Reliability analysis of the electrical system in Boeing 757-200 aircraft and RB211-535 engines

Abstract

Air travel is today one of safest mode of transport. High reliability requirements have been established in the aviation industry because of the potentially severe consequences of system failure. In 1953, twin-engine aircraft were restricted to fly on routes that were within 60 minutes from an alternate airport. In 1985 the Extended Twin-engine Operations (ETOPS) rules were established. They are a deviation from the 60 minute restriction, allowing twin-engine aircraft to fly further away from an alternative airport, if operators can fulfill certain technical and operational requirements. To obtain ETOPS approval both the aircraft and the operator have to comply with a set of standards and regulations [1], [2].The electrical system in Boeing 757-200 is a large and a complex system. The consequences of losing all electrical power in-flight can cause, in worst case scenario, catastrophic accidents. Because of the severity of such failures, a fail-safe redundancy is built into the electrical system. The Boeing 757-200 was designed both with three and four generators. Aircrafts with four generators have Hydraulic motor generator (HMG) added as the fourth generator. The Boeing 757-200 aircraft with three generators is today non-ETOPS, whereas an aircraft with four generators has ETOPS approval up to certain limits.The main objective of this research project is to develop a quantitative method for determining the reliability of the electrical system in Boeing 757-200 aircraft with three generators and the reliability of the RB211-535 engines. This is done to assess whether the electrical system in question meets the reliability requirements for 120 minutes ETOPS approval, without an additional generator. The reliability modeling of this research project is based on the Reliability Block Diagram technique and the commercial software tool, BlockSim 10, is used to construct a model of the systems with the RBD approach. Analyses will be performed both analytically and via simulation using the BlockSim software, where the software undertakes all computations. These results are promising and support the idea that it is a viable option to apply for a 120 minute ETOPS approval, although the electrical system only contains three generators.Keywords: Boeing 757-200 electrical system, RB211-535 engines, Extended operation (ETOPS) and Regulations, Reliability, Reliability Block Diagram.

Að ferðast með flugi er í dag einn af öruggustu ferðamátunum. Háar áreiðanleika kröfur hafa fest sig í mót í flugiðnaðinum, vegna þess hversu alvarlegar afleiðingar kerfisbilanir geta haft. Árið 1953 var tveggja hreyfla flugvélum sett sú skorða að þurfa ávallt að vera innan við 60 mínútur frá næsta flugvelli á flugleið sinni. Árið 1985 var þessi regla útvíkkuð að hluta með tilkomu fjarflugs reglna (ETOPS reglur). Þessar reglur gefa ákveðið frávik frá 60 mínútna skorðunni, þannig að kleyft sé að fljúga tveggja hreyfla flugvélum fjær næsta flugvelli en sem nemur 60 mínútum, svo framralega sem rekstraraðili uppfylli ákveðnar kröfur hvað varðar tækni og rekstur flugvéla. Til þess að öðlast ETOPS leyfi, þá þarf bæði búnaður flugélarinnar og rekstraraðilinn að hlíta ákveðnum stöðlum og reglugerðum.Rafmagnskerfið í Boeing 757-200 flugvélum er stórt og flókið kerfi. Afleiðing þess að missa alla raforku á meðan flugi stendur, getur í versta mögulega tilfelli valdið hörmulegu slysi. Vegna þess hversu alvarlegar afleiðingar slík bilun getur valdið, þá er ákveðin umfremd innbyggð í rafmagnskerfið. Boeing 757-200 flugvélar voru á sínum tíma bæði hannaðar með þremur og fjórum rafölum. Flugvélar með fjórum rafölum hafa vökvaknúinn rafal (HMG), innbyggðan sem fjórða rafalinn. Boeing 757-200 flugvélar með þremur rafölum hafa í dag ekki ETOPS leyfi, en aftur á móti þá hafa þær Boeing 757-200 flugvélar sem innihalda HMG sem fjórða rafalinn, ETOPS leyfi upp að vissum mörkum. Aðalmarkmið þessarar rannsóknar er að þróa megindlega aðferð til að ákvarða áreiðanleika rafmagnskerfisins í Boeing 757-200 flugvélum með þremur rafölum og áreiðanleika RB211-535 þotuhreyfla. Þetta er gert í þeim tilgangi að meta hvort umrætt rafmagnskerfi standist þær áreiðanleika kröfur sem uppfylla þarf fyrir 120 mínútna ETOPS leyfi, án þess að hafa fjórða rafalinn innbyggðan. Áreiðanleika líkanið sem þróað er í þessu rannsóknarverkefni byggir á Áreiðanleika Blokk riti (RBD) og er BlockSim 10 hugbúnaðurinn notaður til að smíða módel með RBD aðferðinni. Stærðfræðileg greining sem og greining með hermun er framkvæmd með notkun BlockSim hugbúnaðarins, þar sem hugbúnaðurinn tekur yfir alla útreikninga.Niðurstöðurnar lofa góðu og styðja við þá hugmynd að það sé raunhæfur möguleiki að sækja um 120 mínútna ETOPS leyfi, þó svo að rafmagnskerfið innihaldi aðeins þrjá rafala.Lykilorð: Rafmagnskerfi í Boeing 757-200, RB211-535 þotuhreyflar, ETOPS aðgerðir og reglugerðir, Áreiðanleiki, Áreiðanleika Blokk Rit.