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Untersuchungen zum Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Schädigung und Instandhaltung von Turboluftstrahltriebwerken
(2013) Müller, Matthias H.; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Langfristige Instandhaltungsverträge und der anhaltende Kostendruck haben die Notwendigkeit einer zuverlässigen Vorhersage und einer Reduzierung der Kosten für die Instandhaltung von Turboluftstrahltriebwerken zur Folge. Die Instandhaltungsbedürftigkeit und Zuverlässigkeit von Turboluftstrahltriebwerken wird wesentlich durch die betreibertypischen Betriebsbedingungen und die auftretenden Schädigungsmechanismen beeinflusst. Der Verlauf der Bauteilschädigung wird neben den Betriebsbedingungen durch die mit den Bauteilveränderungen verbundene Leistungsverschlechterung beeinträchtigt. Der Grad der Leistungsverschlechterung ist wiederum von den durchgeführten Instandhaltungsmaßnahmen abhängig. Sowohl die betreibertypischen Betriebsbedingungen als auch die durch den Triebwerkshersteller festgelegte Belastbarkeit der Bauteile sind mit Streuung behaftet. Durch die bestehenden Methoden werden die auftretenden Wechselwirkungen und Einflüsse nicht vollständig erfasst. Die Methoden sind vielmehr auf die Untersuchung einzelner Zusammenhänge beschränkt. In der vorliegenden Arbeit wird eine probabilistische Modellierungsmethodik vorgestellt, die durch ihren iterativen Berechnungsablauf die komplexen Interaktionen der verschiedenen Einflüsse berücksichtigt. Die Modellierung der Bauteilschädigung erfolgt durch eine Trennung der Streuungseinflüsse. Die Variation der Bauteilbelastbarkeit wird durch Verteilungsfunktionen modelliert. Diese geben für jedes Bauteil die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls in Abhängigkeit der Zahl an Referenzzyklen an. Die Modellierung der betreibertypischen Belastungsstreuung erfolgt durch eine Zyklengewichtung anhand von physikalischen Größen. Dazu wird die Bauteilschädigung infolge eines individuellen Flugzyklus auf den Schädigungseffekt eines festgelegten Referenzflugzyklus bezogen. Die Verknüpfung der Betriebsbedingungen mit den zur Zyklengewichtung benötigten Triebwerksleistungsparametern erfolgt mit Hilfe eines in das Modell eingebundenen Leistungsrechnungsprogramms. Zur Festlegung der Zeitpunkte der Triebwerksüberholungen und der Instandhaltungsmaßnahmen ist die Instandhaltungsstrategie im Modell durch logische Abfragen hinterlegt. Durch die Methodik wird die gesamte Betriebsdauer einzelner Triebwerke mit den zugehörigen Bauteilschädigungsverläufen, der Leistungsverschlechterung und den Instandhaltungsmaßnahmen simuliert. Mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation werden ausgehend von betreibertypischen Verteilungsfunktionen für die Betriebsbedingungen die geforderten Ergebnisgrößen für eine Triebwerksflotte, wie beispielsweise die Instandhaltungskosten je Flugstunde und der Ersatzteilbedarf, ermittelt. Die Anwendung der Methodik erfolgt für ein Zweiwellen-Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk. Anhand von Parameterstudien und Szenarien wird der Einfluss einzelner Betriebsbedingungen untersucht. Hinsichtlich der Bedeutung der verschiedenen Überholungsursachen werden mit Hilfe der Methodik die grundlegenden Tendenzen in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen ermittelt. Ebenso werden für die Instandhaltungskosten und die mittlere Dauer zwischen zwei Triebwerksüberholungen generelle Trends über den Betriebsbedingungen abgeleitet. Neben der Instandhaltungsvorhersage wird die Methodik zur Anpassung der Instandhaltungsstrategie an die herrschenden Betriebsbedingungen verwendet. Dazu werden einzelne frei wählbare Instandhaltungsparameter, wie beispielsweise das Triebwerkswaschintervall, variiert und dadurch ein für die vorliegenden Randbedingungen optimaler Wert ermittelt. Die Bewertung potenzieller Neukonstruktionen einzelner Bauteile stellt eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Methodik dar. Anhand von Beispielszenarien werden mögliche Konstruktionsvariationen hinsichtlich ihres Nutzens bewertet. Die gezielte Verbesserung der Triebwerkszuverlässigkeit und die Reduzierung der Gesamtkosten ist nur aufgrund des entwickelten ganzheitlichen Modellierungsansatzes möglich.