民用航空发动机使用经济性研究

黄兆东，刘 锦，吴静敏

（1.中航工业发展研究中心，北京100012；2.中航工业经济技术研究院，北京100012）

0 引言

新一代民用发动机发展目标是寻求费用、性能、进度和可靠性、维修性等多种要求的综合最佳[1]。因而，减少直接使用成本是发动机的1项重要设计指标[2-3]。不论是民用航空公司还是航空工业部门，对航空发动机的使用经济性问题都很重视。例如，美国Tech56计划的研制目标是将发动机燃油消耗率降低4%～8%，拥有成本和维护成本降低15%～20%；B787客机在设计中要求其发动机的直接使用成本比B747所用发动机的低15%～20%[4]。航空公司也将发动机使用经济性作为飞机选型的重要依据。研究民用发动机的使用经济性问题，对提高民用飞机经济可承受性有重大意义。

本文利用民用飞机DOC的概念分析了民用航空发动机的直接使用成本的组成要素，给出了这些要素的计算方法，并对提高民用航空发动机直接使用成本的途径进行了探讨。

1 发动机的直接使用成本

飞机的直接使用成本（DOC）组成部分比例如图1所示。其中，燃油费、所有权成本和飞机维修费用比例很大，直接受发动机使用经济性的影响。发动机的直接使用成本由发动机所有权成本、燃油费和发动机维修费组成，其在飞机DOC中所占的比例一般依次为5%，11%和2%左右[6]。

图1 DOC组成部分比例

1.1 发动机的所有权成本

发动机的所有权成本由购买成本和折旧等组成，是发动机随飞机购买之后生成的1笔相对稳定的支出。在飞机购买过程中，除了飞机上安装的发动机之外，航空公司往往还会购买一定数量的备份发动机以供发动机维修拆换。航空公司购机的资金来源主要有3种：航空公司自有资金或股本、贷款、租赁。购买飞机往往需贷款，这时产生的是利息费。

利息费是指购买发动机过程中所借贷款的利息支出。其计算模型为

式中：Pe为总投资额；B 为利率；m 为每年还款次数；X为每次偿还额；M 为贷款年限；N 为折旧年限；U 为年利用率；I 为利息。

航空公司通过贷款购机的方式拥有发动机，则拥有发动机费用中应包括折旧费用。在计算折旧费用时，采用平均年限法（即直线摊销法），折旧费的计算模型为

式中：RV为残值系数；DP为折旧年限；D 为折旧费。

目前航空公司在采购飞机（尤其是干线飞机）过程中一般采用融资租赁的方式，因此发动机的购买成本表现为租赁费。假设租赁保证金比例为r；租赁期年限为T；租金为每月支付；年贴现率为m；承租期满的发动机残值为q；租赁手续费占租金的比例为s；发动机的价格为Pe；则每月的租赁费用为

1.2 发动机的燃油费用

飞行中的燃油费用取决于飞机完成特定航线所消耗的轮档燃油和燃油单价，其中轮档燃油的计算根据典型的任务剖面进行，其计算结果与飞机的性能参数如巡航速度、巡航时的升阻比、发动机之间的油耗性能等存在密切关系。在飞机机体参数不变的情况下，改善发动机的油耗特性对改善其DOC有很大意义[7]。

在计算燃油费用时，需要充分考虑燃油价格和燃油消耗量的关系。计算模型为

式中：R 为航程；FP为燃油价格；F（R）为轮档耗油；t为轮档时间。

作为发动机的直接使用经济性参数，影响耗油率的因素很多。从气动热力的角度得知，发动机的涵道比B、涡轮进口温度等都对sfc 产生影响。目前常用的耗油率气动热力计算公式为[8]

式中：fb为油气比；fb,af为加力油气比，通常根据发动机的燃烧室设计查表、计算得出；vvol为空气冷却系数，取决于冷却方式和涡轮进口温度为发动机单位推力。

1.3 发动机的维修费用

发动机的直接维修成本与年利用率、平均航段距离、民航维修体制等密切相关。对于在役飞机尽可能采用实际数据进行维修成本分析。对于新研制发动机一般采用AEA方法估计[9-10]。该方法中，发动机的维修成本分为维修劳务成本和维修材料成本2类。

（1）发动机维修劳务成本Lt（元/轮档小时）为

式中：C1=1.27-0.2B0.2，C3=0.032Nc+k；T 为海平面起飞推力；B 为涵道比；Nc为压气机级数；k 为轴数Nsh的函数。

（2）发动机维修材料成本Mt（元/轮档小时）为

2 提高发动机使用经济性的途径分析

随着飞机对动力系统的要求和发动机技术复杂程度的不断提高，发动机研制、生产和使用费用在不断增加。为了提高发动机的使用经济性，就要从降低发动机的研制/生产成本、降低发动机油耗、减少维修费用等方面开展工作。

2.1 发动机研制中的经济性分析

在发动机研制过程中，应将成本与技术、性能、进度和可靠性等要求列为同等重要的参数予以确定，并考虑研制项目的全寿命成本问题。确定准确的生产、使用和维修等阶段中的成本参数（如每单位的装配成本和使用成本等），并与进度、性能和可靠性等参数间达到平衡。在此过程中要调研类似发动机或者历史设计经验的基础上给出各分系统的成本目标值，以此作为验证和修正发动机设计的基本依据之一。

2.2 请用户参与设计

请客户参与发动机设计对于明确发动机需要达到的性能和成本指标非常重要。飞机的维修费用占飞机DOC的10%～20%，发动机的维修费用占飞机维修费用的40%左右。与发动机价格和油耗等2个方面相比，发动机的维修费用是最有控制空间的。提高发动机的可靠性可以减少发动机的故障次数，提高发动机的维修性和保障性可以降低在维修过程中所需的成本费用。所以在设计过程中，成立IPT小组，利用并行工程的手段进行可靠性、维修性和保障性设计是必须的。例如，波音公司按照MSG-3逻辑，合理安排维修工作和周期使B737-600/700/800发动机的定检工作量不断降低，较之旧系统的B737飞机的维修成本降低了18%～20%[11]。

2.3 做好使用中的成本监控

发动机制造商应与民航公司密切沟通，对发动机使用过程中产生的各项成本进行监控。制造方的成本监控主要是指制造方的使用成本管理人员定期从客户、供应商或其它途径获得维修成本数据，通过分析比较得到对某种机型或某个客户的使用成本方面的评价，其基础是统计意义上的评估。通过评估可以达到3个目的：（1）根据统计分析结果找出现役发动机设计或维修大纲方面的薄弱点，提出改进措施；（2）通过长时间对不同机型使用成本的统计为新型发动机的使用成本分析提供基础；（3）通过比较不同航空公司的使用成本，分析航空公司维修管理方面存在的问题，提供客户改进建议。

3 发动机送修成本估算方法与控制策略

飞机的维修成本构成如图2所示。从图中可见，动力装置的维修费用所占比例高达38%。如今，民用发动机的维修成本已经成为各发动机制造商、发动机维修商和航空公司所关注的焦点。

图2 飞机维修成本构成

航空发动机的维修已经从19世纪50年代单纯的故障后维修发展到现在的修复性维修、定时维修和视情维修等多种方式并存。修复性维修是指设备发生故障后，使其恢复到规定状态；定时维修是在已知寿命分布规律或者损耗规律的情况下对设备进行的定时拆修或者定时报废；视情维修是对设备定期或者连续的状态监测结果实施的预防维修，根据设备的实际状况来确定，是最经济的1种维修方式。

根据维修地点分类，发动机的维修成本分为航线维修成本和车间送修成本。航线维修成本主要指在航线上对发动机的故障进行检查和对发动机故障件进行更换所需的人工时和材料费用；车间送修成本指发动机从飞机上拆卸以后返厂到车间内进行检查、测试和修理所需要的人工时和材料费用。送修发动机的故障相对复杂，航空公司没有处理能力，往往送到专门的维修厂家。由于维修过程相当复杂，技术含量很高，所以送修成本非常昂贵，一般每次送修费用在不包括时控件更换的情况下需百万美元左右。如果包括时控件更换，费用还会大大增加。发动机的送修成本平均占发动机总维修成本的90%以上。因此，控制好发动机的送修成本是控制发动机维修成本的重要途径。

3.1 发动机送修成本估算

控制发动机送修成本必须做到事前预测、事中监控和事后分析。这个过程中，对发动机单次送修成本进行估计非常必要。估计的合理性和准确性直接影响送修计划的安排、送修决策的确定和送修资金的规划。国外现有的送修成本估算方法多以大样本数据为基础，或者是找到统计规律、使用分布概率、利用类似样本。比如，GE公司从引起发动机送修的原因出发，根据大量历史数据结合发动机的使用条件、使用环境和使用水平给出性能、可靠性、时控件和其它因素的概率分布规律，根据具体需要进行的维修工作结合部件价格、部件报废率、部件维修程度、车间维修效率、维修人工时费率等经验参数计算每次送修的维修成本。

但国内面临着1种小样本情况，需要研究发动机送修成本的小样本估算方法。该方法[12-13]将送修成本的估算分为确定和不确定2部分，对于不确定部分根据统计分析和相关经验选择以EGT裕度、送修间隔时间和总飞行小时建立参数模型，并通过建立多个模型且使用粗集的属性重要程度确定权重进行多模型的线性组合，完成送修成本的估算。该方法在东方航空公司的CF6-80C2A5发动机上取得了良好效果。

3.2 基于送修决策的送修费用控制

发动机的送修费用非常高，动辄上百万美元。但是如果只考虑减少送修而设定过低的维修等级，可能会缩短发动机下次装机时间，导致单位飞行小时维修费用过高。因此，根据发动机技术状态制定出合适的送修等级，才能使维修成本控制落到实处[14]。

维修等级确定的本质依据是设备的性能。航空发动机气路参数（压力、温度等）和各气动部件的特性（效率、流通能力等）之间存在严格的气动热力学关系。因此，很多学者从这个角度出发确定维修等级，即通过测量气路参数的变化判断发动机部件特性的变化，从而达到性能监控的目的。这种性能监控方法叫做气路分析法。

近几年蓬勃发展起来的数据挖掘技术也为确定设备的维修等级提供了新的方法和思路。基本思想是根据历史记录中庞繁纷杂的状态信息和实际的维修等级信息，运用数据挖掘算法找出二者之间的关联规则，从而为以后的维修等级决策提供依据。数据挖掘方法可以看作是“小偏差法”的1种扩展，但其更具有工程应用价值：现场工程师不太可能去计算复杂的方程，而更习惯利用合理的规则去作判断。将数据挖掘中的粗糙集理论[15]引用到发动机送修决策的研究中，现已在CFM56发动机的维修决策支持方面得到应用。

4 结束语

民用航空发动机的使用经济性对民用飞机的经济性具有直接、重要的影响。发动机采购成本在飞机整机成本中所占比例很大，发动机的燃油消耗特性直接影响飞机的燃油经济性，发动机的维修成本在飞机维修成本中占40%左右。所以，必须在设计阶段从各方面开展降低发动机直接使用成本的技术研究。本文对发动机直接使用经济性的组成和降低措施进行了初步研究。后续研究还要从发动机直接使用成本中所有权成本、燃油成本、维修成本等3方面分别进行估算、分析、控制等专项研究。

[1]常文兵，肖依永，黄兆东.航空装备经济可承受性设计与管理[J].飞机设计，2009,29（5）：46-49.CHANG Wenbing，XIAO Yiyong，HUANG Zhaodong.The design and management of affordability for aviation material[J].Aircraft Design，2009,29（5）：46-49.（in Chinese）

[2]陈光.高涵道比涡轮风扇发动机发展综述[J].航空制造技术，2008（13）：40-45.CHEN Guang.Development of high-bypass ratio turbofan aeroengine[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2008（13）：40-45.（in Chinese）

[3]Huang Zhaodong，Chang Wenbin，Xiao Yiyong，et al.PLS based parametric model of the direct applying affordability of turbine engine[C]//Proceeding of the 6th International Conference on PLS Relatend Methods，Beijing：Publishing House of Electronics Industry,2009:183-188.

[4]张宝诚，刘孝安.航空发动机可靠性和经济性[M].北京：国防工业出版社，1998：303-312.ZHANGBaocheng，LIU Xiaoan.The reliability and economics of aircraft engine[M].Beijing：National Defense Industry Press，1998：303-312.（in Chinese）

[5]Wu Jingmin，Zuo Hongfu，Chen Yong.An estimation method for direct maintenance cost of aircraft components based on particle swarm optimization with immunity algorithm[J].Journal of Central South University of Technology，2005，12（s2）：95-101.

[6]吴静敏，左洪福.基于SVM和PSO算法的飞机部件DMC预计方法[J].系统工程与电子技术，2007，29（1）：61-65.WU Jingmin，ZUO Hongfu.Improved PSO and its combined application with SVM in the DMC estimation of aircraft components[J].Systems Engineering and Electronics，2007，29（1）：61-65.（in Chinese）

[7]吴静敏，左洪福.新型民机维修成本目标有效性评估方法[J].南京航空航天大学学报，2006，38（2）：186-191.WU Jingmin，ZUO Hongfu，WANG Huawei.Evaluation method for maintenance cost target of new civil aircraft[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2006，38（2）：186-191.（in Chinese）

[8]李华文，梁春华.航空发动机研制降低费用、缩短周期技术综述[J].航空发动机，2006，32（4）：54-58.LI Huawen，LIANG Chunhua.Technologies for reducing development cost and leadtime of aeroengine[J].Aerogine，2006，32（4）：54-58.（in Chinese）

[9]Duntsch I，Gedig a G.Uncertainty measures of rough set prediction[J].Artificial Intelligence，1998，106：109-137.

[10]李屹晖.航空发动机全寿命费用分析研究[D].北京：北京航空航天大学，2000.Ll Yihui.A research on LCC analysis of aircraft engine[D].Beijing：Beihang University，2000.（in Chinese）

[11]Boudreau M.Using cost as an independent variable（CAIV）to reduce total ownership cost[R].AD-A 444088，2006.

[12]尹峰.航空发动机研制费用测算方法分析 [J].航空发动机，2013，39（3）：89-94.YIN Feng.Calculation method of aeroengine development cost[J].Aeroengine，2013，39（3）：89-94.（in Chinese）

[13]Luman R.Quantitative decision support for upgrading complex systems of systems[D].Washington D C：The School of Engineering and Applied Science of the George Washington University，1997.

[14]Jenkinson L R，Simpkin P，Rhodes D.Civil jet aircraft design[M].Australia：Elsevier Limited，1999：301-303.

[15]Curran R，Kundu A，Raghunathan S，et al.Costing tools for decision making within integrated aerospace design[J].Journal of Concurrent Engineering Research，2002，9（4）：327-338.