民用航空發(fā)動機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性研究

黃兆東，劉 錦，吳靜敏

（1.中航工業(yè)發(fā)展研究中心，北京100012；2.中航工業(yè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京100012）

0 引言

新一代民用發(fā)動機(jī)發(fā)展目標(biāo)是尋求費(fèi)用、性能、進(jìn)度和可靠性、維修性等多種要求的綜合最佳[1]。因而，減少直接使用成本是發(fā)動機(jī)的1項重要設(shè)計指標(biāo)[2-3]。不論是民用航空公司還是航空工業(yè)部門，對航空發(fā)動機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性問題都很重視。例如，美國Tech56計劃的研制目標(biāo)是將發(fā)動機(jī)燃油消耗率降低4%～8%，擁有成本和維護(hù)成本降低15%～20%；B787客機(jī)在設(shè)計中要求其發(fā)動機(jī)的直接使用成本比B747所用發(fā)動機(jī)的低15%～20%[4]。航空公司也將發(fā)動機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性作為飛機(jī)選型的重要依據(jù)。研究民用發(fā)動機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性問題，對提高民用飛機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性有重大意義。

本文利用民用飛機(jī)DOC的概念分析了民用航空發(fā)動機(jī)的直接使用成本的組成要素，給出了這些要素的計算方法，并對提高民用航空發(fā)動機(jī)直接使用成本的途徑進(jìn)行了探討。

1 發(fā)動機(jī)的直接使用成本

飛機(jī)的直接使用成本（DOC）組成部分比例如圖1所示。其中，燃油費(fèi)、所有權(quán)成本和飛機(jī)維修費(fèi)用比例很大，直接受發(fā)動機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性的影響。發(fā)動機(jī)的直接使用成本由發(fā)動機(jī)所有權(quán)成本、燃油費(fèi)和發(fā)動機(jī)維修費(fèi)組成，其在飛機(jī)DOC中所占的比例一般依次為5%，11%和2%左右[6]。

圖1 DOC組成部分比例

1.1 發(fā)動機(jī)的所有權(quán)成本

發(fā)動機(jī)的所有權(quán)成本由購買成本和折舊等組成，是發(fā)動機(jī)隨飛機(jī)購買之后生成的1筆相對穩(wěn)定的支出。在飛機(jī)購買過程中，除了飛機(jī)上安裝的發(fā)動機(jī)之外，航空公司往往還會購買一定數(shù)量的備份發(fā)動機(jī)以供發(fā)動機(jī)維修拆換。航空公司購機(jī)的資金來源主要有3種：航空公司自有資金或股本、貸款、租賃。購買飛機(jī)往往需貸款，這時產(chǎn)生的是利息費(fèi)。

利息費(fèi)是指購買發(fā)動機(jī)過程中所借貸款的利息支出。其計算模型為

式中：Pe為總投資額；B 為利率；m 為每年還款次數(shù)；X為每次償還額；M 為貸款年限；N 為折舊年限；U 為年利用率；I 為利息。

航空公司通過貸款購機(jī)的方式擁有發(fā)動機(jī)，則擁有發(fā)動機(jī)費(fèi)用中應(yīng)包括折舊費(fèi)用。在計算折舊費(fèi)用時，采用平均年限法（即直線攤銷法），折舊費(fèi)的計算模型為

式中：RV為殘值系數(shù)；DP為折舊年限；D 為折舊費(fèi)。

目前航空公司在采購飛機(jī)（尤其是干線飛機(jī)）過程中一般采用融資租賃的方式，因此發(fā)動機(jī)的購買成本表現(xiàn)為租賃費(fèi)。假設(shè)租賃保證金比例為r；租賃期年限為T；租金為每月支付；年貼現(xiàn)率為m；承租期滿的發(fā)動機(jī)殘值為q；租賃手續(xù)費(fèi)占租金的比例為s；發(fā)動機(jī)的價格為Pe；則每月的租賃費(fèi)用為

1.2 發(fā)動機(jī)的燃油費(fèi)用

飛行中的燃油費(fèi)用取決于飛機(jī)完成特定航線所消耗的輪檔燃油和燃油單價，其中輪檔燃油的計算根據(jù)典型的任務(wù)剖面進(jìn)行，其計算結(jié)果與飛機(jī)的性能參數(shù)如巡航速度、巡航時的升阻比、發(fā)動機(jī)之間的油耗性能等存在密切關(guān)系。在飛機(jī)機(jī)體參數(shù)不變的情況下，改善發(fā)動機(jī)的油耗特性對改善其DOC有很大意義[7]。

在計算燃油費(fèi)用時，需要充分考慮燃油價格和燃油消耗量的關(guān)系。計算模型為

式中：R 為航程；FP為燃油價格；F（R）為輪檔耗油；t為輪檔時間。

作為發(fā)動機(jī)的直接使用經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，影響耗油率的因素很多。從氣動熱力的角度得知，發(fā)動機(jī)的涵道比B、渦輪進(jìn)口溫度等都對sfc 產(chǎn)生影響。目前常用的耗油率氣動熱力計算公式為[8]

式中：fb為油氣比；fb,af為加力油氣比，通常根據(jù)發(fā)動機(jī)的燃燒室設(shè)計查表、計算得出；vvol為空氣冷卻系數(shù)，取決于冷卻方式和渦輪進(jìn)口溫度為發(fā)動機(jī)單位推力。

1.3 發(fā)動機(jī)的維修費(fèi)用

發(fā)動機(jī)的直接維修成本與年利用率、平均航段距離、民航維修體制等密切相關(guān)。對于在役飛機(jī)盡可能采用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行維修成本分析。對于新研制發(fā)動機(jī)一般采用AEA方法估計[9-10]。該方法中，發(fā)動機(jī)的維修成本分為維修勞務(wù)成本和維修材料成本2類。

（1）發(fā)動機(jī)維修勞務(wù)成本Lt（元/輪檔小時）為

式中：C1=1.27-0.2B0.2，C3=0.032Nc+k；T 為海平面起飛推力；B 為涵道比；Nc為壓氣機(jī)級數(shù)；k 為軸數(shù)Nsh的函數(shù)。

（2）發(fā)動機(jī)維修材料成本Mt（元/輪檔小時）為

2 提高發(fā)動機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性的途徑分析

隨著飛機(jī)對動力系統(tǒng)的要求和發(fā)動機(jī)技術(shù)復(fù)雜程度的不斷提高，發(fā)動機(jī)研制、生產(chǎn)和使用費(fèi)用在不斷增加。為了提高發(fā)動機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性，就要從降低發(fā)動機(jī)的研制/生產(chǎn)成本、降低發(fā)動機(jī)油耗、減少維修費(fèi)用等方面開展工作。

2.1 發(fā)動機(jī)研制中的經(jīng)濟(jì)性分析

在發(fā)動機(jī)研制過程中，應(yīng)將成本與技術(shù)、性能、進(jìn)度和可靠性等要求列為同等重要的參數(shù)予以確定，并考慮研制項目的全壽命成本問題。確定準(zhǔn)確的生產(chǎn)、使用和維修等階段中的成本參數(shù)（如每單位的裝配成本和使用成本等），并與進(jìn)度、性能和可靠性等參數(shù)間達(dá)到平衡。在此過程中要調(diào)研類似發(fā)動機(jī)或者歷史設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上給出各分系統(tǒng)的成本目標(biāo)值，以此作為驗(yàn)證和修正發(fā)動機(jī)設(shè)計的基本依據(jù)之一。

2.2 請用戶參與設(shè)計

請客戶參與發(fā)動機(jī)設(shè)計對于明確發(fā)動機(jī)需要達(dá)到的性能和成本指標(biāo)非常重要。飛機(jī)的維修費(fèi)用占飛機(jī)DOC的10%～20%，發(fā)動機(jī)的維修費(fèi)用占飛機(jī)維修費(fèi)用的40%左右。與發(fā)動機(jī)價格和油耗等2個方面相比，發(fā)動機(jī)的維修費(fèi)用是最有控制空間的。提高發(fā)動機(jī)的可靠性可以減少發(fā)動機(jī)的故障次數(shù)，提高發(fā)動機(jī)的維修性和保障性可以降低在維修過程中所需的成本費(fèi)用。所以在設(shè)計過程中，成立IPT小組，利用并行工程的手段進(jìn)行可靠性、維修性和保障性設(shè)計是必須的。例如，波音公司按照MSG-3邏輯，合理安排維修工作和周期使B737-600/700/800發(fā)動機(jī)的定檢工作量不斷降低，較之舊系統(tǒng)的B737飛機(jī)的維修成本降低了18%～20%[11]。

2.3 做好使用中的成本監(jiān)控

發(fā)動機(jī)制造商應(yīng)與民航公司密切溝通，對發(fā)動機(jī)使用過程中產(chǎn)生的各項成本進(jìn)行監(jiān)控。制造方的成本監(jiān)控主要是指制造方的使用成本管理人員定期從客戶、供應(yīng)商或其它途徑獲得維修成本數(shù)據(jù)，通過分析比較得到對某種機(jī)型或某個客戶的使用成本方面的評價，其基礎(chǔ)是統(tǒng)計意義上的評估。通過評估可以達(dá)到3個目的：（1）根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果找出現(xiàn)役發(fā)動機(jī)設(shè)計或維修大綱方面的薄弱點(diǎn)，提出改進(jìn)措施；（2）通過長時間對不同機(jī)型使用成本的統(tǒng)計為新型發(fā)動機(jī)的使用成本分析提供基礎(chǔ)；（3）通過比較不同航空公司的使用成本，分析航空公司維修管理方面存在的問題，提供客戶改進(jìn)建議。

3 發(fā)動機(jī)送修成本估算方法與控制策略

飛機(jī)的維修成本構(gòu)成如圖2所示。從圖中可見，動力裝置的維修費(fèi)用所占比例高達(dá)38%。如今，民用發(fā)動機(jī)的維修成本已經(jīng)成為各發(fā)動機(jī)制造商、發(fā)動機(jī)維修商和航空公司所關(guān)注的焦點(diǎn)。

圖2 飛機(jī)維修成本構(gòu)成

航空發(fā)動機(jī)的維修已經(jīng)從19世紀(jì)50年代單純的故障后維修發(fā)展到現(xiàn)在的修復(fù)性維修、定時維修和視情維修等多種方式并存。修復(fù)性維修是指設(shè)備發(fā)生故障后，使其恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)；定時維修是在已知壽命分布規(guī)律或者損耗規(guī)律的情況下對設(shè)備進(jìn)行的定時拆修或者定時報廢；視情維修是對設(shè)備定期或者連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果實(shí)施的預(yù)防維修，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際狀況來確定，是最經(jīng)濟(jì)的1種維修方式。

根據(jù)維修地點(diǎn)分類，發(fā)動機(jī)的維修成本分為航線維修成本和車間送修成本。航線維修成本主要指在航線上對發(fā)動機(jī)的故障進(jìn)行檢查和對發(fā)動機(jī)故障件進(jìn)行更換所需的人工時和材料費(fèi)用；車間送修成本指發(fā)動機(jī)從飛機(jī)上拆卸以后返廠到車間內(nèi)進(jìn)行檢查、測試和修理所需要的人工時和材料費(fèi)用。送修發(fā)動機(jī)的故障相對復(fù)雜，航空公司沒有處理能力，往往送到專門的維修廠家。由于維修過程相當(dāng)復(fù)雜，技術(shù)含量很高，所以送修成本非常昂貴，一般每次送修費(fèi)用在不包括時控件更換的情況下需百萬美元左右。如果包括時控件更換，費(fèi)用還會大大增加。發(fā)動機(jī)的送修成本平均占發(fā)動機(jī)總維修成本的90%以上。因此，控制好發(fā)動機(jī)的送修成本是控制發(fā)動機(jī)維修成本的重要途徑。

3.1 發(fā)動機(jī)送修成本估算

控制發(fā)動機(jī)送修成本必須做到事前預(yù)測、事中監(jiān)控和事后分析。這個過程中，對發(fā)動機(jī)單次送修成本進(jìn)行估計非常必要。估計的合理性和準(zhǔn)確性直接影響送修計劃的安排、送修決策的確定和送修資金的規(guī)劃。國外現(xiàn)有的送修成本估算方法多以大樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，或者是找到統(tǒng)計規(guī)律、使用分布概率、利用類似樣本。比如，GE公司從引起發(fā)動機(jī)送修的原因出發(fā)，根據(jù)大量歷史數(shù)據(jù)結(jié)合發(fā)動機(jī)的使用條件、使用環(huán)境和使用水平給出性能、可靠性、時控件和其它因素的概率分布規(guī)律，根據(jù)具體需要進(jìn)行的維修工作結(jié)合部件價格、部件報廢率、部件維修程度、車間維修效率、維修人工時費(fèi)率等經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計算每次送修的維修成本。

但國內(nèi)面臨著1種小樣本情況，需要研究發(fā)動機(jī)送修成本的小樣本估算方法。該方法[12-13]將送修成本的估算分為確定和不確定2部分，對于不確定部分根據(jù)統(tǒng)計分析和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)選擇以EGT裕度、送修間隔時間和總飛行小時建立參數(shù)模型，并通過建立多個模型且使用粗集的屬性重要程度確定權(quán)重進(jìn)行多模型的線性組合，完成送修成本的估算。該方法在東方航空公司的CF6-80C2A5發(fā)動機(jī)上取得了良好效果。

3.2 基于送修決策的送修費(fèi)用控制

發(fā)動機(jī)的送修費(fèi)用非常高，動輒上百萬美元。但是如果只考慮減少送修而設(shè)定過低的維修等級，可能會縮短發(fā)動機(jī)下次裝機(jī)時間，導(dǎo)致單位飛行小時維修費(fèi)用過高。因此，根據(jù)發(fā)動機(jī)技術(shù)狀態(tài)制定出合適的送修等級，才能使維修成本控制落到實(shí)處[14]。

維修等級確定的本質(zhì)依據(jù)是設(shè)備的性能。航空發(fā)動機(jī)氣路參數(shù)（壓力、溫度等）和各氣動部件的特性（效率、流通能力等）之間存在嚴(yán)格的氣動熱力學(xué)關(guān)系。因此，很多學(xué)者從這個角度出發(fā)確定維修等級，即通過測量氣路參數(shù)的變化判斷發(fā)動機(jī)部件特性的變化，從而達(dá)到性能監(jiān)控的目的。這種性能監(jiān)控方法叫做氣路分析法。

近幾年蓬勃發(fā)展起來的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)也為確定設(shè)備的維修等級提供了新的方法和思路?；舅枷胧歉鶕?jù)歷史記錄中龐繁紛雜的狀態(tài)信息和實(shí)際的維修等級信息，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘算法找出二者之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，從而為以后的維修等級決策提供依據(jù)。數(shù)據(jù)挖掘方法可以看作是“小偏差法”的1種擴(kuò)展，但其更具有工程應(yīng)用價值：現(xiàn)場工程師不太可能去計算復(fù)雜的方程，而更習(xí)慣利用合理的規(guī)則去作判斷。將數(shù)據(jù)挖掘中的粗糙集理論[15]引用到發(fā)動機(jī)送修決策的研究中，現(xiàn)已在CFM56發(fā)動機(jī)的維修決策支持方面得到應(yīng)用。

4 結(jié)束語

民用航空發(fā)動機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性對民用飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性具有直接、重要的影響。發(fā)動機(jī)采購成本在飛機(jī)整機(jī)成本中所占比例很大，發(fā)動機(jī)的燃油消耗特性直接影響飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，發(fā)動機(jī)的維修成本在飛機(jī)維修成本中占40%左右。所以，必須在設(shè)計階段從各方面開展降低發(fā)動機(jī)直接使用成本的技術(shù)研究。本文對發(fā)動機(jī)直接使用經(jīng)濟(jì)性的組成和降低措施進(jìn)行了初步研究。后續(xù)研究還要從發(fā)動機(jī)直接使用成本中所有權(quán)成本、燃油成本、維修成本等3方面分別進(jìn)行估算、分析、控制等專項研究。

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