Entwicklung eines alternativen Schubmesskonzeptes bei Flugtriebwerken zur Verbesserung der Zustandsanalyse
Seiten
2019
Technische Uni Braunschweig NFL (Verlag)
978-3-947623-24-2 (ISBN)
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978-3-947623-24-2 (ISBN)
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Kurzfassung
Trotz seiner Relevanz für den Flugbetrieb und die Leistungsanalyse von Flugzeug und Triebwerk ist der erzeugte Schub während des Fluges eine nur indirekt überwachte Größe. Zur Regelung und Kontrolle des Triebwerks wird die Leistung über die Messung von Ersatzgrößen und deren vorab ermitteltem Zusammenhang zum Schub und dem Einfluss der Betriebs-und Umgebungsbedingungen indirekt ermittelt. Damit geht jedoch kein direkter physikalischer Zusammenhang zwischen Messgröße und Triebwerksschub einher. Bedingt durch Veränderungen am Triebwerkszustand, etwa durch Verschleiß, kann es zu Unsicherheiten und Fehlern kommen. Da zu jeder Zeit die benötigte Schuberzeugung des Flugzustands garantiert sein muss, führt dies zur Notwendigkeit von Sicherheitsmargen.
Die fehlende direkte Messung des Schubes macht auch eine Trennung in der Leistungsbewertung des Flugzeugs und des Triebwerks schwierig, da sich aerodynamische Verschlechterungen des Flugzeugs auf den Schubbedarf und damit den Triebwerksbetrieb auswirken können, ohne in der Bewertung des Triebwerkszustands berücksichtigt werden zu können. Durch den wirtschaftlichen Druck in der zivilen Luftfahrt wird zunehmend die Effizienz des Triebwerksbetriebs und der Wartung wichtig. Um neben der sicherheitsrelevanten Wartung des Triebwerks auch eine Bewertung von leistungswiederherstellenden Maßnahmen planen zu können, ist eine zustandsbasierte Wartung angestrebt, basierend auf einer genauen Ermittlung des Triebwerkszustands.
In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Erprobung eines dehnungsbasierten Systems zur Messung der Schubkraft eines Triebwerks während des Flugbetriebs präsentiert. An den schubübertragenden Bauteilen der Triebwerksaufhängung wird mit einer kalibrierten und temperaturkompensierten Messung der Dehnung die übertragene Kraft zwischen der Triebwerks- und Flugzeugstruktur bestimmt. Zur Zustandsüberwachung des Triebwerks wird mit den Messdaten aus einer sechsmonatigen Flugerprobung die erreichbare Genauigkeit und das Einsatzpotential untersucht. Für die Flugerprobung wurde das Messsystem in ein ziviles Verkehrsflugzeug eingebaut und während des Routinebetriebs zur Erfassung von Messdaten betrieben. Zum Nachweis der Anwendbarkeit des Messsystems werden die Messdaten aus dem Startlauf- und Reiseflug auf definierte Referenzbedingungen normiert und so die Vergleichbarkeit der Kraftmessung und die Proportionalität zum Triebwerksschub analysiert.
Um eine Zustandsänderung des Triebwerks als Veränderung in der Schuberzeugung erkennen zu können, werden die Messwerte mit entwickelten Berechnungen auf Referenzbedingungen normiert. Über die Untersuchung der Korrelation zwischen übertragener Kraft und erzeugtem Triebwerksschub wird die Tauglichkeit des Messsystems untersucht und die er-reichbare Genauigkeit analysiert. Es kann gezeigt werden, dass mit einer ausreichend hohen Anzahl an Messpunkten der Einfluss von vorhandenen und unkompensierten, zufälligen und daher normalverteilten Einflüssen durch eine statistische Auswertung ausreichend kompensiert wird und eine genaue Bestimmung der Schuberzeugung des Triebwerks bei definierten Bedingungen vorliegt. Über eine Überwachung der Veränderung der Schuberzeugung über die Zeit kann daher der Zustand des Triebwerks überwacht werden. Es steht somit eine direkt gemessene und physikalisch, von der Schuberzeugung abhängige Größe zur Erweiterung der Möglichkeiten der Zustandsüberwachung von Flugtriebwerken zur Verfügung. Abstract
Despite its importance for the aircraft operation and performance monitoring of aircraft and engine the engine thrust is measured indirectly with the current engine monitoring capabilities. Characteristic figures of the engine operation are used as equivalent parameters for an indirect measurement of the engine performance and its control. This is based on correlation between measured parameter and the engine thrust production corrected with operating flight conditions. This method is missing a direct physical connection between the measurement and the engine thrust. Changes in the engine condition influence the correlation and make a safety margin of excess thrust mandatory to guarantee the required thrust production at all points.
The missing direct measurement of the engine thrust makes it difficult distinguish between the aircraft and the engine performance assessments because of the deteriorating trends, which can occur on the aircraft (in form of increased drag) and the engine (reduced efficiency due to thermodynamic wear of its components). One requires an exact monitoring of the current engine thrust and condition for maintenance planning and to make economic decisions about its performance restoration.
In this thesis, a direct engine thrust measurement system is developed and presented. The system is validated by on-wing engine operation. A calibrated and temperature compensated strain measurement system is used on the thrust transferring parts of the forward engine mount, in order to measure the transferred force between the engine and the air-frame. Validation data is collected from the measurement system installed on the engine of a commercial aircraft during its routine operation for six month. Applicability of the system is proven with the flight test data during take-off and cruise operations, normalised to defined reference conditions, to investigate the reproducibility of the force measured at the engine mount and to prove the direct correlation between the measured force and the produced engine thrust.
To be able to detect changes in engine performance due to changes in thrust production, all measurements are normalised to reference conditions by developed methods. The correlation between measured force and thrust is analysed to validate the usability of the system and its achievable accuracy is investigated. It is shown that an accuarate determination of the current engine condition and thrust production is possible with sufficent amount of measurements. The dominant influences and uncertainties in the force measurement are random errors and therefore compensated by statistical analysis. After normalisation to reference conditions, the same amount of force is measured for all data points, allowing the determination of the current engine condition as thrust production at the reference point operation. Monitoring the measured force at reference conditions allows monitoring the engine condition. The direct measured force and the proven physical correlation to the engine thrust enhances the possibilities of the current engine condition monitoring.
Trotz seiner Relevanz für den Flugbetrieb und die Leistungsanalyse von Flugzeug und Triebwerk ist der erzeugte Schub während des Fluges eine nur indirekt überwachte Größe. Zur Regelung und Kontrolle des Triebwerks wird die Leistung über die Messung von Ersatzgrößen und deren vorab ermitteltem Zusammenhang zum Schub und dem Einfluss der Betriebs-und Umgebungsbedingungen indirekt ermittelt. Damit geht jedoch kein direkter physikalischer Zusammenhang zwischen Messgröße und Triebwerksschub einher. Bedingt durch Veränderungen am Triebwerkszustand, etwa durch Verschleiß, kann es zu Unsicherheiten und Fehlern kommen. Da zu jeder Zeit die benötigte Schuberzeugung des Flugzustands garantiert sein muss, führt dies zur Notwendigkeit von Sicherheitsmargen.
Die fehlende direkte Messung des Schubes macht auch eine Trennung in der Leistungsbewertung des Flugzeugs und des Triebwerks schwierig, da sich aerodynamische Verschlechterungen des Flugzeugs auf den Schubbedarf und damit den Triebwerksbetrieb auswirken können, ohne in der Bewertung des Triebwerkszustands berücksichtigt werden zu können. Durch den wirtschaftlichen Druck in der zivilen Luftfahrt wird zunehmend die Effizienz des Triebwerksbetriebs und der Wartung wichtig. Um neben der sicherheitsrelevanten Wartung des Triebwerks auch eine Bewertung von leistungswiederherstellenden Maßnahmen planen zu können, ist eine zustandsbasierte Wartung angestrebt, basierend auf einer genauen Ermittlung des Triebwerkszustands.
In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Erprobung eines dehnungsbasierten Systems zur Messung der Schubkraft eines Triebwerks während des Flugbetriebs präsentiert. An den schubübertragenden Bauteilen der Triebwerksaufhängung wird mit einer kalibrierten und temperaturkompensierten Messung der Dehnung die übertragene Kraft zwischen der Triebwerks- und Flugzeugstruktur bestimmt. Zur Zustandsüberwachung des Triebwerks wird mit den Messdaten aus einer sechsmonatigen Flugerprobung die erreichbare Genauigkeit und das Einsatzpotential untersucht. Für die Flugerprobung wurde das Messsystem in ein ziviles Verkehrsflugzeug eingebaut und während des Routinebetriebs zur Erfassung von Messdaten betrieben. Zum Nachweis der Anwendbarkeit des Messsystems werden die Messdaten aus dem Startlauf- und Reiseflug auf definierte Referenzbedingungen normiert und so die Vergleichbarkeit der Kraftmessung und die Proportionalität zum Triebwerksschub analysiert.
Um eine Zustandsänderung des Triebwerks als Veränderung in der Schuberzeugung erkennen zu können, werden die Messwerte mit entwickelten Berechnungen auf Referenzbedingungen normiert. Über die Untersuchung der Korrelation zwischen übertragener Kraft und erzeugtem Triebwerksschub wird die Tauglichkeit des Messsystems untersucht und die er-reichbare Genauigkeit analysiert. Es kann gezeigt werden, dass mit einer ausreichend hohen Anzahl an Messpunkten der Einfluss von vorhandenen und unkompensierten, zufälligen und daher normalverteilten Einflüssen durch eine statistische Auswertung ausreichend kompensiert wird und eine genaue Bestimmung der Schuberzeugung des Triebwerks bei definierten Bedingungen vorliegt. Über eine Überwachung der Veränderung der Schuberzeugung über die Zeit kann daher der Zustand des Triebwerks überwacht werden. Es steht somit eine direkt gemessene und physikalisch, von der Schuberzeugung abhängige Größe zur Erweiterung der Möglichkeiten der Zustandsüberwachung von Flugtriebwerken zur Verfügung. Abstract
Despite its importance for the aircraft operation and performance monitoring of aircraft and engine the engine thrust is measured indirectly with the current engine monitoring capabilities. Characteristic figures of the engine operation are used as equivalent parameters for an indirect measurement of the engine performance and its control. This is based on correlation between measured parameter and the engine thrust production corrected with operating flight conditions. This method is missing a direct physical connection between the measurement and the engine thrust. Changes in the engine condition influence the correlation and make a safety margin of excess thrust mandatory to guarantee the required thrust production at all points.
The missing direct measurement of the engine thrust makes it difficult distinguish between the aircraft and the engine performance assessments because of the deteriorating trends, which can occur on the aircraft (in form of increased drag) and the engine (reduced efficiency due to thermodynamic wear of its components). One requires an exact monitoring of the current engine thrust and condition for maintenance planning and to make economic decisions about its performance restoration.
In this thesis, a direct engine thrust measurement system is developed and presented. The system is validated by on-wing engine operation. A calibrated and temperature compensated strain measurement system is used on the thrust transferring parts of the forward engine mount, in order to measure the transferred force between the engine and the air-frame. Validation data is collected from the measurement system installed on the engine of a commercial aircraft during its routine operation for six month. Applicability of the system is proven with the flight test data during take-off and cruise operations, normalised to defined reference conditions, to investigate the reproducibility of the force measured at the engine mount and to prove the direct correlation between the measured force and the produced engine thrust.
To be able to detect changes in engine performance due to changes in thrust production, all measurements are normalised to reference conditions by developed methods. The correlation between measured force and thrust is analysed to validate the usability of the system and its achievable accuracy is investigated. It is shown that an accuarate determination of the current engine condition and thrust production is possible with sufficent amount of measurements. The dominant influences and uncertainties in the force measurement are random errors and therefore compensated by statistical analysis. After normalisation to reference conditions, the same amount of force is measured for all data points, allowing the determination of the current engine condition as thrust production at the reference point operation. Monitoring the measured force at reference conditions allows monitoring the engine condition. The direct measured force and the proven physical correlation to the engine thrust enhances the possibilities of the current engine condition monitoring.
| Erscheinungsdatum | 12.05.2020 |
|---|---|
| Reihe/Serie | NFL-Forschungsberichte ; 2019-16 |
| Verlagsort | Braunschweig |
| Sprache | deutsch |
| Maße | 148 x 209 mm |
| Themenwelt | Technik ► Luft- / Raumfahrttechnik |
| Technik ► Maschinenbau | |
| Schlagworte | Flugerprobung • Schubmessung • Systementwicklung • Triebwerksleistung • Triebwerksverschleiß |
| ISBN-10 | 3-947623-24-0 / 3947623240 |
| ISBN-13 | 978-3-947623-24-2 / 9783947623242 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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