Analisi delle prestazioni di turbine a gas per applicazioni aeronautiche in presenza di anomalie di funzionamento

A.A. 2009-2010 
                                        Facoltà di Ingegneria – Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Gestionale. 4 
 
CAPITOLO 1 
INTRODUZIONE 
 
1.1     ANALISI DELLE PRESTAZIONI 
La crescente complessità dei veicoli aerospaziali e la maggiore attenzione ai costi di manutenzione 
sono sempre più alla guida del bisogno di maggiori capacità di autonomia, intelligenza e 
funzionalità della gestione della salute dei sistemi critici di sicurezza. L’obiettivo del sistema di 
gestione della salute di un motore aeronautico è di fornire il monitoraggio, l’analisi previsionale 
del trend, il rilevamento e la diagnosi di anomalie nel complesso sistema motore. L’aumentata 
complessità di progetto, la protezione rigorosa, i requisiti di sicurezza e il bisogno di riduzione del 
costo di vita del ciclo, rendono necessaria la sostituzione delle convenzionali analisi di trend e delle 
pratiche di monitoraggio da parte di un sistema integrato di monitoraggio che può interagire 
autonomamente e in tempo reale con gli esperti addetti a tale compito. 
Il Gas Path Analysis (GPA) è una delle principali procedure diagnostiche conosciute la quale si basa 
sui cambiamenti distinguibili nei parametri osservabili del motore per rilevare la presenza di 
anomalie fisiche. Le anomalie motore comuni consistono in una combinazione di guasti come 
danneggiamento da oggetti esterni (FOD), erosione e corrosione delle pale, guarnizioni usurate. 
Gli effetti di questi fattori risultano nel cambiamento delle performance termodinamiche del 
motore misurate come rendimenti, portate di fluido che attraversano il motore e area effettiva 
degli ugelli, ecc. 
Le prestazioni sono essenziali per la sostenibilità economica di un motore con turbina a gas. Esse 
comprendono la spinta, o la potenza all’albero, fornita per una data portata di carburante, vita, 
peso, emissioni, diametro del motore e costo unitario. Questo è fondamentalmente quello che un 
costruttore di turbina a gas vende e un operatore compra. Gli ingegneri non si possono focalizzare 
esclusivamente sugli aspetti tecnici della turbina a gas. Nel clima economico moderno è essenziale 
che loro capiscano l’economia associata con il lancio nello sviluppo di un prodotto, o acquisto, di 
una nuova turbina a gas.  
Nell’ultimo decennio, il valore del business dell’aftermarket è andato progressivamente 
aumentando: ad oggi questa tendenza sembra consolidata al punto che si prevede che il valore 
economico del business delle revisioni diverrà superiore a quello derivante dalla vendita dei nuovi 
motori. Ciò è dovuto sia all’allungamento del ciclo di vita dei motori che alle politiche commerciali 
dei costruttori i quali, pur di affermare i propri prodotti sul mercato, non esitano ad abbassare i 
prezzi di vendita dei motori al disotto dei costi di produzione.
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Per questo motivo, lo studio seguente mira ad osservare l’andamento dei parametri di prestazione della 
turbina a gas rispetto al grado di degradazione presente nel motore. Lo studio si articola in tre fasi 
principali. 
Innanzitutto si individua un motore aeronautico di riferimento sul quale studiare la degradazione. In questo 
caso si è scelto un turbofan bialbero, lo Spey MK807. 
Successivamente si procede alla costruzione del modello motore tramite il programma di simulazione GSP 
(Gas turbine Simulation Program) il quale riproduce il funzionamento del turbofan sia in condizioni di 
funzionamento a punto fisso (Z=0, M=0) che in condizioni di volo in crociera (Z=9000, M=0.8). 
Infine, si procede col simulare il deterioramento del motore, in entrambi i casi di funzionamento ( a punto 
fisso e in volo), e con l’osservare in che modo variano i parametri di performance rispetto alla condizione di 
progetto.
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CAPITOLO 2 
 MANUTENZIONE DELLE TURBINE A GAS 
 
2.1  INTRODUZIONE 
I motori con turbina a gas sono ampiamente utilizzati sia in ambito industriale, in tal caso sono 
detti heavy-duty e sono espressamente progettati per la generazione di potenza elettrica, sia 
come propulsori in ambito aeronautico e di veicoli pesanti come le armature militari e le navi da 
trasporto. Tuttavia affinché la turbina a gas continui ad essere sempre in funzione ed efficiente e 
raggiunga i valori di rendimento previsti, occorre prevedere una manutenzione di livello adeguato, 
i cui costi possono essere elevati. Tradizionalmente, gli operatori dei motori con turbina a gas 
hanno tentato di ridurre i costi eseguendo azioni di manutenzione preventiva a fissati intervalli, 
nel tentativo di evitare potenziali guasti al motore. Più recentemente, i costruttori di motori con 
turbina a gas hanno adottato un approccio di monitoraggio su condizione, in cui intelligenti sistemi 
di analisi dei dati sono impiegati per valutare la salute dei componenti del motore. Le esigenze di 
manutenzione del motore sono 
determinate dalla sua condizione di 
funzionamento, piuttosto che la 
manutenzione sia eseguita a fissati 
periodi di tempo. Questi sistemi di 
monitoraggio della salute del motore 
tipicamente processano i dati dai 
sensori montati sul motore. Può scattare un allarme preventivo di potenziali condizioni pericolose 
del motore; la speranza è che i precursori di anomalie di componente possano spesso essere 
identificati in anticipo all’anomalia incombente. Questo è un approccio di prognosi per il 
monitoraggio delle condizioni, ed è utile per i tipi di anomalia che possono essere prevenuti se 
identificati abbastanza presto. Le anomalie per le quali non ci sono precursori (per esempio, un 
“bird strike”, in cui un uccello urta il fan del motore) richiedono un approccio di diagnosi. Così i 
sistemi identificano automaticamente le anomalie motore che si presentano, e possono 
raccomandare azioni di manutenzione appropriate al tipo di anomalia. 
 I costruttori di motori con turbina a gas, per commercializzare i loro prodotti, offrono sempre più 
un approccio basato sul servizio, in cui i loro clienti sono garantiti su una certa disponibilità del 
motore dopo l’acquisto. Per ottenere ciò, i costruttori si assumono la responsabilità del 
monitoraggio delle condizioni del motore, incorporando i sistemi di monitoraggio della salute in 
ogni unità motore e suggerendo azioni manutentive quando necessario. Le tecniche di 
monitoraggio delle condizioni sono anche applicate ai motori durante il processo di sviluppo, e 
dappertutto nella prova del prodotto. Durante lo sviluppo, i motori sono ricostruiti e provati molte
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volte. La valutazione della salute del componente durante questo processo può evitare 
danneggiamenti o potenziali pericoli.  
Il monitoraggio del motore è eseguito usando o i sistemi on-line, montati nell’aereo, che eseguono 
l’analisi dei dati del motore durante il volo, o sistemi a terra off-line, con cui i dati del motore sono 
scaricati dall’aereo alla fine del volo. I sistemi di monitoraggio delle condizioni on-line sono 
soggetti a rigorosi requisiti di certificazione dalle autorità internazionali dell’aviazione. Il costo per 
produrre sistemi a questi requisiti standard è molto alto, principalmente dovuto alla sfida tecnica 
di sopprimere il grande numero di falsi allarmi generati da molti algoritmi di monitoraggio delle 
condizioni. I sistemi di monitoraggio delle condizioni off-line sono limitati dalla quantità dei dati 
motore che possono essere trasferiti da un aereo. Tipicamente, il costo di registrazione e di 
trasferimento dei dati è alto, e limita la qualità e la quantità dei dati disponibili ai sistemi di 
monitoraggio a terra in commercio. 
I metodi standard del monitoraggio delle condizioni del motore coinvolgono il confronto dei 
parametri motore registrati con i fissati limiti funzionali imposti dal costruttore del motore, o una 
semplice analisi univariata in cui i trend nei dati motore sono monitorati allo scopo di rilevare 
improvvisi spostamenti nel comportamento funzionale, spesso indicatori di potenziali anomalie. 
L’attuale ricerca sul monitoraggio delle condizioni dei motori aerei è focalizzata sul fornire metodi 
più sofisticati di costatazione attendibile delle condizioni motore e della risultante 
raccomandazione della manutenzione, nei limiti dei sistemi di monitoraggio on-line e off-line. 
 
2.2  MANUTENZIONE “HARD TIME” E “ON CONDITION” 
Fino alla fine degli anni 70 le modeste tecniche di monitoraggio delle prestazioni dei motori in 
servizio nonché la relativamente bassa affidabilità dei sistemi propulsivi, imponevano uno schema 
di manutenzione cosiddetto Hard Time: il motore veniva sbarcato, indipendentemente dalle 
effettive condizioni, ad intervalli (ore e cicli) di funzionamento prestabiliti e imposti dalle autorità 
aeronautiche per essere inviati alle officine di revisione ed essere sottoposti a lavorazioni di 
ricondizionamento che andavano da interventi manutentivi limitati fino alla revisione generale. 
A partire dagli anni 80, le case costruttrici hanno messo a punto sistemi sempre più sofisticati di 
monitoraggio delle prestazioni dei motori in servizio in grado di predire, con sufficiente 
accuratezza, il completo deterioramento del motore. L’analisi continua dei parametri di 
funzionamento (EGT, giri vibrazioni, ecc.), denominata trend analysis, unitamente a tecniche di 
ispezione (boroscopia, controlli tappi magnetici e filtri, controlli non distruttivi), permettono di 
rimuovere il motore dal servizio prima che l’evento di avaria si manifesti con l’evidente vantaggio 
di inviare alle officine di revisione solo quei motori che realmente necessitano di intervento 
manutentivo sfruttando, conseguentemente, tutta la vita utile del motore in servizio: è questo il 
concetto di manutenzione On Condition.
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Attualmente tutte le compagnie aeree che hanno investito in nuove tecnologie ed in risorse e 
capacità ingegneristiche adottano per i propri motori uno schema di manutenzione On Condition. 
Fanno eccezione le forze aeree militari che continuano a perseguire, per i velivoli tattici, schemi di 
manutenzione Hard Time, in quanto i tipi di propulsori in uso (turbogetti) e le elevate prestazioni 
richieste ai motori durante le missioni, ne determinano un deterioramento talmente rapido che fa 
propendere per rimozioni programmate a basso numero ore/cicli di funzionamento. 
Prevedere quando un motore dovrà essere rimosso dal servizio è fondamentale ai fini di una 
corretta gestione delle scorte e delle soste manutentive dell’aeromobile. Nel caso poi di una 
gestione flotta con schema di manutenzione On Condition, tale attività riveste particolare 
importanza nell’ottica di riduzione dei costi di manutenzione (oltre che dal punto di vista della 
sicurezza) in quanto consente di sbarcare un motore prima del manifestarsi dell’avaria. 
Convenzionalmente, le causali di sbarco direttamente imputabili al motore si dividono in: 
 Programmate; 
 Non programmate. 
 
2.3 GLI STRUMENTI DI PREVISIONE DI SBARCO 
In una gestione flotta con schema On Condition, le rimozioni programmate sono limitate agli 
sbarchi per sostituzione delle parti a vita limitata (parti rotanti) e a quelli dovuti all’esecuzione di 
istruzioni mandatorie da parte del costruttore del motore o dell’autorità aeronautica. 
Il complemento al totale degli sbarchi è dovuto a: 
 Eventi non prevedibili: ingestione di corpi estranei (FOD) , avarie estemporanee; 
 Eventi non pianificabili a lungo termine: avarie/malfunzionamenti che dal loro manifestarsi 
evolvono più o meno rapidamente. 
Sono i motori appartenenti a quest’ultima categoria di eventi che devono essere costantemente 
individuati e monitorizzati in modo da prevedere l’evoluzione e prevenirne l’avaria. 
Le compagnie aeree si sono dotate di strumenti che hanno permesso, con sempre maggior 
accuratezza, di: 
 Individuare i motori con comportamento anomalo rispetto a quello del resto della flotta o 
che manifestano avarie incipienti (trend analysis, ispezioni periodiche ‘on wing’); 
 Prevedere il momento in cui il motore sarà completamente deteriorato o l’avaria si sarà 
manifestata (analisi OAT’L (Outside Air Temperature Limit), ispezioni ad-hoc ‘on wing’); 
 Pianificare lo sbarco in modo da conciliare le diverse esigenze di programmazione, carichi 
di manutenzione, disponibilità dei motori di scorta.
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Tra i vari strumenti particolare rilevanza assume l’analisi della OAT’L (Outside Air Temperature 
Limit) ovvero della massima temperatura ambiente alla quale è possibile operare un motore senza 
la necessità di dover ridurre la spinta al decollo per evitare di superare i limiti di temperatura allo 
scarico. 
 
A parità di aeroporto (lunghezza pista ed altitudine), operare un dato motore a temperature 
esterne superiori alla sua OAT’L, vuol dire dover decollare a spinta ridotta con conseguente 
limitazione del peso al decollo dell’aeromobile (MTOW) e, quindi, di carico pagante. 
Per un motore in condizioni di normale deterioramento, l’andamento della OAT’L in funzione delle 
ore di funzionamento, è pressappoco lineare, come si evince in Fig. 1. 
 
Fig. 1: Andamento OAT’L 
 
 
È quindi possibile prevedere con sufficiente anticipo (anche dell’ordine di grandezza di mesi) 
quando il motore dovrà essere rimosso per evitare le suddette limitazioni. Tale previsione è 
particolarmente importante per evitare una indesiderata concentrazione di sbarchi durante la 
stagione estiva. 
 
 
2.4 PARAMETRI DI COSTO NELLA REVISIONE DEI MOTORI 
2.4.1 COMPOSIZIONE DEI COSTI 
I costi manutentivi dei motori rappresentano una aliquota significativa dei costi operativi del 
velivolo: la manutenzione del velivolo ammonta, tipicamente, al 15 ÷ 20% dei costi totali diretti di 
esercizio e, di quest’aliquota, circa il 40% è rappresentato dal costo di manutenzione dei motori.
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Si capisce, quindi, il perché dell’attenzione degli operatori del trasporto aereo ai costi di 
manutenzione dei motori come fattore di competitività. 
I costi di manutenzione dei motori sono, a loro volta, fortemente influenzati dai materiali i cui costi 
ammontano, per un motore di revisione, a circa il 70% del totale. 
Nell’ambito dei costi dei materiali, la maggiore incidenza è rappresentata dalle parti di scarto 
definitivo, che devono essere sostituite da parti nuove o efficienti, ed il cui costo incide per circa il 
45% dei costi totali del materiale 
2.4.2 FATTORI CHE INFLUEZANO I COSTI 
Tra i vari parametri di affidabilità quello che maggiormente influenza i costi di manutenzione dei 
motori, è lo Shop Visit Rate (numero di transiti in officina per 1000 ore di volo/flotta) in quanto 
fornisce una misura di quanti eventi manutentivi è necessario mediamente eseguire, per un dato 
intervallo operativo, al fine di mantenere in stato di efficienza la flotta motori: ne consegue che, a 
parità di contenuto tecnico dell’intervento in officina, quanto più alto è il valore di SVR, tanto più 
elevato è il costo manutentivo per ora di volo. 
Per un dato motore l’andamento della probabilità di rimozione in funzione delle ore accumulate in 
servizio, segue quello tipico delle curve di affidabilità cosiddette ‘a bagnarola’ (Fig. 2). 
 
 
Fig. 2: Ore volate dall’installazione (TSI) 
 
 
La prima fase è relativa alla mortalità infantile dove il motore ha elevate probabilità di essere 
rimosso a poche ore dall’intervento manutentivo. La seconda fase corrisponde alle rimozioni 
dovute a normale deterioramento mentre la terza fase è relativa a quando, avendo il motore 
superato l’intervallo di vita previsto, aumenta in maniera esponenziale la probabilità di collasso 
delle parti critiche. 
Per aumentare lo SVR è da evitare la fase di mortalità infantile mentre quella della mortalità senile 
è comunque da evitare in quanto, sebbene aumenta la vita in servizio del motore (e quindi lo SVR), 
genera interventi di rimessa in efficienza estremamente costosi.
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La distribuzione cumulativa della probabilità di rimozione sull’intera flotta, è di tipo gaussiano (Fig. 
3). 
 
Fig. 3: Distribuzione della probabilità di rimozione sulla flotta 
 
Si può dire che: 
 I motori rimossi a poche ore dall’installazione (infant removal) vengono normalmente 
sottoposti ad interventi di riparazione volti a correggere la causa che ha provocato lo 
sbarco; 
 I motori rimossi durante la vita programmata vengono sottoposti ad interventi che vanno 
da ispezioni/riparazioni più o meno estese fino alla revisione; 
 I motori rimossi in quanto eccessivamente anziani vengono sottoposti a revisione generale. 
L’effettivo intervento cui viene sottoposto il motore, definito dal ‘workscope’, è determinato sia 
dalle condizioni del motore allo sbarco che da considerazioni di carattere economico. 
Come visto in precedenza, la maggiore incidenza nei costi di manutenzione è imputabile ai 
materiali che in un motore si suddividono, convenzionalmente, in materiali della Parte Fredda 
(fan, compressori, scatola ingranaggi) e materiali della Parte Calda (combustore, turbine, sezione 
di scarico) rappresentati in Fig. 4.