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

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.
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.