Sobre o Balanceamento de Hélices de Aeronaves em Condições de Campo

1. Prefácio

Há dois anos e meio, nossa empresa iniciou a produção em série do dispositivo "Balanset-1", projetado para balanceamento de mecanismos rotativos em seus próprios mancais.

Até o momento, mais de 180 conjuntos foram produzidos. Eles são utilizados efetivamente em várias indústrias, incluindo a produção e operação de ventiladores, sopradores, motores elétricos, fusos de máquinas, bombas, britadores, separadores, centrífugas, conjuntos de cardan e virabrequim, e mecanismos semelhantes.

Recentemente, a Vibromera recebeu um grande número de consultas de organizações e indivíduos sobre a possibilidade de utilizar nosso equipamento para balanceamento de hélices de aeronaves e helicópteros em condições de campo.

Infelizmente, nossos especialistas, apesar de muitos anos de experiência no balanceamento de várias máquinas, nunca haviam lidado anteriormente com este problema específico. As orientações e recomendações que podíamos fornecer aos nossos clientes eram, portanto, bastante genéricas e nem sempre permitiam resolver eficazmente a tarefa em questão.

Esta situação começou a mudar para melhor nesta primavera, graças ao envolvimento ativo de V.D. Chvokov, que organizou e participou conosco do trabalho de balanceamento das hélices das aeronaves Yak-52 e Su-29, que ele pilota.

Durante este trabalho, certas habilidades foram adquiridas e uma tecnologia para balanceamento de hélices de aeronaves em condições de campo utilizando o dispositivo "Balanset-1" foi desenvolvida, incluindo:

• determinação dos locais e métodos para instalação (montagem) de sensores de vibração e ângulo de fase na aeronave;
• determinação das frequências de ressonância de vários elementos estruturais da aeronave (suspensão do motor, pás da hélice);
• identificação das frequências de rotação do motor (modos de operação) que garantem o desbalanceamento residual mínimo alcançável durante o balanceamento;
• estabelecimento de tolerâncias para o desbalanceamento residual da hélice.

Além disso, foram obtidos dados interessantes sobre os níveis de vibração de aeronaves equipadas com motores M-14P.

Abaixo estão os materiais do relatório compilados a partir dos resultados deste trabalho. Além dos resultados do balanceamento, eles apresentam dados dos levantamentos de vibração das aeronaves Yak-52 e Su-29, obtidos durante testes em solo e em voo. Estes dados podem ser de interesse tanto para pilotos de aeronaves quanto para especialistas envolvidos em sua manutenção.

2. Balanceamento e Levantamento de Vibração do Yak-52

2.1. Introdução

Entre maio e julho de 2014, foram realizados trabalhos de levantamento de vibração da aeronave Yak-52, equipada com o motor aeronáutico M-14P, e o balanceamento de sua hélice de duas pás.

O balanceamento foi realizado em um único plano utilizando o kit "Balanset-1", nº de série 149.

O esquema de medição é mostrado na Fig. 2.1. Durante o balanceamento, o sensor de vibração (acelerômetro) 1 foi instalado na tampa frontal da caixa de engrenagens do motor usando um suporte magnético em um suporte especialmente projetado. Sensor de ângulo de fase a laser 2 foi também instalado na tampa da caixa de engrenagens e orientado para a marca refletiva aplicada em uma das pás da hélice.

Os sinais analógicos dos sensores foram transmitidos por cabos à unidade de medição do dispositivo "Balanset-1", onde foi realizado o processamento digital preliminar. Esses sinais, em forma digital, entraram então no computador, onde foi realizado o processamento por software e calculadas a massa e o ângulo da massa de correção necessária para compensar o desbalanceamento da hélice.

Durante este trabalho, levando em conta a experiência adquirida no balanceamento das hélices do Su-29 e do Yak-52, foram conduzidos uma série de estudos adicionais:

• determinação das frequências naturais das oscilações do motor e da hélice do Yak-52;
• medição da magnitude de vibração e da composição espectral na cabine do segundo piloto durante o voo após o balanceamento da hélice;
• medição da vibração após o balanceamento da hélice e após o ajuste da força de aperto dos amortecedores do motor.

2.2. Frequências Naturais das Oscilações do Motor e da Hélice

As frequências naturais das oscilações do motor, montado em amortecedores na fuselagem da aeronave, foram determinadas usando um analisador de espectro AD-3527 da A&D (Japão) por meio de excitação por impacto.

No espectro das oscilações naturais da suspensão do motor do Yak-52 (Fig. 2.2), foram identificadas quatro frequências principais: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

As frequências 74 Hz, 94 Hz e 120 Hz estão provavelmente relacionadas às características da montagem (suspensão) do motor na fuselagem da aeronave. A frequência de 20 Hz está mais provavelmente associada às oscilações naturais da aeronave em seu trem de pouso.

As frequências naturais das pás da hélice também foram determinadas usando o método de excitação por impacto. Foram identificadas quatro frequências principais: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz e 134 Hz.

Os dados sobre as frequências naturais de oscilação da suspensão do motor e das pás da hélice são importantes principalmente para a escolha da frequência de rotação da hélice durante o balanceamento. A condição principal na seleção dessa frequência é garantir o máximo desacoplamento das frequências naturais de oscilação dos elementos estruturais da aeronave, uma vez que nas frequências de ressonância a precisão e a repetibilidade das medições de vibração podem ser significativamente comprometidas.

Além disso, o conhecimento das frequências naturais de componentes individuais pode ser útil para identificar as causas de aumentos bruscos de vibração (fenômenos de ressonância) em vários regimes de velocidade do motor, que podem surgir durante a operação da aeronave.

2.3. Resultados do Balanceamento

Como observado acima, o balanceamento da hélice foi realizado em um plano, compensando assim dinamicamente o desbalanceamento de força da hélice.

O balanceamento dinâmico em dois planos (que compensaria adicionalmente o desbalanceamento de momento) não foi viável, pois o projeto da hélice no Yak-52 permite apenas um plano de correção.

O balanceamento foi realizado a uma frequência de rotação de 1150 rpm (60%), na qual foram obtidas as medições de vibração mais estáveis, tanto em amplitude quanto em fase, de uma corrida para outra.

Foi utilizado o esquema clássico de "duas corridas":

1. Durante a primeira corrida, foram determinadas a amplitude e a fase da vibração na frequência de rotação da hélice no estado inicial.
2. Durante a segunda corrida, foram determinadas a amplitude e a fase da vibração após a instalação de uma massa de teste de 7 g na hélice.
3. Com base nesses dados, o software calculou: massa de correção M = 19,5 g no ângulo F = 32°.

Devido às características de projeto da hélice, que não permitiam instalar a massa de correção no ângulo necessário de 32°, foram instaladas duas massas equivalentes:

• M1 = 14 g no ângulo F1 = 0°
• M2 = 8,3 g no ângulo F2 = 60°

2.4. Vibração em Outros Regimes de Operação

Os resultados das verificações de vibração em outros regimes de operação do motor durante os testes em solo são apresentados na Tabela 2.1. Como se pode observar, o balanceamento afetou positivamente a vibração do Yak-52 em todos os regimes.

Além disso, durante os testes em solo, identificou-se uma tendência clara de redução substancial da vibração com o aumento da frequência de rotação da hélice. Isso pode ser explicado por um maior desacoplamento da frequência de rotação da hélice em relação à frequência natural de oscilação da aeronave no trem de pouso (presumivelmente 20 Hz), o que ocorre em frequências de rotação mais altas.

2.5. Vibração em Voo Antes e Depois do Ajuste dos Amortecedores

Além dos testes de vibração em solo após o balanceamento da hélice (seção 2.3), também foram realizadas medições de vibração do Yak-52 em voo.

A vibração em voo foi medida na cabine do segundo piloto, na direção vertical, utilizando um analisador de espectro portátil AD-3527 da A&D (Japão), na faixa de frequência de 5 a 200 (500) Hz. As medições foram realizadas em cinco principais regimes de rotação do motor: 60%, 65%, 70%, 82% e 94% da frequência máxima de rotação.

Os resultados, obtidos antes do ajuste dos amortecedores, são apresentados na Tabela 2.2.

Como observado na Tabela 2.2, os principais componentes de vibração aparecem na frequência de rotação da hélice V_p1, na frequência do virabrequim V_c1, na transmissão do compressor de ar (e/ou sensor de frequência) V_n, e nos seus harmônicos superiores.

A vibração total máxima V_Σ foi encontrada nos regimes de 82% (1580 rpm) e 94% (1830 rpm). O componente dominante nestes regimes aparece no 2º harmônico da frequência de rotação do virabrequim V_c2, atingindo 12,5 mm/s a 4800 ciclos/min e 15,8 mm/s a 5520 ciclos/min.

Pode-se supor que este componente esteja associado ao grupo de pistões (processos de impacto que ocorrem durante o duplo movimento dos pistões por cada rotação do virabrequim). O aumento acentuado nos regimes de 82% (primeiro nominal) e 94% (decolagem) é provavelmente causado não por defeitos no grupo de pistões, mas por oscilações ressonantes do motor em seus amortecedores. Esta conclusão é apoiada pelas medições de frequência natural, que revelaram frequências de suspensão do motor em 74 Hz (4440 ciclos/min), 94 Hz (5640 ciclos/min) e 120 Hz (7200 ciclos/min). Duas delas — 74 Hz e 94 Hz — estão próximas das frequências do 2º harmônico do virabrequim nos regimes de operação nominal inicial e de decolagem.

Devido às vibrações significativas encontradas em V_c2, a força de aperto dos amortecedores do motor foi verificada e ajustada. Os resultados comparativos são apresentados na Tabela 2.3.

Como observado na Tabela 2.3, o ajuste do amortecedor não levou a mudanças significativas nos principais componentes de vibração da aeronave.

Deve-se observar também que o componente de desbalanceamento da hélice V_p1 nos modos 82% e 94% é respectivamente 3–7 vezes menor que V_c2 nesses modos. Em outros modos de voo, V_p1 varia de 2,8 a 4,4 mm/s, e suas variações entre os modos são determinadas principalmente não pela qualidade do balanceamento, mas pelo grau de sintonização em relação às frequências naturais dos elementos estruturais da aeronave.

2.6. Conclusões

2.6.1.

O balanceamento da hélice do Yak-52 na frequência de rotação de 1150 rpm (60%) permitiu reduzir a vibração na frequência de rotação da hélice de 10,2 mm/s para 4,2 mm/s. Com a devida consideração da experiência acumulada durante o balanceamento das hélices das aeronaves Yak-52 e Su-29 usando o dispositivo "Balanset-1", há uma possibilidade realista de alcançar uma redução ainda maior do nível de vibração — em particular, selecionando uma frequência de rotação da hélice mais alta durante o balanceamento, o que permitiria um maior grau de sintonização em relação à frequência natural de oscilação da aeronave em 20 Hz (1200 ciclos/min) identificada durante as medições.

2.6.2.

Como mostram os testes de vibração em voo (ver Tabelas 2.2 e 2.3), os espectros de vibração da aeronave Yak-52 contêm, além da vibração na frequência de rotação da hélice V_p1, vários outros componentes significativos — associados ao virabrequim V_c1, V_c2, V_c3, ao grupo de pistões do motor e à acionamento do compressor de ar (e/ou sensor de frequência) V_n.

Nos modos de velocidade de 60%, 65% e 70%, esses componentes são comparáveis em magnitude ao componente de desbalanceamento da hélice V_p1. Consequentemente, mesmo a eliminação completa da vibração causada pelo desbalanceamento da hélice permitiria reduzir a vibração total da aeronave nesses modos em não mais que aproximadamente 1,5 vezes.

2.6.3.

A vibração total máxima V_Σ da aeronave Yak-52 foi encontrado nos modos de velocidade de 82% (1580 rpm da hélice) e 94% (1830 rpm da hélice). O componente dominante dessa vibração aparece no 2º harmônico da frequência de rotação do virabrequim V_c2, em frequências de 4800 ciclos/min e 5520 ciclos/min respectivamente, nos quais atinge valores de 12,5 mm/s e 15,8 mm/s.

Como mostrado nas seções 2.5 e 2.2, o aumento acentuado desse componente nos modos indicados é provavelmente causado não por defeitos do grupo de pistões, mas por oscilações ressonantes do motor em seus amortecedores. O ajuste da força de aperto do amortecedor, realizado durante os testes, não levou a mudanças significativas nos níveis de vibração.

Esta situação pode presumivelmente ser considerada uma falha de projeto (konstruktivny proschet) dos desenvolvedores da aeronave, admitida durante a seleção do sistema de montagem (suspensão) do motor na fuselagem da aeronave.

2.6.4.

Os dados obtidos durante o curso do balanceamento da hélice e os testes de vibração adicionalmente realizados sugerem que o monitoramento periódico de vibração pode ser útil para a avaliação diagnóstica da condição técnica do motor da aeronave, incluindo a avaliação do estado do grupo de pistões, virabrequim, mancais do motor e do acionamento do compressor de ar.

Tais trabalhos podem ser realizados, por exemplo, usando o dispositivo "Balanset-1" (atualmente produzido como o Balanset-1A), no qual a função de análise espectral de vibração está implementada.

3. Balanceamento da Hélice MTV-9-K-C/CL 260-27 e Levantamento de Vibração do Su-29

3.1. Introdução

Em 15 de junho de 2014, foram realizados trabalhos de balanceamento da hélice de três pás do tipo MTV-9-K-C/CL 260-27, instalada no motor aeronáutico M-14P da aeronave acrobática Su-29.

De acordo com os dados fornecidos pelo fabricante (MT-Propeller), a hélice indicada havia sido previamente balanceada estaticamente, como evidenciado pela presença no plano 1 da hélice de uma massa de correção instalada na fábrica.

O balanceamento da hélice, instalada diretamente no eixo de saída da caixa de câmbio do Su-29 (ou seja, no local de sua instalação permanente), foi realizado usando o kit de balanceamento de vibração "Balanset-1", nº de série 149.

O esquema de medição (Fig. 3.1) foi em geral semelhante ao usado para o Yak-52. O sensor de vibração (acelerômetro) 1 foi instalado na carcaça da caixa de câmbio do motor usando um suporte magnético em um suporte especialmente projetado. O sensor de ângulo de fase a laser 2 foi igualmente montado na carcaça da caixa de câmbio e orientado para a marca refletiva aplicada em uma das pás da hélice. Os sinais analógicos dos sensores foram transmitidos via cabos para a unidade de medição do dispositivo "Balanset-1", onde o processamento digital preliminar foi realizado. Posteriormente, os sinais em forma digital entraram no computador, onde o processamento de software foi realizado e a massa e o ângulo da massa de correção necessária para compensar o desbalanceamento da hélice foram calculados.

Antes deste trabalho, e levando em conta a experiência do balanceamento da hélice do Yak-52, estudos adicionais foram conduzidos:

• determinação das frequências naturais de oscilação do motor e da hélice do Su-29;
• verificação da magnitude e composição espectral da vibração de referência na cabine do segundo piloto antes do balanceamento.

3.2. Frequências Naturais de Oscilação do Motor e da Hélice

Usando o mesmo método de excitação por impacto com o analisador AD-3527, seis frequências principais foram identificadas no espectro da suspensão do motor (Fig. 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

As frequências 66 Hz, 88 Hz e 120 Hz estão presumivelmente diretamente relacionadas às peculiaridades do sistema de montagem (suspensão) do motor na fuselagem da aeronave. As frequências 16 Hz e 22 Hz estão provavelmente associadas às oscilações naturais da aeronave como um todo em seu trem de pouso. Quanto à frequência de 37 Hz, ela está provavelmente relacionada à frequência natural de oscilação da pá da hélice da aeronave.

Esta última suposição é confirmada pelos resultados das medições das frequências naturais de oscilação das pás da hélice (Fig. 3.3), no espectro das quais três frequências principais foram identificadas: 37 Hz, 100 Hz e 174 Hz.

O conhecimento das frequências naturais da suspensão do motor e das pás da hélice do Su-29 é de importância prática substancial. Primeiro, permite uma seleção justificada da frequência de rotação da hélice para balanceamento, garantindo máxima sintonização em relação às ressonâncias estruturais da aeronave. Segundo, fornece a base necessária para a interpretação e diagnóstico corretos das causas de vibração observadas em vários modos de operação do motor, como será demonstrado nas seções subsequentes deste relatório.

3.3. Linha de base de vibração da cabine antes do balanceamento

Antes de realizar o procedimento de balanceamento, foram realizadas medições dos níveis de vibração de referência na cabine do segundo piloto do Su-29. Como no caso do Yak-52, a vibração foi medida na direção vertical usando o analisador de espectro portátil AD-3527 da A&D (Japão) na faixa de frequência de 5 a 200 Hz. As medições foram realizadas em quatro modos principais de rotação do motor, correspondendo a 60%, 65%, 70% e 82% da frequência máxima de rotação da hélice.

Os resultados dessas medições são apresentados na Tabela 3.1.

Os principais componentes de vibração aparecem na frequência de rotação da hélice V_p1, virabrequim V_c1, acionamento do compressor V_n, e o 2º harmônico do virabrequim V_c2 (que no caso da hélice de três pás pode também coincidir com a frequência de passagem das pás V_p3).

No espectro do modo 60%, também foi encontrado um componente não identificado em 6120 ciclos/min, possivelmente causado por ressonância em aproximadamente 100 Hz — uma das frequências naturais da pá da hélice.

A vibração total máxima (11,5 mm/s) foi encontrada no modo 70%. O componente dominante neste modo é V_c2 em 4020 ciclos/min, atingindo 10,8 mm/s. Este aumento acentuado em 70% provavelmente se deve a oscilações ressonantes da suspensão do motor perto de 67 Hz (4020 ciclos/min).

Deve-se notar também que, além das excitações de impacto do grupo pistão, a vibração nesta região de frequência também pode ser influenciada por forças aerodinâmicas na frequência de passagem das pás da hélice (V_p3). Nos modos 65% e 82%, também é observado um aumento perceptível no componente V_c2 (V_p3), o que também pode ser explicado por oscilações ressonantes de componentes individuais da aeronave.

O componente de desbalanceamento da hélice V_p1 variou de 2,4 a 5,7 mm/s entre os modos antes do balanceamento, geralmente menor que V_c2 nos modos correspondentes. Sua variação entre os modos é determinada não apenas pela qualidade do balanceamento, mas também pelo grau de detuning em relação às frequências naturais dos elementos estruturais da aeronave.

3.4. Resultados do Balanceamento

O balanceamento da hélice foi realizado em um plano na frequência de rotação de 1350 rpm, usando duas medições (o método clássico dos coeficientes de influência). O protocolo completo de balanceamento é dado em Apêndice 1.

O procedimento de balanceamento consistiu nas seguintes operações:

1. Durante a primeira medição (estado inicial), foram determinadas a amplitude e a fase da vibração na frequência de rotação da hélice.
2. Durante a segunda medição, foram determinadas a amplitude e a fase da vibração após a instalação de uma massa de teste de peso conhecido na hélice.
3. Com base nesses resultados de medição, o software calculou a massa e o ângulo de instalação da massa de correção no plano 1, necessários para compensar o desbalanceamento da hélice.

A verificação da qualidade do balanceamento em voo não foi realizada devido a danos acidentais na hélice durante um voo de treinamento.

As razões para a discrepância indicada podem ser as seguintes:

• erros do sistema de medição do banco de balanceamento na planta de fabricação (esta razão parece ser a menos provável);
• erros geométricos (imprecisões) das superfícies de montagem do fuso da máquina de balanceamento na planta de fabricação, causando excentricidade de rotação radial da hélice no fuso;
• erros geométricos (imprecisões) das superfícies de montagem do eixo de saída da caixa de engrenagens na aeronave Su-29, causando excentricidade de rotação radial da hélice quando instalada no eixo da caixa de engrenagens.

3.5. Conclusões

3.5.1.

O balanceamento da hélice da aeronave Su-29 em um plano, com frequência de rotação da hélice de 1350 rpm (70%), permitiu reduzir a vibração na frequência de rotação da hélice de 6,7 mm/s no estado inicial para 1,5 mm/s após o balanceamento. A vibração associada ao desbalanceamento da hélice em outros modos de velocidade do motor também diminuiu significativamente e permaneceu entre 1 e 2,5 mm/s.

3.5.2.

Para esclarecer as razões para os resultados insatisfatórios do balanceamento da hélice na planta de fabricação (MT-Propeller), é necessário verificar a excentricidade de rotação radial da hélice no eixo de saída da caixa de engrenagens do motor da aeronave Su-29.

Apêndice 1: Protocolo de Balanceamento