Systematic investigation of fuel efficiency restoration during engine overhaul

Abstract

The increased importance of fuel consumption in the books of aircraft operators has led to a raised focus on the aspect of performance recovery for the engine overhaul process. It follows thus the need for a method to systematically and cost-efficiently investigate the impact of single workscope elements on engine efficiency.

A survey of existing studies and methods unearths recently developed methods for a comprehensive maintenance planning. These methods do not yet incorporate the aspect of performance recovery in spite of the high effort made to adapt engine specific workscope for observed hardware conditions. This is due to a lack of a systematic approach to establish a model correlating workscope and performance recovery. Research linking the two has so far been focused on predicting workscope-induced performance recovery based on pre-defined models and comparing the results with measured performance changes. No method for an adaptive model, based on available field data, has yet been established. Furthermore, any conceptual reflections to use field data to assess workscope impact on performance recovery are focused on the use of test cell data, rather than on-wing data recorded during engine operation.

To close this existing gap a new methodology is developed, correlating the engine overhaul's workscope and its effect. The workscope is therein defined by the degree of restoration which quantifies the percentage of parts for which a given feature is restored, either by repair or use of new parts. In order for the correlation model's extend to be manageable, the degree of restoration is defined for clusters comprising multiple stages.

The workscope effect, in terms of performance recovery, can be analysed using test cell or on-wing data both of which are subject to uncertainty induced by measurements and the engine model. It is demonstrated that the latter leads to lower analysis uncertainty for the high pressure components who are the primary lever for improvements on SFC and EGT-margin. This is explained by the improved accuracy achieved with averaging multiple snapshots. It is demonstrated that using an average of 50 filtered snapshots is a valid approach, since the engine components may be considered to be a system of constant state during the operation time frame. Furthermore, the importance of the proper choice of the core flow analysis method is demonstrated, as well as the potential for analysis accuracy improvement using a more detailed engine model. It is shown that these measures have the potential of improving the analysis accuracy of HPC and HPT by a factor of 1.4 and 3.4 respectively. Analysis of recovered performance of fan and LPT is demonstrated to be more sensitive to installation effects. For these components, better accuracy can be achieved using test cell data, provided a performance test run is carried out prior to the overhaul.

In order to correlate workscope and performance recovery, a general functional relation is established to serve as the principal model. The model is then adapted to optimally fit available field data from past engine overhauls through implementation within an appropriate optimisation algorithm. An application to the high pressure components provides plausible results indicating clear distinctions between the leverage that different workscope elements provide for recovering performance. A cross validation using the leave one out algorithm shows the results of the correlation to be sensible. The potential for further improvement, for example by using measured dimension changes of the different features for the workscope description, is discussed. With this investigation, it is understood for the first time what the feasibilities and limitations in correlating workscope and performance recovery are. The established approach provides a basis for systems aimed at systematically planning engine workscopes with respect to performance restoration.

Die gesteigerte Bedeutung von Kraftstoffverbrauch für die Wirtschaftlichkeit von Fluglinien hat zu einem erhöhten Fokus auf die Leistungswiederherstellung im Prozess der Triebwerkswartung geführt. Daraus leitet sicher der Bedarf nach einer Methodik ab, mit deren Hilfe sich der Einfluss einzelner Wartungsinhalte auf die Triebwerkseffizienz systematisch und kosteneffizient untersuchen lässt.

Eine Recherche existierender Studien und Methoden zeigt kürzlich entwickelte Methoden für eine umfassende Wartungsplanung auf. Trotz der verstärkten Wartungspraxis, triebwerksspezifische Wartungsumfänge auf den Hardwarezustand anzupassen, beinhalten diese Methoden den Aspekt der Leistungswiederherstellung nicht. Es existiert kein systematischer Ansatz um Leistungswiederherstellung und Wartungsumfang zu korrelieren. Sämtliche Untersuchungen, die diese beiden Aspekte miteinander verbinden, basieren auf bestehenden Modellen für deren Zusammenhang. Diese Modelle dienen als Basis, um Leistungswiederherstellung auf Basis von Wartungsumfang zu prognostizieren und diese Prognosewerte anschließend mit gemessen Werten abzugleichen. Es besteht aktuell keine Methodik zur Herleitung eines adaptiven Models mit Hilfe von Felddaten. Konzeptionelle Überlegungen um Leistungswiederherstellung und Wartungsumfänge miteinander zu korrelieren basieren des Weiteren auf der Nutzung von Prüfstandsdaten anstelle von Daten, die im laufenden Flugbetrieb gesammelt werden.

Um die bestehende Lücke zu schließen, wird eine neue Methode entwickelt, die Wartungsumfänge von Triebwerken und deren Effekt hinsichtlich Leistungswiederherstellung miteinander korreliert. Der Wartungsumfang wird dabei mit Hilfe des Grads der Instandsetzung definiert. Dieser quantifiziert den Prozentanteil von Bauteilen, bei denen ein gegebenes, leistungsrelevantes Merkmal mit Hilfe von Reparaturmaßnahmen oder Neuteilverbau wiederhergestellt wird. Um die Detaillierung des Models handhabbar zu machen, wird der Grad der Instandsetzung für Cluster definiert, welche mehrere Komponentenstufen beinhalten.

Der Wartungseffekt im Sinne von Leistungswiederherstellung kann mit Hilfe von Prüfstandsdaten oder Daten aus dem laufenden Flugbetrieb analysiert werden. Es wird dargestellt, dass letzterer Ansatz zu einer höheren Analysegenauigkeit für die Hochdruckkomponenten führt, welche die primären Stellhebel für Wiederherstellung von SFC und EGT-Margin sind. Dies lässt sich erklären mit Hilfe der erhöhten Genauigkeit, die sich durch die Mittelung multipler Snapshots erreichen lässt. Es wird gezeigt, dass die Mittelung von 50 Snapshots einen validen Ansatz darstellt, da die Komponenten im betrachteten Betriebszeitraum als Systeme konstanten Zustands betrachtet werden können. Des Weiteren wird sowohl die Bedeutung der gewählten Analysemethode, als auch das Potential verbesserter Triebwerksmodelle für die Analysegenauigkeit, aufgezeigt. Es wird gezeigt, dass diese Maßnahmen das Potential haben, die Analysegenauigkeit um den Faktor 1.4 bzw. 3.4 zu verbessern. Es wird ferner aufgezeigt, dass die Analyse von Leistungswiederherstellung bei Bläser und Niederdruckturbine sensibler gegenüber Installationseffekten ist. Diese Komponenten können mit Hilfe von Prüfstandsdaten besser analysiert werden. Dies setzt jedoch einen zusätzlichen Prüfstandslauf vor dem Wartungsvorgang voraus.

Um Wartungsumfang und Leistungswiederherstellung zu korrelieren, wird eine allgemeingültige Funktion etabliert, welche das grundlegende Modell darstellt. Die Funktionskoeffizienten werden anschließend mit Hilfe von Optimierungsalgorithmen angepasst um die Felddaten vergangener Wartungsvorgänge fehlerminimal abzubilden. Die Anwendung dieses Ansatzes auf die Hochdruckkomponenten identifiziert die Primärhebel der Wartungsinhalte für die Leistungswiederherstellung eindeutig und plausibel. Eine Cross-Validierung unter Verwendung des „leave one out Algorithmus“ zeigt auf, dass die korrelierten Modelltrends sinnvoll sind. Die Potentiale für verbesserte Korrelationsmodelle werden diskutiert. Maßnahmen umfassen unter anderem die genaue Vermessung von Bauteilmaßen bzw. deren Veränderung im Rahmen der Wartung. Mit Hilfe der vorliegenden Untersuchungen wird zum ersten Mal verstanden, welches die Möglichkeiten und Beschränkungen bei der Korrelation von Wartungsumfängen und Leistungswiederherstellung bei Triebwerken sind. Die dargestellte Methodik stellt die Basis für Systeme zur systematischen Planung von Triebwerkswartung mit Hinsicht auf Leistungswiederherstellung dar.