtek.

A 2.3. táblázat a légcsavar forgási sebességére vonatkozó csillapítók beállítása előtt és után kapott összehasonlító vizsgálati eredményeket mutatja (Vv1) és a 2^nd a forgattyús tengely forgási frekvenciájának harmonikusa (Vk2).

2.3. táblázat

Amint a 2.3. táblázatból látható, a csillapítók beállítása nem vezetett jelentős változásokhoz a repülőgép rezgésének fő összetevőinek értékeiben.

A fentieket figyelembe véve a YAK-52 rezgéskomponensének észrevehető növekedését az első névleges és a felszállási üzemmódban (véleményünk szerint) a repülőgép tervezőinek konstruktív tévedésének tekinthetjük, amelyet a repülőgép testében a hajtómű rögzítési rendszerének (felfüggesztés) kiválasztásakor követtek el.

Ebben a tekintetben meg kell jegyeznünk, hogy a propeller kiegyensúlyozatlanságához kapcsolódó spektrális komponens Vv1 amplitúdója, amelyet a 82% és a 94% módusokban (lásd az 1.2. és 1.3. táblázatot) észleltünk, 3-7-szer kisebb, mint a Vk2 amplitúdója ezekben a módusokban.

Más repülési módokban a Vv1 komponens 2,8-4,4 mm/s között van.

Továbbá, amint azt a 2.2. és 2.3. táblázat mutatja, az egyik üzemmódból a másikba való átmenet során annak változásait elsősorban nem az egyensúlyozás minősége határozza meg, hanem a légcsavar fordulatszámának a légijármű egyes szerkezeti elemeinek saját rezgési frekvenciáitól való eltérésének mértéke.

2.6. Következtetések a munka eredményeire vonatkozóan

2.6.1. A YAK-52 légcsavar kiegyensúlyozása, amelyet 1150 rpm (60%) fordulatszámon végeztünk, lehetővé tette a légcsavar rezgésének 10,2 mm/s-ról 4,2 mm/s-ra való csökkentését.

Figyelembe véve a YAK-52 és a SU-29 légcsavarok kiegyensúlyozása során a Balanset-1 segítségével szerzett bizonyos tapasztalatokat, feltételezhetjük, hogy lehetőség van a YAK-52 légcsavar rezgésszintjének további csökkentésére.

Ez a hatás különösen úgy érhető el, hogy a légcsavar kiegyensúlyozásakor más (magasabb) forgási frekvenciát választanak, ami lehetővé teszi a vizsgálat során észlelt 20 Hz-es (1200 ciklus/perc) természetes rezgési frekvenciától való nagyobb mértékű elszakadást.

2.6.2. Amint a YAK-52 repülés közbeni rezgésvizsgálatainak eredményei mutatják, rezgési spektrumának (a 2.6.1. bekezdésben említett, a légcsavar forgási frekvenciáján megjelenő komponens mellett) számos más összetevője is van, amelyek a forgattyús tengely, a motor dugattyúcsoportja és a légkompresszor hajtóműve (és/vagy frekvenciaérzékelője) működéséhez kapcsolódnak.

A fenti rezgések értékei a 60%, 65% és 70% üzemmódokban arányosak a rezgés értékével, amely a légcsavar kiegyensúlyozatlanságához kapcsolódik.

E rezgések elemzése azt mutatja, hogy még a légcsavar kiegyensúlyozatlanságából eredő rezgések teljes kiküszöbölése is legfeljebb 1,5-szeresére csökkenti a repülőgép teljes rezgését ezekben a módokban.

2.6.3. A maximális teljes rezgés Vå a YAK-52 nagysebességű üzemmódokban mutatták ki, nevezetesen: 82% (a légcsavar 1580 fordulat/perc) és 94% (a légcsavar 1830 fordulat/perc).

Ennek a rezgésnek a fő összetevője a 2^nd a motor forgattyús tengelye forgási frekvenciájának Vk2 harmonikusa (4800 ciklus/perc vagy 5520 ciklus/perc frekvencián), amelynél az értékek elérik a 12,5 mm/s, illetve a 15,8 mm/s értéket.

Feltételezhető, hogy ez az összetevő a motor dugattyúcsoportjának működéséhez kapcsolódik (a dugattyúk kétszeri áthelyeződésekor a forgattyús tengely egy fordulatán keletkező lökésszerű folyamatok).

Ennek az összetevőnek a 82% (első névleges) és a 94% (felszállás) üzemmódokban tapasztalható erőteljes növekedését valószínűleg nem a dugattyúcsoport hibái okozzák, hanem a hajtómű rezonáns rezgései, amelyeket a repülőgép testében rögzített csillapítókon rögzítenek.

A vizsgálatok során a csillapítók beállítása nem vezetett jelentős rezgésváltozáshoz.

Ez a helyzet a repülőgép tervezőinek konstruktív tévedésének tekinthető, amelyet a hajtóműnek a repülőgép testébe történő rögzítési rendszer (felfüggesztés) kiválasztásakor követtek el.

2.6.4. A kiegyensúlyozás és a további rezgésvizsgálatok során kapott adatok (lásd a repülési vizsgálatok eredményeit a 2.5. szakaszban) arra engednek következtetni, hogy az időszakos rezgésellenőrzés hasznos lehet a repülőgép-hajtóművek műszaki állapotának diagnosztikai értékeléséhez.

Ilyen eljárás végezhető például a Balanset-1 segítségével, amelynek szoftvere a spektrális rezgéselemzés funkcióját valósítja meg.