1. Prefazione

Due anni e mezzo fa la nostra azienda ha avviato la produzione in serie del dispositivo "Balanset-1", progettato per bilanciare i meccanismi rotanti nei propri cuscinetti.

Ad oggi, sono stati prodotti più di 180 set. Sono utilizzati efficacemente in vari settori, tra cui la produzione e il funzionamento di ventilatori, soffianti, motori elettrici, mandrini, pompe, frantoi, separatori, centrifughe, gruppi cardanici e alberi motore e meccanismi simili.

Di recente, Vibromera ha ricevuto numerose richieste da parte di organizzazioni e privati in merito alla possibilità di utilizzare le nostre attrezzature per bilanciare le eliche di aerei ed elicotteri in condizioni di lavoro sul campo.

Purtroppo, nonostante la pluriennale esperienza nell'equilibratura di diverse macchine, i nostri specialisti non si erano mai occupati in precedenza di questo specifico problema. I consigli e le raccomandazioni che potevamo fornire ai nostri clienti erano quindi piuttosto generici e non sempre consentivano loro di risolvere efficacemente il problema in questione.

Questa situazione ha iniziato a migliorare questa primavera, grazie al coinvolgimento attivo di VD Chvokov, che ha organizzato e partecipato insieme a noi ai lavori di bilanciamento delle eliche degli aerei Yak-52 e Su-29, da lui pilotati.

Nel corso di questo lavoro sono state acquisite alcune competenze ed è stata sviluppata una tecnologia per il bilanciamento delle eliche degli aeromobili in condizioni di campo utilizzando il dispositivo "Balanset-1", tra cui:

• determinare le posizioni e i metodi per l'installazione (montaggio) dei sensori di vibrazione e di angolo di fase sull'aeromobile;
• determinazione delle frequenze di risonanza di diversi elementi strutturali dell'aereo (sospensioni del motore, pale dell'elica);
• individuazione delle frequenze di rotazione del motore (modalità operative) che garantiscono il minimo squilibrio residuo ottenibile durante l'equilibratura;
• stabilire le tolleranze per lo squilibrio residuo dell'elica.

Inoltre, sono stati ottenuti dati interessanti sui livelli di vibrazione degli aerei dotati di motori M-14P.

Di seguito sono riportati i materiali del rapporto, elaborati sulla base dei risultati di questo lavoro. Oltre ai risultati del bilanciamento, presentano i dati dei rilievi vibrazionali degli aerei Yak-52 e Su-29, ottenuti durante i test a terra e in volo. Questi dati possono essere di interesse sia per i piloti di aerei che per gli specialisti coinvolti nella loro manutenzione.

2. Indagine sul bilanciamento e sulle vibrazioni dello Yak-52

2.1. Introduzione

Nel periodo maggio-luglio 2014 sono stati eseguiti i lavori di rilevamento delle vibrazioni dell'aereo Yak-52, equipaggiato con il motore aeronautico M-14P, e di bilanciamento della sua elica bipala.

L'equilibratura è stata eseguita su un piano utilizzando il kit "Balanset-1", numero di serie 149.

Lo schema di misurazione è mostrato in Fig. 2.1. Durante il bilanciamento, il sensore di vibrazione (accelerometro) 1 è stato installato sul coperchio anteriore del cambio del motore utilizzando un supporto magnetico su una staffa appositamente progettata. Sensore di angolo di fase laser 2 è stato installato anche sul coperchio del cambio e orientato verso il segno riflettente applicato su una delle pale dell'elica.

I segnali analogici provenienti dai sensori venivano trasmessi tramite cavi all'unità di misura del dispositivo "Balanset-1", dove veniva eseguita un'elaborazione digitale preliminare. Questi segnali in formato digitale venivano poi trasmessi al computer, dove venivano elaborati tramite software e venivano calcolati la massa e l'angolo del peso di correzione necessari per compensare lo sbilanciamento dell'elica.

Nel corso di questo lavoro, tenendo conto dell'esperienza acquisita nel bilanciamento delle eliche sia del Su-29 che dello Yak-52, sono stati condotti numerosi studi aggiuntivi:

• determinazione delle frequenze naturali delle oscillazioni del motore e dell'elica dello Yak-52;
• misurazione dell'entità delle vibrazioni e della composizione spettrale nella cabina del secondo pilota durante il volo dopo il bilanciamento dell'elica;
• misurazione delle vibrazioni dopo il bilanciamento dell'elica e dopo la regolazione della forza di serraggio degli ammortizzatori del motore.

2.2. Frequenze naturali delle oscillazioni del motore e dell'elica

Le frequenze naturali delle oscillazioni del motore, montate su ammortizzatori nella carrozzeria dell'aereo, sono state determinate utilizzando un analizzatore di spettro AD-3527 della A&D (Giappone) tramite eccitazione da impatto.

Nello spettro delle oscillazioni naturali della sospensione del motore Yak-52 (Fig. 2.2), sono state identificate quattro frequenze principali: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Le frequenze di 74 Hz, 94 Hz e 120 Hz sono probabilmente correlate alle caratteristiche del supporto motore (sospensioni) alla fusoliera dell'aereo. La frequenza di 20 Hz è molto probabilmente associata alle oscillazioni naturali dell'aereo sul telaio del carrello di atterraggio.

Anche le frequenze naturali delle pale dell'elica sono state determinate utilizzando il metodo dell'eccitazione da impatto. Sono state identificate quattro frequenze principali: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz e 134 Hz.

I dati sulle frequenze naturali di oscillazione delle sospensioni del motore e delle pale dell'elica sono importanti principalmente per la scelta della frequenza di rotazione dell'elica durante il bilanciamento. La condizione principale nella selezione di questa frequenza è garantire il massimo scostamento dalle frequenze naturali di oscillazione degli elementi strutturali del velivolo, poiché alle frequenze di risonanza l'accuratezza e la ripetibilità delle misurazioni delle vibrazioni possono essere significativamente compromesse.

Inoltre, la conoscenza delle frequenze naturali dei singoli componenti può essere utile per identificare le cause dei bruschi aumenti delle vibrazioni (fenomeni di risonanza) a vari regimi del motore, che possono verificarsi durante il funzionamento dell'aeromobile.

2.3. Risultati del bilanciamento

Come accennato in precedenza, il bilanciamento dell'elica è stato eseguito su un piano, compensando così dinamicamente lo squilibrio di forza dell'elica.

Il bilanciamento dinamico su due piani (che avrebbe compensato ulteriormente lo squilibrio del momento) non era fattibile, poiché la progettazione dell'elica dello Yak-52 consente un solo piano di correzione.

Il bilanciamento è stato eseguito a una frequenza di rotazione di 1150 giri/min (60%), alla quale sono state ottenute le misurazioni delle vibrazioni più stabili, sia in ampiezza che in fase, da una corsa all'altra.

È stato utilizzato il classico schema "a due manche":

1. Durante la prima corsa sono state determinate l'ampiezza e la fase della vibrazione alla frequenza di rotazione dell'elica nello stato iniziale.
2. Durante la seconda prova, sono state determinate l'ampiezza e la fase della vibrazione dopo l'installazione di una massa di prova di 7 g sull'elica.
3. Sulla base di questi dati, il software ha calcolato: massa di correzione M = 19,5 g ad angolo F = 32°.

A causa delle caratteristiche costruttive dell'elica, che non consentivano di installare il peso di correzione all'angolo richiesto di 32°, sono stati installati due pesi equivalenti:

• M1 = 14 g all'angolo F1 = 0°
• M2 = 8,3 g all'angolo F2 = 60°

2.4. Vibrazioni in altre modalità operative

I risultati dei controlli delle vibrazioni in altre modalità operative del motore durante i test a terra sono presentati nella Tabella 2.1. Come si può vedere, il bilanciamento ha influito positivamente sulle vibrazioni dello Yak-52 in tutte le modalità.

Inoltre, durante i test a terra, è stata identificata una chiara tendenza a una sostanziale riduzione delle vibrazioni con l'aumentare della frequenza di rotazione dell'elica. Ciò può essere spiegato da una maggiore deviazione della frequenza di rotazione dell'elica dalla frequenza di oscillazione naturale del velivolo sul telaio (presumibilmente 20 Hz), che si verifica a frequenze di rotazione più elevate.

2.5. Vibrazioni in volo prima e dopo la regolazione dell'ammortizzatore

Oltre ai test di vibrazione a terra dopo il bilanciamento dell'elica (sezione 2.3), sono state effettuate anche misurazioni delle vibrazioni dello Yak-52 in volo.

Le vibrazioni in volo sono state misurate nella cabina del secondo pilota in direzione verticale utilizzando un analizzatore di spettro portatile AD-3527 di A&D (Giappone) nell'intervallo di frequenza da 5 a 200 (500) Hz. Le misurazioni sono state effettuate a cinque modalità principali di velocità del motore: 60%, 65%, 70%, 82% e 94% di frequenza di rotazione massima.

I risultati ottenuti prima della regolazione degli ammortizzatori sono presentati nella Tabella 2.2.

Come si vede dalla Tabella 2.2, le principali componenti delle vibrazioni si manifestano alla frequenza di rotazione dell'elica V_{pagina 1}, la frequenza dell'albero motore V_c1, il compressore d'aria (e/o il sensore di frequenza) aziona V_n, e le loro armoniche superiori.

Vibrazione totale massima V_Si è stato trovato nelle modalità 82% (1580 giri/min) e 94% (1830 giri/min). La componente dominante in queste modalità appare alla seconda armonica della frequenza di rotazione dell'albero motore V_c2, raggiungendo 12,5 mm/sec a 4800 cicli/min e 15,8 mm/sec a 5520 cicli/min.

Si può supporre che questo componente sia associato al gruppo pistone (processi di impatto che si verificano durante il doppio movimento dei pistoni per ogni giro dell'albero motore). Il brusco aumento nelle modalità 82% (prima nominale) e 94% (decollo) è molto probabilmente causato non da difetti del gruppo pistone, ma da oscillazioni risonanti del motore sui suoi ammortizzatori. Questa conclusione è supportata dalle misurazioni della frequenza naturale, che hanno rivelato frequenze di sospensione del motore a 74 Hz (4440 cicli/min), 94 Hz (5640 cicli/min) e 120 Hz (7200 cicli/min). Due di queste, 74 Hz e 94 Hz, sono prossime alle frequenze della seconda armonica dell'albero motore nelle modalità operative prima nominale e decollo.

A causa delle notevoli vibrazioni riscontrate a V_c2, è stata verificata e regolata la forza di serraggio degli ammortizzatori del motore. I risultati comparativi sono presentati nella Tabella 2.3.

Come si evince dalla Tabella 2.3, la regolazione dell'assorbitore non ha comportato modifiche significative nei principali componenti vibrazionali dell'aeromobile.

Va inoltre notato che la componente di squilibrio dell'elica V_{pagina 1} nelle modalità 82% e 94% è rispettivamente 3–7 volte inferiore a V_c2 in quelle modalità. In altre modalità di volo, V_{pagina 1} varia da 2,8 a 4,4 mm/sec e le sue variazioni tra le modalità sono determinate principalmente non dalla qualità del bilanciamento, ma dal grado di deviazione dalle frequenze naturali degli elementi strutturali dell'aereo.

2.6. Conclusioni

2.6.1.

Il bilanciamento dell'elica dello Yak-52 a una frequenza di rotazione di 1150 giri/min (60%) ha permesso di ridurre le vibrazioni alla frequenza di rotazione dell'elica da 10,2 mm/sec a 4,2 mm/sec. Considerando l'esperienza accumulata durante il bilanciamento delle eliche degli aerei Yak-52 e Su-29 utilizzando il dispositivo "Balanset-1", esiste una possibilità realistica di ottenere una riduzione ancora maggiore del livello di vibrazione, in particolare selezionando una frequenza di rotazione dell'elica più elevata durante il bilanciamento, che consentirebbe una maggiore deviazione dalla frequenza naturale di oscillazione del velivolo a 20 Hz (1200 cicli/min) identificata durante le misurazioni.

2.6.2.

Come dimostrano i test di vibrazione in volo (vedere tabelle 2.2 e 2.3), gli spettri di vibrazione dell'aereo Yak-52 contengono, oltre alla vibrazione alla frequenza di rotazione dell'elica V_{pagina 1}, diversi altri componenti significativi - associati all'albero motore V_c1, V_c2, V_c3, il gruppo pistone del motore e il compressore d'aria (e/o il sensore di frequenza) azionano V_n.

Alle modalità di velocità 60%, 65% e 70%, questi componenti sono paragonabili in grandezza al componente di squilibrio dell'elica V_{pagina 1}. Di conseguenza, anche l'eliminazione completa delle vibrazioni causate dallo squilibrio dell'elica consentirebbe di ridurre le vibrazioni totali dell'aereo in queste modalità di non più di circa 1,5 volte.

2.6.3.

Vibrazione totale massima V_Si del velivolo Yak-52 è stata rilevata alle velocità di 82% (1580 giri/min dell'elica) e 94% (1830 giri/min dell'elica). La componente dominante di questa vibrazione appare alla seconda armonica della frequenza di rotazione dell'albero motore V_c2, rispettivamente a frequenze di 4800 cicli/min e 5520 cicli/min, alle quali raggiunge valori di 12,5 mm/sec e 15,8 mm/sec.

Come mostrato nelle sezioni 2.5 e 2.2, il brusco aumento di questa componente alle modalità indicate è molto probabilmente causato non da difetti del gruppo pistone, ma da oscillazioni risonanti del motore sui suoi ammortizzatori. La regolazione della forza di serraggio degli ammortizzatori, eseguita durante le prove, non ha portato a variazioni significative nei livelli di vibrazione.

Questa situazione può presumibilmente essere considerata una svista di progettazione (konstruktivny proschet) degli sviluppatori di aeromobili, ammessi durante la selezione del sistema di montaggio del motore (sospensione) nella carrozzeria dell'aeromobile.

2.6.4.

I dati ottenuti durante il bilanciamento dell'elica e i test di vibrazione eseguiti in aggiunta suggeriscono che il monitoraggio periodico delle vibrazioni può essere utile per la valutazione diagnostica delle condizioni tecniche del motore dell'aeromobile, inclusa la valutazione dello stato del gruppo pistone, dell'albero motore, dei cuscinetti del motore e della trasmissione del compressore d'aria.

Tale lavoro può essere eseguito, ad esempio, utilizzando il dispositivo "Balanset-1" (attualmente prodotto come Balanset-1A), nel cui software è implementata la funzione di analisi delle vibrazioni spettrali.

3. Bilanciamento dell'elica MTV-9-KC/CL 260-27 e indagine sulle vibrazioni del Su-29

3.1. Introduzione

Il 15 giugno 2014 sono stati eseguiti i lavori di bilanciamento dell'elica tripala tipo MTV-9-KC/CL 260-27, installata sul motore aeronautico M-14P dell'aereo acrobatico Su-29.

Secondo i dati forniti dal produttore (MT-Propeller), l'elica indicata era stata preliminarmente equilibrata staticamente, come testimoniato dalla presenza sull'elica nel piano 1 di un peso correttivo installato nello stabilimento di produzione.

L'equilibratura dell'elica, installata direttamente sull'albero di uscita del cambio del Su-29 (ovvero nel luogo della sua installazione permanente), è stata effettuata utilizzando il kit di equilibratura delle vibrazioni "Balanset-1", numero di serie 149.

Lo schema di misurazione (Fig. 3.1) era in generale simile a quello utilizzato per lo Yak-52. Sensore di vibrazione (accelerometro) 1 è stato installato sull'alloggiamento del cambio del motore utilizzando un supporto magnetico su una staffa appositamente progettata. Sensore di angolo di fase laser 2 Il sensore era anch'esso montato sulla scatola del cambio e orientato verso il segno riflettente applicato su una delle pale dell'elica. I segnali analogici provenienti dai sensori venivano trasmessi tramite cavi all'unità di misura del dispositivo "Balanset-1", dove veniva eseguita un'elaborazione digitale preliminare. Successivamente, i segnali in formato digitale venivano inviati al computer, dove venivano elaborati tramite software e venivano calcolati la massa e l'angolo del peso di correzione necessari per compensare lo sbilanciamento dell'elica.

Prima di questo lavoro, e tenendo conto dell'esperienza derivante dal bilanciamento dell'elica Yak-52, sono stati condotti ulteriori studi:

• determinazione delle frequenze naturali delle oscillazioni del motore e dell'elica del Su-29;
• verifica dell'entità e della composizione spettrale delle vibrazioni di base nella cabina del secondo pilota prima del bilanciamento.

3.2. Frequenze naturali delle oscillazioni del motore e dell'elica

Utilizzando lo stesso metodo di eccitazione dell'impatto con l'analizzatore AD-3527, sono state identificate sei frequenze principali nello spettro delle sospensioni del motore (Fig. 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

Le frequenze di 66 Hz, 88 Hz e 120 Hz sono presumibilmente direttamente correlate alle peculiarità del sistema di montaggio del motore (sospensioni) nella fusoliera dell'aereo. Le frequenze di 16 Hz e 22 Hz sono molto probabilmente associate alle oscillazioni naturali dell'aereo nel suo complesso sul suo telaio. Per quanto riguarda la frequenza di 37 Hz, è probabilmente correlata alla frequenza naturale di oscillazione della pala dell'elica dell'aereo.

Quest'ultima ipotesi è confermata dai risultati delle misure delle frequenze naturali di oscillazione delle pale dell'elica (Fig. 3.3), nel cui spettro sono state individuate tre frequenze principali: 37 Hz, 100 Hz e 174 Hz.

La conoscenza delle frequenze naturali delle sospensioni del motore e delle pale dell'elica del Su-29 è di notevole importanza pratica. In primo luogo, consente una scelta ragionata della frequenza di rotazione dell'elica per il bilanciamento, garantendo la massima compensazione delle risonanze strutturali del velivolo. In secondo luogo, fornisce le basi necessarie per la corretta interpretazione e diagnosi delle cause delle vibrazioni osservate in diverse modalità operative del motore, come verrà illustrato nelle sezioni successive di questo rapporto.

3.3. Vibrazione di base della cabina prima del bilanciamento

Prima di eseguire la procedura di bilanciamento, sono state effettuate misurazioni dei livelli di vibrazione di base nella seconda cabina di pilotaggio del Su-29. Come nel caso dello Yak-52, le vibrazioni sono state misurate in direzione verticale utilizzando l'analizzatore di spettro portatile AD-3527 di A&D (Giappone) nell'intervallo di frequenza da 5 a 200 Hz. Le misurazioni sono state eseguite a quattro regimi principali del motore, corrispondenti a 60%, 65%, 70% e 82% della frequenza di rotazione massima dell'elica.

I risultati di queste misurazioni sono presentati nella Tabella 3.1.

I principali componenti della vibrazione si manifestano alla frequenza di rotazione dell'elica V_{pagina 1}, albero motore V_c1, azionamento del compressore V_n, e la seconda armonica a V dell'albero motore_c2 (che nel caso dell'elica a tre pale può anche coincidere con la frequenza di passaggio delle pale V_{pagina 3}).

Nello spettro della modalità 60% è stata rilevata anche una componente non identificata a 6120 cicli/min, probabilmente causata dalla risonanza a circa 100 Hz, una delle frequenze naturali delle pale dell'elica.

La vibrazione totale massima (11,5 mm/sec) è stata rilevata nella modalità 70%. La componente dominante in questa modalità è V_c2 a 4020 cicli/min, raggiungendo 10,8 mm/sec. Questo forte aumento a 70% è probabilmente dovuto alle oscillazioni risonanti della sospensione del motore vicino a 67 Hz (4020 cicli/min).

Va inoltre notato che, oltre alle eccitazioni d'impatto del gruppo pistone, la vibrazione in questa regione di frequenza può anche essere influenzata dalle forze aerodinamiche alla frequenza di passaggio delle pale dell'elica (V_{pagina 3}). Nelle modalità 65% e 82%, si è notato un notevole aumento della V_c2 (V_{pagina 3}) si osserva anche una componente che può essere spiegata anch'essa tramite oscillazioni risonanti dei singoli componenti dell'aeromobile.

Il componente di squilibrio dell'elica V_{pagina 1} variava da 2,4 a 5,7 mm/sec tra le modalità prima del bilanciamento, generalmente inferiore a V_c2 alle modalità corrispondenti. La sua variazione tra le modalità è determinata non solo dalla qualità del bilanciamento, ma anche dal grado di deviazione dalle frequenze naturali degli elementi strutturali del velivolo.

3.4. Risultati del bilanciamento

L'equilibratura dell'elica è stata eseguita su un piano a una frequenza di rotazione di 1350 giri/min, utilizzando due cicli di misura (metodo classico dei coefficienti di influenza). Il protocollo completo di equilibratura è riportato in Appendice 1.

La procedura di bilanciamento consisteva nelle seguenti operazioni:

1. Durante la prima corsa (stato iniziale), sono state determinate l'ampiezza e la fase della vibrazione alla frequenza di rotazione dell'elica.
2. Durante la seconda prova, sono state determinate l'ampiezza e la fase della vibrazione dopo l'installazione di una massa di prova di peso noto sull'elica.
3. Sulla base di questi risultati di misurazione, il software ha calcolato la massa e l'angolo di installazione del peso correttivo nel piano 1, necessari per compensare lo squilibrio dell'elica.

La verifica della qualità del bilanciamento in volo non è stata effettuata a causa di un danno accidentale all'elica durante un volo di addestramento.

Le ragioni della discrepanza indicata potrebbero essere le seguenti:

• errori del sistema di misura del banco di bilanciamento nello stabilimento di produzione (questa causa sembra essere la meno probabile);
• errori geometrici (imprecisioni) delle superfici di montaggio del mandrino della macchina equilibratrice nello stabilimento di produzione, che causano lo sbandamento radiale dell'elica sul mandrino;
• errori geometrici (imprecisioni) delle superfici di montaggio dell'albero di uscita del cambio sull'aereo Su-29, che causano la scentratura radiale dell'elica quando installata sull'albero del cambio.

3.5. Conclusioni

3.5.1.

Il bilanciamento dell'elica del velivolo Su-29 su un unico piano a una frequenza di rotazione dell'elica di 1350 giri/min (70%) ha permesso di ridurre le vibrazioni alla frequenza di rotazione dell'elica da 6,7 mm/sec nello stato iniziale a 1,5 mm/sec dopo il bilanciamento. Anche le vibrazioni associate allo sbilanciamento dell'elica ad altre velocità del motore sono diminuite significativamente, rimanendo entro 1-2,5 mm/sec.

3.5.2.

Per chiarire le ragioni dei risultati insoddisfacenti dell'equilibratura dell'elica nello stabilimento di produzione (MT-Propeller), è necessario controllare l'eccentricità radiale dell'elica sull'albero di uscita del cambio del motore dell'aereo Su-29.

Appendice 1: Protocollo di bilanciamento