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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.