Sobre o equilíbrio da hélice da aeronave no ambiente de campo. Parte 2

1. D. Feldman

Chefe técnico da OU Vibromera

Parte 1: https://vibromera.eu/example/on-balancing-the-propeller-of-the-aircraft-in-the-field-environment-part-1/

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"

3. Resultados da equilibragem da hélice MTV-9-K-C/CL 260-27 e dos ensaios de vibração do avião acrobático SU-29

3.1. Introdução

Em 15 de junho de 2014, equilibrámos a hélice de três pás MTV-9-K-C/CL 260-27 do motor M-14P do avião acrobático SU-29.

De acordo com o fabricante, a hélice especificada foi previamente equilibrada em termos estáticos, tal como comprovado pela hélice no plano 1 do peso corretivo fixado na fábrica.

A hélice montada diretamente no SU-29 foi equilibrada utilizando o conjunto de equilibragem vibratória Balanset-1, planta n.º 149.

O esquema de medição utilizado na equilibragem é apresentado na Figura 3.1.

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

O sensor laser para o ângulo de fase 2 foi também montado na caixa de velocidades e foi 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 de correção necessário para compensar o desequilíbrio da hélice.

Fig. 3.1 Esquema de medição para equilibrar a hélice do SU-29

Zk - roda da engrenagem principal com 75 dentes;

Zс - satélites de engrenagem na quantidade de 6 peças com 18 dentes;

Zn - roda dentada fixa com 39 dentes.

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

• determinação das frequências naturais de oscilação do motor e da hélice do SU-29;
• análise do valor e da composição espetral da vibração inicial no cockpit do copiloto antes da equilibragem;

3.2. 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 seis frequências principais, nomeadamente: 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz (ver Figura 3.2.) no espetro de oscilações naturais da suspensão do motor.

Fig. 3.2 O espetro das frequências naturais de oscilação da suspensão do motor do SU-29

É provável que as frequências de 66Hz, 88Hz e 120Hz estejam diretamente relacionadas com as características de montagem (suspensão) do motor no corpo da aeronave.

As frequências de 16Hz e 22Hz estão muito provavelmente associadas às oscilações naturais da aeronave no chassis.

A frequência de 37Hz está provavelmente relacionada com a frequência natural de oscilação da pá da hélice da aeronave.

Esta última hipótese é confirmada pelos resultados da verificação das frequências naturais de oscilação da hélice, também obtidas pelo método de excitação por choque.

No espetro das oscilações naturais da pá da hélice (ver Fig. 3.3), detectámos três frequências principais, nomeadamente: 37Hz, 100Hz e 174Hz.

Fig. 3.3 O espetro das frequências naturais de oscilação das pás da hélice do SU-29

Os dados sobre as frequências naturais de oscilação da pá da hélice e do motor do SU-29 podem ser de importância primordial para a escolha da velocidade 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.

3.3. Verificação das vibrações no cockpit do copiloto do SU-29 no solo antes da equilibragem

Medimos a vibração inicial do SU-29, detectada antes do balanceamento da hélice, 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 200Hz.

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

Os resultados são apresentados no quadro 3.1.

Como se pode ver na tabela 2.1, as principais componentes de vibração manifestam-se nas velocidades de rotação da hélice Vv1, da cambota do motor Vk1 e da engrenagem de acionamento do compressor de ar (e/ou sensor de frequência) Vn, bem como nas velocidades de rotação de 2^nd harmónica da cambota Vk2 e possivelmente a 3^rd harmónica da hélice (de pás) Vv3, que tem uma frequência próxima da segunda harmónica da cambota.

Quadro 3.1

Além disso, no espetro de vibração no modo de velocidade 60%, revelámos uma componente não identificada com o espetro calculado a uma frequência de 6.120 ciclos/min, que pode ser causada por uma ressonância a uma frequência de cerca de 100Hz de um dos elementos estruturais da aeronave. Esse elemento, por exemplo, pode ser uma hélice, com uma das frequências naturais de 100Hz.

A vibração total máxima da aeronave Vå, atingindo 11,5 mm/seg, foi revelada no modo de velocidade 70%.

A componente principal da vibração total neste modo manifesta-se nos 2^nd harmónica (4.020 ciclos/min) da velocidade de rotação da cambota do motor Vk2 e é igual a 10,8 mm/s.

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

O aumento acentuado desta componente no modo 70% deve-se provavelmente às oscilações de ressonância de um dos elementos estruturais da aeronave (suspensão do motor no corpo da aeronave) a uma frequência de 67 Hz (4 020 ciclos/min).

Note-se que, para além das excitações de choque associadas ao funcionamento do grupo de pistões, o valor da vibração na frequência dada pode ser influenciado pela força aerodinâmica, que se manifesta na frequência da pá da hélice (Vv3).

Nos modos de alta velocidade de 65% e 82%, também observamos um aumento notável na componente Vk2 (Vv3), o que pode ser explicado pelas oscilações de ressonância de componentes individuais da aeronave.

A amplitude da componente espetral associada ao desequilíbrio da hélice Vv1, revelado pelos principais modos de velocidade antes da equilibragem, variou entre 2,4 e 5,7 mm/s, o que é geralmente inferior ao valor de Vk2 nos modos correspondentes.

Além disso, como se pode ver na Tabela 3.1, as suas alterações durante a transição de um modo para outro são determinadas não só pela qualidade da equilibragem, mas também pelo grau de desafinação da frequência de rotação da hélice em relação às frequências naturais de oscilação dos elementos estruturais da aeronave.

3.4. Resultados do equilíbrio.

A hélice foi equilibrada no mesmo plano na frequência de rotação. Graças a esta equilibragem, o desequilíbrio de potência da hélice é compensado na dinâmica.

O protocolo de equilíbrio é apresentado a seguir em Apêndice 1.

A equilibragem foi efectuada a uma frequência de rotação da hélice de 1350 rpm e permitiu a realização de dois arranques de medição.

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 do hélice, depois de termos fixado no hélice um peso de teste com a massa especificada.

De acordo com os resultados destas medições, foram determinados a massa e o ângulo de instalação do peso corretor no plano 1.

Após a fixação do valor calculado do peso corretor de 40,9 g na hélice, a vibração neste modo de velocidade diminuiu de 6,7 mm/s no estado inicial para 1,5 mm/s após a equilibragem.

O nível de vibração associado ao desequilíbrio da hélice noutros modos de alta velocidade também diminuiu e, após o equilíbrio, situou-se na gama de 1 a 2,5 mm/s.

Não realizámos o exame da influência da qualidade da equilibragem no nível de vibração da aeronave em voo devido à danificação de emergência da hélice durante um dos voos de treino.

É de notar que o resultado obtido quando se efectua a equilibragem especificada difere significativamente do resultado da equilibragem na fábrica.

Nomeadamente:

• A vibração é reduzida em mais de 4 vezes na frequência de rotação da hélice depois de ser equilibrada num local de instalação permanente (no veio de saída da engrenagem do SU-29);
• O peso corretor, colocado no processo de equilibragem, é deslocado cerca de 130º em relação ao peso fixado na fábrica.

As possíveis razões para esta situação podem ser:

• erros do sistema de medição do suporte de equilibragem do fabricante (o que é pouco provável);
• erros geométricos dos assentos de acoplamento do fuso da máquina de equilibrar hélices, resultando num desvio radial da hélice quando esta é instalada no fuso;
• erros geométricos dos assentos de acoplamento do veio de transmissão da aeronave, resultando num desvio radial da hélice quando esta é instalada no veio de transmissão.

3.5. Conclusões sobre os resultados do trabalho

3.5.1. A equilibragem do hélice do SU-29, efectuada no mesmo plano a uma velocidade do hélice de 1350 rpm (70%), permitiu reduzir a vibração do hélice de 6,7 mm/s para 1,5 mm/s.

O nível de vibração associado ao desequilíbrio da hélice noutros modos de alta velocidade também diminuiu significativamente e variou entre 1 e 2,5 mm/s.

3.5.2. Para esclarecer as possíveis razões dos resultados insatisfatórios da equilibragem na fábrica, é necessário verificar a sua excentricidade radial no veio de transmissão da engrenagem do motor da aeronave.

Anexo 1

PROTOCOLO DE EQUILÍBRIO

para as hélices MTV-9-K-C/CL 260-27 dos aviões acrobáticos SU-29

1. Cliente: V. D. Chvokov
2. Local de instalação da hélice: o eixo de acionamento da engrenagem do SU-29
3. Tipo de hélice: MTV-9-K-C/CL 260-27
4. Método de equilibragem: montado no local de funcionamento (em rolamentos próprios), no mesmo plano
5. Velocidade da hélice durante a equilibragem, rpm: 1.350
6. Modelo, número de instalação e fabricante do dispositivo de equilibragem: Balancet-1, fábrica n.º 149, OU Vibromer
7. Documentos regulamentares utilizados no equilíbrio:

7.1. GOST ISO 1940-1-2007 Vibrações. Requisitos de qualidade de equilibragem para rotores rígidos. Parte 1. Determinação do desequilíbrio admissível.

7.2. _____________________________________________________________

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8. Data de equilíbrio: 15 de junho de 2014
9. Quadro recapitulativo dos resultados do equilíbrio:

*) Nota: A equilibragem foi efectuada mantendo o peso de correção do hélice fixado pelo fabricante.

10. Conclusão:

10.1. O nível de vibração (desequilíbrio residual) após a equilibragem da hélice instalada no veio de transmissão da engrenagem do SU-29 (ver secção 9.2) é reduzido em mais de 4 vezes em comparação com o nível inicial (ver secção 9.1).

10.2. Os parâmetros do peso corretor (massa, ângulo de instalação) utilizados para obter o resultado do ponto 10.1 são significativamente diferentes dos parâmetros do peso corretor fixados na fábrica (hélice MT).

Em particular, ao equilibrar a hélice, colocámos um peso corretor adicional de 40,9 g, que foi deslocado em relação ao peso fixado na fábrica, num ângulo de 130º.

(O peso colocado na unidade de fabrico não foi removido da hélice durante a equilibragem adicional).

As possíveis razões para esta situação podem ser:

• erros do sistema de medição do suporte de equilibragem da unidade de fabrico;
• erros geométricos dos assentos de acoplamento do fuso da máquina de equilibragem da fábrica, resultando no desvio radial da hélice quando esta é instalada no fuso;
• erros geométricos dos assentos de acoplamento do veio de transmissão da engrenagem da aeronave, resultando num desvio radial da hélice quando esta é instalada no veio da engrenagem.

É necessário identificar a razão específica que leva ao aumento do desequilíbrio da hélice ao instalá-la no eixo de acionamento da engrenagem do Su-29:

• verificar o sistema de medição e a precisão geométrica dos assentos dos fusos da máquina de equilibragem utilizada na equilibragem da hélice MTV-9-K-C/CL 260-27 na fábrica;
• para verificar a excentricidade radial da hélice instalada no veio de transmissão da engrenagem do SU-29.

Executor:

Chefe técnico da OU Vibromera

V. D. Feldman