Direct Maintenance Cost Prediction Models for Aircraft Powerplant

Abstract

Lentokoneen suorat huoltokustannukset sisältävät kaikki materiaali- ja työtuntikustannukset, jotka aiheutuvat suunniteltujen ja suunnittelemattomien huoltotehtävien suorituksesta. Suoria huoltokustannuksia käytetään yhdessä turvallisuuteen ja luotettavuuteen liittyvien parametrien kanssa yhtenä merkittävimmistä mittareista lentokoneen operatiiviselle suorituskyvylle. Suorat huoltokustannukset vaikuttavat lentokoneoperaattorien päätöksiin sopivasta lentokonetyyppi- ja moottoriyhdistelmästä. Tästä johtuen lentokonevalmistajan on tärkeää huomioida suoriin huoltokustannuksiin vaikuttavat ominaisuudet suunnittelun alkuvaiheista lähtien. Lentokoneen moottori sekä sitä ympäröivät voimalaitekomponentit ovat operoinnin kannalta kriittisiä järjestelmiä. Nykypäivän kaupalliseen käyttöön suunnitelluissa matkustajalentokoneissa käytetään lähes yksinomaan turbofan-tyyppisiä turbiinimoottoreita niiden polttoainetehokkuuden sekä melua vaimentavien ominaisuuksien ansiosta. Voimalaitekokonaisuuden suorat huoltokustannukset muodostavat 30-40% koko lentokoneen suorista huoltokustannuksista lentotuntia kohden. Moottorien perushuollot sisältäen elinikärajoitettujen komponenttien (eng. Life Limited Parts) kustannukset muodostavat suurimman osan koko voimalaitekokonaisuuden suorista huoltokustannuksista. Tässä diplomityössä on tavoitteena kartoittaa kohdeyrityksessä käytössä olevien voimalaitekokonaisuuksien suorien huoltokustannusten laskentamallien nykytila, tutkia kirjallisuudessa esiteltyjä lentokonehuoltoon soveltuvia laskentamalleja sekä kehittää yritykselle uusi suorien huoltokustannusten laskentamalli havaittujen kehitysmahdollisuuksien mukaisesti, soveltaen kirjallisuudesta löydettyä aineistoa. Kohdeyrityksenä on eurooppalainen matkustajalentokonevalmistaja. Kirjallisuudesta löydettiin kahteen kategoriaan jakautuvia malleja. Suoria huoltokustannuksia olemassa olevalle tuotteelle tai uuden tuotteen suunnittelun edistyneissä vaiheissa voidaan arvioida alhaalta-ylös –lähestymistapaa noudattavilla malleilla. Tähän tarkoitukseen hyödynnetään komponenttitason dataa mm. osien kustannuksista, vaihto- ja korjausajoista sekä tilastollisista vikaantumistodennäköisyyksistä. Uuden tuotteen suunnittelun aikaisissa kehitysvaiheissa voidaan hyödyntää ylhäältä-alas –lähestymistapaa, jossa tilastollisen analyysin avulla identifioidaan suorien huoltokustannusten kanssa korreloivat parametrit ja muodostetaan niiden avulla parametrinen laskentamalli. Diplomityön kokeellisen tutkimuksen osuuteen valittiin ylhäältä-alas –lähestymistapa. Ensin suoritettiin tilastollinen analyysi teknisten parametrien ja moottorin perushuoltokustannusten, elinikärajoitettujen osien kustannusten sekä voimalaitekomponenttien suorien huoltokustannusten välillä. Tulosten perusteella muodostettiin yhtälöt, joiden avulla voitiin laskea ensimmäiset arviot näille kolmelle eri kustannuskategorialle. Tämän jälkeen moottorin perushuoltokustannuksille ja elinikärajoitettujen osien kustannuksille yhtälöihin lisättiin nk. modulaarinen tekijä, jolla saatiin pienennettyä suhteellisen absoluuttisen virheen keskiarvoa laskennan tuloksissa verrattuna lähdedataan. Lopuksi kehitettiin Excel-rajapinta mallin käyttöä varten.

Direct maintenance cost (DMC) includes all material and man-hour costs expended in performing scheduled and unscheduled maintenance tasks on an aircraft. DMC is used together with safety and reliability-related parameters as one of the most important metrics for aircraft operational performance. DMC influences aircraft operator decisions on suitable combination of aircraft type and engine option. For this reason, it is important for the aircraft manufacturer to consider the aspects influencing DMC from the early stages of design. Aircraft powerplant, including the core engine and all related components are critical to aircraft operation. Today’s large commercial aircraft use almost exclusively turbofan-type turbine engines due to their good fuel efficiency and noise-reducing properties. Powerplant DMC accounts for 30-40% of the total aircraft DMC per flight hour. Core engine overhauls including the cost of Life Limited Parts (LLPs) account for the majority of the total powerplant DMC. The aim of this master’s thesis study is to get an overview of the current state of powerplant DMC prediction models used in the case company, to explore calculation DMC models applicable for aircraft maintenance presented in the literature and to develop a new DMC model for the case company according to the observed development opportunities. The case company is a European commercial aircraft manufacturer. DMC models found from literature can be divided into two main categories. DMC for an existing product or at advanced stages of new product design can be estimated using bottom-up models. For this purpose, component level data is utilised e.g. parts costs, replacement and repair times, and statistical failure rates. In the early development stages of a new product, a top-down approach can be utilised. In top-down approaches, statistical analysis is done to identify the parameters that correlate with DMC and they are used to form a parametric calculation model. A top-down approach was chosen for the experimental part of this study. Statistical analysis was performed to define correlations between engine technical parameters and core engine shop visit costs, LLP set costs, and the DMC of the powerplant/nacelle components. Based on the results, equations were derived to calculate the first estimates for these three different cost categories. Subsequently, a so-called modular factor was added to the equations for the engine shop visit costs and the cost of LLPs, which resulted in reduced mean absolute error in the calculation results compared to the source data. Finally, an interface was developed using Excel-software to facilitate the use of the model.