Sul bilanciamento dell'elica dell'aereo nell'ambiente di volo. Parte 2

1. D. Feldman

Capo tecnico di OU Vibromera

Parte 1: https://vibromera.eu/example/on-balancing-the-propeller-of-the-aircraft-in-the-field-environment-part-1/

Sul bilanciamento dell'elica dell'aeromobile nell'ambiente di lavoro

 "L'elica è il pilota dell'aereo,

e per bilanciare può solo un battitore".

3. Risultati del bilanciamento dell'elica MTV-9-K-C/CL 260-27 e delle prove di vibrazione dell'aereo acrobatico SU-29

3.1. Introduzione

Il 15 giugno 2014, abbiamo bilanciato l'elica a tre pale MTV-9-K-C/CL 260-27 del motore M-14P del velivolo acrobatico SU-29.

Secondo il costruttore, l'elica specificata era pre-staticamente bilanciata, come dimostrato dall'elica nel piano 1 del peso correttivo impostato presso lo stabilimento di produzione.

L'elica montata direttamente sul SU-29 è stata bilanciata utilizzando il set di bilanciamento delle vibrazioni Balanset-1, pianta n. 149.

Lo schema di misura utilizzato per il bilanciamento è illustrato nella Figura 3.1.

Durante il processo di bilanciamento, il sensore di vibrazione (accelerometro) 1 è stato montato sull'alloggiamento dell'ingranaggio del motore con un magnete su una staffa speciale.

Il sensore laser per l'angolo di fase 2 era anch'esso montato sull'alloggiamento del riduttore ed era guidato da un'etichetta riflettente applicata a una delle pale dell'elica.

I segnali analogici dei sensori sono stati trasmessi via cavo all'unità di misura del Balanset-1, dove è stata eseguita l'elaborazione digitale preliminare.

Inoltre, questi segnali in forma digitale sono stati trasmessi al computer, che li ha elaborati e ha calcolato la massa e l'angolo di installazione del peso correttivo necessario per compensare lo squilibrio sull'elica.

Fig. 3.1 Schema di misura per l'equilibratura dell'elica del SU-29

Zk - ruota dentata principale a 75 denti;

Zс - satelliti per ingranaggi in quantità di 6 pezzi con 18 denti;

Zn - ruota dentata fissa a 39 denti.

Nel corso di questo lavoro, tenendo conto dell'esperienza acquisita nel bilanciamento delle eliche dello YAK-52, abbiamo eseguito una serie di studi aggiuntivi, tra cui:

• determinare le frequenze naturali delle oscillazioni del motore e dell'elica del SU-29;
• esaminare il valore e la composizione spettrale della vibrazione iniziale nella cabina di guida del copilota prima dell'equilibratura;

3.2. I risultati degli studi sulle frequenze naturali del motore e dell'elica.

Le frequenze naturali del motore montato sugli ammortizzatori nel corpo dell'aereo sono state determinate utilizzando l'analizzatore di spettro AD-3527, f. A @ D, (Giappone), mediante l'eccitazione d'urto delle oscillazioni del motore.

Abbiamo determinato sei frequenze principali, ossia: 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz (vedi Figura 3.2.) nello spettro delle oscillazioni naturali della sospensione del motore.

Fig. 3.2 Lo spettro delle frequenze naturali di oscillazione della sospensione del motore del SU-29

Le frequenze di 66Hz, 88Hz e 120Hz sono probabilmente direttamente correlate alle caratteristiche di montaggio (sospensione) del motore sulla carrozzeria dell'aereo.

Le frequenze di 16Hz e 22Hz sono probabilmente associate alle oscillazioni naturali dell'aereo sul telaio.

La frequenza di 37Hz è probabilmente legata alla frequenza naturale di oscillazione della pala dell'elica dell'aereo.

Quest'ultima ipotesi è confermata dai risultati della verifica delle frequenze naturali di oscillazione dell'elica, anch'esse ottenute con il metodo dell'eccitazione d'urto.

Nello spettro delle oscillazioni naturali della pala dell'elica (cfr. Fig. 3.3), abbiamo rilevato tre frequenze principali, ossia: 37Hz, 100Hz e 174Hz.

Fig. 3.3 Spettro delle frequenze naturali di oscillazione delle pale dell'elica del SU-29

I dati sulle frequenze naturali di oscillazione della pala dell'elica e del motore del SU-29 possono essere importanti soprattutto per la scelta della velocità di rotazione dell'elica utilizzata nel bilanciamento. La condizione principale per la scelta di questa frequenza è garantire il massimo distacco possibile dalle frequenze naturali di oscillazione degli elementi strutturali del velivolo.

Inoltre, la conoscenza delle frequenze naturali delle oscillazioni dei singoli componenti e delle parti dell'aeromobile può essere utile per identificare le ragioni di un forte aumento (in caso di risonanza) di alcune componenti dello spettro delle vibrazioni a vari regimi del motore.

3.3. Controllo delle vibrazioni nella cabina di pilotaggio del copilota del SU-29 a terra prima del bilanciamento

Abbiamo misurato la vibrazione iniziale del SU-29, rilevata prima del bilanciamento dell'elica, nella cabina di pilotaggio del copilota. in direzione verticale utilizzando un analizzatore portatile di spettro delle vibrazioni AD-3527 f.A@D (Giappone) nell'intervallo di frequenza compreso tra 5 e 200 Hz.

Le misure sono state eseguite a quattro velocità del motore principale pari a 60%, 65%, 70% e 82% della sua velocità massima.

I risultati sono riportati nella tabella 3.1.

Come si può vedere dalla tabella 2.1, le componenti principali delle vibrazioni si manifestano alle velocità di rotazione dell'elica Vv1, dell'albero a gomito del motore Vk1 e dell'ingranaggio di azionamento del compressore d'aria (e/o del sensore di frequenza) Vn, nonché alla velocità di rotazione del 2^nd armonica dell'albero a gomiti Vk2 ed eventualmente la 3^rd armonica dell'elica (a pale) Vv3, che ha una frequenza vicina alla seconda armonica dell'albero a gomiti.

Tabella 3.1

Inoltre, nello spettro delle vibrazioni nella modalità di velocità 60%, è stata rilevata una componente non identificata con lo spettro calcolato a una frequenza di 6.120 cicli/min, che può essere causata da una risonanza a una frequenza di circa 100Hz di uno degli elementi strutturali del velivolo. Tale elemento, ad esempio, può essere un'elica, con una frequenza naturale di 100Hz.

La vibrazione totale massima del velivolo Vå, che raggiunge gli 11,5 mm/sec, è stata rilevata nella modalità di velocità 70%.

La componente principale della vibrazione totale in questa modalità si manifesta in corrispondenza del 2^nd armonica (4.020 cicli/min) della velocità di rotazione dell'albero motore Vk2 ed è pari a 10,8 mm/s.

Si può ipotizzare che questo componente sia associato al funzionamento del gruppo di pistoni del motore (processi d'urto quando i pistoni si riposizionano due volte durante una rivoluzione dell'albero motore).

Il forte aumento di questa componente nella modalità 70% è probabilmente dovuto alle oscillazioni risonanti di uno degli elementi strutturali dell'aereo (la sospensione del motore nel corpo dell'aereo) a una frequenza di 67 Hz (4.020 cicli/min).

Va notato che, oltre alle eccitazioni da urto associate al funzionamento del gruppo di pistoni, il valore della vibrazione in una determinata frequenza può essere influenzato dalla forza aerodinamica, che si manifesta alla frequenza delle pale dell'elica (Vv3).

Nei modi ad alta velocità di 65% e 82%, si osserva anche un notevole aumento della componente Vk2 (Vv3), che può essere spiegato dalle oscillazioni risonanti dei singoli componenti del velivolo.

L'ampiezza della componente spettrale associata allo sbilanciamento dell'elica Vv1, rivelato dalle principali modalità di velocità prima dell'equilibratura, variava da 2,4 a 5,7 mm/s, generalmente inferiore al valore di Vk2 nelle modalità corrispondenti.

Inoltre, come si può vedere dalla Tabella 3.1, le sue variazioni durante il passaggio da un modo all'altro sono determinate non solo dalla qualità del bilanciamento, ma anche dal grado di disallineamento della frequenza di rotazione dell'elica dalle frequenze naturali di oscillazione degli elementi strutturali dell'aereo.

3.4. Risultati del bilanciamento.

L'elica è stata bilanciata sullo stesso piano alla frequenza di rotazione. Grazie a questo bilanciamento, si ottiene una compensazione dello squilibrio di potenza dell'elica in dinamica.

Il protocollo di bilanciamento è riportato di seguito in Appendice 1.

L'equilibratura è stata eseguita a una frequenza di rotazione dell'elica di 1.350 giri/minuto e ha previsto l'esecuzione di due avviamenti di misura.

Durante il primo avvio, abbiamo determinato l'ampiezza e la fase delle vibrazioni alla frequenza di rotazione dell'elica nello stato iniziale.

Durante il secondo avviamento, abbiamo determinato l'ampiezza e la fase delle vibrazioni alla frequenza di rotazione dell'elica dopo aver fissato un peso di prova della massa specificata sull'elica.

In base ai risultati di queste misurazioni, sono stati determinati la massa e l'angolo di installazione del peso correttivo nel piano 1.

Dopo aver fissato il valore calcolato del peso correttivo di 40,9 g sull'elica, la vibrazione in questa modalità di velocità è diminuita da 6,7 mm/s nello stato iniziale a 1,5 mm/s dopo l'equilibratura.

Anche il livello di vibrazione associato allo sbilanciamento dell'elica in altre modalità ad alta velocità è diminuito e dopo l'equilibratura era compreso nell'intervallo tra 1 e 2,5 mm/s.

Non abbiamo esaminato l'influenza della qualità dell'equilibratura sul livello di vibrazioni del velivolo in volo a causa del danneggiamento d'emergenza dell'elica durante uno dei voli di addestramento.

Va notato che il risultato ottenuto durante l'esecuzione del bilanciamento specificato differisce significativamente dal risultato del bilanciamento nello stabilimento di produzione.

In particolare:

• Le vibrazioni sono ridotte di oltre 4 volte alla frequenza di rotazione dell'elica dopo il suo bilanciamento in un luogo di installazione permanente (sull'albero di uscita dell'ingranaggio dell'SU-29);
• Il peso correttivo, posizionato nel processo di bilanciamento, è spostato rispetto al peso impostato nello stabilimento di produzione di circa 130º.

Le possibili ragioni di questa situazione possono essere:

• errori del sistema di misurazione del supporto di bilanciamento del produttore (cosa improbabile);
• errori geometrici delle sedi di accoppiamento del mandrino della macchina per l'equilibratura delle eliche, che determinano una deviazione radiale dell'elica quando viene installata sul mandrino;
• errori geometrici delle sedi di accoppiamento dell'albero di trasmissione dell'aeromobile, che determinano un runout radiale dell'elica quando viene installata sull'albero di trasmissione.

3.5. Conclusioni sui risultati del lavoro

3.5.1. L'equilibratura dell'elica del SU-29, effettuata sullo stesso piano a una velocità dell'elica di 1350 giri/min (70%), ha permesso di ridurre le vibrazioni dell'elica da 6,7 mm/s a 1,5 mm/s.

Anche il livello di vibrazione associato allo sbilanciamento dell'elica in altre modalità ad alta velocità è diminuito significativamente e variava da 1 a 2,5 mm/s.

3.5.2. Per chiarire le possibili ragioni dei risultati insoddisfacenti dell'equilibratura nell'impianto di produzione, è necessario controllare la sua corsa radiale sull'albero di trasmissione dell'ingranaggio del motore dell'aereo.

Allegato 1

PROTOCOLLO DI BILANCIAMENTO

per le eliche MTV-9-K-C/CL 260-27 degli aerei acrobatici SU-29

1. Cliente: V. D. Chvokov
2. Luogo di installazione dell'elica: l'albero di trasmissione dell'ingranaggio del SU-29.
3. Tipo di elica: MTV-9-K-C/CL 260-27
4. Metodo di bilanciamento: assemblato sul luogo di lavoro (nei propri cuscinetti), sullo stesso piano
5. Velocità dell'elica durante l'equilibratura, giri/min: 1.350
6. Modello, numero di impianto e produttore del dispositivo di bilanciamento: Balancet-1, impianto n. 149, OU Vibromer
7. Documenti normativi utilizzati per il bilanciamento:

7.1. GOST ISO 1940-1-2007 Vibrazioni. Requisiti di qualità dell'equilibratura per rotori rigidi. Parte 1. Determinazione dello squilibrio ammissibile.

7.2. _____________________________________________________________

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8. Data del bilanciamento: 15 giugno 2014
9. Tabella riassuntiva dei risultati del bilanciamento:

*) Nota: l'equilibratura è stata effettuata mantenendo il peso correttivo dell'elica stabilito dal produttore.

10. Conclusione:

10.1. Il livello di vibrazioni (squilibrio residuo) dopo l'equilibratura dell'elica installata sull'albero motore dell'ingranaggio dell'SU-29 (vedere Sezione 9.2) è ridotto di oltre 4 volte rispetto a quello iniziale (vedere Sezione 9.1).

10.2. I parametri del peso correttivo (massa, angolo di installazione) utilizzati per ottenere il risultato della clausola 10.1 sono significativamente diversi dai parametri del peso correttivo impostato nello stabilimento di produzione (MT-elica).

In particolare, durante l'equilibratura dell'elica, abbiamo posizionato un peso correttivo aggiuntivo di 40,9 g, che è stato spostato rispetto al peso impostato nello stabilimento di produzione, con un angolo di 130º.

(Il peso collocato nello stabilimento di produzione non è stato rimosso dall'elica durante l'ulteriore equilibratura).

Le possibili ragioni di questa situazione possono essere:

• errori del sistema di misurazione dello stand di bilanciamento dell'impianto di produzione;
• errori geometrici delle sedi di accoppiamento del mandrino della macchina equilibratrice dell'impianto di produzione, che determinano un'oscillazione radiale dell'elica quando viene installata sul mandrino;
• errori geometrici delle sedi di accoppiamento dell'albero motore dell'ingranaggio dell'aeromobile, che comportano una deviazione radiale dell'elica quando viene installata sull'albero dell'ingranaggio.

Per identificare la ragione specifica che porta all'aumento dello sbilanciamento dell'elica durante l'installazione sull'albero motore dell'ingranaggio del Su-29, è necessario:

• per verificare il sistema di misurazione e la precisione geometrica delle sedi dei mandrini della macchina equilibratrice utilizzata per l'equilibratura dell'elica MTV-9-K-C/CL 260-27 presso lo stabilimento di produzione;
• per verificare la corsa radiale dell'elica installata sull'albero di trasmissione dell'ingranaggio dell'SU-29.

Esecutore:

Capo tecnico di OU Vibromera

V. D. Feldman