Sobre o equilíbrio da hélice da aeronave no ambiente de campo. Parte 1

1. V.D. Feldman

Chefe técnico da OU Vibromera

Sobre o equilíbrio da hélice da aeronave no ambiente de campo

 "A hélice é o motor do avião,

e para o equilibrar só mesmo um atacante"

1. Em em vez de um prefácio

Há dois anos e meio, a nossa empresa iniciou a produção em série do Balanset-1, destinado a equilibrar mecanismos de rotor nos seus próprios rolamentos.

Até à data, foram produzidos mais de 180 conjuntos, que são efetivamente utilizados em várias indústrias, incluindo a produção e o funcionamento de ventiladores, exaustores, motores eléctricos, fusos de trabalho, bombas, trituradores, separadores, centrífugas, veios de transmissão e cambotas e outros mecanismos.

Recentemente, a nossa empresa tem recebido um grande número de pedidos de organizações e indivíduos relacionados com a possibilidade de utilizar o nosso equipamento para equilibrar hélices de aviões e helicópteros no terreno.

Infelizmente, os nossos especialistas, com uma grande experiência na equilibragem de uma grande variedade de máquinas, nunca lidaram com este problema. Por conseguinte, os conselhos e recomendações que podíamos dar aos nossos Clientes eram de carácter geral e nem sempre lhes permitiam resolver eficazmente o problema.

Nesta primavera, a situação começou a mudar para melhor devido à posição ativa de V. D. Chvokov, que organizou e tomou, juntamente connosco, a parte mais ativa nos trabalhos de equilíbrio das hélices do YAK-52 e do SU-29, dos quais é piloto.

Fig. 1.1. Yak-52 no aeródromo

Fig. 1.2. SU-29 na área de estacionamento

Durante este processo, aprendemos uma certa habilidade e tecnologia de equilibrar hélices de aeronaves no ambiente de campo usando o Balanset-1, incluindo:

• determinar os locais e métodos de instalação (montagem) dos sensores de vibrações e do ângulo de fase na instalação;
• determinar as frequências de ressonância de um certo número de elementos estruturais da aeronave (suspensão do motor, pá da hélice);
• identificar as velocidades de rotação (modos de funcionamento) do motor, proporcionando um desequilíbrio residual mínimo no processo de equilibragem;
• determinação das tolerâncias para o desequilíbrio residual da hélice, etc.

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

Com base nos resultados destes trabalhos, são sugeridos abaixo materiais de comunicação.

Juntamente com os resultados da equilibragem, contêm os dados dos inquéritos sobre as vibrações do YAK-52 e do SU-29 obtidos durante os ensaios no solo e em voo.

Estes dados podem ser de interesse, tanto para os pilotos de aeronaves como para os especialistas em manutenção.

2. Resultados da equilibragem da hélice e dos ensaios de vibração do avião acrobático YAK-52

2.1. Introdução

Em maio-julho de 2014, realizámos os ensaios de vibração do YAK-52 equipado com o motor de avião M-14P, bem como o equilíbrio da sua hélice de duas pás.

A equilibragem foi efectuada no mesmo plano utilizando o conjunto de equilibragem Balanset-1, planta n.º 149.

O esquema de medição utilizado na equilibragem é apresentado na Figura 2.1.

Durante o processo de equilibragem, o sensor de vibração (acelerómetro) 1 foi montado na tampa frontal da caixa do motor utilizando um íman num suporte especial.

O sensor laser do ângulo de fase 2 estava também montado na cobertura da engrenagem e era guiado por uma etiqueta reflectora aplicada a uma das pás da hélice.

Os sinais analógicos dos sensores foram transmitidos através de cabos para a unidade de medição do Balanset-1, na qual foi efectuado o seu processamento digital preliminar.

Além disso, estes sinais em formato digital foram transmitidos ao computador, que os processou e calculou a massa e o ângulo de instalação do peso corretor necessário para compensar o desequilíbrio da hélice.

Fig. 2.1. Esquema de medição para equilibrar a hélice do YAK-52.

Zk - roda da engrenagem principal;

Zс - satélites de engrenagem;

Zn - roda de engrenagem fixa.

No decurso deste trabalho, tendo em conta a experiência de equilibrar as hélices do SU-29 e do YAK-52, realizámos uma série de estudos adicionais, incluindo:

• determinação das frequências naturais de oscilação do motor e da hélice do YAK-52;
• análise do valor e da composição espetral das vibrações na cabina de pilotagem do copiloto em voo após a equilibragem da hélice;
• examinar o valor e a composição espetral das vibrações no cockpit do copiloto em voo, depois de equilibrar a hélice e ajustar a força de aperto do amortecedor do motor.

2.2. Resultados dos estudos das frequências naturais do motor e da hélice.

As frequências naturais do motor montado nos amortecedores no corpo da aeronave foram determinadas utilizando o analisador de espetro AD-3527, f. A @ D, (Japão), por excitação de choque das oscilações do motor.

Determinámos 4 frequências principais, nomeadamente: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz no espetro de oscilações naturais da suspensão do motor do YAK-52, um exemplo do qual é mostrado na Fig. 2.2.

Fig. 2.2. O espetro das frequências naturais das oscilações da suspensão do motor do YAK-52

As frequências de 74Hz, 94Hz e 120Hz estão provavelmente associadas às características de montagem (suspensão) do motor no corpo da aeronave.

A frequência de 20Hz está muito provavelmente associada às oscilações da aeronave no chassis.

As frequências naturais de oscilação das pás da hélice foram também determinadas pelo método de excitação por choque.

Neste caso, revelámos quatro frequências principais, nomeadamente: 36Hz, 80Hz, 104Hz e 134Hz.

Os dados sobre as frequências naturais de oscilação da hélice e do motor do YAK-52 podem ser de importância fundamental para a escolha da frequência de rotação da hélice utilizada na equilibragem. A principal condição para a escolha desta frequência é assegurar a sua máxima desafinação possível em relação às frequências naturais de oscilação dos elementos estruturais da aeronave.

Além disso, o conhecimento das frequências naturais de oscilação de componentes individuais e partes da aeronave pode ser útil para identificar as razões de um aumento acentuado (no caso de ressonância) de certos componentes do espetro de vibração a várias velocidades do motor.

2.3. Resultados do equilíbrio.

Como já foi referido, a hélice foi equilibrada no mesmo plano, o que permitiu compensar o desequilíbrio de potência da hélice em dinâmica.

Não foi possível fazer a equilibragem dinâmica em dois planos, o que permite (para além da força) compensar o desequilíbrio do momento da hélice, uma vez que a conceção da hélice montada no YAK-52 permite formar apenas um plano de correção.

A hélice foi equilibrada a uma frequência de rotação igual a 1.150 rpm (60%), na qual foi possível obter os resultados mais estáveis de medição de vibração em amplitude e fase de início a início.

A hélice foi equilibrada de acordo com o esquema clássico de "dois arranques".

Durante o primeiro arranque, determinámos a amplitude e a fase da vibração na frequência de rotação da hélice no estado inicial.

Durante o segundo arranque, determinámos a amplitude e a fase da vibração na frequência de rotação da hélice, depois de fixada a massa de prova igual a 7g.

Tendo em conta estes dados, calculámos a massa M = 19,5g de forma programática e o ângulo de instalação do peso de correção F = 32.

Tendo em conta as características de conceção do hélice, que não permitem colocar o peso de correção no ângulo necessário, são fixados dois pesos equivalentes no hélice, incluindo:

• Peso M1 = 14g no ângulo F1 = 0º;
• Peso M1 = 8,3g no ângulo F1 = 60º.

Após a colocação dos pesos correctivos acima referidos na hélice, a vibração medida a uma velocidade de rotação de 1.150 rpm e associada ao desequilíbrio da hélice diminuiu de 10,2 mm/s no estado inicial para 4,2 mm/s após o equilíbrio.

Ao mesmo tempo, o desequilíbrio real da hélice diminuiu de 2.340 g*mm para 963 g*mm.

2.4. Ensaio do efeito da equilibragem no nível de vibração do YAK-52 no solo a diferentes velocidades da hélice

O quadro 2.1 sugere os resultados do ensaio de vibração do YAK-52, efectuado noutras condições de funcionamento do motor obtidas durante os ensaios no solo.

Como mostra o quadro, a equilibragem teve um efeito positivo na vibração do YAK-52 em todos os modos de funcionamento.

Quadro 2.1

Além disso, durante os ensaios no solo, foi revelada uma tendência para reduzir significativamente a vibração de uma aeronave com um aumento da taxa de rotação da sua hélice.

Este fenómeno pode ser explicado por um maior grau de desfasamento da velocidade de rotação do hélice em relação à frequência natural de oscilação da aeronave no chassis (presumivelmente 20Hz), que ocorre com o aumento da velocidade de rotação do hélice.

2.5. Exame da vibração do YAK-52 no ar nos principais modos de voo antes e depois de ajustar a força de aperto dos amortecedores

Para além dos ensaios de vibração realizados depois de equilibrar a hélice no solo (ver Secção 2.3), fizemos medições da vibração do YAK-52 em voo.

A vibração em voo foi medida no cockpit do copiloto na direção vertical utilizando um analisador de espetro de vibrações portátil AD-3527 f. A@D (Japão) na gama de frequências de 5 a 200 (500)Hz.

As medições foram efectuadas a cinco velocidades do motor principal iguais a 60%, 65%, 70% e 82% da sua velocidade de rotação máxima, respetivamente.

Os resultados das medições efectuadas antes da regulação dos amortecedores são apresentados no quadro 2.2.

Tabela 2.2

Como exemplo, as Fig. 2.3 e 2.4 mostram gráficos dos espectros obtidos ao medir a vibração no cockpit do YAK-52 nos modos de 60% e 94% e utilizados no preenchimento da tabela 2.2.

Fig.2.3. O espetro de vibração no cockpit do YAK-52 a 60%.

Figura 2.4. O espetro de vibrações no cockpit do YAK-52 a 94%.

Como mostra a Tabela 2.2, os principais componentes de vibração, medidos no cockpit do copiloto, aparecem nas velocidades de rotação da hélice Vv1 (destacada a amarelo), na cambota do motor Vk1 (destacada a azul) e na engrenagem de acionamento do compressor de ar (e/ou sensor de frequência) Vn (destacada a verde), bem como nas suas harmónicas superiores Vv2, Vv4, Vv5 e Vk2, Vk3.

A vibração máxima total Vå  foi detectado a velocidades de 82% (1.580 rpm da hélice) e 94% (1.830 rpm).

A componente principal desta vibração manifesta-se nos 2^nd harmónica da velocidade da cambota do motor Vk2 e, consequentemente, atinge os valores de 12,5 mm/s a uma frequência de 4800 ciclos/min e 15,8 mm/s a uma frequência de 5 520 ciclos/min.

Pode assumir-se que esta componente está associada ao funcionamento do bloco de pistões do motor (processos de choque quando os pistões são reposicionados duas vezes durante uma rotação da cambota).

O aumento acentuado deste componente nos modos 82% (primeira nominal) e 94% (descolagem) é muito provavelmente causado não pelos defeitos do grupo de pistões, mas por oscilações ressonantes no motor fixado no corpo da aeronave no amortecedor.

Esta conclusão é confirmada pelos resultados acima referidos da verificação experimental das frequências naturais de oscilação da suspensão do motor, em cujo espetro se encontram 74Hz (4440 ciclos/min), 94Hz (5640 ciclos/min) e 120Hz (7200 ciclos/min).

Duas destas frequências naturais, iguais a 74 e 94 Hz, estão próximas das frequências dos 2^nd harmónicas da velocidade de rotação da cambota, que ocorrem nas primeiras classificações nominais e de descolagem do funcionamento do motor.

Devido ao facto de, durante os testes de vibração, termos revelado vibrações significativas nos 2^nd harmónica da cambota nas primeiras classificações nominais e de descolagem do motor, procurou-se verificar e ajustar a força de aperto dos amortecedores da suspensão do motor.

O quadro 2.3 apresenta os resultados comparativos dos ensaios obtidos antes e depois da regulação dos amortecedores para a velocidade de rotação da hélice (Vv1) e os 2^nd harmónica da frequência de rotação da cambota (Vk2).

Quadro 2.3

Como se pode ver na tabela 2.3, o ajuste dos amortecedores não conduziu a alterações significativas nos valores dos principais componentes da vibração da aeronave.

Tendo em conta o que precede, é possível considerar um aumento notável da componente de vibração do YAK-52 nos primeiros modos nominais e de descolagem (na nossa opinião) como um erro de cálculo construtivo dos projectistas da aeronave, cometido ao escolherem um sistema de montagem do motor (suspensão) no corpo da aeronave.

A este respeito, é de notar que a amplitude da componente espetral associada ao desequilíbrio da hélice Vv1, detectada nos modos 82% e 94% (ver Tabelas 1.2 e 1.3), respetivamente, é 3-7 vezes inferior às amplitudes de Vk2 nestes modos.

Noutros modos de voo, a componente Vv1 situa-se entre 2,8 e 4,4 mm/s.

Além disso, como mostram os Quadros 2.2 e 2.3, durante a transição de um modo para outro, as suas alterações são principalmente determinadas não pela qualidade da equilibragem, mas pelo grau de desfasamento da velocidade de rotação do hélice em relação às frequências naturais de oscilação de certos elementos estruturais da aeronave.

2.6. Conclusões sobre os resultados do trabalho

2.6.1. A equilibragem do hélice do YAK-52, efectuada a uma frequência de rotação de 1150 rpm (60%), permitiu reduzir a vibração do hélice de 10,2 mm/s para 4,2 mm/s.

Tendo em conta uma certa experiência adquirida no processo de equilibrar as hélices do YAK-52 e do SU-29 utilizando o Balanset-1, podemos assumir que existe a possibilidade de reduzir ainda mais o nível de vibração da hélice do YAK-52.

Este efeito pode ser conseguido, nomeadamente, seleccionando uma frequência de rotação diferente (mais elevada) do hélice durante a sua equilibragem, o que permite um maior grau de afastamento da frequência natural de oscilação da aeronave de 20 Hz (1200 ciclos/min) detectada durante o ensaio.

2.6.2. Como mostram os resultados dos ensaios de vibração do YAK-52 em voo, os seus espectros de vibração (para além da componente mencionada acima no ponto 2.6.1, que aparece na frequência de rotação do hélice), têm uma série de outras componentes relacionadas com o funcionamento da cambota, do grupo de pistões do motor e também da engrenagem de acionamento do compressor de ar (e/ou sensor de frequência).

Os valores das vibrações acima referidas nos modos 60%, 65% e 70% são proporcionais ao valor da vibração, que está associada ao desequilíbrio do hélice.

A análise destas vibrações mostra que mesmo a eliminação completa da vibração resultante do desequilíbrio do hélice reduzirá a vibração total da aeronave nestes modos não mais do que 1,5 vezes.

2.6.3. A vibração máxima total Vå do YAK-52 foi detectado em modos de alta velocidade, nomeadamente: 82% (1.580 rpm da hélice) e 94% (1.830 rpm da hélice).

A componente principal desta vibração manifesta-se nos 2^nd harmónica da frequência de rotação da cambota do motor Vk2 (a frequências de 4.800 ciclos/min ou 5.520 ciclos/min), na qual atinge valores de 12,5 mm/s e 15,8 mm/s, respetivamente.

Pode assumir-se que esta componente está relacionada com o funcionamento do grupo de pistões do motor (processos de choque que surgem quando os pistões são reposicionados duas vezes durante uma rotação da cambota).

O aumento acentuado deste componente nos modos 82% (primeira nominal) e 94% (descolagem) é muito provavelmente causado não por defeitos no grupo de pistões, mas por oscilações ressonantes no motor, fixadas no corpo da aeronave em amortecedores.

Durante os ensaios, a regulação dos amortecedores não conduziu a alterações significativas das vibrações.

Esta situação pode ser considerada como um erro de cálculo construtivo dos projectistas de aeronaves, cometido aquando da escolha do sistema de montagem (suspensão) do motor no corpo da aeronave.

2.6.4. Os dados obtidos durante a equilibragem e os ensaios de vibração adicionais (ver os resultados dos ensaios de voo na secção 2.5) permitem-nos concluir que a monitorização periódica das vibrações pode ser útil para a avaliação diagnóstica do estado técnico de um motor de avião.

Este procedimento pode ser efectuado, por exemplo, utilizando o Balanset-1, cujo software implementa a função de análise espetral de vibrações.