Sul bilanciamento dell'elica dell'aereo nell'ambiente di volo. Parte 1

1. V.D. Feldman

Capo tecnico di OU Vibromera

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

 "L'elica è il pilota dell'aereo,

e per bilanciare può solo un battitore".

1. In al posto della prefazione

Due anni e mezzo fa, la nostra azienda ha iniziato la produzione in serie del Balanset-1, destinato all'equilibratura dei meccanismi del rotore nei propri cuscinetti.

Ad oggi sono stati prodotti più di 180 set, utilizzati efficacemente in vari settori industriali, tra cui la produzione e il funzionamento di ventilatori, aspiratori, motori elettrici, mandrini di lavoro, pompe, frantoi, separatori, centrifughe, alberi motore e alberi a gomito e altri meccanismi.

Recentemente, la nostra azienda ha ricevuto un gran numero di richieste da parte di organizzazioni e privati in merito alla possibilità di utilizzare la nostra apparecchiatura per il bilanciamento delle eliche di aerei ed elicotteri sul campo.

Purtroppo i nostri specialisti, che hanno una grande esperienza nell'equilibratura di un'ampia varietà di macchine, non hanno mai affrontato questo problema. Pertanto, i consigli e le raccomandazioni che potevamo dare ai nostri clienti erano di natura generale e non sempre consentivano loro di risolvere efficacemente il problema.

Questa primavera la situazione ha iniziato a cambiare in meglio grazie alla posizione attiva di V. D. Chvokov, che ha organizzato e preso, insieme a noi, la parte più attiva nei lavori di bilanciamento delle eliche degli YAK-52 e dei SU-29, di cui è pilota.

Fig. 1.1. Yak-52 nel campo di volo

Fig. 1.2. SU-29 nell'area di parcheggio

Durante questo processo, abbiamo appreso una certa abilità e tecnologia di bilanciamento delle eliche degli aerei sul campo utilizzando il Balanset-1, tra cui:

• determinare i luoghi e i metodi di installazione (montaggio) dei sensori di vibrazione e dell'angolo di fase sulla struttura;
• determinare le frequenze di risonanza di una serie di elementi strutturali dell'aeromobile (sospensione del motore, pala dell'elica);
• identificare le velocità di rotazione (modalità di funzionamento) del motore, fornendo uno squilibrio residuo minimo nel processo di equilibratura;
• determinare le tolleranze per lo squilibrio residuo dell'elica, ecc.

Inoltre, abbiamo ottenuto dati interessanti sui livelli di vibrazione degli aerei dotati di motori M-14P.

In base ai risultati di questi lavori, si suggeriscono di seguito i materiali per il reporting.

Oltre ai risultati dell'equilibratura, contengono i dati delle indagini sulle vibrazioni dello YAK-52 e del SU-29 ottenuti durante i test a terra e in volo.

Questi dati possono essere interessanti sia per i piloti di aerei che per gli specialisti della manutenzione.

2. I risultati del bilanciamento dell'elica e dei test di vibrazione dell'aereo acrobatico YAK-52

2.1. Introduzione

Nel periodo maggio-luglio 2014, abbiamo effettuato i test di vibrazione dello YAK-52 equipaggiato con il motore aeronautico M-14P, nonché il bilanciamento dell'elica a due pale.

L'equilibratura è stata eseguita sullo stesso piano utilizzando il set di equilibratura Balanset-1, impianto n. 149.

Lo schema di misura utilizzato per il bilanciamento è illustrato nella Figura 2.1.

Durante il processo di bilanciamento, il sensore di vibrazione (accelerometro) 1 è stato montato sul coperchio anteriore dell'ingranaggio del motore utilizzando un magnete su una staffa speciale.

Il sensore laser dell'angolo di fase 2 era anch'esso montato sul coperchio del cambio 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. 2.1. Schema di misura per l'equilibratura dell'elica dello YAK-52.

Zk - ruota dentata principale;

Zс - satelliti ad ingranaggi;

Zn - ruota dentata fissa.

Nel corso di questo lavoro, tenendo conto dell'esperienza acquisita nel bilanciamento delle eliche del SU-29 e dello YAK-52, abbiamo eseguito una serie di studi aggiuntivi, tra cui:

• determinare le frequenze naturali delle oscillazioni del motore e dell'elica dello YAK-52;
• esaminare il valore e la composizione spettrale delle vibrazioni nella cabina di pilotaggio del copilota in volo dopo il bilanciamento dell'elica;
• esaminare il valore e la composizione spettrale delle vibrazioni nella cabina di pilotaggio del copilota in volo dopo aver bilanciato l'elica e regolato la forza di serraggio dello smorzatore del motore.

2.2. 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 4 frequenze principali, ovvero: 20 Hz, 74Hz, 94 Hz, 120 Hz nello spettro delle oscillazioni naturali delle sospensioni del motore dello YAK-52, un esempio delle quali è mostrato nella Fig. 2.2.

Fig. 2.2. Lo spettro delle frequenze naturali delle oscillazioni della sospensione del motore dello YAK-52

Le frequenze di 74Hz, 94Hz e 120Hz sono probabilmente associate alle caratteristiche di montaggio (sospensione) del motore sul corpo dell'aereo.

La frequenza di 20Hz è molto probabilmente associata alle oscillazioni dell'aereo sul telaio.

Le frequenze naturali di oscillazione delle pale dell'elica sono state determinate anche con il metodo dell'eccitazione d'urto.

In questo caso, abbiamo individuato quattro frequenze principali, ovvero: 36Hz, 80Hz, 104Hz e 134Hz.

I dati sulle frequenze naturali di oscillazione dell'elica e del motore dello YAK-52 possono essere importanti per la scelta della frequenza di rotazione dell'elica utilizzata per il 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.

2.3. Risultati del bilanciamento.

Come abbiamo notato in precedenza, l'elica è stata bilanciata sullo stesso piano, in modo da compensare lo squilibrio di potenza dell'elica in dinamica.

Non è stato possibile effettuare il bilanciamento dinamico su due piani, che consente (oltre a quello della forza) di compensare lo squilibrio del momento dell'elica, poiché il design dell'elica montata sullo YAK-52 consente di formare un solo piano di correzione.

L'elica è stata bilanciata a una frequenza di rotazione pari a 1.150 giri/minuto (60%), alla quale è stato possibile ottenere i risultati più stabili di misurazione delle vibrazioni in ampiezza e fase da inizio a inizio.

L'elica è stata bilanciata secondo il classico schema "a due partenze".

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 avvio, abbiamo determinato l'ampiezza e la fase della vibrazione alla frequenza di rotazione dell'elica dopo aver fissato la massa di prova a 7g.

Tenendo conto di questi dati, abbiamo calcolato in modo programmatico la massa M = 19,5g e l'angolo di installazione del peso di correzione F = 32.

Tenendo conto delle caratteristiche costruttive dell'elica, che non consentono di posizionare il peso di correzione all'angolo richiesto, sull'elica vengono fissati due pesi equivalenti, tra cui:

• Peso M1 = 14g sull'angolo F1 = 0º;
• Peso M1 = 8,3 g sull'angolo F1 = 60º.

Dopo aver posizionato i pesi correttivi sull'elica, la vibrazione misurata a una velocità di rotazione di 1.150 giri/min. e associata allo squilibrio dell'elica è diminuita da 10,2 mm/s nello stato iniziale a 4,2 mm/s dopo il bilanciamento.

Allo stesso tempo, lo squilibrio effettivo dell'elica è diminuito da 2.340 g*mm a 963 g*mm.

2.4. Verifica dell'effetto del bilanciamento sul livello di vibrazioni dello YAK-52 al suolo a diverse velocità dell'elica

La tabella 2.1 riporta i risultati della prova di vibrazione dello YAK-52, eseguita in altre condizioni di funzionamento del motore ottenute durante le prove a terra.

Come mostra la tabella, il bilanciamento ha avuto un effetto positivo sulle vibrazioni dello YAK-52 in tutte le modalità di funzionamento.

Tabella 2.1

Inoltre, durante i test a terra, è stata rilevata la tendenza a ridurre significativamente le vibrazioni di un aereo con un aumento del tasso di rotazione dell'elica.

Questo fenomeno può essere spiegato da un maggior grado di scostamento della velocità di rotazione dell'elica dalla frequenza naturale di oscillazione dell'aereo sul telaio (presumibilmente 20Hz), che si verifica con l'aumento della velocità di rotazione dell'elica.

2.5. Esame delle vibrazioni dello YAK-52 in aria nelle principali modalità di volo prima e dopo la regolazione della forza di serraggio degli smorzatori

Oltre alle prove di vibrazione effettuate dopo aver bilanciato l'elica a terra (vedi Sezione 2.3), abbiamo effettuato misurazioni delle vibrazioni dello YAK-52 in volo.

Le vibrazioni in volo sono state misurate 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 da 5 a 200 (500) Hz.

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

I risultati delle misurazioni effettuate prima della regolazione degli smorzatori sono riportati nella Tabella 2.2.

Tabella 2.2

A titolo di esempio, le Fig. 2.3 e 2.4 mostrano i grafici degli spettri ottenuti misurando le vibrazioni nell'abitacolo dello YAK-52 nei modi 60% e 94% e utilizzati per compilare la Tabella 2.2.

Fig.2.3. Spettro delle vibrazioni nella cabina di pilotaggio dello YAK-52 a 60%.

Figura 2.4. Spettro delle vibrazioni nella cabina di pilotaggio dello YAK-52 a 94%.

Come mostra la Tabella 2.2, le componenti principali delle vibrazioni, misurate nella cabina di pilotaggio del copilota, appaiono alle velocità di rotazione dell'elica Vv1 (evidenziata in giallo), dell'albero a gomito del motore Vk1 (evidenziata in blu) e dell'ingranaggio di azionamento del compressore d'aria (e/o del sensore di frequenza) Vn (evidenziata in verde), nonché alle loro armoniche superiori Vv2, Vv4, Vv5 e Vk2, Vk3.

La vibrazione totale massima Vå  è stato rilevato a velocità di 82% (1.580 giri/min. dell'elica) e 94% (1.830 giri/min.).

La componente principale di questa vibrazione si manifesta a livello del 2^nd armonica della velocità dell'albero a gomiti del motore Vk2 e raggiunge quindi i valori di 12,5 mm/s a una frequenza di 4800 cicli/min e 15,8 mm/s a una frequenza di 5.520 cicli/min.

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

Il forte aumento di questo componente nelle modalità 82% (prima nominale) e 94% (decollo) è molto probabilmente causato non da difetti del gruppo di pistoni, ma da oscillazioni risonanti sul motore fissato nel corpo dell'aereo sullo smorzatore.

Questa conclusione è confermata dai risultati della verifica sperimentale delle frequenze naturali delle oscillazioni della sospensione del motore, nel cui spettro si trovano 74Hz (4.440 cicli/min), 94Hz (5640 cicli/min) e 120Hz (7.200 cicli/min).

Due di queste frequenze naturali, pari a 74 e 94 Hz, sono vicine alle frequenze del 2^nd armoniche della velocità di rotazione dell'albero a gomiti, che si verificano nei primi valori nominali e di decollo del motore.

Dato che durante i test di vibrazione sono state rilevate vibrazioni significative al 2^nd armonica dell'albero a gomiti nei primi valori nominali e di decollo del motore, si è cercato di controllare e regolare la forza di serraggio degli ammortizzatori della sospensione del motore.

La tabella 2.3 mostra i risultati dei test comparativi ottenuti prima e dopo la regolazione degli smorzatori per la velocità di rotazione dell'elica (Vv1) e il 2^nd armonica della frequenza di rotazione dell'albero motore (Vk2).

Tabella 2.3

Come si può vedere dalla tabella 2.3, la regolazione degli smorzatori non ha portato a cambiamenti significativi nei valori delle componenti principali delle vibrazioni del velivolo.

Tenendo conto di quanto sopra, è possibile considerare il notevole aumento della componente di vibrazione dello YAK-52 nel primo modo nominale e in quello di decollo (a nostro avviso) come un errore di calcolo costruttivo dei progettisti del velivolo, fatto al momento di scegliere il sistema di montaggio del motore (sospensione) nel corpo dell'aereo.

A questo proposito, va notato che l'ampiezza della componente spettrale associata allo squilibrio dell'elica Vv1, rilevata nei modi 82% e 94% (si vedano le tabelle 1.2 e 1.3), rispettivamente, è 3-7 volte inferiore alle ampiezze Vk2 in questi modi.

Nelle altre modalità di volo, la componente Vv1 è compresa tra 2,8 e 4,4 mm/s.

Inoltre, come mostrano le tabelle 2.2 e 2.3, durante la transizione da un modo all'altro i suoi cambiamenti sono determinati principalmente non dalla qualità del bilanciamento, ma dal grado di scostamento della velocità di rotazione dell'elica dalle frequenze naturali di oscillazione di alcuni elementi strutturali dell'aereo.

2.6. Conclusioni sui risultati del lavoro

2.6.1. L'equilibratura dell'elica dello YAK-52, effettuata a una frequenza di rotazione di 1150 giri/min (60%), ha permesso di ridurre le vibrazioni dell'elica da 10,2 mm/s a 4,2 mm/s.

Tenendo conto dell'esperienza acquisita nel processo di bilanciamento delle eliche dello YAK-52 e del SU-29 utilizzando il Balanset-1, possiamo ipotizzare che vi sia la possibilità di ridurre ulteriormente il livello di vibrazioni dell'elica dello YAK-52.

Questo effetto può essere ottenuto, in particolare, selezionando una frequenza di rotazione dell'elica diversa (più alta) durante il suo bilanciamento, che consente un maggior grado di distacco dalla frequenza di oscillazione naturale dell'aereo di 20 Hz (1.200 cicli/min) rilevata durante la prova.

2.6.2. Come dimostrano i risultati delle prove di vibrazione dello YAK-52 in volo, i suoi spettri di vibrazione (oltre alla componente menzionata nel paragrafo 2.6.1, che compare alla frequenza di rotazione dell'elica), presentano una serie di altre componenti legate al funzionamento dell'albero a gomiti, del gruppo di pistoni del motore e anche dell'ingranaggio di trasmissione del compressore d'aria (e/o del sensore di frequenza).

I valori delle suddette vibrazioni nei modi 60%, 65% e 70% sono proporzionali al valore della vibrazione associata allo squilibrio dell'elica.

L'analisi di queste vibrazioni mostra che anche la completa eliminazione delle vibrazioni dovute allo sbilanciamento dell'elica ridurrà le vibrazioni totali dell'aereo in questi modi di non più di 1,5 volte.

2.6.3. La vibrazione totale massima Vå di YAK-52 è stato rilevato nelle modalità ad alta velocità, ovvero: 82% (1.580 giri/min. dell'elica) e 94% (1.830 giri/min. dell'elica).

La componente principale di questa vibrazione si manifesta a livello del 2^nd armonica della frequenza di rotazione dell'albero a gomiti del motore Vk2 (alle frequenze di 4.800 cicli/min o 5.520 cicli/min), che raggiunge rispettivamente i valori di 12,5 mm/s e 15,8 mm/s.

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

Il forte aumento di questo componente nei modi 82% (primo nominale) e 94% (decollo) è probabilmente causato non da difetti nel gruppo di pistoni, ma da oscillazioni risonanti sul motore, fissate nel corpo dell'aereo su smorzatori.

Durante le prove, la regolazione degli smorzatori non ha portato a variazioni significative delle vibrazioni.

Questa situazione può essere considerata come un errore di calcolo costruttivo dei progettisti del velivolo, fatto al momento di scegliere il sistema di montaggio (sospensione) del motore nel corpo dell'aereo.

2.6.4. I dati ottenuti durante l'equilibratura e le prove di vibrazione aggiuntive (si vedano i risultati delle prove di volo nella sezione 2.5) ci permettono di concludere che il monitoraggio periodico delle vibrazioni può essere utile per la valutazione diagnostica delle condizioni tecniche di un motore aeronautico.

Tale procedura può essere eseguita, ad esempio, utilizzando il Balanset-1, il cui software implementa la funzione di analisi spettrale delle vibrazioni.