Over het balanceren van vliegtuigpropellers onder veldomstandigheden

1. Voorwoord

Tweeënhalf jaar geleden is ons bedrijf begonnen met de serieproductie van het apparaat "Balanset-1", ontworpen voor het balanceren van roterende mechanismen in hun eigen lagers.

Tot op heden zijn er meer dan 180 sets geproduceerd. Ze worden met succes gebruikt in diverse industrieën, waaronder de productie en werking van ventilatoren, blazers, elektromotoren, spindels, pompen, vergruizers, scheiders, centrifugen, cardan- en krukassamenstellen en soortgelijke mechanismen.

Vibromera heeft de laatste tijd veel vragen ontvangen van organisaties en particulieren over de mogelijkheid om onze apparatuur te gebruiken voor het balanceren van vliegtuig- en helikopterpropellers in het veld.

Helaas hadden onze specialisten, ondanks hun jarenlange ervaring met het balanceren van diverse machines, nog nooit eerder met dit specifieke probleem te maken gehad. Het advies en de aanbevelingen die we onze klanten konden geven waren daarom vrij algemeen en stelden hen niet altijd in staat om de betreffende taak effectief op te lossen.

Deze situatie begon dit voorjaar ten goede te veranderen, dankzij de actieve betrokkenheid van VD Chvokov, die samen met ons de werkzaamheden organiseerde en uitvoerde aan het balanceren van de propellers van de Yak-52 en Su-29 vliegtuigen die hij bestuurt.

Tijdens dit werk werden bepaalde vaardigheden verworven en een technologie ontwikkeld voor het balanceren van vliegtuigpropellers in het veld met behulp van het "Balanset-1"-apparaat, waaronder:

• het bepalen van de locaties en methoden voor het installeren (monteren) van trillings- en fasehoeksensoren op het vliegtuig;
• het bepalen van de resonantiefrequenties van verschillende structurele elementen van het vliegtuig (motorophanging, propellerbladen);
• het bepalen van de motorrotatiefrequenties (bedrijfsmodi) die de minimaal haalbare resterende onbalans tijdens het balanceren garanderen;
• Het vaststellen van toleranties voor de resterende onbalans van de propeller.

Daarnaast werden er interessante gegevens verkregen over de trillingsniveaus van vliegtuigen uitgerust met M-14P-motoren.

Hieronder vindt u de rapportgegevens die zijn samengesteld op basis van de resultaten van dit onderzoek. Naast de balanceringsresultaten bevatten ze ook gegevens van de trillingsmetingen van Yak-52- en Su-29-vliegtuigen, verkregen tijdens grond- en vluchtproeven. Deze gegevens kunnen interessant zijn voor zowel vliegtuigpiloten als specialisten die betrokken zijn bij het onderhoud ervan.

2. Balancerings- en trillingsonderzoek van de Yak-52

2.1. Inleiding

In mei-juli 2014 werden werkzaamheden uitgevoerd aan het trillingsonderzoek van het Yak-52-vliegtuig, uitgerust met de M-14P-vliegtuigmotor, en aan het balanceren van de tweebladige propeller.

Het balanceren werd in één vlak uitgevoerd met behulp van de "Balanset-1" kit, serienummer 149.

Het meetschema is weergegeven in figuur 2.1. Tijdens het balanceren wordt een trillingssensor (accelerometer) gebruikt. 1 werd op de voorkap van de motorversnellingsbak gemonteerd met behulp van een magnetische bevestiging op een speciaal ontworpen beugel. Laserfasehoeksensor 2 werd ook op de versnellingsbakkap aangebracht en gericht naar de reflecterende markering die op een van de propellerbladen was aangebracht.

Analoge signalen van de sensoren werden via kabels naar de meeteenheid van het "Balanset-1"-apparaat verzonden, waar een voorlopige digitale verwerking plaatsvond. Deze signalen in digitale vorm werden vervolgens naar de computer gestuurd, waar softwarematige verwerking plaatsvond en de massa en hoek van het correctiegewicht dat nodig was om de onbalans van de propeller te compenseren, werden berekend.

Tijdens dit werk werden, rekening houdend met de ervaring opgedaan met het balanceren van de propellers van zowel de Su-29 als de Yak-52, een aantal aanvullende studies uitgevoerd:

• het bepalen van de eigenfrequenties van de motor- en propelleroscillaties van de Yak-52;
• het meten van de trillingsamplitude en de spectrale samenstelling in de cabine van de tweede piloot tijdens de vlucht na het balanceren van de propellers;
• Het meten van trillingen na het balanceren van de propeller en na het afstellen van de aanhaalspanning van de schokdempers van de motor.

2.2. Natuurlijke frequenties van motor- en propelleroscillaties

De eigenfrequenties van de motoroscillaties, gemonteerd op schokdempers in de vliegtuigromp, werden bepaald met behulp van een spectrumanalysator AD-3527 van A&D (Japan) door middel van impactexcitatie.

In het spectrum van natuurlijke trillingen van de Yak-52 motorophanging (Fig. 2.2) werden vier hoofdfrequenties geïdentificeerd: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

De frequenties 74 Hz, 94 Hz en 120 Hz houden waarschijnlijk verband met de eigenschappen van de motorophanging aan de vliegtuigromp. De frequentie 20 Hz is hoogstwaarschijnlijk gerelateerd aan de natuurlijke trillingen van het vliegtuig op het landingsgestel.

De eigenfrequenties van de propellerbladen werden ook bepaald met behulp van de impactexcitatiemethode. Vier hoofdfrequenties werden geïdentificeerd: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz en 134 Hz.

De gegevens over de eigenfrequenties van de trillingen van de motorophanging en de propellerbladen zijn vooral belangrijk voor het kiezen van de rotatiefrequentie van de propeller tijdens het balanceren. De belangrijkste voorwaarde bij het selecteren van deze frequentie is het garanderen van een maximale ontstemming ten opzichte van de eigenfrequenties van de trillingen van de structurele elementen van het vliegtuig, aangezien bij resonantiefrequenties de nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van trillingsmetingen aanzienlijk kunnen worden beïnvloed.

Daarnaast kan kennis van de eigenfrequenties van de afzonderlijke componenten nuttig zijn voor het identificeren van de oorzaken van abrupte toenames in trillingen (resonantieverschijnselen) bij verschillende motortoerentallen, die zich tijdens de werking van het vliegtuig kunnen voordoen.

2.3. Balanceerresultaten

Zoals hierboven vermeld, werd de propellerbalancering in één vlak uitgevoerd, waardoor de krachtonbalans van de propeller dynamisch werd gecompenseerd.

Dynamische balancering in twee vlakken (die tevens de momentonbalans zou compenseren) was niet haalbaar, aangezien het propellerontwerp van de Yak-52 slechts één correctievlak toelaat.

Het balanceren werd uitgevoerd bij een rotatiefrequentie van 1150 rpm (60%), waarbij de meest stabiele trillingsmetingen, zowel in amplitude als in fase, van run tot run werden verkregen.

Het klassieke "twee-run"-schema werd gebruikt:

1. Tijdens de eerste meting werden de amplitude en fase van de trilling bij de rotatiefrequentie van de propeller in de beginsituatie bepaald.
2. Tijdens de tweede meting werden de amplitude en fase van de trilling bepaald nadat een proefmassa van 7 g op de propeller was aangebracht.
3. Op basis van deze gegevens berekende de software de correctiemassa. M = 19,5 g onder een hoek F = 32°.

Vanwege de ontwerpkenmerken van de propeller, waardoor het niet mogelijk was om het correctiegewicht onder de vereiste hoek van 32° te installeren, werden twee gelijkwaardige gewichten geïnstalleerd:

• M1 = 14 g bij een hoek F1 = 0°
• M2 = 8,3 g bij een hoek F2 = 60°

2.4. Trillingen bij andere bedrijfsmodi

De resultaten van trillingsmetingen bij andere motorbedrijfsmodi tijdens grondtests worden weergegeven in tabel 2.1. Zoals te zien is, had de balancering een positief effect op de trillingen van de Yak-52 in alle modi.

Bovendien werd tijdens grondtests een duidelijke trend waargenomen van aanzienlijke trillingsreductie bij een toenemende propellerrotatiefrequentie. Dit kan worden verklaard door een grotere afwijking van de propellerrotatiefrequentie ten opzichte van de natuurlijke trillingsfrequentie van het vliegtuig op het chassis (vermoedelijk 20 Hz), die optreedt bij hogere rotatiefrequenties.

2.5. Trillingen tijdens de vlucht vóór en na afstelling van de schokdempers

Naast de trillingstests op de grond na het balanceren van de propellers (sectie 2.3), werden er ook trillingsmetingen van de Yak-52 in de lucht uitgevoerd.

De trillingen tijdens de vlucht werden in de cabine van de tweede piloot in verticale richting gemeten met behulp van een draagbare spectrumanalysator AD-3527 van A&D (Japan) in het frequentiebereik van 5 tot 200 (500) Hz. De metingen werden uitgevoerd bij vijf hoofdtoerentalstanden van de motor: 60%, 65%, 70%, 82% en 94% van de maximale rotatiefrequentie.

De resultaten, verkregen vóór het afstellen van de schokdempers, worden weergegeven in tabel 2.2.

Zoals blijkt uit tabel 2.2, verschijnen de belangrijkste trillingscomponenten bij de propellerrotatiefrequentie V._p1, de krukasfrequentie V_c1, de luchtcompressor (en/of frequentiesensor) aandrijving V_n, en hun hogere harmonischen.

Maximale totale trilling V_Σ werd gevonden bij de modi 82% (1580 tpm) en 94% (1830 tpm). De dominante component bij deze modi verschijnt bij de 2e harmonische van de krukasrotatiefrequentie V._c2, waarbij een snelheid van 12,5 mm/sec werd bereikt bij 4800 cycli/min en 15,8 mm/sec bij 5520 cycli/min.

Aangenomen kan worden dat dit onderdeel verband houdt met de zuigergroep (impactprocessen die optreden tijdens de dubbele beweging van de zuigers per krukasomwenteling). De sterke toename bij de 82% (eerste nominale toerental) en 94% (starttoerental) wordt hoogstwaarschijnlijk niet veroorzaakt door defecten aan de zuigergroep, maar door resonantietrillingen van de motor op de schokdempers. Deze conclusie wordt ondersteund door de metingen van de eigenfrequentie, die motorveringfrequenties van 74 Hz (4440 cycli/min), 94 Hz (5640 cycli/min) en 120 Hz (7200 cycli/min) aan het licht brachten. Twee hiervan – 74 Hz en 94 Hz – liggen dicht bij de tweede harmonische frequentie van de krukas bij de eerste nominale en starttoerental.

Vanwege de aanzienlijke trillingen die bij V werden aangetroffen_c2, De aanhaalkracht van de schokdempers van de motor werd gecontroleerd en aangepast. De vergelijkende resultaten worden weergegeven in tabel 2.3.

Zoals blijkt uit tabel 2.3, leidde de aanpassing van de schokdempers niet tot significante veranderingen in de belangrijkste trillingscomponenten van het vliegtuig.

Er moet ook worden opgemerkt dat de propeller-onbalanscomponent V_p1 bij de modi 82% en 94% is respectievelijk 3–7 keer lager dan V_c2 in die modi. In andere vliegmodi, V_p1 De snelheid varieert van 2,8 tot 4,4 mm/sec, en de veranderingen tussen de verschillende modi worden voornamelijk bepaald door de mate van afwijking van de natuurlijke frequenties van de structurele elementen van het vliegtuig, en niet zozeer door de kwaliteit van de balancering.

2.6. Conclusies

2.6.1.

Door de propeller van de Yak-52 te balanceren op een rotatiefrequentie van 1150 rpm (60%) kon de trilling bij die rotatiefrequentie worden teruggebracht van 10,2 mm/sec naar 4,2 mm/sec. Rekening houdend met de ervaring die is opgedaan tijdens het balanceren van de propellers van zowel de Yak-52 als de Su-29 met behulp van het "Balanset-1"-apparaat, bestaat er een reële mogelijkheid om een nog grotere reductie van het trillingsniveau te bereiken. Dit zou met name mogelijk zijn door een hogere rotatiefrequentie van de propeller te kiezen tijdens het balanceren, waardoor de werkingsfrequentie verder verwijderd zou zijn van de natuurlijke trillingsfrequentie van het vliegtuig van 20 Hz (1200 cycli/min) die tijdens de metingen is vastgesteld.

2.6.2.

Zoals de trillingstests tijdens de vlucht aantonen (zie tabellen 2.2 en 2.3), bevatten de trillingsspectra van het Yak-52-vliegtuig, naast de trilling bij de propellerrotatiefrequentie V, ook verschillende andere belangrijke componenten — geassocieerd met de krukas V_p1, diverse andere belangrijke componenten — geassocieerd met de krukas V_c1, V_c2, V_c3, de zuigergroep van de motor en de aandrijving van de luchtcompressor (en/of frequentiesensor) V_n.

Bij de snelheidsstanden 60%, 65% en 70% zijn deze componenten qua grootte vergelijkbaar met de propelleronbalanscomponent V._p1. Bijgevolg zou zelfs een volledige eliminatie van de trillingen veroorzaakt door propelleronbalans de totale trillingen van het vliegtuig in deze modi met niet meer dan ongeveer 1,5 keer kunnen verminderen.

2.6.3.

Maximale totale trilling V_Σ De trillingen van het Yak-52-vliegtuig werden gevonden bij de snelheidsmodi 82% (1580 tpm van de propeller) en 94% (1830 tpm van de propeller). De dominante component van deze trillingen verschijnt bij de tweede harmonische van de krukasrotatiefrequentie V._c2, bij frequenties van respectievelijk 4800 cycli/min en 5520 cycli/min, waarbij het waarden bereikt van 12,5 mm/sec en 15,8 mm/sec.

Zoals blijkt uit paragrafen 2.5 en 2.2, wordt de sterke toename van deze component bij de aangegeven trillingsmodi hoogstwaarschijnlijk niet veroorzaakt door defecten aan de zuigergroep, maar door resonantietrillingen van de motor op de schokdempers. De aanpassing van de aanhaalspanning van de schokdempers, uitgevoerd tijdens de tests, leidde niet tot significante veranderingen in de trillingsniveaus.

Deze situatie kan vermoedelijk worden beschouwd als een ontwerpfout (constructieve foute berekening) van de vliegtuigontwikkelaars, erkend tijdens de selectie van het motorophangingssysteem in de vliegtuigromp.

2.6.4.

De gegevens die zijn verkregen tijdens het balanceren van de propeller en de aanvullende trillingstests suggereren dat periodieke trillingsmonitoring nuttig kan zijn voor de diagnostische beoordeling van de technische staat van de vliegtuigmotor, inclusief de evaluatie van de toestand van de zuigergroep, de krukas, de motorlagers en de aandrijving van de luchtcompressor.

Dergelijk werk kan bijvoorbeeld worden uitgevoerd met behulp van het apparaat "Balanset-1" (momenteel geproduceerd als de Balans-1a), waarin de software de functie van spectrale trillingsanalyse heeft geïmplementeerd.

3. Balanceren van de MTV-9-KC/CL 260-27 propeller en trillingsonderzoek van de Su-29

3.1. Inleiding

Op 15 juni 2014 werden werkzaamheden uitgevoerd aan het balanceren van de driebladige propeller van het type MTV-9-KC/CL 260-27, die is gemonteerd op de M-14P vliegtuigmotor van het Su-29 aerobatic vliegtuig.

Volgens de door de fabrikant (MT-Propeller) verstrekte gegevens was de betreffende propeller statisch gebalanceerd, zoals blijkt uit de aanwezigheid van een correctiegewicht op de propeller in vlak 1, dat in de fabriek is aangebracht.

Het balanceren van de propeller, die direct op de uitgaande as van de Su-29 versnellingsbak was gemonteerd (dus op de plaats van de permanente montage), werd uitgevoerd met behulp van de "Balanset-1" trillingsbalanceerset, serienummer 149.

Het meetschema (Fig. 3.1) was in het algemeen vergelijkbaar met dat van de Yak-52. Trillingssensor (versnellingsmeter) 1 werd op de behuizing van de motorversnellingsbak gemonteerd met behulp van een magnetische bevestiging op een speciaal ontworpen beugel. Laserfasehoeksensor 2 De sensor was eveneens op de versnellingsbakbehuizing gemonteerd en gericht op de reflecterende markering die op een van de propellerbladen was aangebracht. Analoge signalen van de sensoren werden via kabels naar de meeteenheid van het "Balanset-1"-apparaat verzonden, waar een voorlopige digitale verwerking plaatsvond. Vervolgens werden de signalen in digitale vorm naar de computer gestuurd, waar softwarematige verwerking werd uitgevoerd en de massa en hoek van het correctiegewicht dat nodig was om de propelleronbalans te compenseren, werden berekend.

Voorafgaand aan dit werk, en rekening houdend met de ervaring met het balanceren van de Yak-52-propeller, werden aanvullende studies uitgevoerd:

• het bepalen van de eigenfrequenties van de trillingen van de Su-29-motor en -propeller;
• Het controleren van de omvang en spectrale samenstelling van de basistrilling in de cabine van de tweede piloot vóór het balanceren.

3.2. Natuurlijke frequenties van motor- en propelleroscillaties

Met behulp van dezelfde impactexcitatiemethode met de AD-3527-analysator werden zes hoofdfrequenties geïdentificeerd in het spectrum van de motorophanging (Fig. 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

De frequenties 66 Hz, 88 Hz en 120 Hz zijn vermoedelijk direct gerelateerd aan de bijzonderheden van het motorophangingssysteem in de vliegtuigromp. De frequenties 16 Hz en 22 Hz zijn waarschijnlijk verbonden met de natuurlijke trillingen van het vliegtuig als geheel op zijn chassis. De frequentie van 37 Hz is waarschijnlijk gerelateerd aan de natuurlijke trillingsfrequentie van de propellerbladen van het vliegtuig.

Deze laatste aanname wordt bevestigd door de resultaten van metingen van de eigenfrequenties van de trillingen van de propellerbladen (fig. 3.3), waarbij in het spectrum drie hoofdfrequenties werden geïdentificeerd: 37 Hz, 100 Hz en 174 Hz.

Kennis van de eigenfrequenties van de motorophanging en de propellerbladen van de Su-29 is van groot praktisch belang. Ten eerste maakt het een verantwoorde selectie van de propellerrotatiefrequentie voor balancering mogelijk, waardoor maximale ontstemming van de structurele resonanties van het vliegtuig wordt gegarandeerd. Ten tweede biedt het de noodzakelijke basis voor de correcte interpretatie en diagnose van trillingsoorzaken die worden waargenomen bij verschillende motorbedrijfsmodi, zoals in de volgende paragrafen van dit rapport zal worden aangetoond.

3.3. Basistrilling van de cabine vóór het balanceren

Voordat de balanceerprocedure werd uitgevoerd, werden metingen verricht van de basistrillingsniveaus in de tweede cockpit van de Su-29. Net als bij de Yak-52 werden de trillingen in verticale richting gemeten met behulp van de draagbare spectrumanalysator AD-3527 van A&D (Japan) in het frequentiebereik van 5 tot 200 Hz. De metingen werden uitgevoerd bij vier hoofdtoerentalstanden van de motor, overeenkomend met 60%, 65%, 70% en 82% van de maximale rotatiefrequentie van de propeller.

De resultaten van deze metingen worden weergegeven in tabel 3.1.

De belangrijkste trillingscomponenten treden op bij de rotatiefrequentie van de propeller V._p1, krukas V_c1, compressor aandrijving V_n, en de tweede harmonische van de krukas V_c2 (wat in het geval van een driebladige propeller ook kan samenvallen met de bladpassagefrequentie V)_p3).

In het spectrum van de 60%-modus werd ook een onbekende component gevonden bij 6120 cycli/min, mogelijk veroorzaakt door resonantie bij ongeveer 100 Hz — een van de eigenfrequenties van de propellerbladen.

De maximale totale trilling (11,5 mm/sec) werd gevonden in de 70%-modus. De dominante component in deze modus is V._c2 bij 4020 cycli/min, met een snelheid van 10,8 mm/sec. Deze sterke toename bij 70% is waarschijnlijk te wijten aan resonantietrillingen van de motorophanging rond 67 Hz (4020 cycli/min).

Er moet ook worden opgemerkt dat, naast de impacttrillingen van de zuigergroep, de trillingen in dit frequentiegebied ook kunnen worden beïnvloed door aerodynamische krachten bij de bladpassagefrequentie van de propeller (V)._p3Bij de 65%- en 82%-modi is een merkbare toename van de V waarneembaar._c2 (V_p3Ook wordt een component waargenomen, die eveneens verklaard kan worden door resonantietrillingen van individuele vliegtuigonderdelen.

De propelleronbalanscomponent V_p1 varieerde van 2,4 tot 5,7 mm/sec in alle modi vóór het balanceren, en was over het algemeen lager dan V._c2 bij de corresponderende modi. De variatie tussen de modi wordt niet alleen bepaald door de kwaliteit van de balancering, maar ook door de mate van afwijking van de natuurlijke frequenties van de structurele elementen van het vliegtuig.

3.4. Balanceringsresultaten

Het balanceren van de propeller werd in één correctievlak uitgevoerd bij een rotatiefrequentie van 1350 tpm, met behulp van twee meetruns (de klassieke methode van invloedscoëfficiënten). Het volledige balanceerprotocol is te vinden in Bijlage 1.

De balanceringsprocedure bestond uit de volgende handelingen:

1. Tijdens de eerste meting (begintoestand) werden de amplitude en fase van de trilling bij de rotatiefrequentie van de propeller bepaald.
2. Tijdens de tweede meting werden de amplitude en fase van de trilling bepaald nadat een proefmassa met een bekend gewicht op de propeller was aangebracht.
3. Op basis van deze meetresultaten berekende de software de massa en de installatiehoek van het correctiegewicht in correctievlak 1, dat nodig is om de onbalans van de propeller te compenseren.

De verificatie van de balanskwaliteit tijdens de vlucht kon niet worden uitgevoerd vanwege accidentele schade aan de propeller tijdens een trainingsvlucht.

De redenen voor de geconstateerde afwijking kunnen de volgende zijn:

• fouten in het meetsysteem van de balanceerbank in de fabriek (deze reden lijkt het minst waarschijnlijk);
• geometrische fouten (onjuistheden) van de montageoppervlakken van de spindel van de balanceermachine in de fabriek, waardoor radiale slingering van de propeller op de spindel ontstaat;
• Geometrische fouten (onjuistheden) van de montageoppervlakken van de uitgaande as van de versnellingsbak op het Su-29-vliegtuig, waardoor radiale slingering van de propeller optreedt wanneer deze op de versnellingsbakas is gemonteerd.

3.5. Conclusies

3.5.1.

Door de propeller van het Su-29-vliegtuig in één vlak te balanceren bij een rotatiefrequentie van 1350 tpm (70%) kon de trilling bij die rotatiefrequentie worden teruggebracht van 6,7 mm/sec in de beginsituatie tot 1,5 mm/sec na het balanceren. De trillingen die samenhangen met de onbalans van de propeller bij andere toerentalstanden van de motor namen ook aanzienlijk af en bleven binnen 1–2,5 mm/sec.

3.5.2.

Om de redenen voor de onbevredigende resultaten van het balanceren van de propeller in de fabriek (MT-Propeller) te achterhalen, is het noodzakelijk om de radiale slingering van de propeller op de uitgaande as van de motorversnellingsbak van het Su-29-vliegtuig te controleren.

Bijlage 1: Balanceringsprotocol