Untersuchungen zum Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Schädigung und Instandhaltung von Turboluftstrahltriebwerken

Abstract

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.

Due to long-term maintenance contracts and persistently high cost pressure there is an increasing demand for an improved forecast and a reduction of the maintenance cost of jet engines. The maintenance workscope and reliability of jet engines are strongly influenced by the operating conditions and damage mechanisms they are subjected to in service. In addition, the damage process of single parts depends on the performance deterioration associated with the feature changes of the parts as a result of the engine operation. In turn, maintenance activities influence the performance deterioration level. For operators of short-haul aircraft typical distributions for the operating conditions can be deduced. The loading capacity of the engine parts varies as well and is mainly determined by the engine manufacturer. The described interactions and influences are not considered by existing methods. In fact the existing methods are limited to the analysis of single aspects. The modeling method presented in this thesis considers the complex interactions between the different influencing parameters due to its iterative calculation process. Part damage is modeled by a separation of the scatter influences. The variation of the loading capacity is represented via data-driven distribution functions, in which the probabilities of failure, repair and replacement for each part are specified depending on the number of reference flight cycles. The loading variation is considered through a physics-based cycle weighting. The damage effect of a respective simulated flight cycle is related to the damage effect of a determined reference flight cycle. The connection between the operating conditions and the performance parameters, which are needed for cycle weighting, is provided by the integration of a performance synthesis program within the model. The determination of shop visit arisings and maintenance workscope is represented through a sum of different logical rules in the model. Individual engines are simulated through their respective lifetime of part damage, performance deterioration and maintenance activities. The Monte Carlo method is used to determine characteristic engine fleet parameters of interest, like maintenance cost per flight hour and spare part rates, depending on operator-specific operating conditions.

The method is applied to a two-shaft high-bypass-ratio turbojet engine. Parameter studies and scenarios are used to investigate the influence of several operating conditions. Shop visit causes are rated with regard to their importance for different operating conditions. Furthermore, general trends for maintenance cost and average time between overhaul against operating conditions are deduced.

Besides for maintenance prediction the method is used to adapt the maintenance strategy to the respective operating conditions. Selectable parameters, for example the engine washing interval, are varied to determine an optimum value with regard to the present operating conditions. The assessment of potential design improvements is a further application of the model. By using example scenarios different part design variations are evaluated in terms of their effect on engine maintenance cost and reliability. The systematic improvement is only made possible due to the holistic approach of the developed modeling method.