CF34-8C5B1 engine deterioration model to assess the impact in fuel consumption of the CRJ-700 aircraft flight mission

Gurrola Arrieta, Manuel de Jesús (2024). CF34-8C5B1 engine deterioration model to assess the impact in fuel consumption of the CRJ-700 aircraft flight mission. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Fuel consumption will still be pivotal for the air transportation industry for decades to come given the lack of maturation of other sustainable technologies. Seems like the best practical way to achieve the targets of Green House Gas (GHG) emissions reduction agreed by the aviation stakeholders (without causing a significant disruption to the industry), is by using Sustainable Aviation Fuels (SAFs). Implementation of SAFs has already started, however, significant challenges are still faced to fully adopt them, such as scaling production and reduce their cost. This fact leads the industry to continue relying on Conventional Aviation Fuels (CAFs) until these challenges are resolved. Regardless of the type of fuel (sustainable or conventional), any efforts dedicated to reducing its consumption is of significant interest.

One of the key factors affecting aircraft fuel consumption is the deterioration (or degradation) of their engines, caused by normal day-to-day operation. This research aimed to develop a realistic engine thermodynamic deterioration model to be used for assessing the impact in fuel consumption on the CRJ-700 regional aircraft, which is powered by two General Electric CF34-8C5B1 engines.

First, a thermodynamic cycle model for predicting the performance of the CF34-8C5B1 engine at new condition (or state) is established. This model was built based on an aerothermodynamic design point proposed for this engine using an in-house generic cycle model platform called AGCM developed at the Laboratory of Applied Research in Active Control, Avionics and AeroServoElasticity (LARCASE). The precision of the AGCM was validated against the Numerical Propulsion System Simulation (NPSS), a well-known industry simulation platform for Gas Turbine Engines (GTEs). Based on the learning obtained during the AGCM validation, a comprehensive methodology for performing cycle model validations was also proposed. The cycle model for the new engine condition was validated using data from Level-D flight simulator representing the CRJ-700 aircraft located at the LARCASE. The precision of the model for the net thrust and fuel flow rate found to be ± 5.0% (relative the flight simulator data) for the power-setting of interest.

Second, the thermodynamic deterioration model was proposed based on the turbomachinery efficiency losses provided by one of the leading Original Engine Manufacturers (OEMs). The efficiency losses account for both short- and long-term deterioration effects, which are expected during normal in-service operation. The deterioration model was incorporated to the cycle model for the new engine condition. The compound model was then used to perform the fuel consumption analysis for different levels of deterioration. Additionally, the so-called Inter- Turbine Temperature Margin (ITTM) was also assessed, which is of paramount importance in assessing the lifespan on real aeroengines. According to the conclusions derived in this study, the cumulative fuel consumption increase due to deterioration throughout the life of a single engine is 2.25%, which translated to 4.5% for the aircraft (powered by two engines). Moreover, it is expected that the average ITTM when the engine is installed in the aircraft at new conditions is 55.2 oC and the corresponding margin when fully deteriorated is 26.4 oC.

Titre traduit

Modèle de détérioration du moteur CF34-8C5B1 pour évaluer l'impact sur la consommation de carburant de la mission de vol de l'avion CRJ-700

Résumé traduit

La consommation de carburant restera essentielle pour le secteur du transport aérien pendant les décennies à venir, étant donné que les autres technologies durables ne sont pas encore arrivées à maturité. Il semble que le meilleur moyen pratique d'atteindre les objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) convenus par les parties prenantes du secteur de l'aviation (sans provoquer de perturbations importantes dans l'industrie) soit d'utiliser des carburants aéronautiques durables (SAF en anglais). La mise en oeuvre des SAF a déjà commencé, mais il reste des défis importants à relever pour les adopter pleinement, tels que l'augmentation de la production et la réduction de leur coût. Cela conduit l'industrie à continuer de s'appuyer sur les carburants aéronautiques conventionnels (CAF en anglais) jusqu'à ce que ces problèmes soient résolus. Quel que soit le type de carburant (durable ou conventionnel), tout effort visant à en réduire la consommation est d'un grand intérêt.

L'un des principaux facteurs influençant la consommation de carburant des avions est la détérioration (ou dégradation) de leurs moteurs, causée par leur fonctionnement quotidien normal. Cette recherche visait à développer un modèle réaliste de détérioration thermodynamique des moteurs à utiliser pour évaluer l'impact sur la consommation de carburant de l'avion régional CRJ-700, qui est équipé de deux moteurs General Electric CF34- 8C5B1.

Tout d'abord, un modèle de cycle thermodynamique permettant de prédire les performances du moteur CF34-8C5B1 à l'état neuf (ou état) est établi. Ce modèle a été construit sur la base d'un point de conception aérothermodynamique proposé pour ce moteur à l'aide d'une plateforme de modèle de cycle générique interne appelée AGCM développée au Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité (LARCASE). La précision de l'AGCM a été validée par rapport à la simulation numérique du système de propulsion (NPSS en anglais), une plateforme de simulation industrielle bien connue pour les moteurs à turbine à gaz (MTG). Sur la base des enseignements tirés de la validation de l'AGCM, une méthodologie complète pour la réalisation de ces exercices a également été proposée. Le modèle de cycle pour le nouvel état du moteur a été validé à l'aide de données provenant du simulateur de vol Level-D représentant l'avion CRJ-700 situé au LARCASE. La précision du modèle pour la poussée nette et le débit de carburant était de ± 5,0 % (par rapport aux données du simulateur de vol) pour le réglage de puissance en question.

Deuxièmement, le modèle de détérioration thermodynamique a été proposé sur la base des pertes d'efficacité des turbomachines fournies par l'un des principaux fabricants de moteurs d'origine (OEM en anglais). Les pertes de rendement tiennent compte des effets de détérioration à court et à long terme, qui sont attendus lors d'un fonctionnement normal en service. Le modèle de détérioration a été incorporé au modèle de cycle pour un moteur neuf. Le modèle composé a ensuite été utilisé pour effectuer l'analyse de la consommation de carburant pour différents niveaux de détérioration. En outre, la marge de température interturbines (ITTM en anglais) a également été évaluée, ce qui est d'une importance capitale dans l'évaluation de la durée de vie des moteurs aéronautiques réels. Selon les conclusions de cette recherche, l'augmentation cumulative de la consommation de carburant due à la détérioration tout au long de la vie d'un seul moteur est de 2,25 %, ce qui se traduit par 4,5 % pour l'aéronef. En outre, on s'attend à ce que l'ITTM moyen lorsque le moteur est installé dans l'avion à l'état neuf soit de 55,2 oC et que l'ITTM correspondante lorsqu'il est complètement détérioré soit de 26,4 oC.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 205-220).
Mots-clés libres:	consommation de carburant, détérioration du moteur, modèle de cycle, CF34-8C5B1, CRJ-700
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Botez, Ruxandra
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	07 nov. 2024 15:51
Dernière modification:	07 nov. 2024 15:51
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3498

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