O uravnoteženju propelerjev letal v terenskih pogojih

1. Predgovor

Pred dvema letoma in pol je naše podjetje začelo serijsko proizvodnjo naprave "Balanset-1", namenjene uravnoteženju rotacijskih mehanizmov v lastnih ležajih.

Do danes je bilo izdelanih več kot 180 kompletov. Učinkovito se uporabljajo v različnih panogah, vključno s proizvodnjo in delovanjem ventilatorjev, puhal, elektromotorjev, strojnih vreten, črpalk, drobilnikov, separatorjev, centrifug, kardanskih in ročičnih sklopov ter podobnih mehanizmov.

V zadnjem času je Vibromera prejela veliko število povpraševanj organizacij in posameznikov glede možnosti uporabe naše opreme za uravnoteženje propelerjev letal in helikopterjev v terenskih pogojih.

Žal se naši strokovnjaki kljub dolgoletnim izkušnjam pri uravnoteženju različnih strojev še nikoli niso soočali s to specifično težavo. Nasveti in priporočila, ki smo jih lahko dali našim strankam, so bili zato precej splošni in jim niso vedno omogočili učinkovite rešitve naloge.

To stanje se je začelo spreminjati na bolje to pomlad, zahvaljujoč aktivni udeležbi V. D. Chvokova, ki je organiziral in skupaj z nami sodeloval pri delu na uravnoteženju propelerjev letal Jak-52 in Su-29, ki jih pilotira.

Med tem delom so bile pridobljene določene veščine in razvita je bila tehnologija za uravnoteženje propelerjev letal v terenskih pogojih z uporabo naprave "Balanset-1", vključno z:

• določitev lokacij in načinov namestitve (montaže) senzorjev vibracij in faznega kota na letalu;
• določanje resonančnih frekvenc več strukturnih elementov letala (vzmetenje motorja, lopatice propelerja);
• identifikacija vrtilnih frekvenc motorja (delovnih načinov), ki zagotavljajo minimalno dosegljivo preostalo neravnovesje med uravnoteženjem;
• določitev toleranc za preostalo neravnovesje propelerja.

Poleg tega so bili pridobljeni zanimivi podatki o ravneh vibracij letal, opremljenih z motorji M-14P.

Spodaj so predstavljeni podatki poročila, zbrani na podlagi rezultatov tega dela. Poleg rezultatov uravnoteženja predstavljajo tudi podatke vibracijskih raziskav letal Jak-52 in Su-29, pridobljene med zemeljskimi in letalskimi preizkusi. Ti podatki so lahko zanimivi tako za pilote letal kot za strokovnjake, ki se ukvarjajo z njihovim vzdrževanjem.

2. Pregled uravnoteženja in vibracij letala Jak-52

2.1. Uvod

V maju–juliju 2014 so bila izvedena dela na vibracijskem pregledu letala Jak-52, opremljenega z letalskim motorjem M-14P, in uravnoteženju njegovega dvokrakega propelerja.

Uravnoteženje je bilo izvedeno v eni ravnini z uporabo kompleta "Balanset-1", serijska št. 149.

Shema merjenja je prikazana na sliki 2.1. Med uravnoteženjem se senzor vibracij (merilnik pospeška) 1 je bil nameščen na sprednjem pokrovu menjalnika motorja z magnetnim nosilcem na posebej zasnovanem nosilcu. Laserski senzor faznega kota 2 je bil nameščen tudi na pokrovu menjalnika in usmerjen proti odsevni oznaki, naneseni na eno od lopatic propelerja.

Analogni signali iz senzorjev so bili po kablih preneseni v merilno enoto naprave "Balanset-1", kjer je bila izvedena predhodna digitalna obdelava. Ti signali so nato v digitalni obliki vstopili v računalnik, kjer je bila izvedena programska obdelava in izračunana masa in kot korekcijske uteži, potrebna za kompenzacijo neravnovesja propelerja.

Med tem delom so bile ob upoštevanju izkušenj, pridobljenih z uravnoteženjem propelerjev tako Su-29 kot Jak-52, izvedene številne dodatne študije:

• določanje naravnih frekvenc nihanj motorja in propelerja letala Jak-52;
• merjenje magnitude in spektralne sestave vibracij v kabini drugega pilota med letom po uravnoteženju propelerja;
• merjenje vibracij po uravnoteženju propelerja in po nastavitvi sile zategovanja amortizerjev motorja.

2.2. Naravne frekvence nihanj motorja in propelerja

Naravne frekvence nihanj motorja, nameščenega na amortizerjih v trupu letala, so bile določene z uporabo spektralnega analizatorja AD-3527 podjetja A&D (Japonska) z udarnim vzbujanjem.

V spektru naravnih nihanj vzmetenja motorja Jak-52 (slika 2.2) so bile opredeljene štiri glavne frekvence: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Frekvence 74 Hz, 94 Hz in 120 Hz so verjetno povezane z značilnostmi pritrditve (vzmetenja) motorja na trup letala. Frekvenca 20 Hz je najverjetneje povezana z naravnimi nihanji letala na podvozju pristajalnega podvozja.

Naravne frekvence lopatic propelerja so bile določene tudi z metodo vzbujanja z udarcem. Ugotovljene so bile štiri glavne frekvence: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz in 134 Hz.

Podatki o naravnih frekvencah nihanja vzmetenja motorja in lopatic propelerja so pomembni predvsem za izbiro frekvence vrtenja propelerja med uravnoteženjem. Glavni pogoj pri izbiri te frekvence je zagotovitev maksimalne odstopanja od naravnih frekvenc nihanja konstrukcijskih elementov letala, saj se pri resonančnih frekvencah lahko znatno poslabšata natančnost in ponovljivost meritev vibracij.

Poleg tega je lahko poznavanje naravnih frekvenc posameznih komponent koristno za prepoznavanje vzrokov za močno povečanje vibracij (resonančni pojavi) pri različnih načinih vrtljajev motorja, ki se lahko pojavijo med delovanjem letala.

2.3. Rezultati uravnoteženja

Kot je navedeno zgoraj, je bilo uravnoteženje propelerja izvedeno v eni ravnini, s čimer se je dinamično kompenziralo neravnovesje sil propelerja.

Dinamično uravnoteženje v dveh ravninah (ki bi dodatno kompenziralo neravnovesje momentov) ni bilo izvedljivo, saj zasnova propelerja na Jaku-52 omogoča le eno korekcijsko ravnino.

Uravnoteženje je bilo izvedeno pri vrtilni frekvenci 1150 vrt/min (60%), pri kateri so bile iz vožnje v vožnjo dosežene najstabilnejše meritve vibracij, tako amplitudno kot fazno.

Uporabljena je bila klasična shema "dvosmernega":

1. Med prvim zagonom sta bili določeni amplituda in faza vibracij pri frekvenci vrtenja propelerja v začetnem stanju.
2. Med drugim preizkusom sta bili določeni amplituda in faza vibracij po namestitvi poskusne mase 7 g na propeler.
3. Na podlagi teh podatkov je programska oprema izračunala: korekcijsko maso M = 19,5 g pod kotom Š = 32°.

Zaradi konstrukcijskih značilnosti propelerja, ki niso omogočale namestitve korekcijske uteži pod zahtevanim kotom 32°, sta bili nameščeni dve enakovredni uteži:

• M1 = 14 g pri kotu F1 = 0°
• M2 = 8,3 g pri kotu F2 = 60°

2.4. Vibracije pri drugih načinih delovanja

Rezultati preverjanja vibracij pri drugih načinih delovanja motorja med zemeljskimi preizkusi so predstavljeni v tabeli 2.1. Kot je razvidno, je uravnoteženje pozitivno vplivalo na vibracije letala Jak-52 pri vseh načinih.

Poleg tega je bil med zemeljskimi preizkusi ugotovljen jasen trend znatnega zmanjšanja vibracij z naraščajočo frekvenco vrtenja propelerja. To je mogoče pojasniti z večjim odstopanjem frekvence vrtenja propelerja od naravne frekvence nihanja letala na šasiji (domnevno 20 Hz), kar se pojavi pri višjih frekvencah vrtenja.

2.5. Vibracije med letom pred in po nastavitvi amortizerja

Poleg preizkusov vibracij na tleh po uravnoteženju propelerja (poglavje 2.3) so bile opravljene tudi meritve vibracij letala Jak-52 med letom.

Vibracije med letom so bile merjene v kabini drugega pilota v navpični smeri z uporabo prenosnega spektralnega analizatorja AD-3527 podjetja A&D (Japonska) v frekvenčnem območju od 5 do 200 (500) Hz. Meritve so bile opravljene pri petih glavnih načinih vrtenja motorja: 60%, 65%, 70%, 82% in 94% z največjo vrtilno frekvenco.

Rezultati, dobljeni pred nastavitvijo amortizerjev, so predstavljeni v tabeli 2.2.

Kot je razvidno iz tabele 2.2, se glavne komponente vibracij pojavijo pri vrtilni frekvenci propelerja V_p1, frekvenca ročične gredi V_c1, pogon zračnega kompresorja (in/ali frekvenčnega senzorja) V_n, in njihove višje harmonike.

Največja skupna vibracija V_Σ je bila ugotovljena pri načinih 82% (1580 vrt/min) in 94% (1830 vrt/min). Dominantna komponenta se pri teh načinih pojavi pri 2. harmoniku vrtilne frekvence ročične gredi V_c2, pri čemer je dosegel 12,5 mm/s pri 4800 ciklih/min in 15,8 mm/s pri 5520 ciklih/min.

Lahko se domneva, da je ta komponenta povezana z batno skupino (udarni procesi, ki se pojavljajo med dvojnim gibanjem batov na en obrat ročične gredi). Ostro povečanje v načinih 82% (prvi nominalni) in 94% (vzlet) najverjetneje ni posledica napak batne skupine, temveč resonančnih nihanj motorja na njegovih amortizerjih. Ta sklep podpirajo meritve naravne frekvence, ki so pokazale frekvence vzmetenja motorja pri 74 Hz (4440 ciklov/min), 94 Hz (5640 ciklov/min) in 120 Hz (7200 ciklov/min). Dve od teh – 74 Hz in 94 Hz – sta blizu frekvencam 2. harmonika ročične gredi v prvem nominalnem in vzletnem načinu delovanja.

Zaradi znatnih vibracij, ki jih najdemo pri V_c2, je bila preverjena in prilagojena sila zategovanja amortizerjev motorja. Primerjalni rezultati so predstavljeni v tabeli 2.3.

Kot je razvidno iz tabele 2.3, prilagoditev amortizerja ni povzročila bistvenih sprememb v glavnih komponentah vibracij letala.

Prav tako je treba opozoriti, da je komponenta neravnovesja propelerja V_p1 pri načinih 82% in 94% je 3–7-krat nižji od V_c2 v teh načinih. Pri drugih načinih letenja, V_p1 giblje se od 2,8 do 4,4 mm/s, njegove spremembe med načini pa v glavnem niso določene s kakovostjo uravnoteženja, temveč s stopnjo odstopanja od naravnih frekvenc konstrukcijskih elementov letala.

2.6. Zaključki

2.6.1.

Uravnoteženje propelerja letala Jak-52 pri vrtilni frekvenci 1150 vrt/min (60%) je omogočilo zmanjšanje vibracij pri vrtilni frekvenci propelerja z 10,2 mm/s na 4,2 mm/s. Ob upoštevanju izkušenj, pridobljenih med uravnoteženjem propelerjev letal Jak-52 in Su-29 z uporabo naprave "Balanset-1", obstaja realna možnost za doseganje še večjega zmanjšanja ravni vibracij - zlasti z izbiro višje vrtilne frekvence propelerja med uravnoteženjem, kar bi omogočilo večjo odstopanje od naravne frekvence nihanja letala pri 20 Hz (1200 ciklov/min), ugotovljene med meritvami.

2.6.2.

Kot kažejo preizkusi vibracij med letom (glej tabeli 2.2 in 2.3), vibracijski spektri letala Jak-52 poleg vibracij pri frekvenci vrtenja propelerja V vsebujejo tudi_p1, več drugih pomembnih komponent – povezanih z ročično gredjo V_c1, V_c2, V_c3, batna skupina motorja in zračni kompresor (in/ali frekvenčni senzor) poganjajo V_n.

Pri hitrostnih načinih 60%, 65% in 70% so te komponente po velikosti primerljive s komponento neravnovesja propelerja V._p1. Posledično bi celo popolna odprava vibracij, ki jih povzroča neravnovesje propelerja, omogočila zmanjšanje skupnih vibracij letala v teh načinih za največ približno 1,5-krat.

2.6.3.

Največja skupna vibracija V_Σ Vibracije letala Jak-52 so bile ugotovljene pri hitrostnih režimih 82% (1580 vrt/min propelerja) in 94% (1830 vrt/min propelerja). Prevladujoča komponenta teh vibracij se pojavi pri 2. harmoniku vrtilne frekvence ročične gredi V_c2, pri frekvencah 4800 ciklov/min oziroma 5520 ciklov/min, pri katerih doseže vrednosti 12,5 mm/s oziroma 15,8 mm/s.

Kot je prikazano v poglavjih 2.5 in 2.2, močno povečanje te komponente pri navedenih načinih najverjetneje ni posledica napak batne skupine, temveč resonančnih nihanj motorja na njegovih amortizerjih. Prilagoditev sile zategovanja amortizerja, izvedena med preskusi, ni povzročila bistvenih sprememb v ravni vibracij.

To situacijo lahko verjetno štejemo za načrtovalsko napako (konstruktivni prosoj) razvijalcev letal, priznanih med izbiro sistema vgradnje (vzmetenja) motorja v ohišju letala.

2.6.4.

Podatki, pridobljeni med uravnoteženjem propelerja in dodatno opravljeni vibracijski testi, kažejo, da je lahko periodično spremljanje vibracij koristno za diagnostično oceno tehničnega stanja letalskega motorja, vključno z oceno stanja batne skupine, ročične gredi, ležajev motorja in pogona zračnega kompresorja.

Takšno delo je mogoče opraviti na primer z napravo "Balanset-1" (ki se trenutno proizvaja kot Balanset-1A), v programski opremi katere je implementirana funkcija spektralne vibracijske analize.

3. Uravnoteženje propelerja MTV-9-KC/CL 260-27 in pregled vibracij letala Su-29

3.1. Uvod

15. junija 2014 so bila izvedena dela na uravnoteženju trikrakega propelerja tipa MTV-9-KC/CL 260-27, nameščenega na letalskem motorju M-14P akrobatskega letala Su-29.

Glede na podatke, ki jih je posredoval proizvajalec (MT-Propeller), je bil navedeni propeler predhodno statično uravnotežen, kar dokazuje prisotnost korektivne uteži na propelerju v ravnini 1, nameščene v proizvodnem obratu.

Uravnoteženje propelerja, nameščenega neposredno na izhodni gredi menjalnika Su-29 (torej na mestu njegove stalne namestitve), je bilo izvedeno z uporabo kompleta za uravnoteženje vibracij "Balanset-1", serijska št. 149.

Merilna shema (slika 3.1) je bila na splošno podobna tisti, ki je bila uporabljena za Jak-52. Senzor vibracij (merilnik pospeška) 1 je bil nameščen na ohišju menjalnika motorja z magnetnim nosilcem na posebej zasnovanem nosilcu. Laserski senzor faznega kota 2 je bil prav tako nameščen na ohišju menjalnika in usmerjen proti odsevni oznaki, nameščeni na enem od krakov propelerja. Analogni signali iz senzorjev so bili po kablih preneseni v merilno enoto naprave "Balanset-1", kjer je bila izvedena predhodna digitalna obdelava. Nato so signali v digitalni obliki vstopili v računalnik, kjer je bila izvedena programska obdelava in izračunana masa in kot korekcijske uteži, potrebna za kompenzacijo neravnovesja propelerja.

Pred tem delom in ob upoštevanju izkušenj z uravnoteženjem propelerja Yak-52 so bile izvedene dodatne študije:

• določanje naravnih frekvenc nihanj motorja in propelerja Su-29;
• preverjanje magnitude in spektralne sestave osnovnih vibracij v kabini drugega pilota pred uravnoteženjem.

3.2. Naravne frekvence nihanj motorja in propelerja

Z uporabo iste metode vzbujanja udarcev z analizatorjem AD-3527 je bilo v spektru vzmetenja motorja identificiranih šest glavnih frekvenc (slika 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

Frekvence 66 Hz, 88 Hz in 120 Hz so domnevno neposredno povezane s posebnostmi sistema vgradnje (vzmetenja) motorja v trupu letala. Frekvenci 16 Hz in 22 Hz sta najverjetneje povezani z naravnimi nihanji letala kot celote na njegovem podvozju. Kar zadeva frekvenco 37 Hz, je verjetno povezana z naravno frekvenco nihanja lopatice propelerja letala.

To zadnjo predpostavko potrjujejo rezultati meritev naravnih frekvenc nihanj lopatic propelerja (slika 3.3), v spektru katerih so bile identificirane tri glavne frekvence: 37 Hz, 100 Hz in 174 Hz.

Poznavanje naravnih frekvenc vzmetenja motorja in lopatic propelerja letala Su-29 je bistvenega praktičnega pomena. Prvič, omogoča upravičeno izbiro frekvence vrtenja propelerja za uravnoteženje, kar zagotavlja maksimalno odklop od strukturnih resonanc letala. Drugič, zagotavlja potrebno osnovo za pravilno interpretacijo in diagnozo vzrokov vibracij, opaženih pri različnih načinih delovanja motorja, kot bo prikazano v naslednjih razdelkih tega poročila.

3.3. Osnovne vibracije kabine pred uravnoteženjem

Pred izvedbo postopka uravnoteženja so bile izvedene meritve osnovnih ravni vibracij v drugi pilotski kabini Su-29. Tako kot v primeru Jak-52 so bile vibracije izmerjene v navpični smeri z uporabo prenosnega spektralnega analizatorja AD-3527 podjetja A&D (Japonska) v frekvenčnem območju od 5 do 200 Hz. Meritve so bile izvedene pri štirih glavnih načinih vrtenja motorja, ki ustrezajo največji vrtilni frekvenci propelerja 60%, 65%, 70% in 82%.

Rezultati teh meritev so predstavljeni v tabeli 3.1.

Glavne komponente vibracij se pojavijo pri vrtilni frekvenci propelerja V_p1, ročična gred V_c1, pogon kompresorja V_n, in 2. harmonik ročične gredi V_c2 (ki se lahko v primeru trikrakega propelerja ujema tudi s frekvenco prehoda lopatic V_p3).

V spektru načina 60% je bila najdena tudi neidentificirana komponenta pri 6120 ciklih/min, ki jo je verjetno povzročila resonanca pri približno 100 Hz – ena od naravnih frekvenc lopatice propelerja.

Največja skupna vibracija (11,5 mm/s) je bila ugotovljena pri načinu 70%. Prevladujoča komponenta pri tem načinu je V_c2 pri 4020 ciklih/min, doseže 10,8 mm/s. To močno povečanje pri 70% je verjetno posledica resonančnih nihanj vzmetenja motorja blizu 67 Hz (4020 ciklov/min).

Prav tako je treba opozoriti, da lahko na vibracije v tem frekvenčnem območju poleg udarnih vzbujanj iz batne skupine vplivajo tudi aerodinamične sile pri frekvenci prehoda lopatic propelerja (V_p3). Pri načinih 65% in 82% je opazno povečanje V_c2 (V_p3Opažena je tudi ) komponenta, ki jo je mogoče prav tako pojasniti z resonančnimi nihanji posameznih komponent letala.

Komponenta neravnovesja propelerja V_p1 se je pred uravnoteženjem gibala od 2,4 do 5,7 mm/s v različnih načinih, na splošno nižja od V_c2 pri ustreznih načinih. Njegovo spreminjanje med načini ni določeno le s kakovostjo uravnoteženja, temveč tudi s stopnjo odstopanja od naravnih frekvenc konstrukcijskih elementov letala.

3.4. Rezultati uravnoteženja

Uravnoteženje propelerja je bilo izvedeno v eni ravnini pri vrtilni frekvenci 1350 vrt/min z uporabo dveh meritev (klasična metoda vplivnih koeficientov). Celoten protokol uravnoteženja je podan v Dodatek 1.

Postopek uravnoteženja je obsegal naslednje operacije:

1. Med prvim zagonom (začetno stanje) sta bili določeni amplituda in faza vibracij pri frekvenci vrtenja propelerja.
2. Med drugim preizkusom sta bili določeni amplituda in faza vibracij po namestitvi poskusne mase znane teže na propeler.
3. Na podlagi teh rezultatov meritev je programska oprema izračunala maso in kot namestitve korektivne uteži v ravnini 1, ki sta potrebna za kompenzacijo neravnovesja propelerja.

Preverjanje kakovosti uravnoteženja med letom ni bilo izvedeno zaradi nenamerne poškodbe propelerja med vadbenim letom.

Razlogi za navedeno neskladje so lahko naslednji:

• napake merilnega sistema balansirnega stojala v proizvodnem obratu (ta razlog se zdi najmanj verjeten);
• geometrijske napake (netočnosti) pritrdilnih površin vretena balansirnega stroja v proizvodnem obratu, ki povzročajo radialno odstopanje propelerja na vretenu;
• geometrijske napake (netočnosti) pritrdilnih površin izhodne gredi menjalnika na letalu Su-29, ki povzročajo radialno iztekanje propelerja, ko je nameščen na gredi menjalnika.

3.5. Zaključki

3.5.1.

Uravnoteženje propelerja letala Su-29 v eni ravnini pri vrtilni frekvenci propelerja 1350 vrt/min (70%) je omogočilo zmanjšanje vibracij pri vrtilni frekvenci propelerja s 6,7 mm/s v začetnem stanju na 1,5 mm/s po uravnoteženju. Vibracije, povezane z neravnovesjem propelerja, so se pri drugih hitrostnih režimih motorja prav tako znatno zmanjšale in ostale v območju 1–2,5 mm/s.

3.5.2.

Da bi razjasnili razloge za nezadovoljive rezultate uravnoteženja propelerja v proizvodnem obratu (MT-Propeller), je treba preveriti radialno odtekanje propelerja na izhodni gredi menjalnika motorja letala Su-29.

Dodatek 1: Protokol uravnoteženja