Over het uitbalanceren van de propeller van het vliegtuig in de veldomgeving. Deel 1

1. V.D. Feldman

Hoofdtechnicus van OU Vibromera

Over het uitbalanceren van de propeller van het vliegtuig in de veldomgeving

 "De propeller is de bestuurder van het vliegtuig,

en om het in evenwicht te brengen kan alleen een striver"

1. In in plaats van een voorwoord

Tweeënhalf jaar geleden begon ons bedrijf met de massaproductie van de Balanset-1, bedoeld voor het balanceren van rotormechanismen in eigen lagers.

Tot op heden zijn er meer dan 180 sets geproduceerd, die effectief worden gebruikt in diverse industrieën, waaronder de productie en werking van ventilatoren, uitlaten, elektromotoren, werkspindels, pompen, brekers, separatoren, centrifuges, aandrijfassen en krukassen en andere mechanismen.

Onlangs heeft ons bedrijf een groot aantal verzoeken ontvangen van organisaties en personen met betrekking tot de mogelijkheid om onze apparatuur te gebruiken voor het balanceren van propellers van vliegtuigen en helikopters in de veldomgeving.

Helaas hebben onze specialisten, die veel ervaring hebben met het balanceren van een grote verscheidenheid aan machines, dit probleem nog nooit aangepakt. Daarom waren de adviezen en aanbevelingen die we onze klanten konden geven algemeen van aard en stelden ze hen niet altijd in staat om het probleem effectief op te lossen.

Dit voorjaar begon de situatie ten goede te veranderen dankzij de actieve houding van V. D. Chvokov, die samen met ons het meest actief deelnam aan het werk aan het balanceren van de propellers van de YAK-52 en SU-29, waar hij piloot van is.

Fig. 1.1. Yak-52 op het vliegveld

Afb. 1.2. SU-29 op de parkeerplaats

Tijdens dit proces hebben we een bepaalde vaardigheid en technologie geleerd van het balanceren van propellers van vliegtuigen in de veldomgeving met behulp van Balanset-1, waaronder:

• het bepalen van de plaatsen en methoden van installatie (montage) van trillingssensoren en fasehoek op de faciliteit;
• het bepalen van resonantiefrequenties van een aantal structurele elementen van het vliegtuig (motorophanging, propellerblad);
• het identificeren van rotatiesnelheden (werkingsmodi) van de motor, waardoor een minimale resterende onbalans wordt verkregen tijdens het balanceren;
• het bepalen van toleranties voor resterende onbalans van de propeller, enz.

Daarnaast hebben we interessante gegevens verkregen over de trillingsniveaus van de vliegtuigen die zijn uitgerust met M-14P-motoren.

Op basis van de resultaten van deze werkzaamheden worden hieronder voorstellen gedaan voor rapportagematerialen.

Samen met de resultaten van het balanceren bevatten ze de gegevens van trillingsonderzoeken van YAK-52 en SU-29, verkregen tijdens tests op de grond en tijdens de vlucht.

Deze gegevens kunnen interessant zijn voor zowel piloten van vliegtuigen als voor onderhoudsspecialisten.

2. De resultaten van het balanceren van de propeller en het testen van trillingen van het aerobatische vliegtuig YAK-52

2.1. Inleiding

In mei-juli 2014 hebben we de YAK-52 uitgerust met de M-14P vliegtuigmotor op trillingen getest en de tweebladige propeller gebalanceerd.

Het balanceren werd uitgevoerd in hetzelfde vlak met behulp van de balanceerset Balanset-1, fabrieksnr. 149.

Het meetschema dat gebruikt wordt bij het balanceren wordt getoond in Figuur 2.1.

Tijdens het balanceren kan de trillingssensor (versnellingsmeter) 1 werd met behulp van een magneet op een speciale beugel op het voordeksel van het motortandwiel gemonteerd.

De lasersensor van de fasehoek 2 was ook op het tandwieldeksel gemonteerd en werd geleid door een reflecterend label dat op een van de propellerbladen was aangebracht.

De analoge signalen van de sensoren werden via kabels doorgestuurd naar de meetunit van de Balanset-1, waar ze eerst digitaal werden verwerkt.

Verder werden deze signalen in digitale vorm doorgestuurd naar de computer, die ze verwerkte en de massa en installatiehoek berekende van het correctiegewicht dat nodig was om de onbalans op de propeller te compenseren.

Fig. 2.1. Meetschema voor het balanceren van de propeller van YAK-52.

Zk - hoofdwiel;

Zс - tandwielsatellieten;

Zn - vast tandwiel.

In de loop van dit werk hebben we, rekening houdend met de ervaring met het balanceren van propellers van SU-29 en YAK-52, een aantal aanvullende onderzoeken uitgevoerd, waaronder:

• bepalen van natuurlijke frequenties van oscillaties van de motor en propeller van YAK-52;
• het onderzoeken van de waarde en spectrale samenstelling van trillingen in de cockpit van de copiloot tijdens de vlucht na het balanceren van de propeller;
• het onderzoeken van de waarde en spectrale samenstelling van trillingen in de cockpit van de co-piloot tijdens de vlucht na het balanceren van de propeller en het afstellen van de spankracht van de motordemper.

2.2. De resultaten van studies naar de eigenfrequenties van de motor en propeller.

De natuurlijke frequenties van de motor gemonteerd op de dempers in de romp van het vliegtuig werden bepaald met de spectrum analyzer AD-3527, f. A @ D, (Japan), door schokopwekking van motortrillingen.

We hebben 4 hoofdfrequenties bepaald, namelijk: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz in het spectrum van natuurlijke trillingen van de motorophanging van YAK-52, waarvan een voorbeeld wordt getoond in Fig. 2.2.

Fig. 2.2. Het spectrum van natuurlijke frequenties van oscillaties van de motorophanging van YAK-52

Frequenties van 74Hz, 94Hz, 120Hz worden waarschijnlijk geassocieerd met de kenmerken van de bevestiging (ophanging) van de motor aan de romp van het vliegtuig.

De frequentie van 20Hz wordt waarschijnlijk geassocieerd met de trillingen van het vliegtuig op het chassis.

De natuurlijke oscillatiefrequenties van de propellerbladen werden ook bepaald met de schokexcitatiemethode.

In dit geval onthulden we vier hoofdfrequenties, namelijk: 36Hz, 80Hz, 104Hz en 134Hz.

De gegevens over de natuurlijke oscillatiefrequenties van de propeller en de motor van de YAK-52 kunnen van groot belang zijn bij het kiezen van de rotatiefrequentie van de propeller die wordt gebruikt bij het balanceren. De belangrijkste voorwaarde voor het kiezen van deze frequentie is om ervoor te zorgen dat deze zo veel mogelijk afwijkt van de natuurlijke oscillatiefrequenties van de structurele elementen van het vliegtuig.

Daarnaast kan kennis van de natuurlijke frequenties van oscillaties van individuele onderdelen en delen van het vliegtuig nuttig zijn om de redenen voor een sterke toename (in het geval van resonantie) van bepaalde componenten van het trillingsspectrum bij verschillende motortoerentallen te identificeren.

2.3. Balansresultaten.

Zoals we hierboven hebben opgemerkt, was de propeller in hetzelfde vlak gebalanceerd, waardoor de vermogensonevenwichtigheid van de propeller in de dynamica werd gecompenseerd.

Dynamisch balanceren in twee vlakken was niet mogelijk, wat het mogelijk maakt om (naast de kracht) de moment-onbalans van de propeller te compenseren, omdat het ontwerp van de propeller op de YAK-52 het mogelijk maakt om slechts één correctievlak te vormen.

De propeller werd gebalanceerd op een rotatiefrequentie gelijk aan 1.150 tpm (60%), waarbij het mogelijk was om de meest stabiele resultaten van trillingsmetingen in amplitude en fase van start tot start te verkrijgen.

De propeller was gebalanceerd volgens het klassieke "twee starts" schema.

Tijdens de eerste start bepaalden we de amplitude en fase van de trillingen op de frequentie van de propellerrotatie in de begintoestand.

Tijdens de tweede opstart bepaalden we de amplitude en fase van de trilling bij de frequentie van de propellerrotatie na het vastzetten van de beproevingsmassa op 7g.

Rekening houdend met deze gegevens berekenden we op programmatische wijze de massa M = 19,5g en de installatiehoek van het correctiegewicht F = 32.

Rekening houdend met de ontwerpkenmerken van de propeller, die het niet mogelijk maken om het correctiegewicht onder de vereiste hoek te plaatsen, worden twee equivalente gewichten op de propeller bevestigd, waaronder:

• M1 gewicht = 14g op de hoek F1 = 0º;
• M1 gewicht = 8,3g op de hoek F1 = 60º.

Nadat de bovengenoemde correctiegewichten op de propeller waren aangebracht, nam de trilling gemeten bij een toerental van 1.150 tpm en geassocieerd met de onbalans van de propeller af van 10,2 mm/s in de begintoestand tot 4,2 mm/s na het balanceren.

Tegelijkertijd daalde de werkelijke onbalans van de propeller van 2.340 g*mm naar 963 g*mm.

2.4. Testen van het effect van balanceren op het trillingsniveau van de YAK-52 op de grond bij verschillende propellersnelheden

Tabel 2.1 geeft de resultaten weer van de vibratietest van YAK-52, uitgevoerd in andere werkingsomstandigheden van de motor, verkregen tijdens tests op de grond.

Zoals de tabel laat zien, had balanceren een positief effect op de trillingen van de YAK-52 in alle bedrijfsmodi.

Tabel 2.1

Tijdens tests op de grond werd bovendien een tendens waargenomen om de trillingen van een vliegtuig aanzienlijk te verminderen als de rotatiesnelheid van de propeller wordt verhoogd.

Dit fenomeen kan worden verklaard door een grotere mate van ontstemming van de rotatiesnelheid van de propeller ten opzichte van de natuurlijke oscillatiefrequentie van het vliegtuig op het chassis (vermoedelijk 20 Hz), die optreedt bij een hogere rotatiesnelheid van de propeller.

2.5. Onderzoek van de vibratie van de YAK-52 in de lucht in de belangrijkste vliegmodi voor en na het aanpassen van de aandrukkracht van de dempers

In aanvulling op de trillingstesten die zijn uitgevoerd na het balanceren van de propeller op de grond (zie Paragraaf 2.3) hebben we metingen gedaan aan de trilling van de YAK-52 tijdens de vlucht.

Trillingen tijdens de vlucht werden gemeten in de cockpit van de copiloot in verticale richting met behulp van een draagbare trillingsspectrumanalysator AD-3527 f. A@D (Japan) binnen het frequentiebereik van 5 tot 200 (500) Hz.

De metingen werden uitgevoerd bij vijf motortoerentallen van respectievelijk 60%, 65%, 70% en 82% van het maximale toerental.

De resultaten van metingen voor het afstellen van de dempers staan in Tabel 2.2.

Tabel 2.2

Als voorbeeld tonen Fig. 2.3 en 2.4 grafieken van de spectra die zijn verkregen bij het meten van trillingen in de cockpit van YAK-52 in de standen 60% en 94% en die zijn gebruikt bij het invullen van tabel 2.2.

Fig.2.3. Het trillingsspectrum in de cockpit van YAK-52 bij 60%.

Figuur 2.4. Het trillingsspectrum in de cockpit van YAK-52 op 94%.

Zoals tabel 2.2 laat zien, komen de belangrijkste trillingscomponenten, gemeten in de cockpit van de copiloot, voor bij de propellerrotatiesnelheden Vv1 (geel gemarkeerd), de krukas van de motor Vk1 (blauw gemarkeerd) en de aandrijving van de luchtcompressor (en/of frequentiesensor) Vn (groen gemarkeerd), evenals bij de hogere harmonischen Vv2, Vv4, Vv5 en Vk2, Vk3.

De maximale totale trilling Vå  werd gedetecteerd bij snelheden van 82% (1.580 tpm van de propeller) en 94% (1.830 tpm).

De belangrijkste component van deze vibratie manifesteert zich op de 2^en harmonische van het motorkrukassnelheid Vk2 en bereikt daarmee de waarden van 12,5 mm/s bij een frequentie van 4800 cycli/min en 15,8 mm/s bij een frequentie van 520 cycli/min.

Er kan worden aangenomen dat deze component verband houdt met de werking van het motorzuigerblok (schokprocessen wanneer de zuigers twee keer worden verplaatst tijdens één omwenteling van de krukas).

De sterke toename van deze component in de modi 82% (eerste nominale) en 94% (start) wordt hoogstwaarschijnlijk niet veroorzaakt door de zuigergroepdefecten, maar door resonante trillingen op de motor die in de vliegtuigromp op de demper is bevestigd.

Deze conclusie wordt bevestigd door de bovenstaande resultaten van de experimentele verificatie van de natuurlijke oscillatiefrequenties van de motorophanging, met in het spectrum 74 Hz (4.440 cycli/min), 94 Hz (5640 cycli/min) en 120 Hz (7.200 cycli/min).

Twee van deze natuurlijke frequenties, gelijk aan 74 en 94 Hz, liggen dicht bij de frequenties van de 2^en harmonische van het toerental van de krukas, die plaatsvinden in de eerste nominale en startwaarden van de motorwerking.

Omdat we tijdens de trillingstests aanzienlijke trillingen aan het licht brachten bij de 2^en harmonische van de krukas in de eerste nominale en startwaarden van de motor, werd een poging gedaan om de spankracht van de motorophangingsdempers te controleren en af te stellen.

Tabel 2.3 toont de vergelijkende testresultaten voor en na het afstellen van de dempers voor het toerental van de propeller (Vv1) en de 2^en harmonische van de rotatiefrequentie van de krukas (Vk2).

Tabel 2.3

Zoals we in tabel 2.3 kunnen zien, leidde het afstellen van de dempers niet tot significante veranderingen in de waarden van de hoofdcomponenten van de vliegtuigtrilling.

Rekening houdend met het bovenstaande is het mogelijk om een merkbare toename van de trillingscomponent van de YAK-52 in de eerste nominale en opstijgmodus (naar onze mening) te beschouwen als een constructieve rekenfout van de vliegtuigontwerpers, gemaakt bij het kiezen van een motorbevestigingssysteem (ophanging) in de vliegtuigromp.

In dit verband moeten we opmerken dat de amplitude van de spectrale component geassocieerd met de onbalans van de propeller Vv1, gedetecteerd in de 82% modi en 94% (zie tabellen 1.2 en 1.3), respectievelijk 3-7 keer lager is dan de amplitudes Vk2 in deze modi.

In andere vluchtmodi is de Vv1-component binnen 2,8-4,4 mm/s.

Bovendien, zoals de tabellen 2.2 en 2.3 laten zien, worden de veranderingen tijdens de overgang van de ene modus naar de andere voornamelijk niet bepaald door de kwaliteit van de balancering, maar door de mate waarin de rotatiesnelheid van de propeller afwijkt van de natuurlijke trillingsfrequenties van bepaalde structurele elementen van het vliegtuig.

2.6. Conclusies over de resultaten van het werk

2.6.1. Het balanceren van de propeller van YAK-52, uitgevoerd bij een rotatiefrequentie van 1150 tpm (60%), maakte het mogelijk om de propellertrilling van 10,2 mm/s terug te brengen tot 4,2 mm/s.

Rekening houdend met bepaalde ervaring die werd opgedaan bij het balanceren van propellers van YAK-52 en SU-29 met behulp van de Balanset-1, kunnen we aannemen dat er een mogelijkheid is om het trillingsniveau van de propeller van YAK-52 verder te verminderen.

Dit effect kan met name worden bereikt door een andere (hogere) rotatiefrequentie van de propeller te kiezen tijdens het balanceren, waardoor een grotere mate van loskoppeling mogelijk is van de natuurlijke oscillatiefrequentie van het vliegtuig van 20 Hz (1.200 cycli/min) die tijdens de test wordt gedetecteerd.

2.6.2. Zoals de resultaten van de vibratietesten van de YAK-52 tijdens de vlucht laten zien, hebben de vibratiespectra (naast de hierboven in paragraaf 2.6.1 genoemde component die verschijnt bij de rotatiefrequentie van de propeller) een aantal andere componenten die verband houden met de werking van de krukas, de zuigergroep van de motor en ook het aandrijftandwiel van de luchtcompressor (en/of frequentiesensor).

De waarden van de bovenstaande trillingen in de standen 60%, 65% en 70% zijn evenredig met de waarde van de trilling die samenhangt met de onbalans van de propeller.

Analyse van deze trillingen laat zien dat zelfs het volledig elimineren van trillingen door de onbalans van de propeller de totale trillingen van het vliegtuig in deze modi met niet meer dan 1,5 keer zal verminderen.

2.6.3. De maximale totale trilling Vå van YAK-52 werd gedetecteerd in hogesnelheidsmodi, namelijk: 82% (1.580 tpm van de propeller) en 94% (1.830 tpm van de propeller).

De belangrijkste component van deze vibratie manifesteert zich op de 2^en harmonische van de rotatiefrequentie Vk2 van de krukas van de motor (bij frequenties van 4.800 cycli/min of 5.520 cycli/min), waarbij respectievelijk waarden van 12,5 mm/s en 15,8 mm/s worden bereikt.

Er kan worden aangenomen dat deze component verband houdt met de werking van de zuigergroep van de motor (schokprocessen die optreden wanneer de zuigers twee keer worden verplaatst tijdens één omwenteling van de krukas).

De sterke toename van deze component in de modi 82% (eerste nominaal) en 94% (opstijgen) wordt hoogstwaarschijnlijk niet veroorzaakt door defecten in de zuigergroep, maar door resonante trillingen op de motor, die in de vliegtuigromp op dempers zijn bevestigd.

Tijdens de tests leidde het afstellen van de dempers niet tot significante veranderingen in de trillingen.

Deze situatie kan worden beschouwd als een constructieve rekenfout van de vliegtuigontwerpers bij het kiezen van het montagesysteem (ophanging) van de motor in de vliegtuigromp.

2.6.4. De gegevens verkregen tijdens het balanceren en aanvullende trillingstesten (zie de resultaten van de vliegtesten in paragraaf 2.5) laten ons concluderen dat periodieke trillingsmonitoring nuttig kan zijn voor diagnostische evaluatie van de technische staat van een vliegtuigmotor.

Een dergelijke procedure kan bijvoorbeeld worden uitgevoerd met de Balanset-1, waarvan de software de functie voor spectrale trillingsanalyse implementeert.