O wyważaniu śmigieł samolotów w warunkach polowych

1. Przedmowa

Dwa i pół roku temu nasze przedsiębiorstwo rozpoczęło seryjną produkcję urządzenia "Balanset-1", przeznaczonego do wyważania mechanizmów obrotowych we własnych łożyskach.

Do tej pory wyprodukowano ponad 180 zestawów. Znajdują one zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, w tym w produkcji i obsłudze wentylatorów, dmuchaw, silników elektrycznych, wrzecion maszynowych, pomp, kruszarek, separatorów, wirówek, zespołów wałów Cardana i korbowych oraz podobnych mechanizmów.

W ostatnim czasie firma Vibromera otrzymała dużą liczbę zapytań od organizacji i osób prywatnych dotyczących możliwości wykorzystania naszego sprzętu do wyważania śmigieł samolotów i śmigłowców w warunkach terenowych.

Niestety, nasi specjaliści, pomimo wieloletniego doświadczenia w wyważaniu różnych maszyn, nigdy wcześniej nie zetknęli się z tym konkretnym problemem. Dlatego też porady i zalecenia, jakie mogliśmy udzielić naszym klientom, były dość ogólne i nie zawsze pozwalały im skutecznie rozwiązać postawione przed nimi zadanie.

Sytuacja ta zaczęła zmieniać się na lepsze wiosną tego roku, dzięki aktywnemu zaangażowaniu VD Chvokova, który organizował i brał razem z nami udział w pracach nad wyważeniem śmigieł samolotów Jak-52 i Su-29, którymi sam pilotuje.

W ramach prowadzonych prac nabyto określone umiejętności oraz opracowano technologię wyważania śmigieł lotniczych w warunkach polowych z wykorzystaniem urządzenia "Balanset-1", w tym:

• określanie lokalizacji i metod montażu czujników drgań i kąta fazowego na statku powietrznym;
• wyznaczanie częstotliwości rezonansowych poszczególnych elementów konstrukcyjnych samolotu (zawieszenia silnika, łopat śmigła);
• określenie częstotliwości obrotów silnika (trybów pracy), które zapewniają minimalną możliwą do uzyskania niewyważenie resztkowe podczas wyważania;
• ustalenie tolerancji dla resztkowego niewyważenia śmigła.

Ponadto uzyskano interesujące dane dotyczące poziomów drgań samolotów wyposażonych w silniki M-14P.

Poniżej znajdują się materiały sprawozdawcze opracowane na podstawie wyników tych prac. Oprócz wyników wyważania, przedstawiają one dane z badań drgań samolotów Jak-52 i Su-29, uzyskane podczas prób naziemnych i w locie. Dane te mogą być interesujące zarówno dla pilotów samolotów, jak i specjalistów zajmujących się ich obsługą techniczną.

2. Badanie wyważenia i drgań samolotu Jak-52

2.1. Wprowadzenie

W maju-lipcu 2014 roku przeprowadzono prace związane z pomiarem drgań samolotu Jak-52 wyposażonego w silnik lotniczy M-14P oraz wyważeniem jego dwułopatowego śmigła.

Wyważanie wykonano w jednej płaszczyźnie przy użyciu zestawu "Balanset-1" nr seryjny 149.

Schemat pomiaru przedstawiono na rys. 2.1. Podczas wyważania czujnik drgań (akcelerometr) 1 został zamontowany na przedniej pokrywie skrzyni biegów silnika za pomocą magnetycznego mocowania na specjalnie zaprojektowanym wsporniku. Laserowy czujnik kąta fazowego 2 został również zamontowany na pokrywie skrzyni biegów i skierowany w stronę odblaskowego znaku umieszczonego na jednej z łopatek śmigła.

Sygnały analogowe z czujników przesyłano kablami do jednostki pomiarowej urządzenia "Balanset-1", gdzie przeprowadzano wstępne przetwarzanie cyfrowe. Sygnały te w formie cyfrowej trafiały następnie do komputera, gdzie przeprowadzano przetwarzanie programowe i obliczano masę oraz kąt obciążenia korekcyjnego niezbędne do kompensacji niewyważenia śmigła.

W trakcie prac, biorąc pod uwagę doświadczenia zdobyte przy wyważaniu śmigieł zarówno Su-29, jak i Jak-52, przeprowadzono szereg dodatkowych badań:

• określenie częstotliwości drgań własnych silnika i śmigła samolotu Jak-52;
• pomiar wielkości drgań i składu widmowego w kabinie drugiego pilota podczas lotu po wyważeniu śmigła;
• pomiar drgań po wyważeniu śmigła i po regulacji siły dokręcania amortyzatorów silnika.

2.2. Częstotliwości drgań własnych silnika i śmigła

Częstotliwości drgań własnych silnika zamontowanego na amortyzatorach w kadłubie samolotu wyznaczono za pomocą analizatora widma AD-3527 firmy A&D (Japonia) metodą wzbudzania udarowego.

W widmie drgań własnych zawieszenia silnika samolotu Jak-52 (rys. 2.2) wyróżniono cztery główne częstotliwości: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Częstotliwości 74 Hz, 94 Hz i 120 Hz prawdopodobnie wiążą się z charakterystyką mocowania silnika (zawieszenia) do kadłuba samolotu. Częstotliwość 20 Hz najprawdopodobniej wiąże się z naturalnymi drganiami samolotu na podwoziu.

Częstotliwości drgań własnych łopatek śmigła określono również metodą wzbudzenia uderzeniowego. Zidentyfikowano cztery główne częstotliwości: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz i 134 Hz.

Dane dotyczące częstotliwości drgań własnych zawieszenia silnika i łopatek śmigła mają znaczenie przede wszystkim dla doboru częstotliwości obrotów śmigła podczas wyważania. Głównym warunkiem doboru tej częstotliwości jest zapewnienie maksymalnego odstrojenia od częstotliwości drgań własnych elementów konstrukcyjnych samolotu, ponieważ przy częstotliwościach rezonansowych dokładność i powtarzalność pomiarów drgań mogą być znacząco obniżone.

Ponadto znajomość częstotliwości drgań własnych poszczególnych podzespołów może okazać się przydatna przy określaniu przyczyn gwałtownego wzrostu drgań (zjawiska rezonansowego) w różnych trybach prędkości obrotowej silnika, które mogą pojawiać się w trakcie eksploatacji samolotu.

2.3. Wyniki wyważania

Jak wspomniano powyżej, wyważanie śmigła odbywało się w jednej płaszczyźnie, dzięki czemu kompensowano dynamicznie nierównowagę sił śmigła.

Dynamiczne wyważenie w dwóch płaszczyznach (które dodatkowo kompensowałoby nierównowagę momentów) nie było wykonalne, ponieważ konstrukcja śmigła w Jak-52 pozwalała na korekcję tylko w jednej płaszczyźnie.

Wyważanie przeprowadzono przy częstotliwości obrotowej 1150 obr./min (60%), przy której uzyskano najbardziej stabilne pomiary drgań, zarówno pod względem amplitudy, jak i fazy, pomiędzy przebiegami.

Zastosowano klasyczny schemat "dwóch runów":

1. W trakcie pierwszego przebiegu wyznaczono amplitudę i fazę drgań przy częstotliwości obrotów śmigła w stanie początkowym.
2. W drugim przebiegu wyznaczono amplitudę i fazę drgań po zamontowaniu na śmigle masy próbnej o masie 7 g.
3. Na podstawie tych danych oprogramowanie obliczyło: masę korekcyjną M = 19,5 g pod kątem F = 32°.

Ze względu na specyfikę konstrukcji śmigła, która nie pozwalała na montaż ciężarka korekcyjnego pod wymaganym kątem 32°, zastosowano dwa równoważne ciężarki:

• M1 = 14 g pod kątem F1 = 0°
• M2 = 8,3 g pod kątem F2 = 60°

2.4. Wibracje w innych trybach pracy

Wyniki kontroli drgań w innych trybach pracy silnika podczas testów naziemnych przedstawiono w tabeli 2.1. Jak widać, wyważenie pozytywnie wpłynęło na drgania Jak-52 we wszystkich trybach pracy.

Ponadto, podczas testów naziemnych stwierdzono wyraźną tendencję do znacznej redukcji drgań wraz ze wzrostem częstotliwości obrotów śmigła. Można to wytłumaczyć większym odstrojeniem częstotliwości obrotów śmigła od naturalnej częstotliwości drgań samolotu na podwoziu (prawdopodobnie 20 Hz), które występuje przy wyższych częstotliwościach obrotów.

2.5. Wibracje w locie przed i po regulacji amortyzatorów

Oprócz badań drgań naziemnych po wyważeniu śmigła (rozdział 2.3) przeprowadzono także pomiary drgań samolotu Jak-52 w locie.

Pomiary drgań w locie wykonywano w kabinie drugiego pilota w kierunku pionowym za pomocą przenośnego analizatora widma AD-3527 firmy A&D (Japonia) w zakresie częstotliwości od 5 do 200 (500) Hz. Pomiary wykonywano w pięciu głównych trybach prędkości obrotowej silnika: 60%, 65%, 70%, 82% i 94%, przy maksymalnej częstotliwości obrotów.

Wyniki uzyskane przed regulacją amortyzatorów przedstawiono w tabeli 2.2.

Jak widać z tabeli 2.2, główne składowe drgań pojawiają się przy częstotliwości obrotów śmigła V_p1, częstotliwość wału korbowego V_c1, napęd sprężarki powietrza (i/lub czujnika częstotliwości) V_n, i ich wyższych harmonicznych.

Maksymalne całkowite drgania V_Σ Wykryto w trybach 82% (1580 obr./min) i 94% (1830 obr./min). Dominująca składowa w tych trybach pojawia się na drugiej harmonicznej częstotliwości obrotów wału korbowego V._c2, osiągając 12,5 mm/sek. przy 4800 cyklach/min i 15,8 mm/sek. przy 5520 cyklach/min.

Można założyć, że ten składnik jest związany z grupą tłoków (procesy uderzeniowe zachodzące podczas podwójnego ruchu tłoków na jeden obrót wału korbowego). Gwałtowny wzrost w trybach 82% (pierwszy nominalny) i 94% (startowy) jest najprawdopodobniej spowodowany nie przez defekty grupy tłoków, ale przez rezonansowe oscylacje silnika na amortyzatorach. Wniosek ten potwierdzają pomiary częstotliwości drgań własnych, które ujawniły częstotliwości zawieszenia silnika wynoszące 74 Hz (4440 cykli/min), 94 Hz (5640 cykli/min) i 120 Hz (7200 cykli/min). Dwie z nich — 74 Hz i 94 Hz — są bliskie drugiej harmonicznej częstotliwości obrotów wału korbowego w pierwszym nominalnym i startowym trybie pracy.

Ze względu na znaczne drgania występujące w V_c2, sprawdzono i wyregulowano siłę dokręcania amortyzatorów silnika. Wyniki porównawcze przedstawiono w tabeli 2.3.

Jak wynika z tabeli 2.3, regulacja amortyzatora nie spowodowała istotnych zmian głównych składowych drgań samolotu.

Należy również zwrócić uwagę na składową niewyważenia śmigła V_p1 w trybach 82% i 94% jest odpowiednio 3–7 razy niższe niż V_c2 w tych trybach. W innych trybach lotu, V_p1 waha się od 2,8 do 4,4 mm/s, a jej zmiany pomiędzy trybami zależą głównie nie od jakości wyważenia, ale od stopnia odstrojenia od częstotliwości własnych elementów konstrukcyjnych samolotu.

2.6 Wnioski

2.6.1.

Wyważenie śmigła Jak-52 przy prędkości obrotowej 1150 obr./min (60%) pozwoliło na redukcję drgań przy prędkości obrotowej śmigła z 10,2 mm/s do 4,2 mm/s. Uwzględniając doświadczenie zdobyte podczas wyważania śmigieł samolotów Jak-52 i Su-29 z wykorzystaniem urządzenia "Balanset-1", istnieje realna możliwość uzyskania jeszcze większej redukcji poziomu drgań – w szczególności poprzez dobór wyższej prędkości obrotowej śmigła podczas wyważania, co pozwoliłoby na większe odstrojenie od częstotliwości drgań własnych samolotu wynoszącej 20 Hz (1200 cykli/min) zidentyfikowanej podczas pomiarów.

2.6.2.

Jak pokazują badania drgań w locie (patrz tabele 2.2 i 2.3), widma drgań samolotu Jak-52 zawierają oprócz drgań przy częstotliwości obrotów śmigła V_p1, kilka innych istotnych elementów — związanych z wałem korbowym V_c1, V_c2, V_c3, grupa tłoków silnika i sprężarka powietrza (i/lub czujnik częstotliwości) napędzają V_n.

W trybach prędkości 60%, 65% i 70% składowe te są porównywalne pod względem wielkości ze składową niewyważenia śmigła V_p1. W rezultacie nawet całkowite wyeliminowanie drgań spowodowanych niewyważeniem śmigieł pozwoliłoby na zmniejszenie całkowitych drgań samolotu w tych trybach nie więcej niż około 1,5-krotnie.

2.6.3.

Maksymalne całkowite drgania V_Σ W przypadku samolotu Jak-52 stwierdzono drgania w trybach prędkości 82% (1580 obr./min śmigła) i 94% (1830 obr./min śmigła). Dominująca składowa tych drgań pojawia się na 2. harmonicznej częstotliwości obrotów wału korbowego V._c2, przy częstotliwościach odpowiednio 4800 cykli/min i 5520 cykli/min, przy których osiąga wartości 12,5 mm/s i 15,8 mm/s.

Jak pokazano w rozdziałach 2.5 i 2.2, gwałtowny wzrost tej składowej w podanych trybach jest najprawdopodobniej spowodowany nie defektami zespołu tłokowego, a rezonansowymi drganiami silnika na amortyzatorach. Regulacja siły docisku amortyzatorów, przeprowadzona podczas testów, nie spowodowała istotnych zmian w poziomie drgań.

Tę sytuację można uznać za niedopatrzenie projektowe (niedopatrzenie projektowe) konstruktorów samolotu, dopuszczonych podczas doboru systemu mocowania (zawieszenia) silnika w kadłubie samolotu.

2.6.4.

Dane uzyskane w trakcie wyważania śmigieł oraz dodatkowo przeprowadzonych badań wibracyjnych wskazują, że okresowy monitoring drgań może być przydatny do diagnostycznej oceny stanu technicznego silnika lotniczego, w tym do oceny stanu grupy tłokowej, wału korbowego, łożysk silnika oraz napędu sprężarki powietrza.

Taką pracę można wykonać np. przy użyciu urządzenia "Balanset-1" (obecnie produkowanego jako Balanset-1A), w którego oprogramowaniu zaimplementowano funkcję analizy widmowej drgań.

3. Wyważanie śmigła MTV-9-KC/CL 260-27 i badanie drgań Su-29

3.1. Wprowadzenie

W dniu 15 czerwca 2014 roku przeprowadzono prace związane z wyważeniem trójłopatowego śmigła typu MTV-9-KC/CL 260-27, zamontowanego na silniku lotniczym M-14P samolotu akrobacyjnego Su-29.

Według danych producenta (MT-Propeller) wskazane śmigło zostało wstępnie wyważone statycznie, o czym świadczy obecność na śmigle w płaszczyźnie 1 ciężarka korekcyjnego zamontowanego w zakładzie produkcyjnym.

Wyważenie śmigła zamontowanego bezpośrednio na wale wyjściowym przekładni samolotu Su-29 (tj. w miejscu jego stałego zamontowania) wykonano przy użyciu zestawu do wyważania wibracyjnego "Balanset-1" o numerze seryjnym 149.

Schemat pomiarowy (rys. 3.1) był w ogólnym zarysie podobny do zastosowanego w samolocie Jak-52. Czujnik drgań (akcelerometr) 1 został zamontowany na obudowie skrzyni biegów silnika za pomocą mocowania magnetycznego na specjalnie zaprojektowanym wsporniku. Laserowy czujnik kąta fazowego 2 Podobnie, czujnik został zamontowany na obudowie przekładni i skierowany w stronę znaku odblaskowego umieszczonego na jednej z łopatek śmigła. Sygnały analogowe z czujników były przesyłane kablami do jednostki pomiarowej urządzenia "Balanset-1", gdzie przeprowadzano wstępne przetwarzanie cyfrowe. Następnie sygnały w formie cyfrowej trafiały do komputera, gdzie przeprowadzano przetwarzanie programowe i obliczano masę oraz kąt położenia ciężarka korekcyjnego niezbędnego do kompensacji niewyważenia śmigła.

Przed przystąpieniem do prac, biorąc pod uwagę doświadczenia z wyważania śmigła samolotu Jak-52, przeprowadzono dodatkowe badania:

• określenie częstotliwości drgań własnych silnika i śmigła samolotu Su-29;
• sprawdzenie wielkości i składu widmowego drgań bazowych w kabinie drugiego pilota przed wyważeniem.

3.2. Częstotliwości drgań własnych silnika i śmigła

Stosując tę samą metodę wzbudzania uderzeniowego z wykorzystaniem analizatora AD-3527, zidentyfikowano sześć głównych częstotliwości w widmie zawieszenia silnika (rys. 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

Częstotliwości 66 Hz, 88 Hz i 120 Hz są prawdopodobnie bezpośrednio związane ze specyfiką układu mocowania silnika (zawieszenia) w kadłubie samolotu. Częstotliwości 16 Hz i 22 Hz są najprawdopodobniej związane z naturalnymi drganiami całego samolotu na podwoziu. Częstotliwość 37 Hz jest prawdopodobnie związana z naturalną częstotliwością drgań łopaty śmigła samolotu.

To ostatnie założenie potwierdzają wyniki pomiarów częstotliwości drgań własnych łopatek śmigła (rys. 3.3), w widmie których zidentyfikowano trzy główne częstotliwości: 37 Hz, 100 Hz i 174 Hz.

Znajomość częstotliwości drgań własnych zawieszenia silnika i łopat śmigła Su-29 ma istotne znaczenie praktyczne. Po pierwsze, umożliwia uzasadniony dobór częstotliwości obrotów śmigła do wyważenia, zapewniając maksymalne odstrojenie od rezonansów konstrukcyjnych samolotu. Po drugie, stanowi niezbędną podstawę do prawidłowej interpretacji i diagnozy przyczyn drgań obserwowanych w różnych trybach pracy silnika, co zostanie wykazane w dalszej części niniejszego raportu.

3.3. Wibracje bazowe kabiny przed wyważeniem

Przed wykonaniem procedury wyważania przeprowadzono pomiary bazowych poziomów drgań w kabinie drugiego pilota Su-29. Podobnie jak w przypadku Jak-52, pomiar drgań w kierunku pionowym przeprowadzono za pomocą przenośnego analizatora widma AD-3527 firmy A&D (Japonia) w zakresie częstotliwości od 5 do 200 Hz. Pomiary przeprowadzono w czterech głównych trybach prędkości obrotowej silnika, odpowiadających 60%, 65%, 70% i 82% maksymalnej częstotliwości obrotowej śmigła.

Wyniki tych pomiarów przedstawiono w tabeli 3.1.

Główne składowe drgań pojawiają się przy częstotliwości obrotów śmigła V_p1, wał korbowy V_c1, napęd sprężarki V_n, i 2. harmoniczna wału korbowego V_c2 (co w przypadku śmigła trójłopatowego może również pokrywać się z częstotliwością przejścia łopatek V_{str. 3}).

W widmie trybu 60% znaleziono także niezidentyfikowany składnik o częstotliwości 6120 cykli/min, prawdopodobnie spowodowany rezonansem wynoszącym około 100 Hz — jedną z naturalnych częstotliwości łopatek śmigła.

Maksymalne drgania całkowite (11,5 mm/s) odnotowano w trybie 70%. Dominującą składową w tym trybie jest V_c2 przy 4020 cyklach/min, osiągając 10,8 mm/s. Ten gwałtowny wzrost przy 70% jest prawdopodobnie spowodowany rezonansowymi oscylacjami zawieszenia silnika o częstotliwości około 67 Hz (4020 cykli/min).

Należy również zauważyć, że oprócz wzbudzeń uderzeniowych z grupy tłoków, na drgania w tym zakresie częstotliwości mogą wpływać również siły aerodynamiczne przy częstotliwości przejścia łopatek śmigła (V_{str. 3}). W trybach 65% i 82% zauważalny jest wzrost V_c2 (V_{str. 3}) można również zaobserwować składową, którą również można wyjaśnić drganiami rezonansowymi poszczególnych podzespołów samolotu.

Składowa niewyważenia śmigła V_p1 wahała się od 2,4 do 5,7 mm/s w różnych trybach przed wyważeniem, ogólnie niższa niż V_c2 w odpowiednich trybach. Jej zmienność między trybami jest determinowana nie tylko przez jakość wyważenia, ale także przez stopień odstrojenia od częstotliwości własnych elementów konstrukcyjnych samolotu.

3.4. Wyniki wyważania

Wyważanie śmigła przeprowadzono w jednej płaszczyźnie przy częstotliwości obrotów 1350 obr./min, stosując dwie serie pomiarowe (klasyczna metoda współczynników wpływu). Pełny protokół wyważania podano w Dodatek 1.

Procedura wyważania składała się z następujących operacji:

1. Podczas pierwszego przebiegu (stan początkowy) wyznaczono amplitudę i fazę drgań przy częstotliwości obrotu śmigła.
2. W drugim przebiegu wyznaczono amplitudę i fazę drgań po zamontowaniu na śmigle masy próbnej o znanym ciężarze.
3. Na podstawie wyników pomiarów oprogramowanie obliczyło masę i kąt montażu ciężarka korekcyjnego w płaszczyźnie 1, niezbędne do skompensowania nierównowagi śmigła.

Weryfikacja jakości wyważenia w locie nie została przeprowadzona ze względu na przypadkowe uszkodzenie śmigła w trakcie lotu szkoleniowego.

Przyczynami wskazanej rozbieżności mogą być:

• błędy układu pomiarowego stanowiska wyważającego w zakładzie produkcyjnym (ta przyczyna wydaje się najmniej prawdopodobna);
• błędy geometryczne (niedokładności) powierzchni montażowych wrzeciona wyważarki w zakładzie produkcyjnym powodujące bicie promieniowe śmigła na wrzecionie;
• błędy geometryczne (niedokładności) powierzchni montażowych wału wyjściowego przekładni w samolocie Su-29, powodujące bicie promieniowe śmigła po jego zamontowaniu na wale przekładni.

3.5. Wnioski

3.5.1.

Wyważenie śmigła samolotu Su-29 w jednej płaszczyźnie przy prędkości obrotowej 1350 obr./min (70%) pozwoliło na zmniejszenie drgań przy prędkości obrotowej śmigła z 6,7 mm/s w stanie początkowym do 1,5 mm/s po wyważeniu. Drgania związane z niewyważeniem śmigła w innych trybach prędkości obrotowej silnika również znacząco spadły i mieściły się w przedziale 1–2,5 mm/s.

3.5.2.

Aby wyjaśnić przyczyny niezadowalających wyników wyważania śmigła w zakładzie produkcyjnym (MT-Propeller), konieczne jest sprawdzenie bicia promieniowego śmigła na wale wyjściowym przekładni silnika samolotu Su-29.

Załącznik 1: Protokół równoważenia