渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)方案階段經(jīng)濟(jì)可承受性分析

李佳妮，唐正佳，阮華波，吳靜敏

(1.中國航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002；2.中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京100029)

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)方案階段經(jīng)濟(jì)可承受性分析

李佳妮1，唐正佳1，阮華波1，吳靜敏2

(1.中國航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002；2.中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京100029)

基于渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受指標(biāo)的定義，建立了渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)方案階段的技術(shù)指標(biāo)體系，提出了渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期費(fèi)用指標(biāo)及估算方法。給出了渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)方案階段性能/費(fèi)用權(quán)衡分析、全壽命周期費(fèi)用估算及經(jīng)濟(jì)可承受性指標(biāo)分析的過程，并以同一渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)為基準(zhǔn)，對比分析了單轉(zhuǎn)子方案和雙轉(zhuǎn)子方案的經(jīng)濟(jì)可承受性，最終得出該型發(fā)動(dòng)機(jī)雙轉(zhuǎn)子方案經(jīng)濟(jì)可承受性更優(yōu)的結(jié)論。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；經(jīng)濟(jì)可承受性；方案階段；技術(shù)指標(biāo)體系；全壽命周期費(fèi)用；性能/費(fèi)用權(quán)衡；價(jià)值工程

1　引言

現(xiàn)代航空裝備已具有快速獲得空中優(yōu)勢、在風(fēng)險(xiǎn)和損傷最小前提下精確打擊的能力，然而高昂的購置價(jià)格和巨額的維護(hù)費(fèi)用阻礙了高性能航空裝備大量裝備部隊(duì)的腳步，造不起、買不起、用不起等現(xiàn)象比較嚴(yán)重[1-3]。為此，美、英、法、俄等航空發(fā)達(dá)國家陸續(xù)提出了經(jīng)濟(jì)可承受性概念，把經(jīng)濟(jì)可承受性作為評價(jià)航空裝備設(shè)計(jì)水平的重要指標(biāo)，要求在航空裝備研制發(fā)展中不僅要注重技術(shù)指標(biāo)，還要同樣注重經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，在航空裝備全壽命周期內(nèi)通過新的設(shè)計(jì)[4-5]、制造、管理、維修等方法實(shí)現(xiàn)有效的費(fèi)用(全壽命周期費(fèi)用，LCC)控制。在國外相關(guān)理念和方法研究的基礎(chǔ)上，本文開展了渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)可承受分析，建立了方法體系，供相關(guān)研究人員參考。

2　渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性分析

經(jīng)濟(jì)可承受性較為權(quán)威的定義來自于美國防務(wù)采辦術(shù)語[6]：經(jīng)濟(jì)可承受性是采辦項(xiàng)目壽命期費(fèi)用與國防部或國防部各部門的長期投資和部隊(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)劃協(xié)調(diào)程度的度量。對于特定裝備，是指研制、生產(chǎn)、使用與維修的全過程必須在經(jīng)濟(jì)性與作戰(zhàn)效能之間保持平衡。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，經(jīng)濟(jì)可承受性可定量表達(dá)為能力與全壽命周期費(fèi)用之比。對于渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，其能力以單位油耗下的功重比來衡量，全壽命周期費(fèi)用包括發(fā)動(dòng)機(jī)的研制費(fèi)用、采購費(fèi)用和使用維護(hù)費(fèi)用。在選定基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，經(jīng)濟(jì)可承受性指標(biāo)(CCI)計(jì)算如下[7]：

式中：分子為渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的能力，其中Δ(P/W)表示功重比相對值，ΔSFC表示耗油率相對值；分母為渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期費(fèi)用的衡量，用研制費(fèi)用、生產(chǎn)成本和維修費(fèi)用的相對值表示，ΔCost表示成本費(fèi)用相對值。ΔCost的計(jì)算公式如下：

式中：WF是加權(quán)系數(shù)，表示每一部分費(fèi)用在總費(fèi)用中所占的比例，WF研制、WF生產(chǎn)、WF維修三者之和為1。

美國多用途、經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(VAATE)計(jì)劃，即以經(jīng)濟(jì)可承受指標(biāo)作為技術(shù)發(fā)展標(biāo)志，其研究目標(biāo)是2017年使發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)可承受性提高到F119的10倍[8]。具體見表1。

表1　VAATE對于不同發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)種的目標(biāo)(以2000年的技術(shù)為基準(zhǔn))[9]Table 1 Targets for different engine types in the VAATE (baseline 2000 state-of-the-art)

當(dāng)前，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)及產(chǎn)品相對落后，對其經(jīng)濟(jì)可承受性研究更是缺乏認(rèn)識和經(jīng)驗(yàn)。中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心曾研究了國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)可承受性技術(shù)的發(fā)展，提出了渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的全壽命周期費(fèi)用估算方法、經(jīng)濟(jì)可承受性分析方法，是國內(nèi)科學(xué)、系統(tǒng)研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性的開端[8]。中國航發(fā)動(dòng)力所、動(dòng)研所在此基礎(chǔ)上，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)方案階段的經(jīng)濟(jì)可承受性分析方法進(jìn)行了探索。

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)可承受性分析，要求貫穿方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)等各個(gè)設(shè)計(jì)階段。在每個(gè)設(shè)計(jì)階段將費(fèi)用指標(biāo)與性能指標(biāo)同等對待，并不斷以費(fèi)用指標(biāo)為約束，開展面向研制、生產(chǎn)、使用等全壽命周期過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)權(quán)衡。當(dāng)費(fèi)用指標(biāo)不達(dá)標(biāo)時(shí)要進(jìn)行深入分析，并采取切實(shí)可行的手段優(yōu)化設(shè)計(jì)、改進(jìn)方案。由于不同階段的設(shè)計(jì)要求不同、可獲得信息量不同，不同階段可面對不同層次的對象(即整機(jī)、部件、零件)采用不同深度的分析方法。就方案階段來說，經(jīng)濟(jì)可承受性分析的主要任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求開展整機(jī)級分析，包括技術(shù)指標(biāo)體系構(gòu)建、全壽命周期費(fèi)用估算、技術(shù)經(jīng)濟(jì)權(quán)衡分析三部分。技術(shù)指標(biāo)體系構(gòu)建指建立反映渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)能力水平的總體設(shè)計(jì)參數(shù)體系；全壽命周期費(fèi)用估算指根據(jù)方案階段的技術(shù)方案、管理方案等，估算渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的研制費(fèi)、采購費(fèi)、使用保障費(fèi)；技術(shù)經(jīng)濟(jì)權(quán)衡分析指分析技術(shù)指標(biāo)的費(fèi)用影響，計(jì)算經(jīng)濟(jì)可承受性指標(biāo)，選擇合適的總體設(shè)計(jì)方案。

3　渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)體系的構(gòu)建

圖1展示了渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)體系的構(gòu)建過程。首先分析渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)總體參數(shù)對全壽命周期費(fèi)用的影響。針對研制費(fèi)用，分析渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期、先進(jìn)程度、起飛功率、裝機(jī)要求對研制費(fèi)用的影響。針對采購費(fèi)用，分析渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)臺數(shù)、單價(jià)、起飛功率、制造系數(shù)、研制周期、裝機(jī)要求對采購費(fèi)的影響。針對使用保障費(fèi)，分析修理廠翻修費(fèi)、基地維修費(fèi)、燃油費(fèi)、部件改進(jìn)和其他費(fèi)用增加對使用保障費(fèi)的影響。其次，以全壽命周期費(fèi)用最低為準(zhǔn)則，建立渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)性能與適用性、耐久性、可靠性和維修性相平衡的設(shè)計(jì)指標(biāo)體系。發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)包括起飛功率、耗油率、渦輪前溫度、壓比、功重比等指標(biāo)；適用性指標(biāo)包括喘振裕度設(shè)計(jì)指標(biāo)等；耐久性指標(biāo)包括熱端和冷端部件設(shè)計(jì)壽命等；可靠性指標(biāo)包括定期檢查間隔時(shí)間和控制系統(tǒng)指標(biāo)等；維修性指標(biāo)包括減少發(fā)動(dòng)機(jī)維修需求的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和監(jiān)控特點(diǎn)。

圖1　渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)體系構(gòu)建過程Fig.1 The construction process of the turboprop engine technical index system

4　渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期費(fèi)用估算

圖2展示了渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期費(fèi)用估算的實(shí)現(xiàn)過程。采用工程法[8]依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)配裝飛機(jī)數(shù)量、單架飛機(jī)總壽命、單架飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量、發(fā)動(dòng)機(jī)的單臺價(jià)格、冷端部件總壽命、熱端部件總壽命、飛機(jī)總工作時(shí)間等為輸入條件，建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期費(fèi)用估算模型。工程法建模步驟包括：建立工作分解結(jié)構(gòu)(WBS)、費(fèi)用分解結(jié)構(gòu)(CBS)，形成費(fèi)用矩陣；按照費(fèi)用矩陣建立一系列規(guī)范化的、基礎(chǔ)性的估算關(guān)系式，將其表達(dá)為量和率的乘積；為估算關(guān)系式選取恰當(dāng)?shù)?、反映研發(fā)制造水平的費(fèi)用參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。具體估算步驟如下：

圖2　渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期費(fèi)用估算過程Fig.2 The life cycle cost estimation process of turboprop engine

(1)設(shè)計(jì)類工作研制費(fèi)用估算：按照航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)一般的階段劃分、專業(yè)設(shè)置，建立渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作列表；針對工程工時(shí)計(jì)量、人年費(fèi)率構(gòu)成、專用研發(fā)軟件投入等項(xiàng)目進(jìn)行估算。

(2)試驗(yàn)類工作研制費(fèi)用估算：參考行業(yè)慣例對航空發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)工作進(jìn)行分類，如性能試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)、系統(tǒng)和成附件試驗(yàn)、地面試驗(yàn)、高空臺試驗(yàn)等，形成渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工作列表；就每類試驗(yàn)的材料消耗(含試驗(yàn)件)、人員投入、陪試件、轉(zhuǎn)接段、專用試驗(yàn)軟件等情況進(jìn)行估算。

(3)制造類工作研制費(fèi)用估算：對國內(nèi)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程的人力投入、材料消耗、工裝研制、設(shè)備配置、樣品樣機(jī)制造、專用制造軟件使用等情況進(jìn)行估算。

(4)采購費(fèi)用估算：包括在新飛機(jī)上安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的采購費(fèi)用和替換發(fā)動(dòng)機(jī)采購費(fèi)用，按渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)估算。

(5)使用保障費(fèi)用估算：包括基地級維護(hù)費(fèi)和發(fā)動(dòng)機(jī)后方工廠級翻修費(fèi)，按渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)估算。

5　渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性分析

在研究渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)方案階段技術(shù)指標(biāo)體系、全壽命周期費(fèi)用估算方法的基礎(chǔ)上，以某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)為例，開展經(jīng)濟(jì)可承受性分析。

5.1性能/費(fèi)用權(quán)衡分析方法

依據(jù)技術(shù)指標(biāo)體系，開展渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)每類技術(shù)指標(biāo)的費(fèi)用影響分析。通過綜合判斷，評判渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)性能與費(fèi)用要求是否相符。發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，可進(jìn)行設(shè)計(jì)更改、方案完善，獲得更為滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)性能

將該型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)與國內(nèi)外渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)進(jìn)行對比，從費(fèi)用角度考慮該型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的研制難度、研制風(fēng)險(xiǎn)，分析承研單位是否承受得起、客戶是否承受得起。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)喘振裕度低于10%，喘振幾率增加，發(fā)生故障幾率增加，會(huì)增加全壽命周期費(fèi)用；而喘振裕度高于20%，壓氣機(jī)效率降低而引起的性能降低會(huì)導(dǎo)致全壽命周期費(fèi)用增加。需根據(jù)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)低壓喘振裕度、高壓喘振裕度，分析其是否兼顧了性能與費(fèi)用。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性

據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命費(fèi)用最低的熱端部件壽命為1/2飛機(jī)機(jī)體壽命，當(dāng)熱端部件小于1/2飛機(jī)機(jī)體壽命時(shí)，維修費(fèi)、備件供應(yīng)等的增加超過了發(fā)動(dòng)機(jī)性能改善所帶來的收益；當(dāng)熱端部件壽命大于1/2飛機(jī)機(jī)體壽命時(shí)，由于降低燃?xì)鉁u輪進(jìn)口溫度造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低的影響起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致壽命期費(fèi)用增加。冷端部件壽命等于飛機(jī)機(jī)體壽命時(shí)，壽命期費(fèi)用最低。選擇的壽命小于機(jī)體壽命時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)維修費(fèi)增加造成壽命期費(fèi)用增加超過了改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能和減少冷端部件質(zhì)量帶來的好處。反之，降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能和增加冷端部件質(zhì)量會(huì)增加全壽命周期費(fèi)用，且無太多意義。所以需針對該型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，分析其冷端部件壽命、熱端部件壽命及其與飛機(jī)機(jī)體壽命的關(guān)系，研究其對費(fèi)用的影響程度。

(4)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性

減少定期檢查的次數(shù)對改善全壽命周期費(fèi)用具有重要影響。如減少定期檢查導(dǎo)致非定期拆換增加總的費(fèi)用，但與檢查有關(guān)的總費(fèi)用大大減少，從而減少全壽命周期費(fèi)用；再如控制余度，取消備份部件帶來有關(guān)減少質(zhì)量和費(fèi)用的好處超過余度所帶來增加任務(wù)可靠性帶來的好處。因此，分析發(fā)動(dòng)機(jī)定期檢查次數(shù)、控制余度等是否符合費(fèi)用要求。

(5)發(fā)動(dòng)機(jī)維修性

研究發(fā)現(xiàn)，除孔探儀檢查用高速光學(xué)裝置對全壽命周期費(fèi)用影響較大外，其他維修性指標(biāo)對全壽命周期費(fèi)用影響不大。所以在維修性方面，可分析發(fā)動(dòng)機(jī)是否在工程設(shè)計(jì)中考慮采用快速可達(dá)光纖孔道，是否符合費(fèi)用要求。

5.2經(jīng)濟(jì)可承受性指標(biāo)分析方法

根據(jù)設(shè)計(jì)方案估算發(fā)動(dòng)機(jī)的研制費(fèi)用、采購費(fèi)用、使用保障費(fèi)用，利用國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性指標(biāo)的計(jì)算公式，在歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行指標(biāo)分析。

為定量評估該發(fā)動(dòng)機(jī)的單轉(zhuǎn)子方案和雙轉(zhuǎn)子方案的經(jīng)濟(jì)可承受性，根據(jù)配裝飛機(jī)數(shù)量、單架飛機(jī)配裝的發(fā)動(dòng)機(jī)臺數(shù)、單架飛機(jī)的總壽命、發(fā)動(dòng)機(jī)的單臺價(jià)格、冷端部件總壽命、熱端部件總壽命等假設(shè)條件，分別計(jì)算兩個(gè)方案的研制費(fèi)用、采購費(fèi)用、使用保障費(fèi)用；又根據(jù)功率、質(zhì)量、功重比、耗油率等技術(shù)指標(biāo)，將兩個(gè)方案與基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，該型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)雙轉(zhuǎn)子方案經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，其經(jīng)濟(jì)可承受性能提高約20%，為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)最終選擇雙轉(zhuǎn)子方案提供了決策參考。

6　結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性分析覆蓋研制、生產(chǎn)、使用與維修的全過程，涉及工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、項(xiàng)目管理等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，是一個(gè)多學(xué)科綜合優(yōu)化的系統(tǒng)工程。要在壽命期協(xié)調(diào)平衡各層次和各方面的費(fèi)用管理問題，追求經(jīng)費(fèi)支出全局最優(yōu)化，過程相當(dāng)復(fù)雜，也具有極大的挑戰(zhàn)性。在將來的航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性研究方面，還可以在以下方面進(jìn)行努力：

(1)加強(qiáng)費(fèi)用估算方法研究，積累與充實(shí)數(shù)據(jù)庫。壽命期費(fèi)用的估算方法較多，有類比法、參數(shù)法、工程法、專家法等，因此需要選擇合適的費(fèi)用估算法，提高全壽命周期費(fèi)用估算的準(zhǔn)確度。同時(shí)，有必要積累與充實(shí)原始費(fèi)用數(shù)據(jù)庫，為經(jīng)濟(jì)可承受性研究提供原始數(shù)據(jù)參考及模型驗(yàn)證。

(2)創(chuàng)新型號項(xiàng)目管理方法，提高認(rèn)識，改善流程。逐漸改變性能優(yōu)先的型號發(fā)展思路，重視經(jīng)濟(jì)可承受性理論與方法的推廣，并從改變管理方法入手，重新優(yōu)化型號項(xiàng)目管理流程，在型號任務(wù)中嘗試應(yīng)用費(fèi)用作為獨(dú)立變量等管理方法，以提高項(xiàng)目管理水平，保證發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中成本、進(jìn)度與技術(shù)性能之間的平衡。

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The affordability analysis for turboprop engine in planning stage

LI Jia-ni1，TANG Zheng-jia1，RUAN Hua-bo1，WU Jing-min2
(1.China Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China；2.Aviation Industry Development Research Center of China，Beijing 100029，China)

Based on the definition of affordability index for the turboprop engine,the technical index system of turboprop engine in planning stage was established,and life cycle cost index as well as estimation method were proposed.The analysis process of performance/cost tradeoff,life cycle cost and affordability index of turboprop engine in planning stage was introduced,and with the same turboprop engine as a benchmark,affordability of the single-rotor engine and the dual-rotor engine was compared，finally the conclusion was obtained that the dual-rotor engine program is more affordable.

aero-engine；affordability；planning stage；technical index system；life cycle cost；performance/cost tradeoff analysis；value engineering

V235.12

A

1672-2620(2016)05-0058-05

2016-05-29；

2016-10-09

李佳妮(1984-)，女，湖南株洲人，工程師，碩士，主要從事渦軸、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性分析研究。