DOI: https://doi.org/10.32515/2664-262X.2025.12(43).2.87-101

Обґрунтування методів визначення масової та аеродинамічної (гідродинамічної) незрівноваженості гвинта

Г. Б. Філімоніхін, Ю. О. Сокальська, Ю. О. Остапчук, Л. С. Олійніченко, В. В. Пирогов

Про авторів

Філімоніхін Геннадій Борисович , професор, доктор технічних наук, завідувач кафедри деталей машин та прикладної механіки, Центральноукраїнський національний технічний університет, м. Кропивницький, Україна, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2819-0569, e-mail: filimonikhin@ukr.net

Сокальська Юлія Олександрівна , здобувачка вищої освіти на третьому (освітньо-науковому) рівні, Центральноукраїнський національний технічний університет, м. Кропивницький, Україна, ORCID: https://orcid.org/0009-0008-4043-6251, e-mail: julija_8383@ukr.net

Остапчук Юлія Олександрівна , здобувачка вищої освіти на третьому (освітньо-науковому) рівні, Центральноукраїнський національний технічний університет, м. Кропивницький, Україна, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7826-364X, e-mail: juli.biluk97@gmail.com

Олійніченко Любов Сергіївна , доцентка, кандидатка технічних наук, доцентка кафедри деталей машин та прикладної механіки, Центральноукраїнський національний технічний університет, м. Кропивницький, Україна, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9351-6265, e-mail: loga_lubov@ukr.net

Пирогов Володимир Васильович , доцент, кандидат фізико-математчних наук, доцент кафедри деталей машин та прикладної механіки, Центральноукраїнський національний технічний університет, м. Кропивницький, Україна, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5843-4552, e-mail: pirogovvv@ukr.net

Анотація

Теоретично обґрунтовано нові методи окремого визначення масової і аеродинамічної (гідродинамічної) незрівноваженості повітряного чи гребного гвинта з фіксованим кроком. Для цього запропоновано визначати динамічну незрівноваженість двічі: за нормальних умов роботи гвинта; за змінених умов, за яких змінюється лише аеродинамічна (гідродинамічна) складова незрівноваженості гвинта. Запропоновані методи базуються на: зміні густини повітря, газу або рідини; застосуванні реверсивного обертання гвинта; використанні екранного ефекту. Зокрема, зміни густини можна досягти шляхом заміни робочого тіла на тіло з іншою густиною або шляхом зміни його температури чи тиску. Теоретична основа базується на таких властивостях аеродинамічної (гідродинамічної) незрівноваженості: вона прямо пропорційний густині середовища; її напрямок змінюється на протилежний при зворотному обертанні гвинта; її величина збільшується, коли перед або за гвинтом встановлено екран (екранний ефект). Аеродинамічна (гідродинамічна) незрівноваженість кількісно визначається як еквівалентна масова незрівноваженість, виміряна балансувальним приладом за певних умов роботи гвинта. Запропонований закон зміни цієї незрівноваженості, що залежить від умови роботи гвинта. Ефективність цих методів оцінюється на основі їхньої практичної доцільності та потенційного впливу на точність розділення складових незрівноваженостей. Ці результати можуть бути корисними для розробки вдосконалених методів балансування, оцінки залишкової незрівноваженості та контролю якості під час виробництва та ремонту гвинтів.

Ключові слова

гвинт, балансування, безпілотний апарат, пілотований апарат, балансувальний пристрій, екранний ефект

Повний текст:

PDF

Посилання

1. Best, S. (1945). Propeller Balancing Problems. SAE Transactions, 53, 648–659. www.jstor.org/stable/44467824.

2. Majumder, P., & Maity, S. (2022). A critical review of different works on marine propellers over the last three decades. Ships and Offshore Structures, 18(3), 391–413. https://doi.org/10.1080/17445302.2022.2058767.

3. Li, L., Cao, S., Li, J., Nie, R., & Hou, L. (2021). Review of Rotor Balancing Methods. Machines, 9(5), 89. https://doi.org/10.3390/machines9050089.

4. DeSmidt, H. A. (2010). Automatic Balancing of Bladed-Disk/Shaft System via Passive Auto-balancer Devices. AIAA Journal, 48(2), 372–386. https://doi.org/10.2514/1.43832.

5. Filimonikhin, H. B., & Oliinychenko, L. S. (2015). Doslidzhennia mozhlyvosti zrivnovazhennia aerodynamichnoho dysbalansu krylchatky osiovoho ventyliatora korehuvanniam mas. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(7(77)), 30–35. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2015.51195 [in Ukrainian].

6. Filimonikhina, I., Nevdakha, Y., Olijnichenko, L., Pukalov, V., & Chornohlazova, H. (2019). Experimental study of the accuracy of balancing an axial fan by adjusting the masses and by passive auto-balancers. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(1(102)), 60–69. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.184546.

7. Niebsch, J., Ramlau, R., & Nguyen, T. (2010). Mass and Aerodynamic Unbalance Estimates of Wind Turbines. Energies, 3(4), 696–710. https://doi.org/10.3390/en3040696.

8. Bertelè, M., & Bottasso, C. L. (2022). Automatic detection and correction of aerodynamic and inertial rotor unbalances in wind turbine rotors. Journal of Physics: Conference Series, 2265. https://doi.org/10.1088/1742- 6596/2265/3/032100.

9. Sucameli, C. R., Bertelè, M., & Bottasso, C. L. (2024). Automatic detection and correction of aerodynamic unbalances: a noise-based approach. Journal of Physics: Conference Series, 2767. https://doi.org/10.1088/1742- 6596/2767/2/022022.

10. Milani, S., Leoni, J., Cacciola, S., Croce, A., & Tanelli, M. (2025). A machine-learning-based approach for active monitoring of blade pitch misalignment in wind turbines. Wind Energy Science, 10, 497–510. https://doi.org/10.5194/wes-10-497-2025.

11. Li, Z., & Gao, Y. (2024). Research on Wind Turbine Unbalance Fault Diagnosis Based on Wavelet Transform and Convolutional Neural Network. IEEE Access, 12, 176259–176269. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3496921.

12. International Organization for Standardization. (2015). Shipbuilding — Ship screw propellers — Manufacturing tolerances — Part 2: Propellers of diameter between 0.80 and 2.50 m inclusive (ISO 484-2:2015). https://www.iso.org/standard/63433.html.

13. Martin, E., Hartford, W., & Beebe, M. (1944). Means and methods of balancing propellers. US Patent 2343383A. IPC G01M1/22. https://patents.google.com/patent/US2343383A.

14. Kudashov, E., Bolotov, M., Grachev, I., & Pronichev, N. (2022). Methodology for assessing the aerodynamic unbalance of GTE impellers. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1227/1/012004.

15. Faizin, M., Paryanto, P., Cahyo, N., & Rusnaldy, R. (2024). Investigating the accuracy of boat propeller blade components with reverse engineering approach using photogrammetry method. Results in Engineering, 22, 102293. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.102293.

16. Olijnichenko, L., Filimonikhin, G., Nevdakha, A., & Pirogov, V. (2018). Patterns in change and balancing of aerodynamic unbalance of the low pressure axial fan impeller. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(7(93)), 71–81. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133105.

17. Filimonikhin, G., Filimonikhina, I., Bilyk, Y., Krivoblotsky, L., & Machok, Y. (2021). Theoretical study into the aerodynamic unbalance of a propeller blade and the correcting masses this balance it. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(7(112)), 60–66. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.238289.

18. Sheets, J. H., & MacKinney, G. W. (1945). Reverse-Thrust Propellers as Landing Brakes. SAE Transactions, 257–263. https://www.jstor.org/stable/44467777.

19. Ma, Z., Wang, G., Luo, S., Luo, Q., & Zhao, Y. (2021). A Fast Landing Control Method for Full Wing Solar- powered UAV by Using Propeller Thrust Reversal. Chinese Control and Decision Conference (CCDC), 4938– 4943. https://doi.org/10.1109/CCDC52312.2021.9601493.

20. Bass, J., Tunney, I., & Desbiens, A. L. (2022). Adaptive Friction Shock Absorbers and Reverse Thrust for Fast Multirotor Landing on Inclined Surfaces. IEEE Robotics and Automation Letters, 7(3), 6701–6708. https://doi.org/10.1109/LRA.2022.3176102.

21. Yasukawa, H., Fujiwara, R., & Hirata, N. et al. (2022). Influence of initial disturbances on ship stopping performance by propeller reverse rotation. Journal of Marine Science and Technology, 27, 740–758. https://doi.org/10.1007/s00773-021-00866-2.

22. Garofano-Soldado, A., Sanchez-Cuevas, P. J., Heredia, G., & Ollero, A. (2022). Numerical-experimental evaluation of aerodynamic ground effect for small-scale tilted propellers at low Reynolds numbers. Aerospace Science and Technology, 126, 107625. https://doi.org/10.1016/j.ast.2022.107625.

23. Xiang He, & Kam K. Leang. (2025). Rotorcraft in-ground effect models in axial and forward flight. Aerospace Science and Technology, 156, 109748. https://doi.org/10.1016/j.ast.2024.109748.

24. Luo, Y., Ai, T., He, Y., Xu, B., Qian, Y., & Zhang, Y. (2023). Numerical investigation on unstable characteristics of ducted fans in ground effect. Chinese Journal of Aeronautics, 36(9), 79–95. https://doi.org/10.1016/j.cja.2023.04.004.

25. Kleeman, R. D. (2022). A Kinetic Theory of Gases and Liquids. USA: Creative Media Partners, LLC.

26. Chambers, A. (2004). Modern Vacuum Physics. Boca Raton: CRC Press LLC. 341 s.

27. Poling, B. E., Prausnitz, J. M., & O'Connell, J. P. (2001). Properties of Gases and Liquids (5th ed.). New York: McGraw-Hill Education. https://www.accessengineeringlibrary.com/content/book/9780070116825.

28. Sposib vyznachennia nezrivnovazhenostei povitrianoho hvynta: Patent №165212 Ukraina. MPK G01M 1/12, G01M 1/22 (2006.01). №u202500165; zaiavl. 14.01.2025; opubl. 16.10.2025, Biul. №41/2025 [in Ukrainian].

29. Sposib vyznachennia nezrivnovazhenostei povitrianoho hvynta: Patent №159842 Ukraina. MPK G01M1/12, G01M1/22 (2006.01). №u202500166; zaiavl. 14.01.2025; opubl. 09.07.2025, Biul. №28/2025 [in Ukrainian].

30. Sposib vyznachennia nezrivnovazhenostei povitrianoho hvynta: Patent №159843 Ukraina. MPK G01M 1/12, G01M 1/22 (2006.01). №u202500167; zaiavl. 14.01.2025; opubl. 09.07.2025, Biul. №28/2025 [in Ukrainian].

31. Sposib vyznachennia nezrivnovazhenostei povitrianoho hvynta: Patent №159914 Ukraina. MPK G01M 1/12, G01M 1/22 (2006.01). №u202500164; zaiavl. 14.01.2025; opubl. 16.07.2025, Biul. №29/2025 [in Ukrainian].

32. Sposib vyznachennia nezrivnovazhenostei povitrianoho hvynta: Patent №159841 Ukraina. MPK G01M 1/12, G01M 1/22 (2006.01). №u202500163; zaiavl. 14.01.2025; opubl. 09.07.2025, Biul. №28/2025 [in Ukrainian].

Пристатейна бібліографія ГОСТ

1. Best S. Propeller Balancing Problems. SAE Transactions. 1945. Vol. 53. P. 648–659. www.jstor.org/stable/44467824.

2. Majumder P., Maity S. A critical review of different works on marine propellers over the last three decades. Ships and Offshore Structures. 2022. 18(3). P. 391–413. https://doi.org/10.1080/17445302.2022.2058767.

3. Li L., Cao S., Li J., Nie R., Hou L. Review of Rotor Balancing Methods. Machines. 2021. 9(5):89. https://doi.org/10.3390/machines9050089.

4. DeSmidt H. A. Automatic Balancing of Bladed-Disk/Shaft System via Passive Auto-balancer Devices. AIAA Journal. 2010. 48(2). P. 372–386. https://doi.org/10.2514/1.43832.

5. Філімоніхін Г. Б., Олійніченко Л. С. Дослідження можливості зрівноваження аеродинамічного дисбалансу крильчатки осьового вентилятора корегуванням мас. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2015. 5(7(77)). C. 30–35. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2015.51195.

6. Filimonikhina I., Nevdakha Y., Olijnichenko L., Pukalov V., Chornohlazova H. Experimental study of the accuracy of balancing an axial fan by adjusting the masses and by passive auto-balancers. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2019. 6(1(102)). P. 60–69. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.184546.

7. Niebsch J., Ramlau R., Nguyen T. Mass and Aerodynamic Unbalance Estimates of Wind Turbines. Energies. 2010. 3(4). P. 696–710. https://doi.org/10.3390/en3040696.

8. Bertelè M., Bottasso C. L. Automatic detection and correction of aerodynamic and inertial rotor unbalances in wind turbine rotors. Journal of Physics: Conference Series. 2022. 2265. https://doi.org/10.1088/1742- 6596/2265/3/032100.

9. Sucameli C. R., Bertelè M., Bottasso C. L. Automatic detection and correction of aerodynamic unbalances: a noise-based approach. Journal of Physics: Conference Series. 2024. 2767. https://doi.org/10.1088/1742- 6596/2767/2/022022.

10. Milani S., Leoni J., Cacciola S., Croce A., Tanelli M. A machine-learning-based approach for active monitoring of blade pitch misalignment in wind turbines. Wind Energy Science. 2025. 10. P. 497–510. https://doi.org/10.5194/wes-10-497-2025.

11. Li Z., Gao Y. Research on Wind Turbine Unbalance Fault Diagnosis Based on Wavelet Transform and Convolutional Neural Network. IEEE Access. 2024. 12. P. 176259–176269. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3496921.

12. International Organization for Standardization. Shipbuilding — Ship screw propellers — Manufacturing tolerances — Part 2: Propellers of diameter between 0.80 and 2.50 m inclusive (ISO 484-2:2015). 2015. https://www.iso.org/standard/63433.html.

13. Martin E., Hartford W., Beebe M. Means and methods of balancing propellers. US Patent 2343383A. United States, 1944. IPC G01M1/22. Available: https://patents.google.com/patent/US2343383A.

14. Kudashov E., Bolotov M., Grachev I., Pronichev N. Methodology for assessing the aerodynamic unbalance of GTE impellers. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2022. https://doi.org/10.1088/1757- 899X/1227/1/012004.

15. Faizin M., Paryanto P., Cahyo N., Rusnaldy R. Investigating the accuracy of boat propeller blade components with reverse engineering approach using photogrammetry method. Results in Engineering. 2024. 22. 102293. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.102293.

16. Olijnichenko L., Filimonikhin G., Nevdakha A., Pirogov V. Patterns in change and balancing of aerodynamic unbalance of the low pressure axial fan impeller. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2018. 3(7(93)). P. 71–81. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133105.

17. Filimonikhin G., Filimonikhina I., Bilyk Y., Krivoblotsky L., Machok Y. Theoretical study into the aerodynamic unbalance of a propeller blade and the correcting masses this balance it. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2021. 4(7(112)). P. 60–66. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.238289.

18. Sheets J. H., MacKinney G. W. Reverse-Thrust Propellers as Landing Brakes. SAE Transactions. 1945. P. 257–263. https://www.jstor.org/stable/44467777.

19. Ma Z., Wang G., Luo S., Luo Q., Zhao Y. A Fast Landing Control Method for Full Wing Solar-powered UAV by Using Propeller Thrust Reversal. Chinese Control and Decision Conference (CCDC). 2021. P. 4938–4943. https://doi.org/10.1109/CCDC52312.2021.9601493.

20. Bass J., Tunney I., Desbiens A. L. Adaptive Friction Shock Absorbers and Reverse Thrust for Fast Multirotor Landing on Inclined Surfaces. IEEE Robotics and Automation Letters. 2022. 7(3). P. 6701–6708. https://doi.org/10.1109/LRA.2022.3176102.

21. Yasukawa H., Fujiwara R., Hirata N. et al. Influence of initial disturbances on ship stopping performance by propeller reverse rotation. Journal of Marine Science and Technology. 2022. 27. P. 740–758. https://doi.org/10.1007/s00773-021-00866-2.

22. Garofano-Soldado A., Sanchez-Cuevas P. J., Heredia G., Ollero A. Numerical-experimental evaluation of aerodynamic ground effect for small-scale tilted propellers at low Reynolds numbers. Aerospace Science and Technology. 2022. 126. 107625. https://doi.org/10.1016/j.ast.2022.107625.

23. Xiang He, Kam K. Leang. Rotorcraft in-ground effect models in axial and forward flight. Aerospace Science and Technology. 2025. 156. 109748. https://doi.org/10.1016/j.ast.2024.109748.

24. Luo Y., Ai T., He Y., Xu B., Qian Y., Zhang Y. Numerical investigation on unstable characteristics of ducted fans in ground effect. Chinese Journal of Aeronautics. 2023. 36(9). P. 79–95. https://doi.org/10.1016/j.cja.2023.04.004.

25. Kleeman R. D. A Kinetic Theory of Gases and Liquids. USA : Creative Media Partners, LLC, 2022. 288 с.

26. Chambers A. Modern Vacuum Physics. Boca Raton : CRC Press LLC, 2004. 341 с.

27. Poling B. E., Prausnitz J. M., O'Connell J. P. Properties of Gases and Liquids. 5th ed. New York : McGraw-Hill Education, 2001. https://www.accessengineeringlibrary.com/content/book/9780070116825.

28. Спосіб визначення незрівноваженостей повітряного гвинта : пат. 165212 Україна : МПК G01M 1/12, G01M 1/22 (2006.01). № u202500165 ; заявл. 14.01.2025 ; опубл. 16.10.2025. Бюл. № 41/2025.

29. Спосіб визначення незрівноваженостей повітряного гвинта : пат. 159842 Україна : МПК G01M1/12, G01M1/22 (2006.01). № u202500166 ; заявл. 14.01.2025 ; опубл. 09.07.2025. Бюл. № 28/2025.

30. Спосіб визначення незрівноваженостей повітряного гвинта : пат. 159843 Україна : МПК G01M 1/12, G01M 1/22 (2006.01). № u202500167 ; заявл. 14.01.2025 ; опубл. 09.07.2025. Бюл. № 28/2025.

31. Спосіб визначення незрівноваженостей повітряного гвинта : пат. 159914 Україна : МПК G01M 1/12, G01M 1/22 (2006.01). № u202500164 ; заявл. 14.01.2025 ; опубл. 16.07.2025. Бюл. № 29/2025.

32. Спосіб визначення незрівноваженостей повітряного гвинта : пат. 159841 Україна : МПК G01M 1/12, G01M 1/22 (2006.01). № u202500163 ; заявл. 14.01.2025 ; опубл. 09.07.2025. Бюл. № 28/2025.


Copyright (c) 2025 Г. Б. Філімоніхін, Ю. О. Сокальська, Ю. О. Остапчук, Л. С. Олійніченко, В. В. Пирогов