Besseres Verständnis für Triebwerksalterung

APOSEM und EVE: Paradigmenwechsel in der Triebwerksinstandhaltung

Triebwerke gehören zu den komplexesten Komponenten eines jeden Flugzeugs. Auch sie müssen regelmäßig überholt werden. Durch den gezielten Einsatz moderner Computer-Informationssysteme werden Triebwerke selbst im Flug laufend kontrolliert und überprüft. Bereits seit den 1970er Jahren überwacht Lufthansa Technik die Motoren ihrer Kunden während des Flugbetriebs mittels Engine Condition Monitoring (ECM) und übermittelt alle relevanten Triebwerksdaten zur Analyse und Trenddiagnose kontinuierlich an das Rechenzentrum in Frankfurt. So kann bei Unregelmäßigkeiten sofort gehandelt werden, bevor größerer Schaden entsteht. Außerdem kann so der optimale Zeitpunkt für die Überholung eines Triebwerks bestimmt werden – völlig unabhängig von den empfohlenen Wartungsintervallen. Hierzu ist entscheidend, die Entwicklung des Zustands auf Grundlage der Trends im ECM und in Abhängigkeit der realen Betriebsbedingungen auch für die Zukunft vorhersagen zu können. 

  • 2016 EVE
    Das zum Versuchsträger modifizierte Triebwerk ist mit dem Messdatensystem verbunden.
  • 2016 EVE Check
    Ein ausgemustertes Triebwerk vom Typ CFM56-5C zu einem Versuchsträger modifiziert und mit umfangreicher Zusatzinstrumentierung versehen.
  • 2016 EVE Implementation
    Mithilfe eines eigenständigen Messdatensystems können bis zu 310 zusätzliche Messparameter gewonnen werden.
  • 2016 EVE Ready
    Mithilfe der Forschungsprojekte APOSEM und EVE werden zukünftig langfristige Vorhersagen zur betriebsbedingten Alterung von Triebwerken möglich.
Neue Methodik ermöglicht genauere Prognosen

Eine besondere Bedeutung hat die Fähigkeit zur Alterungsprognose bei Kunden-Triebwerken, deren gesamte Flotte über einen langen Zeitraum von Lufthansa Technik betreut wird. Eine präzise Ausbauplanung und ein intensives Flottenmanagement können erheblich zur Optimierung der Kosten pro Flugstunde beitragen und die Risiken für alle Beteiligten senken. Trotz jahrzehntelanger und tausendfacher Erfahrung mit verschiedenen Triebwerksmustern sind Prognosen der betriebsbedingten Alterung von Triebwerken bislang nur in sehr ungenauer Form möglich. Um dies zu ändern, entwickelt Lufthansa Technik zusammen mit der Firma ANSYS, dem DLR, der Universität Stuttgart und der TU Braunschweig im Forschungsprojekt APOSEM (Advanced Prediction Of Severity effects on Engine Maintenance) eine neue Methodik: Triebwerke sollen mithilfe physikalisch begründeter Modelle über ihre gesamte Lebensdauer betrachtet und erweiterte Prognosen über die Auswirkungen des Betriebs auf die Instandhaltung getroffen werden können.

Bislang werden neben dem Erfahrungswissen ausschließlich Befunddaten aus dem Shop sowie – sofern vorhanden – punktuelle Daten aus dem Flugbetrieb für die Risikobewertung und die Flat-Rate-Verträge in der Triebwerksüberholung herangezogen. Doch das allein reicht nicht aus: Eine solide Datengrundlage ist wichtig und notwendig. Aber erst durch die Verbindung von Big Data, also allen aus dem Flugbetrieb herangezogenen Daten, mit physikalisch begründeten Modellen kann der Durchbruch gelingen. Während der dreijährigen Projektphase, von Januar 2014 bis Dezember 2016, werden solche physikalisch begründeten Modelle einerseits in sehr detaillierter Form für einzelne, für das Triebwerk kritische Bauteile entwickelt und mit vorhandenen Daten validiert. Andererseits wird auch eine Methodik zur Simulation des Flugbetriebs und zur Vorhersage der Alterung des Motors als Gesamtsystem entwickelt. Für die Modellentwicklung kommen Methoden wie beispielsweise die numerische Strömungssimulation und die thermomechanische Lebensdauerverbrauchsanalyse zur Anwendung. 

Modifizierter Versuchsträger zur Gewinnung zusätzlicher Messparameter

Um das von den Modellen vorhergesagte Alterungsverhalten von Triebwerken unter realen Bedingungen experimentell validieren zu können, wurde in einem separaten internen Projekt (EVE, Engine for Validation Experiments) ein ausgemustertes Triebwerk vom Typ CFM56-5C zu einem Versuchsträger modifiziert und mit umfangreicher Zusatzinstrumentierung versehen. Mithilfe eines eigenständigen Messdatensystems können bis zu 310 zusätzliche Messparameter gewonnen werden. So lässt sich jetzt am Triebwerksprüfstand ein detaillierter Einblick in das Triebwerk bei verschiedenen Außentemperaturen, bei Regen und trockenem Wetter, mit geflogenen Hochdruckverdichter-Schaufeln sowie beim nachgestellten Anlassen, Rollen und Starten nach unterschiedlicher Abkühldauer gewinnen. Ziel ist es unter anderem, das Verhalten des Sekundärluftsystems zu verstehen und seine Effekte auf die Strömung und das Alterungsverhalten in der Turbine zu erfassen.

Mithilfe des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) geförderten Forschungsprojektes APOSEM und des Projektes EVE werden zukünftig langfristige Vorhersagen zur betriebsbedingten Alterung von Triebwerken möglich. Dadurch wird eine zuverlässige Prognose der jeweiligen Standzeit und der erforderlichen Tiefe von Eingriffen, wie beispielsweise Schrottraten und Workscopes, möglich. Darüber hinaus wird die Grundlage für eine bessere Kalkulation bei langfristigen Flat-Rate-Verträgen geschaffen. Und die gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem immer tieferen und umfassenderen Verständnis der Triebwerke bei.