涡桨发动机方案阶段经济可承受性分析

李佳妮，唐正佳，阮华波，吴静敏

(1.中国航空动力机械研究所，湖南株洲412002；2.中国航空工业发展研究中心，北京100029)

涡桨发动机方案阶段经济可承受性分析

李佳妮1，唐正佳1，阮华波1，吴静敏2

(1.中国航空动力机械研究所，湖南株洲412002；2.中国航空工业发展研究中心，北京100029)

基于涡桨发动机经济可承受指标的定义，建立了涡桨发动机方案阶段的技术指标体系，提出了涡桨发动机全寿命周期费用指标及估算方法。给出了涡桨发动机方案阶段性能/费用权衡分析、全寿命周期费用估算及经济可承受性指标分析的过程，并以同一涡桨发动机为基准，对比分析了单转子方案和双转子方案的经济可承受性，最终得出该型发动机双转子方案经济可承受性更优的结论。

航空发动机；经济可承受性；方案阶段；技术指标体系；全寿命周期费用；性能/费用权衡；价值工程

1　引言

现代航空装备已具有快速获得空中优势、在风险和损伤最小前提下精确打击的能力，然而高昂的购置价格和巨额的维护费用阻碍了高性能航空装备大量装备部队的脚步，造不起、买不起、用不起等现象比较严重[1-3]。为此，美、英、法、俄等航空发达国家陆续提出了经济可承受性概念，把经济可承受性作为评价航空装备设计水平的重要指标，要求在航空装备研制发展中不仅要注重技术指标，还要同样注重经济性指标，在航空装备全寿命周期内通过新的设计[4-5]、制造、管理、维修等方法实现有效的费用(全寿命周期费用，LCC)控制。在国外相关理念和方法研究的基础上，本文开展了涡桨发动机的经济可承受分析，建立了方法体系，供相关研究人员参考。

2　涡桨发动机经济可承受性分析

经济可承受性较为权威的定义来自于美国防务采办术语[6]：经济可承受性是采办项目寿命期费用与国防部或国防部各部门的长期投资和部队结构计划协调程度的度量。对于特定装备，是指研制、生产、使用与维修的全过程必须在经济性与作战效能之间保持平衡。在航空发动机领域，经济可承受性可定量表达为能力与全寿命周期费用之比。对于涡桨发动机，其能力以单位油耗下的功重比来衡量，全寿命周期费用包括发动机的研制费用、采购费用和使用维护费用。在选定基准发动机的情况下，经济可承受性指标(CCI)计算如下[7]：

式中：分子为涡桨发动机的能力，其中Δ(P/W)表示功重比相对值，ΔSFC表示耗油率相对值；分母为涡桨发动机全寿命周期费用的衡量，用研制费用、生产成本和维修费用的相对值表示，ΔCost表示成本费用相对值。ΔCost的计算公式如下：

式中：WF是加权系数，表示每一部分费用在总费用中所占的比例，WF研制、WF生产、WF维修三者之和为1。

美国多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)计划，即以经济可承受指标作为技术发展标志，其研究目标是2017年使发动机的经济可承受性提高到F119的10倍[8]。具体见表1。

表1　VAATE对于不同发动机机种的目标(以2000年的技术为基准)[9]Table 1 Targets for different engine types in the VAATE (baseline 2000 state-of-the-art)

当前，我国航空发动机的技术及产品相对落后，对其经济可承受性研究更是缺乏认识和经验。中国航空工业发展研究中心曾研究了国内外经济可承受性技术的发展，提出了涡喷/涡扇发动机的全寿命周期费用估算方法、经济可承受性分析方法，是国内科学、系统研究航空发动机经济可承受性的开端[8]。中国航发动力所、动研所在此基础上，对航空发动机方案阶段的经济可承受性分析方法进行了探索。

涡桨发动机的经济可承受性分析，要求贯穿方案设计、详细设计、工程设计等各个设计阶段。在每个设计阶段将费用指标与性能指标同等对待，并不断以费用指标为约束，开展面向研制、生产、使用等全寿命周期过程的技术经济权衡。当费用指标不达标时要进行深入分析，并采取切实可行的手段优化设计、改进方案。由于不同阶段的设计要求不同、可获得信息量不同，不同阶段可面对不同层次的对象(即整机、部件、零件)采用不同深度的分析方法。就方案阶段来说，经济可承受性分析的主要任务是根据总体设计要求开展整机级分析，包括技术指标体系构建、全寿命周期费用估算、技术经济权衡分析三部分。技术指标体系构建指建立反映涡桨发动机能力水平的总体设计参数体系；全寿命周期费用估算指根据方案阶段的技术方案、管理方案等，估算涡桨发动机的研制费、采购费、使用保障费；技术经济权衡分析指分析技术指标的费用影响，计算经济可承受性指标，选择合适的总体设计方案。

3　涡桨发动机技术指标体系的构建

图1展示了涡桨发动机技术指标体系的构建过程。首先分析涡桨发动机总体参数对全寿命周期费用的影响。针对研制费用，分析涡桨发动机研制周期、先进程度、起飞功率、装机要求对研制费用的影响。针对采购费用，分析涡桨发动机生产台数、单价、起飞功率、制造系数、研制周期、装机要求对采购费的影响。针对使用保障费，分析修理厂翻修费、基地维修费、燃油费、部件改进和其他费用增加对使用保障费的影响。其次，以全寿命周期费用最低为准则，建立涡桨发动机性能与适用性、耐久性、可靠性和维修性相平衡的设计指标体系。发动机性能指标包括起飞功率、耗油率、涡轮前温度、压比、功重比等指标；适用性指标包括喘振裕度设计指标等；耐久性指标包括热端和冷端部件设计寿命等；可靠性指标包括定期检查间隔时间和控制系统指标等；维修性指标包括减少发动机维修需求的发动机设计和监控特点。

图1　涡桨发动机技术指标体系构建过程Fig.1 The construction process of the turboprop engine technical index system

4　涡桨发动机全寿命周期费用估算

图2展示了涡桨发动机全寿命周期费用估算的实现过程。采用工程法[8]依据发动机配装飞机数量、单架飞机总寿命、单架飞机发动机数量、发动机的单台价格、冷端部件总寿命、热端部件总寿命、飞机总工作时间等为输入条件，建立航空发动机全寿命周期费用估算模型。工程法建模步骤包括：建立工作分解结构(WBS)、费用分解结构(CBS)，形成费用矩阵；按照费用矩阵建立一系列规范化的、基础性的估算关系式，将其表达为量和率的乘积；为估算关系式选取恰当的、反映研发制造水平的费用参数标准。具体估算步骤如下：

图2　涡桨发动机全寿命周期费用估算过程Fig.2 The life cycle cost estimation process of turboprop engine

(1)设计类工作研制费用估算：按照航空发动机行业一般的阶段划分、专业设置，建立涡桨发动机设计工作列表；针对工程工时计量、人年费率构成、专用研发软件投入等项目进行估算。

(2)试验类工作研制费用估算：参考行业惯例对航空发动机的试验工作进行分类，如性能试验、强度试验、系统和成附件试验、地面试验、高空台试验等，形成涡桨发动机试验工作列表；就每类试验的材料消耗(含试验件)、人员投入、陪试件、转接段、专用试验软件等情况进行估算。

(3)制造类工作研制费用估算：对国内涡桨发动机制造过程的人力投入、材料消耗、工装研制、设备配置、样品样机制造、专用制造软件使用等情况进行估算。

(4)采购费用估算：包括在新飞机上安装发动机的采购费用和替换发动机采购费用，按涡桨发动机相关费用标准估算。

(5)使用保障费用估算：包括基地级维护费和发动机后方工厂级翻修费，按涡桨发动机相关费用标准估算。

5　涡桨发动机经济可承受性分析

在研究涡桨发动机方案阶段技术指标体系、全寿命周期费用估算方法的基础上，以某型涡桨发动机为例，开展经济可承受性分析。

5.1性能/费用权衡分析方法

依据技术指标体系，开展涡桨发动机每类技术指标的费用影响分析。通过综合判断，评判涡桨发动机性能与费用要求是否相符。发现问题时，可进行设计更改、方案完善，获得更为满意的设计结果。

(1)发动机性能

将该型涡桨发动机与国内外涡桨发动机的主要性能参数进行对比，从费用角度考虑该型涡桨发动机的研制难度、研制风险，分析承研单位是否承受得起、客户是否承受得起。

(2)发动机适应性

研究发现，当喘振裕度低于10%，喘振几率增加，发生故障几率增加，会增加全寿命周期费用；而喘振裕度高于20%，压气机效率降低而引起的性能降低会导致全寿命周期费用增加。需根据涡桨发动机低压喘振裕度、高压喘振裕度，分析其是否兼顾了性能与费用。

(3)发动机耐久性

据有关研究结果，发动机寿命费用最低的热端部件寿命为1/2飞机机体寿命，当热端部件小于1/2飞机机体寿命时，维修费、备件供应等的增加超过了发动机性能改善所带来的收益；当热端部件寿命大于1/2飞机机体寿命时，由于降低燃气涡轮进口温度造成发动机性能降低的影响起主导作用，导致寿命期费用增加。冷端部件寿命等于飞机机体寿命时，寿命期费用最低。选择的寿命小于机体寿命时，发动机维修费增加造成寿命期费用增加超过了改善发动机性能和减少冷端部件质量带来的好处。反之，降低发动机性能和增加冷端部件质量会增加全寿命周期费用，且无太多意义。所以需针对该型涡桨发动机，分析其冷端部件寿命、热端部件寿命及其与飞机机体寿命的关系，研究其对费用的影响程度。

(4)发动机可靠性

减少定期检查的次数对改善全寿命周期费用具有重要影响。如减少定期检查导致非定期拆换增加总的费用，但与检查有关的总费用大大减少，从而减少全寿命周期费用；再如控制余度，取消备份部件带来有关减少质量和费用的好处超过余度所带来增加任务可靠性带来的好处。因此，分析发动机定期检查次数、控制余度等是否符合费用要求。

(5)发动机维修性

研究发现，除孔探仪检查用高速光学装置对全寿命周期费用影响较大外，其他维修性指标对全寿命周期费用影响不大。所以在维修性方面，可分析发动机是否在工程设计中考虑采用快速可达光纤孔道，是否符合费用要求。

5.2经济可承受性指标分析方法

根据设计方案估算发动机的研制费用、采购费用、使用保障费用，利用国外航空发动机经济可承受性指标的计算公式，在历史数据和经验的基础上进行指标分析。

为定量评估该发动机的单转子方案和双转子方案的经济可承受性，根据配装飞机数量、单架飞机配装的发动机台数、单架飞机的总寿命、发动机的单台价格、冷端部件总寿命、热端部件总寿命等假设条件，分别计算两个方案的研制费用、采购费用、使用保障费用；又根据功率、质量、功重比、耗油率等技术指标，将两个方案与基准发动机进行对比。结果发现，与基准发动机相比，该型涡桨发动机双转子方案经济性更优，其经济可承受性能提高约20%，为项目团队最终选择双转子方案提供了决策参考。

6　结束语

航空发动机经济可承受性分析覆盖研制、生产、使用与维修的全过程，涉及工程技术、经济学、项目管理等多个专业领域，是一个多学科综合优化的系统工程。要在寿命期协调平衡各层次和各方面的费用管理问题，追求经费支出全局最优化，过程相当复杂，也具有极大的挑战性。在将来的航空发动机经济可承受性研究方面，还可以在以下方面进行努力：

(1)加强费用估算方法研究，积累与充实数据库。寿命期费用的估算方法较多，有类比法、参数法、工程法、专家法等，因此需要选择合适的费用估算法，提高全寿命周期费用估算的准确度。同时，有必要积累与充实原始费用数据库，为经济可承受性研究提供原始数据参考及模型验证。

(2)创新型号项目管理方法，提高认识，改善流程。逐渐改变性能优先的型号发展思路，重视经济可承受性理论与方法的推广，并从改变管理方法入手，重新优化型号项目管理流程，在型号任务中尝试应用费用作为独立变量等管理方法，以提高项目管理水平，保证发动机项目中成本、进度与技术性能之间的平衡。

[1]王科，魏法杰.用经济可承受性思想指导航空装备建设[J].科技管理，2006，(6)：13—16.

[2]张海涛.航空发动机研制费估算工作的现状与展望[C]//.中国航空学会第十一届发动机软科学学术研讨会论文集.2011：97—102.

[3]张海涛，罗荣轩.F-35项目调整所带来的影响[J].管理，2011，(5)：54—57.

[4]常文兵，肖依永，黄兆东.航空装备经济可承受性设计[J].工程，2009，(1)：62—64.

[5]李延杰，刘晓东，付雅芳.基于CAIV/EA的武器装备经济可承受性优化设计[J].数学实践与认识，2011，(5)：186—190.

[6]吴静敏.经济可承受性及其在航空发动机领域的发展[J].航空咨询，2010，(4)：1—8.

[7]StrickerJM.Turbineengineaffordability[R].AIAA 2002-3619，2002.

[8]吴静敏.经济可承受性——军用发动机发展的一项重要指标[J].国际航空，2010，(9)：47—49.

[9]方昌德.航空发动机的发展研究[M].北京：航空工业出版社，2009.

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，工程师，硕士，主要从事涡轴、涡桨发动机经济可承受性分析研究。