發(fā)動(dòng)機(jī)大修成本影響因素淺析

許丕昕

（上海飛機(jī)客戶服務(wù)有限公司，上海 200241）

0 引言

安全和效益是民航企業(yè)的兩大主題。發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，其維修成本對(duì)航空公司的運(yùn)營(yíng)成本具有重要的影響，在飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本中，維護(hù)成本占10%～15%，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的維修成本一般占總維護(hù)成本的35%～45%[1]（圖1）。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本已經(jīng)成為各飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)制造商、發(fā)動(dòng)機(jī)維修商和航空公司關(guān)注的焦點(diǎn)。本文主要從單位飛行小時(shí)的大修和壽命件平均成本構(gòu)成展開(kāi)分析。

圖1 直接維修成本分布[2]

1 發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本構(gòu)成

發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)工作主要分為在翼維護(hù)和返廠維護(hù)。在翼維護(hù)包含航線和定期檢修，返廠大修是在航空公司無(wú)相關(guān)維修能力時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)送回大修廠或制造商進(jìn)行全面的分解檢查和維修[3]，大修成本指發(fā)動(dòng)機(jī)從飛機(jī)上拆下以后至MRO（Maintenance,Repair &Operations，用于維護(hù)、維修、運(yùn)行設(shè)備的物料和服務(wù)）的各類費(fèi)用，由于維修過(guò)程復(fù)雜，技術(shù)含量較高，因此返廠維護(hù)費(fèi)用需要幾百萬(wàn)美元不等，如果包括時(shí)壽件的更換，費(fèi)用還會(huì)大大增加，其中返廠維修費(fèi)用和時(shí)壽件的費(fèi)用占發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本的80%～85%，具體分布見(jiàn)圖2，也就是說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)大部分維護(hù)成本發(fā)生在送修期間，如何降低送修期間的費(fèi)用成為航空公司關(guān)注的焦點(diǎn)。本文從返廠大修中的維修成本切入，淺析降低發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期小時(shí)大修和壽命件維護(hù)成本的策略。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本分布

2 返廠原因

根據(jù)全球機(jī)隊(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)下發(fā)返廠主要由以下原因引起：EGT 裕度衰退，LLP 到壽，硬件退化和其他損傷。其分布主要取決于飛機(jī)的運(yùn)行航段，飛機(jī)較多執(zhí)飛短航程，其下發(fā)返廠的主要原因是EGTM 和LLP 到壽，當(dāng)飛機(jī)較多的執(zhí)飛中/長(zhǎng)航段，其下發(fā)返廠的主要原因是硬件退化和EGTM（圖3）。

圖3 返廠原因

3 成本計(jì)算

送修成本用單位飛行小時(shí)的大修和壽命件平均成本表征，計(jì)算式表達(dá)如下：

其中，Life Cycle Rate 代表全生命周期小時(shí)大修和壽命件成本；RST cost 是送修成本（包含材料、人工、外部修理等）；TOW 是發(fā)動(dòng)機(jī)在翼時(shí)間；LLP Price n 是第n 個(gè)壽命件的價(jià)格；LLP cycle n是第n 個(gè)壽命件的壽命；Tp%是設(shè)定的剩余壽命因子（數(shù)值根據(jù)各航司設(shè)定的參考值）；COWn 是壽命件本次在翼使用循環(huán)數(shù)（如提前報(bào)廢，COW 為本次在翼壽命與殘余壽命之和）；Leg 是小時(shí)航段比。

根據(jù)式（1）可知，全生命周期小時(shí)大修和壽命件成本的主要影響因子有送修成本（Shop Visit Cost）、發(fā)動(dòng)機(jī)在翼時(shí)間（TOW）、在翼循環(huán)數(shù)（COW）、設(shè)定的剩余壽命因子（Stub-Life Factor）、航段比和LLP 的費(fèi)用，其中在翼時(shí)間、在翼循環(huán)和返廠成本是主要可控變量。

4 返廠成本（Shop Visit Cost）

由式（1）可知，單位飛行小時(shí)成本（Life Cycle Rate）與送修的恢復(fù)成本（RST cost）和LLP 成本成正比，一次完整的送修流程為：分解—清潔&檢查—修理—組裝—測(cè)試（圖4）。

圖4 送修流程

LLP 成本比較簡(jiǎn)單，一般就是發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè)中05 章的壽命件到壽更換費(fèi)用。

返廠成本恢復(fù)成本主要可以分解為材料費(fèi)用（不含LLP）、人工費(fèi)用、修理費(fèi)用等，材料成本中，例如單個(gè)的渦輪葉片成本可能高達(dá)8K，如某發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪葉片1 級(jí)有120 片，2 級(jí)有136 片，總成本極高，通常這些部件的維修成本也較高（圖5）。

圖5 恢復(fù)成本分布

送修成本一般與維修深度和范圍呈正比，影響這些費(fèi)用的主要因素是需要檢查、修理的單元體的送修級(jí)別和單元體范圍，而影響送修級(jí)別與范圍的主要因素有以下4 個(gè)：

（1）單元體中壽命件：時(shí)壽件到壽是發(fā)動(dòng)機(jī)送修最常見(jiàn)的原因之一，一旦在該單元體中存在壽命件不能滿足下次送修目標(biāo)壽命，就需要采用機(jī)會(huì)維修策略，完全分解單元體，對(duì)單元體中的零部件進(jìn)行較高級(jí)別的維修和檢查，并更換相關(guān)壽命件。

（2）排氣裕度：EGTM 衰退一般是發(fā)動(dòng)機(jī)下發(fā)的主要原因。EGTM 是表征發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)的最重要參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)EGTM 的衰退是一個(gè)長(zhǎng)期并緩慢的過(guò)程，主要因素是渦輪葉片損傷造成尖端與周圍密封或保護(hù)罩之間的間隙逐漸增加，導(dǎo)致氣流從葉尖和機(jī)匣間流失，這些流失還會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率和增加發(fā)動(dòng)機(jī)單位油耗（圖6）。

圖6 EGT 退化原因和退化曲線

發(fā)動(dòng)機(jī)送修時(shí)需要恢復(fù)EGTM 值和下次送修目標(biāo)壽命，也會(huì)影響送修級(jí)別和深度的選擇。發(fā)動(dòng)機(jī)一般在新裝機(jī)后的1000 FC內(nèi)，由于安裝損失等因素EGTM 值會(huì)快速下降10～15 ℃，之后基本維持線性穩(wěn)定的水平，每千循環(huán)下降4～5 ℃，適當(dāng)?shù)乃纯梢越档图s1.2%的單位油耗，并增加一定的裕度以延緩發(fā)動(dòng)機(jī)的返廠時(shí)間，藉此可以預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的EGTM 耗盡和下發(fā)的時(shí)間，為發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃返廠提供依據(jù)（圖7）。

圖7 EGT 剩余循環(huán)測(cè)算

（3）AD/SB：根據(jù)中國(guó)民用航空局（CAAC）發(fā)動(dòng)機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，AD/SB 和送修級(jí)別存在以下兩種關(guān)系，第一種是AD/SB 決定送修級(jí)別，往往是由于一些緊急情況引起的發(fā)動(dòng)機(jī)下發(fā)送修；另一種情況是送修級(jí)別決定AD/SB，根據(jù)已確定好的送修范圍和級(jí)別來(lái)選擇需執(zhí)行的相關(guān)SB。

（4）硬件損傷：硬件損傷是指發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中發(fā)生零部件不適航缺陷損傷，根據(jù)相關(guān)手冊(cè)評(píng)估其是否可以繼續(xù)使用，如無(wú)法使用就應(yīng)進(jìn)行相關(guān)級(jí)別的大修。在翼時(shí)間長(zhǎng)帶來(lái)的是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部部件高的磨損和退化，在翼時(shí)間長(zhǎng)還會(huì)導(dǎo)致高的返廠維護(hù)成本。圖8 曲線表示在翼時(shí)間和單位小時(shí)成本之間的關(guān)系，充分了解曲線特性，選擇送修時(shí)機(jī)可決定返廠成本和小時(shí)成本。

圖8 在翼時(shí)間和單位小時(shí)成本關(guān)系曲線

5 在翼時(shí)間

由式（1）可知，單位全生命周期小時(shí)大修和壽命件成本與發(fā)動(dòng)機(jī)在翼時(shí)間（TOW）成本成反比，在翼時(shí)間的長(zhǎng)短主要受以下4 個(gè)因素的影響，推力等級(jí)（Thrust Rating）、運(yùn)行嚴(yán)酷度（Operational Severity）、運(yùn)行環(huán)境（Enviroment）、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)齡和大修管理策略。

5.1 推力等級(jí)

對(duì)于一個(gè)給定的發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)其處于更高的推力水平下運(yùn)行時(shí)，EGT 將會(huì)更快的惡化，更高的推力產(chǎn)生更高的核心機(jī)溫度，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的組成部件面臨更大的熱應(yīng)力。降低推力等級(jí)具有更大的EGTM，使用更少的燃油流量，延緩發(fā)動(dòng)機(jī)EGT 和硬件的退化，增加兩次進(jìn)場(chǎng)的間隔以降低維修成本。

5.2 運(yùn)行嚴(yán)酷度

發(fā)動(dòng)機(jī)DMC 的高低嚴(yán)重依賴于其運(yùn)行環(huán)境，包含航段比、減推力的使用、外界溫度和環(huán)境。圖9 是1997 年由各OEM 組成的EMCWG（Engine Maintenance Cost Working Group）組織定義的DMC 相關(guān)嚴(yán)酷度矩陣和曲線，用于比較同一基準(zhǔn)下的發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本數(shù)據(jù)?？梢詤⒄者\(yùn)行嚴(yán)酷度大小來(lái)評(píng)估不同運(yùn)行嚴(yán)酷度下發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本的大小[4]。

圖9 運(yùn)行嚴(yán)酷度矩陣

5.2.1 航段比

大的航段比意味著發(fā)動(dòng)機(jī)在相同運(yùn)行時(shí)間內(nèi)使用更少次數(shù)和時(shí)間的起飛和爬升推力，這樣會(huì)相對(duì)延緩發(fā)動(dòng)機(jī)硬件和EGTM的退化，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱退化和損傷會(huì)隨之下降，維修成本也會(huì)隨之降低。

5.2.2 減推力起飛

減推力起飛可以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大推力之下，越大的減推力等級(jí)帶來(lái)更低的起飛EGT，因此發(fā)動(dòng)機(jī)退化的更慢，在翼時(shí)間也會(huì)隨之延長(zhǎng)，維修成本也會(huì)隨之降低。

5.2.3 外界溫度

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，在高的外界溫度下意味著更少的可用EGTM和更大的性能下降，而且一旦外界溫度超過(guò)拐點(diǎn)溫度后，還會(huì)帶來(lái)最大推力的下降，造成商載的下降，發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)成本增高。

5.2.4 運(yùn)營(yíng)環(huán)境

在灰塵、沙塵和腐蝕環(huán)境中運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)導(dǎo)致HPC 葉片被侵蝕，冷卻孔堵塞。其他環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)的現(xiàn)象還包括硬件的腐蝕和氧化，對(duì)比運(yùn)行在高溫干燥的環(huán)境，運(yùn)行在侵蝕性環(huán)境的發(fā)動(dòng)機(jī)的EGTM 退化會(huì)更快，維護(hù)成本也更高。

5.3 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)齡（Engine Age）

使用時(shí)間越長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)相比新的發(fā)動(dòng)機(jī)往往會(huì)耗費(fèi)更多的各類維護(hù)成本，因?yàn)殡S著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，零部件會(huì)進(jìn)入更高的失效區(qū)間和報(bào)廢區(qū)間，這樣會(huì)有更多的非例行和例行任務(wù)，同時(shí)由于內(nèi)部的損傷也會(huì)導(dǎo)致其返廠的間隔縮短，新交付的發(fā)動(dòng)機(jī)比成熟期的發(fā)動(dòng)機(jī)具有更長(zhǎng)的在翼時(shí)間，一般發(fā)動(dòng)機(jī)的首次返廠時(shí)間會(huì)比成熟期的發(fā)動(dòng)機(jī)多20%～30%的在翼時(shí)間（圖10）。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同階段具有不同的經(jīng)濟(jì)壽命價(jià)值周期，典型的階段分為EIS、成長(zhǎng)期、穩(wěn)定期和衰退期。對(duì)于處于衰退期的發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)將目標(biāo)致力于保護(hù)現(xiàn)金流，最大化的利用LLP，尤其是具有Green-Time 串件，精確計(jì)算進(jìn)廠維修所更換部件的安排和計(jì)劃，考慮使用PMA 件和DER 維修件替代，以達(dá)到降低維護(hù)成本的目的。

圖10 不同階段維修成本曲線

5.4 大修管理策略（WPG）

The Workscope Planning Guide 大修范圍計(jì)劃指導(dǎo)手冊(cè)提供了旨在提供EGT 出廠裕度、提高發(fā)動(dòng)機(jī)硬件耐久性及可靠性的建議，但僅僅為建議而不應(yīng)被解釋為要求。返廠的工作范圍和級(jí)別應(yīng)取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的送修原因、各模塊的飛行時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)硬件檢查的情況、性能趨勢(shì)和航空公司管理規(guī)定和使用目標(biāo)，同時(shí)還要考慮關(guān)鍵的服務(wù)通告。

工作范圍的選擇決定了發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)計(jì)劃在翼的時(shí)間，較小的工作范圍帶來(lái)本次維修較小的花費(fèi)，但這可能是短期策略，隨之而來(lái)的是未來(lái)較短的在翼時(shí)間。深度的工作范圍造成較多的花費(fèi)但不一定能達(dá)到最低的維修成本。最優(yōu)的工作范圍是綜合考慮機(jī)隊(duì)運(yùn)行需求和長(zhǎng)期策略（圖11）。

圖11 不同送修方案的影響

6 在翼循環(huán)

從式（1）可知，全生命周期小時(shí)大修和壽命件成本與發(fā)動(dòng)機(jī)在翼循環(huán)數(shù)（COW）成本成正比，盡可能的減少循環(huán)數(shù)，增大飛機(jī)的小時(shí)循環(huán)比，可以大幅降低小時(shí)維護(hù)成本。但實(shí)際上，發(fā)動(dòng)機(jī)的小時(shí)循環(huán)比是根據(jù)各航空公司的航段來(lái)決定的，很難輕易地優(yōu)化調(diào)整。

短航段的飛機(jī)往往會(huì)快速積累更高的飛行循環(huán)數(shù)，對(duì)成熟期發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的做法是建立性能表現(xiàn)之間的退化標(biāo)準(zhǔn)，使之與LLP 剩余壽命匹配，比如當(dāng)LLP 剩余壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于EGT 的剩余循環(huán)時(shí)，多數(shù)情況下將這些發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整至中短程航線來(lái)消耗LLP的剩余壽命，實(shí)現(xiàn)盡可能多的利用LLP 壽命，減少壽命件浪費(fèi)壽命，降低全生命周期小時(shí)大修和壽命件成本。

7 建議

航空業(yè)的未來(lái)表明旅客數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng)以及大型雙發(fā)飛機(jī)的主導(dǎo)，使得與可靠性和安全性相關(guān)方面的改進(jìn)變得更加重要。具有更高可靠性和耐用性的專用傳感器，增強(qiáng)的大數(shù)據(jù)管理，復(fù)雜準(zhǔn)確的集成系統(tǒng)，具有趨勢(shì)預(yù)測(cè)能力，與發(fā)動(dòng)機(jī)MRO 整合的后勤保證系統(tǒng)，增強(qiáng)的檢查能力，更加強(qiáng)大的在翼維修技術(shù)的組合，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命選擇適合機(jī)隊(duì)的包修策略，都將是未來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本的關(guān)鍵。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文主要從計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)大修成本的測(cè)算公式出發(fā)，著重分析了在翼時(shí)間、運(yùn)行嚴(yán)酷度和在翼循環(huán)等決定發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本的可控影響因子，基于影響因子，給出降低送修維修成本的方法和建議。