現場条件下における航空機プロペラのバランス調整

1. 序文

2年半前、当社はベアリング内の回転機構のバランスをとるために設計された「Balanset-1」装置の量産を開始しました。

現在までに180セット以上を生産しており、ファン、送風機、電動機、機械スピンドル、ポンプ、粉砕機、分離機、遠心分離機、カルダンシャフト・クランクシャフト組立品など、さまざまな回転機械の製造・運用分野で有効に活用されています。

最近、Vibromeraには、現場条件下で航空機やヘリコプターのプロペラを当社の装置でバランス調整できるかについて、組織や個人から多数の問い合わせが寄せられています。

残念ながら、当社の専門家は長年にわたり様々な機械のバランス調整に携わってきたにもかかわらず、この特定の問題に取り組んだ経験はありませんでした。そのため、お客様にご提供できるアドバイスや提案はごく一般的なものであり、必ずしもお客様の課題を効果的に解決できるとは限りませんでした。

この状況は、VD・チヴォコフ氏の積極的な関与のおかげで、この春、好転し始めました。チヴォコフ氏は、自身が操縦するYak-52航空機とSu-29航空機のプロペラのバランス調整作業を私たちと共に組織し、参加しました。

この作業を通じて必要な技能を習得し、「Balanset-1」装置を用いて現場条件下で航空機プロペラをバランス調整する技術を開発しました。主な内容は次のとおりです。

• 航空機に振動センサーおよび位相角センサーを取り付ける位置と方法を決定する。
• 航空機の各構造要素（エンジンサスペンション、プロペラブレード）の共振周波数を決定する。
• バランス調整時に達成可能な残留不釣合いを最小にするエンジン回転数（運転モード）を特定する。
• プロペラの残留不釣合いに対する許容値を定める。

さらに、M-14Pエンジンを搭載した航空機の振動レベルに関する興味深いデータも得られた。

以下は、本研究の成果をまとめた報告書です。バランス調整結果に加え、Yak-52およびSu-29の地上試験および飛行試験中に得られた振動調査データも掲載しています。これらのデータは、航空機のパイロットだけでなく、整備に携わる専門家にとっても興味深いものとなるでしょう。

2. Yak-52のバランス調整および振動調査

2.1.はじめに

2014年5月から7月にかけて、M-14P航空エンジンを搭載したYak-52航空機の振動調査と2枚羽根プロペラのバランス調整作業が行われました。

バランス調整は、「Balanset-1」キット（シリアル番号149）を用い、1平面で実施した。

測定方式を図2.1に示す。バランス調整中、振動センサー（加速度計）1は、特別設計のブラケットを介して磁気マウントでエンジンギアボックス前面カバーに取り付けた。レーザー位相角センサー2もギアボックスカバーに取り付け、プロペラブレードの一枚に貼付した反射マークへ向けた。

センサーからのアナログ信号はケーブルを介して「Balanset-1」装置の計測ユニットに送信され、そこで予備的なデジタル処理が行われました。その後、これらのデジタル信号はコンピュータに入力され、ソフトウェア処理によってプロペラのアンバランスを補正するために必要な補正ウェイトの質量と角度が計算されました。

この作業中、Su-29とYak-52のプロペラのバランス調整から得られた経験を考慮して、いくつかの追加研究が実施されました。

• Yak-52のエンジンおよびプロペラの固有振動数を求める。
• プロペラのバランス調整後、飛行中の副操縦士席における振動振幅とスペクトル構成を測定する。
• プロペラのバランス調整後およびエンジンショックアブソーバーの締め付け力の調整後の振動を測定します。

2.2. エンジンとプロペラの振動の固有振動数

機体の防振器に支持されたエンジンの固有振動数は、A&D（日本）製スペクトルアナライザーAD-3527を用いる衝撃加振法で求めた。

Yak-52エンジンサスペンションの固有振動スペクトル（図2.2）では、次の4つの主な周波数が確認された：20 Hz、74 Hz、94 Hz、120 Hz。

74 Hz、94 Hz、120 Hzは、機体へのエンジンマウント（サスペンション）の特性に関係すると考えられる。20 Hzは、着陸装置上の機体の固有振動に関係する可能性が高い。

プロペラブレードの固有振動数も衝撃加振法で測定した。次の4つの主な周波数が確認された：36 Hz、80 Hz、104 Hz、134 Hz。

エンジンサスペンションとプロペラブレードの固有振動数のデータは、バランス調整時のプロペラ回転数を選定するうえで特に重要である。選定では、機体構造要素の固有振動数から最大限に離調することが主な条件となる。共振域では振動測定の精度と再現性が大きく損なわれるおそれがあるためである。

さらに、個々の構成要素の固有振動数を把握することは、航空機の運用中に各種エンジン回転数で発生し得る急激な振動増加（共振現象）の原因特定に役立つ。

2.3. バランス調整結果

前述のとおり、プロペラのバランス調整は1平面で行い、プロペラの力の不釣合いを動的に補正した。

Yak-52のプロペラは補正面を1面しか設けられないため、モーメント不釣合いも補正する2平面動バランス調整は実施できなかった。

バランス調整は1150 rpm（60%）で実施した。この回転数では、各測定で振幅・位相ともに最も安定した振動値が得られた。

古典的な二回測定法を用いた：

1. 最初の実行では、初期状態のプロペラ回転周波数での振動の振幅と位相が決定されました。
2. 2回目の測定では、プロペラに7 gの試験質量を取り付けた後の振動の振幅と位相を求めた。
3. これらのデータに基づき、ソフトウェアは補正質量M = 19.5 gおよび取付角F = 32°を算出した。

プロペラの設計上の特徴により、補正ウェイトを必要な角度 32° に設置することができなかったため、2 つの同等のウェイトが設置されました。

• M1 = 14 g、角度 F1 = 0°
• M2 = 8.3 g、角度 F2 = 60°

2.4. その他の動作モードでの振動

地上試験における他のエンジン運転モードでの振動確認結果を表2.1に示す。バランス調整は、Yak-52の全運転モードで振動に良い効果をもたらした。

さらに地上試験では、プロペラ回転数の上昇に伴い振動が大幅に減少する明確な傾向が確認された。これは、回転数が高くなるほど、プロペラ回転周波数がシャーシ上の機体の固有振動数（おそらく20 Hz）からより大きく離調するためと考えられる。

2.5. ショックアブソーバー調整前後の飛行中の振動

プロペラバランス調整後の地上振動試験（セクション 2.3）に加えて、Yak-52 の飛行中の振動測定も実施されました。

飛行中の振動は、A&D（日本）製ポータブルスペクトルアナライザーAD-3527を用い、副操縦士席の垂直方向で5～200（500）Hzの範囲を測定した。測定は、最大回転数の60%、65%、70%、82%、94%に当たる5つの主要エンジン運転モードで行った。

防振器を調整する前に得た結果を表2.2に示す。

表2.2に示すように、主な振動成分はプロペラ回転周波数 V_p1、クランクシャフト回転周波数 V_c1、エアコンプレッサー（および／または周波数センサー）駆動周波数 V_nおよびそれらの高調波に現れる。

最大総振動V_Σ は82%（1580 rpm）および94%（1830 rpm）モードで確認された。これらのモードで支配的な成分は、クランクシャフト回転周波数 V_c2の2次高調波であり、4800サイクル/分で12.5 mm/秒、5520サイクル/分で15.8 mm/秒に達した。

この成分はピストングループ（クランクシャフト1回転あたりピストンが2回移動する際の衝撃プロセス）に関連していると考えられます。82%（第1ノミナル）モードおよび94%（テイクオフ）モードでの急激な増加は、ピストングループの欠陥ではなく、エンジンとショックアブソーバーの共振振動が原因である可能性が高いです。この結論は、固有振動数測定によって裏付けられており、エンジンサスペンションの周波数は74 Hz（4440サイクル/分）、94 Hz（5640サイクル/分）、および120 Hz（7200サイクル/分）であることが明らかになりました。これらのうち74 Hzと94 Hzの2つは、第1ノミナルおよびテイクオフ動作モードにおけるクランクシャフトの第2高調波周波数に近い値です。

V_c2で大きな振動が確認されたため、エンジン防振器の締付力を点検・調整した。比較結果を表2.3に示す。

表2.3に示すように、防振器の調整によって航空機の主要な振動成分に大きな変化は生じなかった。

また、プロペラ不釣合い成分 V_p1 は82%および94%モードで、それぞれ V_c2 の3～7分の1であった。他の飛行モードでは V_p1 は2.8～4.4 mm/秒の範囲で変化し、その変動は主にバランス調整の品質ではなく、航空機構造要素の固有振動数からの離調度で決まる。

2.6. 結論

2.6.1.

Yak-52のプロペラを1150 rpm（60%）でバランス調整することにより、プロペラ回転周波数における振動を10.2 mm/秒から4.2 mm/秒に低減することができました。「Balanset-1」装置を用いたYak-52およびSu-29両機のプロペラバランス調整で蓄積された経験を考慮すると、振動レベルをさらに低減することが現実的に可能です。具体的には、バランス調整中にプロペラの回転周波数を高く設定することで、測定中に確認された航空機の固有振動数20 Hz（1200サイクル/分）からの離調度をさらに高めることができます。

2.6.2.

飛行振動試験（表2.2および2.3）によれば、Yak-52の振動スペクトルには、プロペラ回転周波数V_p1の成分に加え、クランクシャフトV_c1、V_c2、V_c3、エンジンのピストングループ、およびエアコンプレッサー（および／または周波数センサー）駆動周波数V_nに関連する重要な成分が含まれる。

60%、65%、70%の運転モードでは、これらの成分はプロペラ不釣合い成分 V_p1と同程度である。したがって、プロペラ不釣合いによる振動を完全に除去しても、これらのモードにおける航空機の総振動は約1.5分の1までしか低減できない。

2.6.3.

最大総振動V_Σ はYak-52において、82%（プロペラ回転数1580 rpm）および94%（プロペラ回転数1830 rpm）の運転モードで確認された。この振動の主成分は、クランクシャフト回転周波数 V_c2の2次高調波であり、その周波数はそれぞれ4800サイクル/分と5520サイクル/分、振幅は12.5 mm/秒および15.8 mm/秒に達した。

セクション2.5および2.2で示したように、上記モードにおけるこの成分の急激な増加は、ピストングループの欠陥ではなく、エンジンとショックアブソーバーの共振振動に起因する可能性が高い。試験中に行われたショックアブソーバーの締め付け力の調整は、振動レベルに大きな変化をもたらさなかった。

この状況は、機体のエンジン取付け（サスペンション）方式の選定時に生じた、航空機開発者側の設計上の見落としと考えられる。

2.6.4.

プロペラのバランス調整の過程で得られたデータと追加で実施した振動試験から、定期的な振動監視は、ピストン グループ、クランク シャフト、エンジン ベアリング、および空気圧縮機駆動部の状態の評価を含む、航空機エンジンの技術的状態の診断評価に役立つことが示唆されています。

このような作業は、たとえば「Balanset-1」装置（現在は バランセット-1A）のソフトウェアに搭載されたスペクトル振動解析機能を用いて実施できる。

3. MTV-9-KC/CL 260-27プロペラのバランス調整とSu-29の振動調査

3.1.はじめに

2014年6月15日、Su-29曲技飛行機のM-14P航空エンジンに搭載されたMTV-9-KC/CL 260-27型の3枚羽根プロペラのバランス調整作業が行われました。

製造元 (MT-Propeller) が提供したデータによると、製造工場で取り付けられた補正ウェイトがプロペラの平面 1 上に存在していたことから、指定されたプロペラは予備的に静的にバランス調整されていました。

Su-29 ギアボックスの出力軸に直接取り付けられた（つまり、恒久的に取り付けられた場所）プロペラのバランス調整は、「Balanset-1」振動バランス調整キット（シリアル番号 149）を使用して実施されました。

測定方式（図3.1）はYak-52で用いたものと概ね同じである。振動センサー（加速度計）1は、特別設計のブラケットを介して磁気マウントでエンジンギアボックスのハウジングに取り付けた。レーザー位相角センサー2もギアボックスハウジングに取り付け、プロペラブレードの一枚に貼付した反射マークへ向けた。センサーからのアナログ信号はケーブルを介して「Balanset-1」装置の計測ユニットに送られ、そこで予備的なデジタル処理を行った。その後、信号をデジタル形式でコンピュータへ入力し、ソフトウェアによりプロペラ不釣合いの補正に必要な補正ウェイトの質量と角度を算出した。

この作業に先立ち、Yak-52プロペラのバランス調整で得た経験を踏まえて、追加の調査を行った：

• Su-29のエンジンおよびプロペラの固有振動数を求める。
• バランス調整の前に、副操縦士室の基準振動の振幅とスペクトル構成を確認します。

3.2. エンジンとプロペラの振動の固有振動数

AD-3527アナライザーを用いた同じ衝撃加振法により、エンジンサスペンションのスペクトルで次の6つの主な周波数を確認した（図3.2）：16 Hz、22 Hz、37 Hz、66 Hz、88 Hz、120 Hz。

66 Hz、88 Hz、120 Hzは、機体内のエンジンマウント（サスペンション）方式の特性に直接関係すると考えられる。16 Hzと22 Hzは、シャーシ上の機体全体の固有振動に関係する可能性が高い。37 Hzは、航空機プロペラブレードの固有振動数に関係すると考えられる。

この仮定は、プロペラブレードの固有振動数測定結果（図3.3）によって裏付けられる。そのスペクトルでは、次の3つの主な周波数が確認された：37 Hz、100 Hz、174 Hz。

Su-29のエンジンサスペンションとプロペラブレードの固有振動数に関する知識は、実用上極めて重要です。第一に、バランス調整のためのプロペラ回転周波数を適正に選定し、機体構造共振からの離調を最大限に確保することが可能になります。第二に、本報告書の以降のセクションで示すように、様々なエンジン運転モードで観測される振動原因の正確な解釈と診断に必要な基礎を提供します。

3.3. バランス調整前のキャビン振動の基準値

バランス調整手順を実施する前に、Su-29の第二操縦室における基準振動レベルの測定を実施した。Yak-52の場合と同様に、A&D（日本）製のポータブルスペクトラムアナライザAD-3527を用いて、5～200Hzの周波数範囲で垂直方向の振動を測定した。測定は、プロペラの最大回転周波数60%、65%、70%、および82%に対応する4つの主要エンジン回転速度モードで実施した。

これらの測定結果は表3.1に示されています。

主な振動成分は、プロペラ回転周波数V_p1、クランクシャフト回転周波数V_c1、コンプレッサー駆動周波数V_n、およびクランクシャフト2次高調波V_c2に現れる。3枚羽根プロペラでは、後者がブレード通過周波数V_p3と一致する場合もある。

60%モードのスペクトルでは、6120サイクル/分の未確認成分も確認された。これは、プロペラブレードの固有振動数の一つである約100 Hzでの共振による可能性がある。

最大総振動（11.5 mm/秒）は70%モードで観測された。このモードで支配的な成分は V_c2 であり、4020サイクル/分で10.8 mm/秒に達した。この70%での急増は、エンジンサスペンションの67 Hz（4020サイクル/分）付近の共振振動による可能性が高い。

また、この周波数域の振動は、ピストングループからの衝撃加振に加え、プロペラのブレード通過周波数V_p3における空力的な力の影響も受ける可能性がある。65%および82%モードでは、V_c2（V_p3）成分の顕著な増加も観測され、これも個々の航空機構成要素の共振振動で説明できる。

プロペラ不釣合い成分 V_p1 はバランス調整前、各モードで2.4～5.7 mm/秒の範囲にあり、一般に V_c2 より低かった。モード間の変動は、バランス調整の品質だけでなく、航空機構造要素の固有振動数からの離調度でも決まる。

3.4. バランス調整結果

プロペラのバランス調整は、1350 rpmで影響係数法による2回の測定を用いて1平面で実施した。詳細なバランス調整プロトコルは付録1に示す。

バランス調整手順は次の操作で構成されます。

1. 最初の実行（初期状態）では、プロペラの回転周波数における振動の振幅と位相が決定されました。
2. 2回目の測定では、既知の質量の試験ウェイトをプロペラに取り付けた後の振動の振幅と位相を求めた。
3. これらの測定結果に基づいて、ソフトウェアはプロペラのアンバランスを補正するために必要な平面 1 の補正ウェイトの質量と取り付け角度を計算しました。

訓練飛行中にプロペラが偶発的に損傷したため、飛行中のバランス品質の検証は実施されませんでした。

示された矛盾の理由は、次のとおりです。

• 製造工場のバランススタンドの測定系統の誤差（この理由の可能性は最も低い）。
• 製造工場のバランス調整機スピンドル取付面の幾何学的誤差（不正確さ）により、スピンドル上でプロペラの半径方向振れが生じる。
• Su-29航空機のギアボックスの出力軸の取り付け面の幾何学的誤差（不正確さ）により、ギアボックスの軸に取り付けた際にプロペラの半径方向の振れが発生しました。

3.5. 結論

3.5.1.

Su-29機のプロペラを1350rpm（70%）のプロペラ回転数で一面バランス調整することにより、プロペラ回転数における振動を初期状態の6.7mm/秒からバランス調整後に1.5mm/秒に低減することができました。エンジンの他の回転数モードにおけるプロペラのアンバランスに関連する振動も大幅に減少し、1～2.5mm/秒の範囲に収まりました。

3.5.2.

製造工場（MT-プロペラ）でのプロペラのバランス調整の結果が不十分だった理由を明らかにするには、Su-29航空機のエンジンギアボックスの出力軸上のプロペラのラジアル振れをチェックする必要があります。

付録1：バランス調整プロトコル