О балансировке авиационных винтов в полевых условиях

1. Предисловие

Два с половиной года назад наше предприятие начало серийное производство устройства "Балансет-1", предназначенного для балансировки вращающихся механизмов в собственных подшипниках.

На сегодняшний день произведено более 180 комплектов. Они эффективно используются в различных отраслях промышленности, включая производство и эксплуатацию вентиляторов, воздуходувок, электродвигателей, шпинделей машин, насосов, дробилок, сепараторов, центрифуг, карданных и коленчатых валов, а также аналогичных механизмов.

В последнее время компания Vibromera получила большое количество запросов от организаций и частных лиц относительно возможности использования нашего оборудования для балансировки винтов самолетов и вертолетов в полевых условиях.

К сожалению, наши специалисты, несмотря на многолетний опыт балансировки различных машин, никогда ранее не сталкивались с этой конкретной проблемой. Поэтому советы и рекомендации, которые мы могли дать нашим клиентам, были довольно общими и не всегда позволяли эффективно решить поставленную задачу.

Весной ситуация начала меняться к лучшему благодаря активному участию В. Д. Чвокова, который организовал и принял участие вместе с нами в работах по балансировке винтов самолетов Як-52 и Су-29, которыми он управляет.

В ходе этой работы были приобретены определенные навыки и разработана технология балансировки авиационных винтов в полевых условиях с использованием устройства "Балансет-1", в том числе:

• определение мест и способов установки (монтажа) датчиков вибрации и фазового угла на летательном аппарате;
• определение резонансных частот нескольких конструктивных элементов самолета (подвеска двигателя, лопасти винта);
• определение частот вращения двигателя (режимов работы), обеспечивающих минимально достижимый остаточный дисбаланс во время балансировки;
• установление допусков на остаточный дисбаланс гребного винта.

Кроме того, были получены интересные данные по уровню вибрации самолетов, оснащенных двигателями М-14П.

Ниже представлены материалы отчета, составленные на основе результатов данной работы. Помимо результатов балансировки, в них представлены данные вибрационных исследований самолетов Як-52 и Су-29, полученные в ходе наземных и летных испытаний. Эти данные могут представлять интерес как для пилотов, так и для специалистов, занимающихся их техническим обслуживанием.

2. Балансировка и виброизоляция самолета Як-52.

2.1. Введение

В мае - июле 2014 года были проведены работы по виброобследованию самолета Як-52, оснащенного авиационным двигателем М-14П, и балансировке его двухлопастного винта.

Балансировка проводилась в одной плоскости с использованием комплекта "Balanset-1" с серийным номером 149.

Схема измерений показана на рис. 2.1. Во время балансировки используется датчик вибрации (акселерометр). 1 Устанавливался на передней крышке коробки передач двигателя с помощью магнитного крепления на специально разработанном кронштейне. Лазерный датчик фазового угла. 2 Он также был установлен на крышке редуктора и ориентирован в сторону светоотражающей метки, нанесенной на одну из лопастей винта.

Аналоговые сигналы от датчиков передавались по кабелям в измерительный блок прибора "Балансет-1", где проводилась предварительная цифровая обработка. Затем эти сигналы в цифровом виде поступали в компьютер, где осуществлялась программная обработка и рассчитывались масса и угол корректирующего груза, необходимого для компенсации дисбаланса гребного винта.

В ходе этой работы, с учетом опыта, полученного при балансировке винтов как Су-29, так и Як-52, был проведен ряд дополнительных исследований:

• определение собственных частот колебаний двигателя и винта Як-52;
• измерение амплитуды и спектрального состава вибраций во второй кабине пилота во время полета после балансировки винта;
• Измерение вибрации после балансировки винта и после регулировки силы затяжки амортизаторов двигателя.

2.2. Собственные частоты колебаний двигателя и винта

Собственные частоты колебаний двигателя, установленного на амортизаторах в фюзеляже самолета, определялись с помощью спектрального анализатора AD-3527 производства компании A&D (Япония) путем ударного возбуждения.

В спектре собственных колебаний подвески двигателя Як-52 (рис. 2.2) были выделены четыре основные частоты: 20 Гц, 74 Гц, 94 Гц, 120 Гц.

Частоты 74 Гц, 94 Гц и 120 Гц, вероятно, связаны с характеристиками крепления двигателя (подвески) к фюзеляжу самолета. Частота 20 Гц, скорее всего, связана с собственными колебаниями самолета на шасси.

Собственные частоты лопастей винта также были определены с использованием метода ударного возбуждения. Было выявлено четыре основные частоты: 36 Гц, 80 Гц, 104 Гц и 134 Гц.

Данные о собственных частотах колебаний подвески двигателя и лопастей винта имеют важное значение прежде всего для выбора частоты вращения винта при балансировке. Главным условием выбора этой частоты является обеспечение максимального отклонения от собственных частот колебаний элементов конструкции самолета, поскольку на резонансных частотах точность и повторяемость измерений вибрации могут быть значительно снижены.

Кроме того, знание собственных частот отдельных компонентов может быть полезно для выявления причин резкого увеличения вибрации (резонансных явлений) на различных режимах частоты вращения двигателя, которые могут возникать во время эксплуатации самолета.

2.3. Результаты балансировки

Как отмечалось выше, балансировка гребного винта проводилась в одной плоскости, что позволяло динамически компенсировать дисбаланс сил, возникающий при вращении винта.

Динамическая балансировка в двух плоскостях (которая дополнительно компенсировала бы дисбаланс момента) была невозможна, поскольку конструкция винта Як-52 допускает только одну плоскость коррекции.

Балансировка проводилась при частоте вращения 1150 об/мин (60%), при которой были получены наиболее стабильные измерения вибрации, как по амплитуде, так и по фазе, от запуска к запуску.

Была использована классическая схема "двух запусков":

1. В ходе первого запуска были определены амплитуда и фаза колебаний на частоте вращения винта в исходном состоянии.
2. Во время второго запуска были определены амплитуда и фаза колебаний после установки на винт пробной массы массой 7 г.
3. На основе этих данных программное обеспечение рассчитало: поправочную массу M = 19,5 г под углом F = 32°.

В связи с конструктивными особенностями винта, которые не позволяли установить корректирующий груз под требуемым углом 32°, были установлены два эквивалентных груза:

• M1 = 14 г при угле F1 = 0°
• M2 = 8,3 г при угле F2 = 60°

2.4. Вибрация в других режимах работы

Результаты вибрационных проверок при других режимах работы двигателя в ходе наземных испытаний представлены в таблице 2.1. Как видно, балансировка положительно повлияла на вибрацию Як-52 во всех режимах.

Кроме того, в ходе наземных испытаний была выявлена четкая тенденция к существенному снижению вибрации с увеличением частоты вращения винта. Это можно объяснить большей расстройкой частоты вращения винта относительно собственной частоты колебаний самолета на шасси (предположительно 20 Гц), которая происходит при более высоких частотах вращения.

2.5. Вибрация в полете до и после регулировки амортизаторов

Помимо наземных вибрационных испытаний после балансировки винта (раздел 2.3), измерения вибрации Як-52 проводились также в полете.

Вибрации в полете измерялись во второй кабине пилота в вертикальном направлении с помощью портативного спектрального анализатора AD-3527 производства A&D (Япония) в диапазоне частот от 5 до 200 (500) Гц. Измерения проводились при пяти режимах частоты вращения основных двигателей: 60%, 65%, 70%, 82% и 94% от максимальной частоты вращения.

Результаты, полученные до регулировки амортизаторов, представлены в таблице 2.2.

Как видно из таблицы 2.2, основные составляющие вибрации появляются на частоте вращения винта V._п1, частота вращения коленчатого вала V_с1, привод воздушного компрессора (и/или датчика частоты) V_n, и их высшие гармоники.

Максимальная суммарная вибрация V_Σ Было обнаружено, что это явление наблюдается в режимах 82% (1580 об/мин) и 94% (1830 об/мин). Доминирующая составляющая в этих режимах появляется на 2-й гармонике частоты вращения коленчатого вала V._с2, достигая скорости 12,5 мм/сек при 4800 циклах/мин и 15,8 мм/сек при 5520 циклах/мин.

Можно предположить, что этот компонент связан с поршневой группой (процессы удара, происходящие во время двойного движения поршней за один оборот коленчатого вала). Резкое увеличение в режимах 82% (первый номинальный) и 94% (стартовый режим), скорее всего, вызвано не дефектами поршневой группы, а резонансными колебаниями двигателя на его амортизаторах. Этот вывод подтверждается измерениями собственных частот, которые выявили частоты колебаний подвески двигателя на уровне 74 Гц (4440 циклов/мин), 94 Гц (5640 циклов/мин) и 120 Гц (7200 циклов/мин). Две из них — 74 Гц и 94 Гц — близки ко второй гармонической частоте коленчатого вала в первом номинальном и стартовом режимах работы.

Из-за значительных вибраций, обнаруженных в точке V_с2, Была проверена и отрегулирована сила затяжки амортизаторов двигателя. Сравнительные результаты представлены в таблице 2.3.

Как видно из таблицы 2.3, регулировка амортизатора не привела к существенным изменениям основных составляющих вибрации самолета.

Следует также отметить, что составляющая дисбаланса винта V_п1 В режимах 82% и 94% значение V соответственно в 3–7 раз ниже._с2 в этих режимах. В других режимах полета V_п1 Диапазон колебаний составляет от 2,8 до 4,4 мм/сек, а изменения между режимами в основном определяются не качеством балансировки, а степенью отклонения от собственных частот конструктивных элементов самолета.

2.6. Выводы

2.6.1.

Балансировка винта Як-52 на частоте вращения 1150 об/мин (60%) позволила снизить вибрацию на частоте вращения винта с 10,2 мм/с до 4,2 мм/с. С учетом опыта, накопленного при балансировке винтов как Як-52, так и Су-29 с использованием устройства "Балансет-1", существует реальная возможность достижения еще большего снижения уровня вибрации — в частности, путем выбора более высокой частоты вращения винта во время балансировки, что позволило бы в большей степени отклониться от собственной частоты колебаний самолета на частоте 20 Гц (1200 циклов/мин), выявленной в ходе измерений.

2.6.2.

Как показывают испытания на вибрацию в полете (см. Таблицы 2.2 и 2.3), спектр вибрации самолета Як-52 содержит, помимо вибрации на частоте вращения винта V, вибрацию и другие составляющие._п1, а также несколько других важных компонентов, связанных с V-образным коленчатым валом._с1, V_с2, V_с3, поршневая группа двигателя и привод воздушного компрессора (и/или датчика частоты) V_n.

При скоростных режимах 60%, 65% и 70% эти компоненты сопоставимы по величине с компонентом дисбаланса винта V._п1. Следовательно, даже полное устранение вибрации, вызванной дисбалансом винта, позволит снизить суммарную вибрацию самолета в этих режимах не более чем примерно в 1,5 раза.

2.6.3.

Максимальная суммарная вибрация V_Σ Вибрация самолета Як-52 была обнаружена на скоростных режимах 82% (1580 об/мин винта) и 94% (1830 об/мин винта). Доминирующая составляющая этой вибрации появляется на 2-й гармонике частоты вращения коленчатого вала V._с2, при частотах 4800 циклов/мин и 5520 циклов/мин соответственно, при которых достигаются значения 12,5 мм/сек и 15,8 мм/сек.

Как показано в разделах 2.5 и 2.2, резкое увеличение этой составляющей на указанных режимах, скорее всего, вызвано не дефектами поршневой группы, а резонансными колебаниями двигателя на его амортизаторах. Регулировка силы затяжки амортизатора, проведенная во время испытаний, не привела к существенным изменениям уровня вибрации.

По всей видимости, эту ситуацию можно считать ошибкой проектирования.конструктивный прошет) разработчиков самолета, допущенных при выборе системы крепления (подвески) двигателя в фюзеляже самолета.

2.6.4.

Данные, полученные в ходе балансировки винта и дополнительно проведенных вибрационных испытаний, позволяют предположить, что периодический мониторинг вибрации может быть полезен для диагностической оценки технического состояния авиационного двигателя, включая оценку состояния поршневой группы, коленчатого вала, подшипников двигателя и привода воздушного компрессора.

Подобную работу можно выполнять, например, с помощью устройства "Балансет-1" (в настоящее время выпускаемого под этим названием). Balanset-1A), в программном обеспечении которого реализована функция спектрального анализа колебаний.

3. Балансировка винта MTV-9-KC/CL 260-27 и вибрационный анализ самолета Су-29.

3.1. Введение

15 июня 2014 года были проведены работы по балансировке трехлопастного винта типа МТВ-9-КС/КЛ 260-27, установленного на авиационном двигателе М-14П пилотажного самолета Су-29.

Согласно данным, предоставленным производителем (MT-Propeller), указанный винт был предварительно статически сбалансирован, о чем свидетельствует наличие на винте в плоскости 1 корректирующего груза, установленного на заводе-изготовителе.

Балансировка винта, установленного непосредственно на выходном валу редуктора Су-29 (т. е. на месте его постоянного крепления), проводилась с использованием вибробалансировочного комплекта "Балансет-1" серийный номер 149.

Схема измерений (рис. 3.1) в целом была аналогична той, что использовалась для Як-52. Датчик вибрации (акселерометр) 1 Устанавливался на корпус коробки передач двигателя с помощью магнитного крепления на специально разработанном кронштейне. Лазерный датчик фазового угла. 2 Аналогичный датчик был установлен на корпусе редуктора и ориентирован в сторону светоотражающей метки, нанесенной на одну из лопастей винта. Аналоговые сигналы от датчиков передавались по кабелям в измерительный блок прибора "Балансет-1", где выполнялась предварительная цифровая обработка. После этого сигналы в цифровой форме поступали в компьютер, где проводилась программная обработка и рассчитывались масса и угол корректирующего груза, необходимого для компенсации дисбаланса винта.

Перед началом этих работ, с учетом опыта балансировки винта Як-52, были проведены дополнительные исследования:

• определение собственных частот колебаний двигателя и винта Су-29;
• Проверка величины и спектрального состава базовой вибрации во второй кабине пилота перед балансировкой.

3.2. Собственные частоты колебаний двигателя и винта

Используя тот же метод ударного возбуждения с анализатором AD-3527, в спектре подвески двигателя были идентифицированы шесть основных частот (рис. 3.2): 16 Гц, 22 Гц, 37 Гц, 66 Гц, 88 Гц, 120 Гц.

Частоты 66 Гц, 88 Гц и 120 Гц, предположительно, напрямую связаны с особенностями системы крепления (подвески) двигателя в фюзеляже самолета. Частоты 16 Гц и 22 Гц, скорее всего, связаны с собственными колебаниями самолета в целом на его шасси. Что касается частоты 37 Гц, то она, вероятно, связана с собственной частотой колебаний лопасти винта самолета.

Последнее предположение подтверждается результатами измерений собственных частот колебаний лопастей винта (рис. 3.3), в спектре которых были выделены три основные частоты: 37 Гц, 100 Гц и 174 Гц.

Знание собственных частот колебаний подвески двигателя и лопастей винта Су-29 имеет существенное практическое значение. Во-первых, это позволяет обоснованно выбрать частоту вращения винта для балансировки, обеспечивая максимальное отклонение от структурных резонансов самолета. Во-вторых, это обеспечивает необходимую основу для правильной интерпретации и диагностики причин вибрации, наблюдаемых в различных режимах работы двигателя, как будет показано в последующих разделах данного отчета.

3.3. Базовый уровень вибрации кабины до балансировки

Перед проведением процедуры балансировки были выполнены измерения базовых уровней вибрации во второй кабине пилота Су-29. Как и в случае с Як-52, вибрация измерялась в вертикальном направлении с помощью портативного спектрального анализатора AD-3527 производства A&D (Япония) в диапазоне частот от 5 до 200 Гц. Измерения проводились при четырех режимах частоты вращения основных двигателей, соответствующих 60%, 65%, 70% и 82% максимальной частоты вращения винта.

Результаты этих измерений представлены в таблице 3.1.

Основные составляющие вибрации проявляются на частоте вращения винта V._п1, коленчатый вал V_с1, привод компрессора V_n, и вторая гармоника коленчатого вала V_с2 (что в случае трехлопастного винта может также совпадать с частотой прохождения лопастей V)_{стр. 3}).

В спектре режима 60% также был обнаружен неопознанный компонент на частоте 6120 циклов/мин, возможно, вызванный резонансом на частоте приблизительно 100 Гц — одной из собственных частот лопастей винта.

Максимальная суммарная вибрация (11,5 мм/сек) была обнаружена в режиме 70%. Доминирующей составляющей в этом режиме является V._с2 при 4020 циклах/мин, достигая 10,8 мм/сек. Это резкое увеличение при 70%, вероятно, обусловлено резонансными колебаниями подвески двигателя вблизи 67 Гц (4020 циклов/мин).

Следует также отметить, что помимо ударных воздействий от поршневой группы, на вибрацию в этом частотном диапазоне могут влиять и аэродинамические силы на частоте прохождения лопастей винта (V)._{стр. 3}В режимах 65% и 82% наблюдается заметное увеличение V._с2 (V_{стр. 3}Также наблюдается компонент ), который также можно объяснить резонансными колебаниями отдельных компонентов самолета.

Компонент дисбаланса гребного винта V_п1 Скорость вращения варьировалась от 2,4 до 5,7 мм/сек в различных режимах до балансировки, как правило, ниже V._с2 на соответствующих режимах. Его изменение между режимами определяется не только качеством балансировки, но и степенью отклонения от собственных частот конструктивных элементов самолета.

3.4. Результаты балансировки

Балансировка винта проводилась в одной плоскости при частоте вращения 1350 об/мин с использованием двух циклов измерений (классический метод коэффициентов влияния). Полный протокол балансировки приведен в [ссылка на документ]. Приложение 1.

Процедура балансировки состояла из следующих операций:

1. В ходе первого запуска (начальное состояние) были определены амплитуда и фаза колебаний на частоте вращения винта.
2. В ходе второго запуска были определены амплитуда и фаза колебаний после установки на винт пробной массы известного веса.
3. На основе полученных результатов измерений программное обеспечение рассчитало массу и угол установки корректирующего груза в плоскости 1, необходимых для компенсации дисбаланса гребного винта.

Проверка качества балансировки в полете не проводилась из-за случайного повреждения винта во время тренировочного полета.

Причины указанного расхождения могут быть следующими:

• ошибки измерительной системы балансировочного стенда на заводе-изготовителе (эта причина представляется наименее вероятной);
• геометрические ошибки (неточности) монтажных поверхностей шпинделя балансировочного станка на заводе-изготовителе, вызывающие радиальное биение винта на шпинделе;
• Геометрические погрешности (неточности) монтажных поверхностей выходного вала редуктора самолета Су-29, вызывающие радиальное биение винта при его установке на вал редуктора.

3.5. Выводы

3.5.1.

Балансировка винта самолета Су-29 в одной плоскости при частоте вращения винта 1350 об/мин (70%) позволила снизить вибрацию на этой частоте с 6,7 мм/с в исходном состоянии до 1,5 мм/с после балансировки. Вибрация, связанная с дисбалансом винта на других скоростных режимах двигателя, также значительно уменьшилась и оставалась в пределах 1–2,5 мм/с.

3.5.2.

Для выяснения причин неудовлетворительных результатов балансировки винта на заводе-изготовителе (МТ-Пропеллер) необходимо проверить радиальное биение винта на выходном валу редуктора двигателя самолета Су-29.

Приложение 1: Протокол балансировки