על איזון מדחפי מטוסים בתנאי שטח

1. הקדמה

לפני שנתיים וחצי, החל המפעל שלנו בייצור סדרתי של מכשיר "Balanset-1", שנועד לאיזון מנגנונים סיבוביים במיסבים שלהם.

עד כה יוצרו יותר מ-180 סטים. הם משמשים ביעילות בתעשיות שונות, כולל ייצור ותפעול של מאווררים, מפוחים, מנועים חשמליים, צירים של מכונות, משאבות, מגרסות, מפרידים, צנטריפוגות, מכלולי קרדן וגל ארכובה ומנגנונים דומים.

לאחרונה, Vibromera קיבלה מספר רב של פניות מארגונים ואנשים פרטיים בנוגע לאפשרות להשתמש בציוד שלנו לאיזון מדחפים של מטוסים ומסוקים בתנאי שטח.

למרבה הצער, המומחים שלנו, למרות ניסיון רב שנים באיזון מכונות שונות, מעולם לא טיפלו בעבר בבעיה ספציפית זו. לכן, העצות וההמלצות שיכולנו לתת ללקוחותינו היו כלליות למדי ולא תמיד אפשרו להם לפתור ביעילות את המשימה שלפניהם.

מצב זה החל להשתנות לטובה באביב זה, הודות למעורבותו הפעילה של ו.ד. צ'בוקוב, שארגן ולקח חלק לצידנו בעבודה על איזון המדחפים של מטוסי יאק-52 וסו-29, אותם הוא מטיס.

במהלך עבודה זו נרכשו מיומנויות מסוימות ופותחה טכנולוגיה לאיזון מדחפי מטוסים בתנאי שטח באמצעות מכשיר "Balanset-1", ביניהן:

• קביעת המיקומים והשיטות להתקנת (הרכבה) חיישני רטט וזווית פאזה על גבי כלי הטיס;
• קביעת תדרי התהודה של מספר אלמנטים מבניים של המטוס (מתלי מנוע, להבי מדחף);
• זיהוי תדרי סיבוב המנוע (מצבי פעולה) המבטיחים את חוסר האיזון השיורי המינימלי שניתן להשיג במהלך האיזון;
• קביעת סבולות לחוסר האיזון השיורי של המדחף.

בנוסף, התקבלו נתונים מעניינים על רמות הרטט של מטוסים המצוידים במנועי M-14P.

להלן חומרי הדוח שנאספו מתוצאות עבודה זו. בנוסף לתוצאות האיזון, הן מציגות נתונים מסקרי רעידות של מטוסי Yak-52 ו-Su-29, שהתקבלו במהלך ניסויי קרקע וטיסה. נתונים אלה עשויים לעניין הן טייסי מטוסים והן מומחים המעורבים בתחזוקתם.

2. סקר איזון ורעידות של היאק-52

2.1. מבוא

בחודשים מאי-יולי 2014, בוצעה עבודה על סקר רעידות של מטוס Yak-52, המצויד במנוע התעופה M-14P, ואיזון המדחף הדו-להבי שלו.

איזון בוצע במישור אחד באמצעות ערכת "Balanset-1", מספר סידורי 149.

סכמת המדידה מוצגת באיור 2.1. במהלך האיזון, חיישן הרטט (מד תאוצה) 1 הותקן על המכסה הקדמי של תיבת ההילוכים של המנוע באמצעות תושבת מגנטית על תושבת שתוכננה במיוחד. חיישן זווית פאזה לייזר 2 הותקן גם על מכסה תיבת ההילוכים וכיוונו לכיוון הסימן המחזיר אור שהונח על אחד מלהבי המדחף.

אותות אנלוגיים מהחיישנים הועברו באמצעות כבלים ליחידת המדידה של מכשיר ה-"Balanset-1", שם בוצע עיבוד דיגיטלי מקדים. אותות אלה בצורה דיגיטלית נכנסו לאחר מכן למחשב, שם בוצע עיבוד תוכנה וחושבו המסה והזווית של משקולת התיקון הנדרשת כדי לפצות על חוסר האיזון במדחף.

במהלך עבודה זו, תוך התחשבות בניסיון שנצבר מאיזון המדחפים של ה-Su-29 וה-Yak-52, נערכו מספר מחקרים נוספים:

• קביעת התדרים הטבעיים של תנודות המנוע והמדחף של יאק-52;
• מדידת גודל הרטט וההרכב הספקטרלי בתא הטייס השני במהלך הטיסה לאחר איזון המדחף;
• מדידת רעידות לאחר איזון המדחף ולאחר כוונון כוח ההידוק של בולמי הזעזועים של המנוע.

2.2. תדרים טבעיים של תנודות המנוע והמדחף

התדרים הטבעיים של תנודות המנוע, המותקנות על בולמי זעזועים בגוף המטוס, נקבעו באמצעות מנתח ספקטרום AD-3527 של A&D (יפן) באמצעות עירור פגיעה.

בספקטרום התנודות הטבעיות של מתלה מנוע Yak-52 (איור 2.2), זוהו ארבעה תדרים עיקריים: 20 הרץ, 74 הרץ, 94 הרץ, 120 הרץ.

התדרים 74 הרץ, 94 הרץ ו-120 הרץ קשורים ככל הנראה למאפייני תושבת המנוע (מתלה) לגוף המטוס. התדר 20 הרץ קשור ככל הנראה לתנודות הטבעיות של המטוס בשלדת כנף הנחיתה שלו.

התדרים הטבעיים של להבי המדחף נקבעו גם הם באמצעות שיטת עירור הפגיעה. זוהו ארבעה תדרים עיקריים: 36 הרץ, 80 הרץ, 104 הרץ ו-134 הרץ.

הנתונים על התדרים הטבעיים של תנודות מתלה המנוע ולהבי המדחף חשובים בעיקר לבחירת תדר סיבוב המדחף במהלך האיזון. התנאי העיקרי בבחירת תדר זה הוא להבטיח ניתוק מקסימלי מהתדרים הטבעיים של תנודות האלמנטים המבניים של המטוס, שכן בתדרים תהודה הדיוק והחזרתיות של מדידות הרטט עלולים להיפגע באופן משמעותי.

בנוסף, ידע על התדרים הטבעיים של רכיבים בודדים יכול להיות שימושי לזיהוי הגורמים לעלייה חדה ברטט (תופעות תהודה) במצבי מהירות מנוע שונים, אשר עלולות להתרחש במהלך הפעלת המטוס.

2.3. איזון תוצאות

כפי שצוין לעיל, איזון המדחף בוצע במישור אחד, ובכך פיצה באופן דינמי על חוסר האיזון בכוח של המדחף.

איזון דינמי בשני מישורים (שיפצה בנוסף על חוסר איזון במומנט) לא היה בר ביצוע, מכיוון שתכנון המדחף ביאק-52 מאפשר מישור תיקון אחד בלבד.

איזון בוצע בתדר סיבוב של 1150 סל"ד (60%), שבו התקבלו מדידות הרטט היציבות ביותר, הן באמפליטודה והן בפאזה, מסיבוב לסיבוב.

נעשה שימוש בתוכנית הקלאסית של "שתי ריצות":

1. במהלך הריצה הראשונה, נקבעו משרעת ומופע הרטט בתדר סיבוב המדחף במצב ההתחלתי.
2. במהלך הריצה השנייה, נקבעו משרעת ומופע הרטט לאחר התקנת מסת ניסיון של 7 גרם על המדחף.
3. בהתבסס על נתונים אלה, התוכנה חישבה: מסת תיקון מטר = 19.5 גרם בזווית פרנהייט = 32°.

בשל מאפייני התכנון של המדחף, שלא אפשרו התקנת משקולת תיקון בזווית הנדרשת של 32°, הותקנו שתי משקולות שוות ערך:

• M1 = 14 גרם בזווית F1 = 0°
• M2 = 8.3 גרם בזווית F2 = 60°

2.4. רעידות במצבי פעולה אחרים

תוצאות בדיקות הרטט במצבי פעולה אחרים של המנוע במהלך בדיקות קרקע מוצגות בטבלה 2.1. כפי שניתן לראות, האיזון השפיע באופן חיובי על הרטט של Yak-52 בכל המצבים.

יתר על כן, במהלך ניסויי קרקע זוהתה מגמה ברורה של הפחתה משמעותית ברעידות עם עלייה בתדירות סיבוב המדחף. ניתן להסביר זאת על ידי שינוי גדול יותר בתדירות סיבוב המדחף מתדירות התנודה הטבעית של המטוס בשלדה (ככל הנראה 20 הרץ), המתרחש בתדרי סיבוב גבוהים יותר.

2.5. רטט בטיסה לפני ואחרי כוונון בולם זעזועים

בנוסף לבדיקות רעידות הקרקע לאחר איזון המדחף (סעיף 2.3), נערכו גם מדידות רעידות של היאק-52 בטיסה.

רעידות בטיסה נמדדו בתא הטייס השני בכיוון אנכי באמצעות מנתח ספקטרום נייד מדגם AD-3527 של חברת A&D (יפן) בטווח התדרים שבין 5 ל-200 (500) הרץ. המדידות נערכו בחמישה מצבי מהירות מנוע עיקריים: 60%, 65%, 70%, 82% ו-94% בתדר הסיבוב המרבי.

התוצאות, שהתקבלו לפני כוונון בולמי הזעזועים, מוצגות בטבלה 2.2.

כפי שניתן לראות בטבלה 2.2, רכיבי הרטט העיקריים מופיעים בתדר סיבוב המדחף V_{עמ' 1}, תדר גל הארכובה V_ג1, מדחס האוויר (ו/או חיישן התדר) מניע V_n, וההרמוניות הגבוהות יותר שלהם.

רטט כולל מקסימלי V_Σ נמצא במצבים 82% (1580 סל"ד) ו-94% (1830 סל"ד). הרכיב הדומיננטי במצבים אלה מופיע בהרמוניה השנייה של תדר סיבוב גל הארכובה V_ג2, ומגיע ל-12.5 מ"מ/שנייה ב-4800 מחזורים/דקה ו-15.8 מ"מ/שנייה ב-5520 מחזורים/דקה.

ניתן להניח שרכיב זה קשור לקבוצת הבוכנות (תהליכי פגיעה המתרחשים במהלך תנועה כפולה של הבוכנות לכל סיבוב גל ארכובה אחד). העלייה החדה במצבים 82% (נומינלי ראשון) ו-94% (המראה) נגרמת ככל הנראה לא מפגמים בקבוצת הבוכנות, אלא מתנודות תהודה של המנוע על בולמי הזעזועים שלו. מסקנה זו נתמכת על ידי מדידות התדר הטבעי, שחשפו תדרי מתלים של המנוע ב-74 הרץ (4440 מחזורים/דקה), 94 הרץ (5640 מחזורים/דקה) ו-120 הרץ (7200 מחזורים/דקה). שניים מהם - 74 הרץ ו-94 הרץ - קרובים לתדרי ההרמוניה השנייה של גל הארכובה במצבי הפעולה הנומינלי הראשון ובמצב ההמראה.

עקב התנודות המשמעותיות שנמצאו ב-V_ג2, נבדק וכוונן כוח ההידוק של בולמי הזעזועים של המנוע. תוצאות ההשוואה מוצגות בטבלה 2.3.

כפי שניתן לראות מטבלה 2.3, כוונון הבולם לא הוביל לשינויים משמעותיים במרכיבי הרטט העיקריים של המטוס.

כמו כן יש לציין כי רכיב חוסר האיזון של המדחף V_{עמ' 1} במצבים 82% ו-94% נמוך פי 3-7 בהתאמה מ-V_ג2 במצבים אלה. במצבי טיסה אחרים, V_{עמ' 1} נע בין 2.8 ל-4.4 מ"מ/שנייה, והשינויים שלו בין המצבים נקבעים בעיקר לא על ידי איכות האיזון, אלא על ידי מידת הסטייה מהתדרים הטבעיים של אלמנטים מבניים של המטוס.

2.6. מסקנות

2.6.1.

איזון המדחף של ה-Yak-52 בתדר סיבוב של 1150 סל"ד (60%) אפשר הפחתת הרטט בתדר סיבוב המדחף מ-10.2 מ"מ/שנייה ל-4.2 מ"מ/שנייה. בהתחשב בניסיון שנצבר במהלך איזון המדחפים של מטוסי ה-Yak-52 וה-Su-29 באמצעות מכשיר ה-"Balanset-1", קיימת אפשרות ריאלית להשיג הפחתה גדולה עוד יותר של רמת הרטט - בפרט, על ידי בחירת תדר סיבוב גבוה יותר של המדחף במהלך האיזון, מה שיאפשר במידה רבה יותר שינוי כיוון מהתדר הטבעי של תנודות המטוס ב-20 הרץ (1200 מחזורים/דקה) שזוהו במהלך המדידות.

2.6.2.

כפי שמראים מבחני רעידות הטיסה (ראה טבלאות 2.2 ו-2.3), ספקטרום הרעידות של מטוס Yak-52 מכיל, בנוסף לרעידות בתדר סיבוב המדחף V_{עמ' 1}, מספר רכיבים משמעותיים נוספים - הקשורים לגל הארכובה V_ג1,V_ג2,V_ג3, קבוצת בוכנות המנוע, ומדחס האוויר (ו/או חיישן התדר) מניעים את V_n.

במצבי המהירות של 60%, 65% ו-70%, רכיבים אלה דומים בגודלם לרכיב חוסר האיזון של המדחף V_{עמ' 1}. כתוצאה מכך, אפילו ביטול מוחלט של הרעידות הנגרמות מחוסר איזון במדחף יאפשר להפחית את הרעידות הכוללות של המטוס במצבים אלה לא יותר מפי 1.5 בקירוב.

2.6.3.

רטט כולל מקסימלי V_Σ של מטוס Yak-52 נמצא במצבי מהירות של 82% (1580 סל"ד של המדחף) ו-94% (1830 סל"ד של המדחף). הרכיב הדומיננטי של ויברציה זו מופיע בהרמוניה השנייה של תדר סיבוב גל הארכובה V_ג2, בתדרים של 4800 מחזורים/דקה ו-5520 מחזורים/דקה בהתאמה, שבהם הוא מגיע לערכים של 12.5 מ"מ/שנייה ו-15.8 מ"מ/שנייה.

כפי שמוצג בסעיפים 2.5 ו-2.2, העלייה החדה ברכיב זה במצבים המצוינים נגרמת ככל הנראה לא מפגמים בקבוצת הבוכנה, אלא מתנודות תהודה של המנוע על בולמי הזעזועים שלו. כוונון כוח הידוק הבולם, שבוצע במהלך הבדיקות, לא הוביל לשינויים משמעותיים ברמות הרטט.

ניתן להניח כי מצב זה נחשב לטעות תכנונית (פרושקט קונסטרוקטיבי) של מפתחי המטוסים, שהתקבלו במהלך בחירת מערכת הרכבה (מתלים) למנוע בגוף המטוס.

2.6.4.

הנתונים שהתקבלו במהלך איזון המדחפים ומבחני הרטט הנוספים שבוצעו מצביעים על כך שניטור רעידות תקופתי יכול להיות שימושי להערכה אבחנתית של המצב הטכני של מנוע המטוס, כולל הערכת מצב קבוצת הבוכנות, גל הארכובה, מיסבי המנוע והינע מדחס האוויר.

עבודה כזו יכולה להתבצע, למשל, באמצעות מכשיר "Balanset-1" (המיוצר כיום כ- באלאנסט-1א), בתוכנה שבה מיושמת פונקציית ניתוח הרטט הספקטרלי.

3. איזון סקר המדחף והרטט של ה-Su-29 באמצעות MTV-9-KC/CL 260-27

3.1. מבוא

ב-15 ביוני 2014, בוצעה עבודה על איזון המדחף בעל שלושת הלהבים מסוג MTV-9-KC/CL 260-27, המותקן על מנוע התעופה M-14P של מטוס האווירובטיקה Su-29.

על פי הנתונים שסיפק היצרן (MT-Propeller), המדחף המצוין איזן סטטי ראשוני, כפי שמעיד נוכחות משקולת מתקנת על המדחף במישור 1 שהותקנה במפעל הייצור.

איזון המדחף, המותקן ישירות על ציר היציאה של תיבת ההילוכים של ה-Su-29 (כלומר, במקום התקנתו הקבועה), בוצע באמצעות ערכת איזון הרטט "Balanset-1", מספר סידורי 149.

סכמת המדידה (איור 3.1) הייתה דומה באופן כללי לזו ששימשה עבור Yak-52. חיישן רטט (מד תאוצה) 1 הותקן על בית תיבת ההילוכים של המנוע באמצעות תושבת מגנטית על תושבת שתוכננה במיוחד. חיישן זווית פאזה לייזר 2 הותקן גם הוא על בית תיבת ההילוכים וכיוונו לכיוון הסימן המחזיר אור שהונח על אחד מלהבי המדחף. אותות אנלוגיים מהחיישנים הועברו באמצעות כבלים ליחידת המדידה של מכשיר "Balanset-1", שם בוצע עיבוד דיגיטלי ראשוני. לאחר מכן, האותות בצורה דיגיטלית נכנסו למחשב, שם בוצע עיבוד תוכנה וחושבו המסה והזווית של משקולת התיקון הנדרשת כדי לפצות על חוסר האיזון במדחף.

לפני עבודה זו, ובהתחשב בניסיון מאיזון מדחף יאק-52, נערכו מחקרים נוספים:

• קביעת התדרים הטבעיים של תנודות המנוע והמדחף של ה-Su-29;
• בדיקת העוצמה וההרכב הספקטרלי של רעידות הבסיס בתא הטייס השני לפני איזון.

3.2. תדרים טבעיים של תנודות המנוע והמדחף

באמצעות אותה שיטת עירור פגיעה עם מנתח AD-3527, זוהו שישה תדרים עיקריים בספקטרום מתלי המנוע (איור 3.2): 16 הרץ, 22 הרץ, 37 הרץ, 66 הרץ, 88 הרץ, 120 הרץ.

התדרים 66 הרץ, 88 הרץ ו-120 הרץ קשורים ככל הנראה ישירות למאפיינים הייחודיים של מערכת ההרכבה של המנוע (מתלים) בגוף המטוס. התדרים 16 הרץ ו-22 הרץ קשורים ככל הנראה לתנודות הטבעיות של המטוס בכללותו על גבי השלדה שלו. באשר לתדר של 37 הרץ, הוא קשור ככל הנראה לתדר הטבעי של תנודות להב המדחף של המטוס.

הנחה אחרונה זו מאוששת על ידי תוצאות מדידות התדרים הטבעיים של תנודות להבי המדחף (איור 3.3), שבספקטרום שלהן זוהו שלושה תדרים עיקריים: 37 הרץ, 100 הרץ ו-174 הרץ.

ידיעת התדרים הטבעיים של מתלי המנוע ולהבי המדחף של ה-Su-29 היא בעלת חשיבות מעשית ניכרת. ראשית, היא מאפשרת בחירה מוצדקת של תדר סיבוב המדחף לצורך איזון, תוך הבטחת ניתוק מקסימלי מהתהודות המבניות של המטוס. שנית, היא מספקת את הבסיס הדרוש לפרשנות ואבחון נכונים של גורמי רעידות הנצפים במצבי פעולה שונים של המנוע, כפי שיוצג בסעיפים הבאים של דוח זה.

3.3. רעידות בסיסיות של תא הנוסעים לפני איזון

לפני ביצוע הליך האיזון, נערכו מדידות של רמות הרטט הבסיסיות בתא הטייס השני של ה-Su-29. כמו במקרה של ה-Yak-52, נמדדה הרטט בכיוון האנכי באמצעות מנתח הספקטרום הנייד AD-3527 של A&D (יפן) בטווח התדרים שבין 5 ל-200 הרץ. המדידות בוצעו בארבעה מצבי מהירות מנוע עיקריים, התואמים ל-60%, 65%, 70% ו-82% של תדר הסיבוב המרבי של המדחף.

תוצאות המדידות הללו מוצגות בטבלה 3.1.

רכיבי הרטט העיקריים מופיעים בתדר סיבוב המדחף V_{עמ' 1}, גל ארכובה V_ג1, מנוע מדחס V_n, והרמוניה השנייה של גל הארכובה V_ג2 (אשר במקרה של מדחף בעל שלושה להבים עשוי גם הוא לחפוף לתדר מעבר הלהבים V_p3).

בספקטרום מצב 60%, נמצא גם רכיב לא מזוהה בקצב של 6120 מחזורים/דקה, כנראה נגרם כתוצאה מתהודה של כ-100 הרץ - אחד התדרים הטבעיים של להב המדחף.

רטט כולל מקסימלי (11.5 מ"מ/שנייה) נמצא במצב 70%. הרכיב הדומיננטי במצב זה הוא V_ג2 ב-4020 מחזורים/דקה, ומגיעים ל-10.8 מ"מ/שנייה. עלייה חדה זו ב-70% נובעת ככל הנראה מתנודות תהודה של מתלי המנוע בסביבות 67 הרץ (4020 מחזורים/דקה).

כמו כן יש לציין כי בנוסף לעירורי הפגיעה מקבוצת הבוכנה, הרטט באזור תדר זה עשוי להיות מושפע גם מכוחות אווירודינמיים בתדר מעבר הלהב של המדחף (V_p3). במצבים 65% ו-82%, עלייה ניכרת ב-V_ג2 (ו_p3רכיב ) נצפה גם הוא, אשר ניתן להסביר באופן דומה על ידי תנודות תהודה של רכיבי מטוס בודדים.

רכיב חוסר האיזון של המדחף V_{עמ' 1} נע בין 2.4 ל-5.7 מ"מ/שנייה על פני מצבים שונים לפני איזון, בדרך כלל נמוך מ-V_ג2 במצבים המתאימים. השונות בין המצבים נקבעת לא רק על ידי איכות האיזון, אלא גם על ידי מידת הסטייה מהתדרים הטבעיים של רכיבי המבנה של המטוס.

3.4. איזון תוצאות

איזון המדחף בוצע במישור אחד בתדר סיבוב של 1350 סל"ד, תוך שימוש בשתי מדידות (השיטה הקלאסית של מקדמי השפעה). פרוטוקול האיזון המלא ניתן ב נספח 1.

הליך האיזון כלל את הפעולות הבאות:

1. במהלך הריצה הראשונה (מצב התחלתי), נקבעו משרעת ומופע הרטט בתדר סיבוב המדחף.
2. במהלך הריצה השנייה, נקבעו משרעת ומופע הרטט לאחר התקנת מסת ניסיון במשקל ידוע על המדחף.
3. בהתבסס על תוצאות מדידה אלו, התוכנה חישבה את המסה וזווית ההתקנה של המשקולת המתקנת במישור 1, הנחוצות לפיצוי חוסר האיזון של המדחף.

אימות איכות האיזון בטיסה לא בוצע עקב נזק מקרי למדחף במהלך טיסת אימון.

הסיבות לפער המצוין עשויות להיות כדלקמן:

• שגיאות במערכת המדידה של מעמד האיזון במפעל הייצור (סיבה זו נראית הפחות סבירה);
• שגיאות גיאומטריות (אי דיוקים) של משטחי ההרכבה של ציר מכונת האיזון במפעל הייצור, הגורמות לסטייה רדיאלית של המדחף על הציר;
• שגיאות גיאומטריות (אי דיוקים) של משטחי ההרכבה של ציר הפלט של תיבת ההילוכים במטוס ה-Su-29, הגורמות לסטייה רדיאלית של המדחף כאשר הוא מותקן על ציר תיבת ההילוכים.

3.5. מסקנות

3.5.1.

איזון המדחף של מטוס ה-Su-29 במישור אחד בתדר סיבוב המדחף של 1350 סל"ד (70%) אפשר הפחתת הרטט בתדר סיבוב המדחף מ-6.7 מ"מ/שנייה במצב ההתחלתי ל-1.5 מ"מ/שנייה לאחר האיזון. הרטט הקשור לחוסר איזון במדחף במצבי מהירות אחרים של המנוע ירד גם הוא משמעותית ונשאר בטווח של 1-2.5 מ"מ/שנייה.

3.5.2.

על מנת להבהיר את הסיבות לתוצאות הלא מספקות של איזון המדחף במפעל הייצור (MT-Propeller), יש לבדוק את הסטייה הרדיאלית של המדחף על ציר המוצא של תיבת ההילוכים של מטוס ה-Su-29.

נספח 1: פרוטוקול איזון