O uravnoteženju propelerja zrakoplova na terenu. 1. del

1. V.D. Feldman

Glavni tehnik podjetja OU Vibromera

O uravnoteženju propelerja zrakoplova na terenu

 "Propeler je gonilo letala,

in ga lahko uravnovesi le strelec."

1. Na spletnem mestu namesto predgovora

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

Do danes je bilo izdelanih več kot 180 kompletov, ki se učinkovito uporabljajo v različnih industrijah, vključno s proizvodnjo in delovanjem ventilatorjev, izpihovalnikov, elektromotorjev, delovnih vreten, črpalk, drobilnikov, separatorjev, centrifug, pogonskih in ročičnih gredi ter drugih mehanizmov.

V zadnjem času je naše podjetje prejelo veliko število prošenj organizacij in posameznikov v zvezi z možnostjo uporabe naše opreme za uravnoteženje propelerjev letal in helikopterjev na terenu.

Žal se naši strokovnjaki, ki imajo veliko izkušenj z uravnoteženjem najrazličnejših strojev, s to težavo še niso srečali. Zato so bili nasveti in priporočila, ki smo jih lahko dali našim strankam, splošne narave in jim niso vedno omogočili učinkovite rešitve problema.

Letos spomladi se je stanje začelo spreminjati na bolje zaradi aktivnega delovanja V. D. Čvokova, ki je organiziral in skupaj z nami najbolj aktivno sodeloval pri delih na uravnoteženju propelerjev letal YAK-52 in SU-29, katerih pilot je.

Slika 1.1. Jak-52 na letališču

Slika 1.2. SU-29 na parkirišču

Med tem procesom smo se naučili določenih veščin in tehnologije uravnoteženja propelerjev letal v terenskem okolju z uporabo naprave Balanset-1, vključno z:

• določitev mest in načinov namestitve (montaže) senzorjev vibracij in faznega kota na objektu;
• določitev resonančnih frekvenc več konstrukcijskih elementov zrakoplova (vzmetenje motorja, lopatice propelerja);
• ugotavljanje vrtilne hitrosti (načini delovanja) motorja, kar zagotavlja najmanjše preostalo neravnovesje v postopku uravnoteženja;
• določitev toleranc za preostalo neuravnoteženost propelerja itd.

Poleg tega smo pridobili zanimive podatke o ravneh vibracij letala, opremljenega z motorji M-14P.

Na podlagi rezultatov teh del so v nadaljevanju predlagana gradiva za poročanje.

Poleg rezultatov uravnoteženja vsebujejo tudi podatke o preiskavah vibracij letal YAK-52 in SU-29, pridobljene med testi na tleh in med letom.

Ti podatki so lahko zanimivi tako za pilote zrakoplovov kot za strokovnjake za vzdrževanje.

2. Rezultati uravnoteženja propelerja in testiranja vibracij akrobatskega letala YAK-52

2.1. Uvod

Maja in julija 2014 smo izvedli testiranje vibracij letala YAK-52, opremljenega z letalskim motorjem M-14P, ter uravnotežili njegov propeler z dvema lopaticama.

Balansiranje je bilo opravljeno v isti ravnini z balansirnim kompletom Balanset-1, št. obrata 149.

Merilna shema, ki se uporablja pri uravnoteženju, je prikazana na sliki 2.1.

Med postopkom uravnoteženja senzor vibracij (merilnik pospeška) 1 je bil z magnetom na posebnem nosilcu pritrjen na sprednji pokrov motornega menjalnika.

Laserski senzor faznega kota 2 je bil prav tako nameščen na pokrovu menjalnika, vodila pa ga je odsevna nalepka, pritrjena na eno od lopatic propelerja.

Analogni signali iz senzorjev so se po kablih prenesli v merilno enoto naprave Balanset-1, v kateri je bila opravljena njihova predhodna digitalna obdelava.

Ti signali so se v digitalni obliki prenesli v računalnik, ki jih je obdelal ter izračunal maso in kot namestitve korekcijske uteži, potrebne za izravnavo neravnovesja na propelerju.

Slika 2.1. Merilna shema za uravnoteženje propelerja YAK-52.

Zk - kolo glavnega menjalnika;

Zс - satelitska oprema;

Zn - kolo s fiksno prestavo.

Pri tem delu smo ob upoštevanju izkušenj z uravnoteženjem propelerjev SU-29 in YAK-52 opravili številne dodatne študije, med drugim:

• določitev lastnih frekvenc nihanja motorja in propelerja YAK-52;
• preverjanje vrednosti in spektralne sestave vibracij v pilotski kabini kopilota med letom po uravnoteženju propelerja;
• preverjanje vrednosti in spektralne sestave vibracij v pilotski kabini kopilota med letom po uravnoteženju propelerja in prilagoditvi sile zategovanja blažilnika motorja.

2.2. Rezultati študij lastnih frekvenc motorja in propelerja.

Lastne frekvence motorja, nameščenega na blažilnikih v trupu letala, so bile določene s spektralnim analizatorjem AD-3527, f. A @ D, (Japonska), z udarnim vzbujanjem nihanja motorja.

V spektru lastnih nihanj vzmetenja motorja YAK-52 smo določili 4 glavne frekvence, in sicer: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz, primer katerih je prikazan na sliki 2.2.

Slika 2.2. Spekter lastnih frekvenc nihanja vzmetenja motorja YAK-52

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 nihanjem letala na podvozju.

Z metodo udarnega vzbujanja so bile določene tudi lastne frekvence nihanja lopatic propelerja.

V tem primeru smo odkrili štiri glavne frekvence, in sicer: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz in 134 Hz.

Podatki o lastnih frekvencah nihanja propelerja in motorja YAK-52 so lahko pomembni predvsem pri izbiri frekvence vrtenja propelerja, ki se uporablja pri uravnoteženju. Glavni pogoj za izbiro te frekvence je, da se zagotovi njen največji možni odmik od lastnih frekvenc nihanja konstrukcijskih elementov zrakoplova.

Poleg tega je poznavanje lastnih frekvenc nihanja posameznih sestavnih delov in delov zrakoplova lahko koristno za ugotavljanje razlogov za močno povečanje (v primeru resonance) nekaterih sestavnih delov spektra vibracij pri različnih hitrostih motorja.

2.3. Rezultati uravnoteženja.

Kot smo navedli zgoraj, je bil propeler uravnotežen v isti ravnini, zaradi česar je bila zagotovljena kompenzacija neravnovesja moči propelerja v dinamiki.

Dinamično uravnoteženje v dveh ravninah ni bilo mogoče, kar omogoča (poleg sile) izravnavo neuravnoteženosti momenta propelerja, saj konstrukcija propelerja, nameščenega na YAK-52, omogoča oblikovanje le ene korekcijske ravnine.

Propeler je bil uravnotežen pri frekvenci vrtenja, ki je bila enaka 1 150 vrtljajev na minuto (60%), pri kateri je bilo mogoče dobiti najbolj stabilne rezultate merjenja vibracij v amplitudi in fazi od začetka do začetka.

Propeler je bil uravnotežen po klasični shemi "dva zagona".

Med prvim zagonom smo določili amplitudo in fazo vibracij pri frekvenci vrtenja propelerja v začetnem stanju.

Med drugim zagonom smo določili amplitudo in fazo vibracij pri frekvenci vrtenja propelerja, potem ko smo določili preskusno maso 7 g.

Ob upoštevanju teh podatkov smo programsko izračunali maso M = 19,5 g in kot namestitve korekcijske uteži F = 32.

Ob upoštevanju konstrukcijskih značilnosti propelerja, zaradi katerih korekcijske uteži ni mogoče postaviti pod zahtevanim kotom, sta na propeler pritrjeni dve enakovredni uteži, ki vključujeta:

• Teža M1 = 14 g na kotu F1 = 0º;
• Teža M1 = 8,3 g na kotu F1 = 60º.

Po namestitvi zgornjih korekcijskih uteži na propeler so se vibracije, izmerjene pri hitrosti vrtenja 1 150 vrt/min in povezane z neravnovesjem propelerja, zmanjšale z 10,2 mm/s v začetnem stanju na 4,2 mm/s po uravnoteženju.

Hkrati se je dejanska neuravnoteženost propelerja zmanjšala z 2340 g*mm na 963 g*mm.

2.4. Preizkus vpliva uravnoteženja na raven vibracij letala YAK-52 na tleh pri različnih hitrostih propelerja

V preglednici 2.1 so prikazani rezultati preskusa vibracij letala YAK-52, opravljenega v drugih pogojih delovanja motorja, pridobljenih med preskusi na tleh.

Iz tabele je razvidno, da je izravnava pozitivno vplivala na vibracije letala YAK-52 v vseh načinih delovanja.

Preglednica 2.1

Poleg tega je bila med testiranjem na tleh ugotovljena težnja po znatnem zmanjšanju vibracij letala s povečano hitrostjo vrtenja propelerja.

Ta pojav je mogoče razložiti z večjo oddaljenostjo hitrosti vrtenja propelerja od naravne frekvence nihanja letala na podvozju (predvidoma 20 Hz), ki se pojavi z večjo hitrostjo vrtenja propelerja.

2.5. Pregled vibracij letala YAK-52 v zraku v glavnih načinih letenja pred in po prilagoditvi sile zategovanja blažilnikov

Poleg testov vibracij, opravljenih po uravnoteženju propelerja na tleh (glej oddelek 2.3), smo opravili tudi meritve vibracij letala YAK-52 med letom.

Vibracije med letom so bile izmerjene v pilotski kabini kopilota v navpični smeri s prenosnim analizatorjem vibracijskega spektra AD-3527 f. A@D (Japonska) v frekvenčnem območju od 5 do 200 (500) Hz.

Meritve so bile opravljene pri petih vrtljajih glavnega motorja, ki so bili enaki 60%, 65%, 70% in 82% njegove največje vrtilne frekvence.

Rezultati meritev, opravljenih pred nastavitvijo blažilnikov, so prikazani v preglednici 2.2.

Tabela 2.2

Na slikah 2.3 in 2.4 sta kot primer prikazana grafa spektrov, dobljenih pri merjenju vibracij v pilotski kabini YAK-52 v načinih 60% in 94% in uporabljenih pri izpolnjevanju preglednice 2.2.

Slika 2.3. Spekter vibracij v pilotski kabini letala YAK-52 pri 60%.

Slika 2.4. Spekter vibracij v pilotski kabini letala YAK-52 pri 94%.

Iz preglednice 2.2 je razvidno, da se glavne komponente vibracij, izmerjene v pilotski kabini kopilota, pojavljajo pri hitrosti vrtenja propelerja Vv1 (označeno z rumeno), ročične gredi motorja Vk1 (označeno z modro) in pogonskem kolesu zračnega kompresorja (in/ali senzorju frekvence) Vn (označeno z zeleno) ter pri njihovih višjih harmoničnih Vv2, Vv4, Vv5 in Vk2, Vk3.

Največje skupne vibracije Vå  je bila zaznana pri hitrostih 82% (1.580 vrtljajev na minuto propelerja) in 94% (1.830 vrtljajev na minuto).

Glavna komponenta te vibracije se kaže v 2^nd harmonične hitrosti ročične gredi motorja Vk2 in zato doseže vrednosti 12,5 mm/s pri frekvenci 4800 ciklov/min in 15,8 mm/s pri frekvenci 5520 ciklov/min.

Domnevamo lahko, da je ta komponenta povezana z delovanjem batnega bloka motorja (udarni procesi, ko se bati med enim obratom ročične gredi dvakrat premaknejo).

Močno povečanje te komponente v načinih 82% (prvi nominalni) in 94% (vzlet) najverjetneje ni posledica napak v skupini batov, temveč resonančnih nihanj motorja, ki je pritrjen na telo letala na blažilniku.

To ugotovitev potrjujejo zgoraj navedeni rezultati eksperimentalnega preverjanja lastnih frekvenc nihanja vzmetenja motorja, v spektru katerih so 74 Hz (4440 ciklov/min), 94 Hz (5640 ciklov/min) in 120 Hz (7200 ciklov/min).

Dve od teh lastnih frekvenc, ki sta enaki 74 in 94 Hz, sta blizu frekvencam 2^nd harmonične hitrosti vrtenja ročične gredi, ki se pojavijo v prvih nazivnih in vzletnih vrednostih delovanja motorja.

Ker smo med testiranjem vibracij odkrili znatne vibracije pri 2^nd harmonike ročične gredi pri prvi nazivni in vzletni vrednosti motorja, je bilo treba preveriti in prilagoditi zategovalno silo blažilnikov vzmetenja motorja.

Preglednica 2.3 prikazuje rezultate primerjalnega preskusa, pridobljene pred in po nastavitvi blažilnikov za hitrost vrtenja propelerja (Vv1) in 2^nd harmonična frekvenca vrtenja ročične gredi (Vk2).

Preglednica 2.3

Kot je razvidno iz preglednice 2.3, nastavitev blažilnikov ni povzročila bistvenih sprememb vrednosti glavnih komponent vibracij zrakoplova.

Ob upoštevanju navedenega je mogoče opazno povečanje komponente vibracij letala YAK-52 v prvem nominalnem in vzletnem režimu (po našem mnenju) obravnavati kot konstrukcijsko napako konstruktorjev letala, ki so jo naredili pri izbiri sistema za pritrditev motorja (vzmetenje) v trupu letala.

V zvezi s tem je treba opozoriti, da je amplituda spektralne komponente, povezane z neravnovesjem propelerja Vv1, zaznana v načinih 82% in 94% (glej preglednici 1.2 in 1.3), 3-7-krat manjša od amplitud Vk2 v teh načinih.

Pri drugih načinih leta je komponenta Vv1 znotraj 2,8-4,4 mm/s.

Poleg tega, kot je razvidno iz preglednic 2.2 in 2.3, med prehodom iz enega načina v drugega njegove spremembe niso odvisne predvsem od kakovosti uravnoteženja, temveč od stopnje odklona hitrosti vrtenja propelerja od lastnih frekvenc nihanja nekaterih konstrukcijskih elementov zrakoplova.

2.6. Sklepi o rezultatih dela

2.6.1. Z uravnoteženjem propelerja YAK-52 pri frekvenci vrtenja 1150 vrt/min (60%) je bilo mogoče vibracije propelerja z 10,2 mm/s zmanjšati na 4,2 mm/s.

Ob upoštevanju nekaterih izkušenj, pridobljenih pri uravnoteženju propelerjev letal YAK-52 in SU-29 z napravo Balanset-1, lahko domnevamo, da obstaja možnost nadaljnjega zmanjšanja ravni vibracij propelerja letala YAK-52.

Ta učinek je mogoče doseči zlasti z izbiro drugačne (višje) frekvence vrtenja propelerja med njegovim uravnoteženjem, ki omogoča večjo stopnjo ločitve od naravne frekvence nihanja zrakoplova 20 Hz (1 200 ciklov/min), ugotovljene med preskusom.

2.6.2. Kot kažejo rezultati vibracijskih testov letala YAK-52 med letom, imajo njegovi spektri vibracij (poleg komponente, omenjene v odstavku 2.6.1, ki se pojavlja pri frekvenci vrtenja propelerja) številne druge komponente, povezane z delovanjem ročične gredi, batne skupine motorja in tudi pogonskega mehanizma zračnega kompresorja (in/ali senzorja frekvence).

Vrednosti zgornjih vibracij v načinih 60%, 65% in 70% so sorazmerne z vrednostjo vibracije, ki je povezana z neravnovesjem propelerja.

Analiza teh vibracij je pokazala, da tudi popolna odprava vibracij zaradi neravnovesja propelerja ne bo zmanjšala skupnih vibracij letala v teh načinih za več kot 1,5-krat.

2.6.3. Največje skupne vibracije Vå YAK-52 je bil zaznan v hitrih načinih, in sicer: 82% (1 580 vrt/min propelerja) in 94% (1 830 vrt/min propelerja).

Glavna komponenta te vibracije se kaže v 2^nd harmonična frekvenca vrtenja ročične gredi motorja Vk2 (pri frekvencah 4 800 ciklov/min ali 5 520 ciklov/min), ki doseže vrednosti 12,5 mm/s oziroma 15,8 mm/s.

Domnevamo lahko, da je ta komponenta povezana z delovanjem skupine batov motorja (udarni procesi, ki nastanejo, ko se bati med enim obratom ročične gredi dvakrat premaknejo).

Močno povečanje te komponente v načinih 82% (prvi nominalni) in 94% (vzlet) najverjetneje ni posledica napak v batni skupini, temveč resonančnih nihanj na motorju, ki so v ohišju letala pritrjena na blažilce.

Med preskusi nastavitev blažilnikov ni povzročila bistvenih sprememb vibracij.

To stanje lahko štejemo za konstrukcijsko napako konstruktorjev letala, ki so jo naredili pri izbiri sistema pritrditve (vzmetenja) motorja v ohišje letala.

2.6.4. Podatki, pridobljeni med uravnoteženjem in dodatnimi vibracijskimi preskusi (glej rezultate preskusov med letom v oddelku 2.5), nam omogočajo sklepati, da je periodično spremljanje vibracij lahko koristno za diagnostično oceno tehničnega stanja letalskega motorja.

Tak postopek se lahko izvede na primer z napravo Balanset-1, katere programska oprema izvaja funkcijo spektralne analize vibracij.