KWESTiE BEZPiECZEŃSTWA W

PRACE iNSTYTUTU LOTNiCTWA
221, s. 194–198, Warszawa 2011
KWESTiE BEZPiECZEŃSTWA W EKSPLOATACJi
MOMENTOMiERZY QUASi-FAZOWYCH
ZdZISłaW SZymańSkI
Instytut Lotnictwa
Streszczenie
Momentomierz jako urządzenie mające wpływ na pracę silników śmigłowca, decyduje
w znacznej mierze o bezpieczeństwie lotu. Dlatego już na etapie jego konstrukcji konieczne było
rozważenie możliwych uszkodzeń i skutków, jakie mogą one wywołać w trakcie lotu. Konstrukcja
momentomierza minimalizuje prawdopodobieństwo wystąpienia takich uszkodzeń, które mogą
zagrażać bezpieczeństwu w pewnych fazach lotu. Natomiast podczas eksploatacji duże znaczenie
ma wczesne wykrycie ewentualnych uszkodzeń i zapobieganie skutkom ich niekorzystnego
oddziaływania na aparaturę pokładową.
WSTĘP
momentomierz quasi-fazowy, opracowany w ówczesnym Zakładzie Osprzętu Lotniczego
Instytutu Lotnictwa, został wdrożony do produkcji w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku.
Najbardziej znany jest momentomierz typu UPm-100 oraz jego unowocześniona wersja UPm100m, przeznaczony do eksploatacji na śmigłowcu „Sokół”. Jest on użytkowany nadal, po
wprowadzeniu z biegiem lat pewnych modernizacji. W zakładzie tym została również zaprojektowana i wykonana partia prototypowa momentomierzy ZmC-1, przeznaczonych do
samolotów L-610 produkcji czeskiej.
Elementem pomiarowym momentomierza jest sprężysty wał przenoszący napęd
w przekładni śmigłowca, który ulega skręceniu o kąt proporcjonalny do wartości momentu.
Przetwornik momentu (np. typu mF-100) zamienia kąt skręcenia wirującego wału na
przesunięcie czasowe pomiędzy dwoma kolejnymi impulsami w jednym sygnale elektrycznym
[4]. Z kolei elektroniczny układ pomiarowy (zamontowany w bloku pomiarowym EBP-3) ma za
zadanie zamienić ten czas na napięcie stałe, o wartości proporcjonalnej do mierzonego momentu. W jego działaniu istotną rolę spełnia układ synchronizacji, który musi odróżnić w sygnale elektrycznym impuls odniesienia od następującego po nim impulsu pomiarowego [5].
Szczegóły dotyczące zasady działania i konstrukcji momentomierza quasi-fazowego zostały zamieszczone w literaturze [1, 2].
kWESTIE BEZPIECZEńSTWa W EkSPLOaTaCJI mOmENTOmIErZy...
195
Rys. 1. Kształt sygnału z przetwornika momentu. T – okres sygnału;
t - przesunięcie czasowe impulsów, będące miarą momentu
1. WSPÓłPraCa Z PrZyrZĄdamI POkładOWymI
momentomierz pracujący na dwusilnikowym śmigłowcu „Sokół” składa się z dwóch
przetworników momentu, jednego (w wersji UPm-100) lub dwóch niezależnych (w wersji UPm100m) elektronicznych bloków pomiarowych i jednego wskaźnika momentu.
Napięciowe wskazania momentu są wykorzystywane do regulacji obciążenia silników (służy
do tego np. blok aLaE), do indykacji momentu wytwarzanego przez każdy z silników (wskaźnik
momentu Wm-32dC) i do rejestracji wartości momentu. Pomocniczymi zadaniami momentomierza są ostrzeganie przed przekroczeniem dwóch poziomów momentu każdego silnika –
w postaci świecenia lampek na wskaźniku momentu, oraz sterowanie zliczaniem czasu pracy
każdego silnika w założonych zakresach obciążenia (np. licznik rL-14).
2. rOLa NIEZaWOdNOŚCI W PraCy mOmENTOmIErZa
W trakcie lotu śmigłowca podstawowe znaczenie ma niezawodna praca tej części momentomierza, która odpowiada za dostarczanie sygnału napięciowego momentu do układu regulacji
silników i za dostarczanie pilotowi informacji w postaci wskazań momentu.
Ewentualne pojawienie się fałszywego sygnału momentu może stanowić zagrożenie podczas wznoszenia się śmigłowca, zwłaszcza w strefie H-V. Potencjalnie możliwa awaria,
polegająca na wystąpieniu sygnału momentu jednego silnika o wartości wyższej od rzeczywistej (w praktyce przyjąłby górną skrajną wartość), stwarza największe niebezpieczeństwo –
mogłaby ona spowodować odcięcie paliwa do tego silnika. drugi pracujący silnik może nie
zapewnić dostatecznej mocy napędu w tych warunkach lotu. Pilot dostrzeże nagły skok
wskazań momentu jednego silnika i zinterpretuje go prawidłowo jako awarię momentomierza,
lecz może mieć wówczas za mało czasu na reakcję.
Inna potencjalna awaria, objawiająca się jako zanik sygnału momentu jednego silnika do
zera, może być spowodowana uszkodzeniem przetwornika momentu lub jego połączenia
z blokiem pomiarowym, uszkodzeniem w bloku albo zwarciem na jego wyjściu. Układ regulacji
odczyta ten stan jako brak mocy dostarczanej przez jeden z silników, kompensując to
niezwłocznie podniesieniem mocy drugiego silnika. W praktyce wystąpi wówczas
nierównomierne obciążenie silników, stan taki nie będzie jednak stanowił zagrożenia,
pozostawiając pilotowi wystarczający czas na reakcję.
W trakcie konstrukcji bloku pomiarowego momentomierza przyjęto rozwiązania, przy
których prawdopodobieństwo awarii, polegającej na pojawieniu się maksymalnego wskazania
momentu, jest znacznie niższe od prawdopodobieństwa awarii związanej z zanikiem wskazania
196
ZdZISłaW SZymańSkI
do zera. Unowocześniona wersja momentomierza (tj. UPm-100m) wprowadza dodatkowe
zabezpieczenie na wypadek wystąpienia awaryjnego wzrostu sygnału momentu, przyjmującego
nierealną wartość: wówczas byłby on odcięty od wyjścia momentomierza, na którym pojawi się
zero (co nie powoduje większego zagrożenia). W momentomierzu UPm-100m zmniejszono
ponadto prawdopodobieństwo zaniku wskazania do zera, spowodowanego przez rozwarcie
obwodu przetwornika, dzięki zdublowaniu jego uzwojenia.
dla powiększenia niezawodności w przypadku zwarcia, w momentomierzu rozdzielone
zostały wyjścia sygnałów momentu przeznaczone do regulacji silników, do wskazań momentu,
a w wersji UPm-100m – także do rejestracji wartości momentu.
Wymienione awarie są bardzo mało prawdopodobne podczas lotu, w dotychczasowej eksploatacji nie odnotowano skoku wskazań momentu powyżej realnych wartości. W praktyce
awaryjne stany mogą pojawić się w trakcie montażu wyposażenia na śmigłowcu i jego
uruchamiania, na skutek popełnionych błędów.
W pracy momentomierza podczas lotu mogą natomiast wystąpić chwilowe spadki sygnału
momentu, trwające jednorazowo do około sekundy. mogą one wywołać chwilową niestabilność
w pracy silników, nie stanowią jednak istotnego zagrożenia. Przyczyny takich spadków mogą
być różnorakie, np.:
– zużycie łożysk w przekładni,
– nadmierne wibracje,
– znaczne zakłócenia elektryczne lub magnetyczne,
– uszkodzenie lub zużycie przetwornika momentu,
– chwilowe zwarcie do masy lub rozwarcie w połączeniach przetwornika,
– uszkodzenie pomocniczych układów na wejściu bloku pomiarowego momentu.
Jednorazowo występujący spadek sygnału nie ma istotnego znaczenia. Jego powtarzanie się
wymaga jednak interwencji, gdyż może świadczyć o postępującym zużyciu lub uszkodzeniu
podzespołów.
Spadkowi sygnału momentu towarzyszy chwilowe zawahanie wskazania na tarczy
wskaźnika. W momentomierzu UPm-100 może nastąpić spadek do wartości mniejszej od
połowy ostatniego wskazania, na czas rzędu sekundy. Odpowiada za niego analogowy układ
synchronizacji, który wykazuje powolne działanie. W wersji UPm-100m zastosowano już
cyfrowy układ synchronizacji [5], który pozwolił kilkakrotnie zmniejszyć czas zaniku sygnału
i znacznie ograniczyć wartość spadku.
3. POTENCJaLNE mIEJSCa WySTĄPIENIa USTErEk
Najbardziej narażony na uszkodzenie jest przetwornik momentu [4]. Pracuje on
w przekładni w atmosferze gorącego oleju, gdzie jest też narażony na znaczne wibracje. Jego ruchoma część (wieńce zębate), związana z wałem przenoszącym napęd, obraca się z prędkością
kilkunastu tysięcy obrotów na minutę, musi być więc precyzyjnie wyważona. Nieruchoma część
(magnetowód) jest umieszczona współosiowo względem niej, a dokładność ustawienia nie
może przekraczać dziesiątych części milimetra. Przemieszczenie osi obrotu jest przyczyną
zniekształcenia sygnału elektrycznego przetwornika, co może prowadzić do chwilowych spadków wskazań momentu. Z kolei wzajemne przemieszczenie części przetwornika wzdłuż osi
wpływa na amplitudę impulsów w jego sygnale, co prowadzi do powiększenia błędu pomiarów.
Zarejestrowane podczas eksploatacji usterki polegały na poluzowaniu cewki w magnetowodzie przetwornika, przycieraniu części przetwornika lub odkształceniu jego zębów. Były
zwykle przyczyną niestabilnej pracy momentomierza, wzrostu jego błędu, a znacznie rzadziej
braku wskazań momentu.
kWESTIE BEZPIECZEńSTWa W EkSPLOaTaCJI mOmENTOmIErZy...
197
Innym elementem wrażliwym na uszkodzenia jest wskaźnik momentu o konstrukcji serwomechanicznej, w którym ruchome części są narażone na zużycie. Obserwowano zużycie potencjometrów sprzężonych ze wskazówkami, a znacznie rzadziej ich mechanizmu napędowego.
Widocznym objawem zużycia jest długotrwałe wahanie się wskazówki wokół położenia
równowagi.
Ewentualne uszkodzenie pomocniczych układów w bloku pomiarowym momentu nie ma
dużego znaczenia dla bezpieczeństwa lotu. Żarówki sygnalizujące pilotowi przekroczenie
granicznych poziomów momentu pomagają w zabezpieczeniu przed przeciążeniem momentomierza, przekładni i silników śmigłowca, z czym możemy mieć do czynienia podczas wykonywania gwałtownych manewrów. W przypadku uszkodzenia żarówek lub układów sterujących
nimi, świadomy tego pilot może zapewnić bezpieczną eksploatację napędu, poprzez baczną
obserwację wskazówek na tarczy wskaźnika momentu w nietypowych fazach lotu. Stanowi to
jednak utrudnienie, odrywając uwagę pilota od innych czynności.
Z kolei w przypadku braku sygnałów sterujących licznikiem czasu pracy silników, wykazany
czas eksploatacji silników w poszczególnych zakresach obciążenia będzie mniejszy od rzeczywistego. Spowoduje to błędną ocenę stopnia zużycia silników lub przekładni śmigłowca i czasu
pozostałego do ich niezbędnego remontu lub końca resursu. Błąd ten może nie mieć dużego
znaczenia wobec stosowanych marginesów bezpieczeństwa, przy założeniu że usterka zostanie
wykryta w krótkim czasie.
4. WykryWaNIE USTErEk
Większość spośród potencjalnie możliwych usterek momentowierza wywoła efekty
widoczne po uruchomieniu silników śmigłowca. dla podniesienia niezawodności konieczna
jest jednak systematyczna kontrola sprawności momentomierza.
Podstawowym sposobem kontroli jest testowanie momentomierza przeznaczonym do tego
przyciskiem na wskaźniku. Powinno być wykonywane na ziemi każdorazowo przed lotem, zaś
w przypadku momentomierza UPm-100m można je wykonywać dodatkowo podczas lotu, gdy
tylko pojawi się podejrzenie dotyczące nieprawidłowej jego pracy. Testowanie pozwala
sprawdzić działanie obu torów pomiarowych momentu, weryfikowane jako ustawienie się
wskazówek w określonym przedziale, oraz świecenie żarówek sygnalizacyjnych we wskaźniku.
Żarówki te mają wysoką żywotność, potrzeba ich wymiany występuje sporadycznie.
W trakcie obsługi okresowej momentomierz podlega diagnostyce przy użyciu testera
Ud-100 albo Ud-100m (zależnie od wersji momentomierza). Przeprowadzana przy nieruchomych silnikach, pozwala ona na wykrycie ewentualnych usterek w torach pomiarowych
i wskaźniku momentu. Sprawdza działanie układów sygnalizujących przekroczenie granicznych
poziomów momentu i stan służących do tego żarówek, a także działanie układów sterujących
licznikiem czasu pracy silników. Weryfikuje ponadto stan uzwojeń przetworników momentu [3].
do pełnej diagnozy pracy przetwornika momentu, dokonywanej w przypadku podejrzeń
o jego nieprawidłowe działanie, konieczne jest uruchumienie odpowiedniego silnika śmigłowca
na biegu jałowym. kształt sygnału z cewki przetwornika świadczy o jego poprawnej pracy lub
o ewentualnym zużyciu. Wówczas pomocny jest także tester, do którego można podłączyć oscyloskop z pamięcią, względnie rejestrator sygnału elektrycznego.
5. POdSUmOWaNIE
dla bezpiecznej pracy momentomierza ważne było przewidzenie w trakcie konstrukcji, jakie
uszkodzenia mogą wystąpić podczas jego eksploatacji i jaki wpływ mogą one mieć na przebieg
lotu. dobra konstrukcja powinna minimalizować prawdopodobieństwo takich awarii, które
198
ZdZISłaW SZymańSkI
stanowią zagrożenie. Założenia te osiągnięto zwłaszcza w wersji UPm-100m momentomierza.
Po latach eksploatacji przyjęte założenia można porównać z obserwacjami, dotyczącymi ich
pracy.
Zgodnie z przewidywaniami, najbardziej zawodne okazały się przetworniki momentu, które
muszą pracować w ciężkich warunkach. Zdarzające się przypadki ich uszkodzenia nie były jednak źródłem istotnego zagrożenia. miały miejsce również przypadki uszkodzenia wskaźników
momentu, lecz po zastosowaniu bardziej niezawodnych elementów ich częstość została zredukowana. Zapewneniu bezpieczeństwa służą regularne testowanie i diagnostyka stanu momentomierzy, przeprowadzane na pokładzie w ramach obsługi.
BIBLIOGraFIa
[1] młynarczyk m., Szymański Z., Waśko S.: momentomierz quasi-fazowy. Prace Instytutu Lotnictwa nr 95. Warszawa 1983.
[2] młynarczyk m., Szymański Z.: Zmodyfikowany momentomierz UPm-100m. Zeszyty Naukowe Politechniki rzeszowskiej nr 135. awionika. rzeszów 1995.
[3] Szymański Z.: Testowanie momentomierzy lotniczych. Zeszyty Naukowe Politechniki rzeszowskiej nr 135. awionika. rzeszów 1995.
[4] karczmarczyk J., młynarczyk m., Nowak k., Waśko S.: Urządzenie do przetwarzania momentu obrotowego na sygnał elektryczny w szybkoobrotowych układach napędowych,
zwłaszcza w przekładniach napędowych silników turbinowych. Patent rP nr 150607,
1986.
[5] młynarczyk m., Szymański Z., Waśko S.: Sposób i układ do kształtowania przebiegu prostokątnego o określonym współczynniku wypełnienia, szczególnie w torze pomiarowym
momentomierza fazowego. Patent rP nr 158883, 1990.
ZdZISłaW SZymańSkI
SaFETy QUESTIONS IN EXPLOITaTION
OF QUaSI-PHaSE TOrQUEmETErS
Summary
Torquemeter is the device that effects on functioning of helicopter engines, then it has
a considerable influence on the safety of flight. Therefore any possible defects and their effects for
the flight should have been considered already while making design of the torquemeter.
Constructors payed attention for the defects that may make hazard in some phases of flight, to be
much less probably than other failures. During the exploitation, it is important to inspect
torquemeters frequently, so to detect their possible malfunctions and avoid unsafe interaction
with on-board instruments.