航空发动机叶片专业化能力建设方法研究

李金芝，张 波

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

涡轮叶片是航空发动机上的关键、易损、难加工部件，研发、生产难度极大[1-3]，能够直接决定发动机的性能、安全与寿命，是发动机的关键部件之一。我国航空工业经过多年的投资建设，总体上已形成了较强的叶片研制、生产能力，基本能够满足国内发动机的研制、生产需要，但也存在一定问题。主要表现在国内叶片的生产技术水平与国外存在较大差距（尤其是先进的定向、单晶叶片[4，5]），生产模式与管理方面存在混线生产、业务分工定位不甚合理、重复建设多等多种问题，这使得叶片成为我国航空发动机高效发展的瓶颈之一[6，7]。国外优秀的航空制造企业，如GE、空客等，通过专业化发展的手段，以优异中心（COE，Center of Excellence）模式实现资源优化整合，使企业核心竞争力得以提升[8]。

COE是产生于核心竞争力理论盛行背景之下的一种全新的组织架构形式，它吸取了稍前的流程再造、时下的并行工程、产品全寿命管理等多种理论思潮，直接从组织架构方式的改变来实现对竞争能力的获取，将专业化发展与组织建设紧密结合在一起。COE的主要优势体现在可以实现资源的整合，从而降低生产成本，提高生产效率；可以降低企业的投资风险，改进组织结构，实现优秀资源的联盟；同时COE模式具有良好的实用性，可以提高企业的核心竞争力。以资源的整合为例，采用COE模式不但可以避免重复建设产生的成本浪费等问题，同时还可以集中技术等优势开展相关研制生产工作，进而提高企业的核心竞争力。借鉴国外的先进经验，国内也开始探讨采用COE模式解决目前生产管理方面存在的问题，降本增效，实现资源整合[9]。

开展航空发动机涡轮叶片COE建设，必须结合生产现状。当前，中航工业涡轮叶片的生产主要集中在各主机厂、涡轮叶片专业化生产厂和研究院所等单位，各单位的专业化能力建设是目前首要解决的核心问题之一。本文采用供应链管理领域中的目标规划模型和综合评价模型[10]对专业化能力建设开展深入分析，以期为叶片的专业化建设提供科学、合理的方法指导。值得注意的是，作为一个方法研究，本文对一些技术细节进行了简化和处理。例如，忽略了同一种叶片在不同制造企业制造设备和工艺上的差异性；为保护相关企业的内部信息，有关产量和价格信息也做了一定的随机化处理。此外，本研究属于2013年航空基金支持项目，文中所述情况可能与行业内的当前现实有所出入，因此得到的具体结论与建议可能并不适合当前。

1 目标规划模型

目标规划可以根据各个目标的相对重要程度，给出最大程度满足多个优化目标的解决方案。本文将通过建立目标规划模型给出各单位生产不同类型叶片产品的参考方案。

由于影响各单位业务分工的因素很多，本文采用德尔菲法开展调研分析，最终确定重点考察技术、质量、效率、成本这几方面因素。为不失一般性，我们可以将问题描述为：有m个叶片厂分别生产n种叶片产品供应发动机公司，现拟确定分工方案，以质量、产能利用率和成本为目标，建立目标规划模型如下：

其中，

Zij=0或 1，

Xij≥0并且为整数

i=1，…，m

j=1，…，n

决策变量：

Xij：叶片厂i生产叶片产品j的产量的决策变量（单位：件/年）；

Zij：叶片厂i是否生产叶片产品j的0-1决策变量，该变量取1表示叶片厂i生产叶片产品j，取0表示不生产；

，：表示决策结果与目标之间差距的偏移变量。

模型参数：

i=1，…，m，表示叶片厂的集合；

j=1，…，n，表示叶片产品品种的集合；

Dj：市场对叶片产品j的需求量，单位：件/年；

pij：叶片厂i生产叶片产品j时的合格率；

kij：叶片厂i能够用于生产叶片产品j的总产能，单位：件/年；

β：产能利用率的目标值，根据一般设备投资决策所参考的产能利用率要求，将此目标值设为80%；

γ：利润率；

Ri：叶片厂i的期望年销售收入，单位：元/年；

vcij：叶片厂i生产叶片产品j时的可变成本，单位：元/件；

fcij：叶片厂i生产叶片产品j时的固定成本，单位：元/年；

w1，w2，w3：各目标的权重，依据专家建议，本文取0.74，0.14，0.12。

根据实际情况，叶片生产单位主要包括5家，分别用A、B、C、D、E表示，叶片产品类型包括低压导向叶片、高压导向叶片、低压工作叶片、高压工作叶片共四类。对叶片产品合格率、产品利润率、市场需求量、生产总产能、可变成本、固定成本以及年期望销售收入等相关参数开展调研，得到以下结论：

市场对高压工作叶片的需求量高于其他三类叶片，对低压导向叶片的需求量最小；高压工作叶片的产品利润率高于其他三类叶片；D厂的期望年销售收入远高于其他四家单位；A厂、C厂高压工作叶片的合格率较高，B厂低压工作叶片合格率较高，D厂高压导向和高压工作叶片合格率较高，E厂低压工作和高压工作叶片合格率较高；A厂各类型叶片产能相同，B厂高压叶片的产能高于低压叶片，C厂低压工作叶片产能最高，D厂高压叶片和低压工作叶片产能相同，且高于低压导向叶片，E厂高压工作叶片产能较高；A、B、C厂的可变成本相同，D、E厂的高压导向叶片可变成本较高；从固定成本角度，各厂在高压工作叶片上的固定成本最高。将调研数据分析计算，得到下表1～表7。

本文选择应用求解数学规划问题的专业软件Lingo（Linear Interactive and General Optimizer）对目标规划进行求解（图1），将数据代入，可以得到求解结果输出报告（图2）。业务分工方案如表8所示。

表1 市场对叶片产品的需求量

表2 各类产品利润率

表3 各叶片厂的期望年销售收入/（万元/年）

表4 各厂叶片产品合格率

表5 各厂用于生产叶片产品的总产能/（件/年）

表6 各厂生产叶片产品的可变成本/（万元/件）*

表7 各厂生产叶片产品的固定成本/（万元/件）

图1 Lingo程序输入界面

图2 Lingo求解结果输出报告

表8 业务分工方案数据表*

2 综合评价模型

目标规划模型的优势在于可以根据各单位叶片生产相关历史数据，量化地给出各单位承担各类叶片产品生产的任务方案。但由于影响专业化建设的因素很多，而目标规划模型正是由于需要量化数据，导致部分不易量化的数据难以在模型当中考虑。为了弥补目标规划模型的不足，本文又通过建立综合评价模型，来考察每个叶片厂在生产不同叶片产品时的优势。

本文提出一套针对叶片供应链的初步评价指标体系，经德尔菲法确定了由技术创新、质量、柔性、生产效率、客户满意度、成本和人力资源等七方面组成评价指标体系，各指标的权重通过层次分析法确定，具体结果如表9所示。

根据前面得到的综合评价指标体系模型，可以对各厂生产不同叶片产品时的绩效进行评价。邀请专家根据表9中的各项指标针对各工厂按照10分制进行打分（10分为最优）。将各专家给出的分值进行算术平均，然后乘以对应的权重并累加，最后得到各厂生产不同叶片产品时的综合绩效得分，具体结果如表10所示。

表9 评价指标体系的指标及权重

通过对各厂综合绩效得分情况进行汇总排名，可得到表11。

表11 各厂综合绩效得分及排名汇总表

3 专业化能力建设方案

根据目标规划模型和综合评价模型，可以得到航空发动机涡轮叶片产品专业化生产方案如下：

（1）依据综合评价模型，E厂和D厂在各类产品的排名中都分别位于第一、第二，且目标规划模型给出的专业化建设方案里，E厂和D厂生产全品类叶片。结合实际情况，E厂在叶片产品研制、材料、工艺等方面具有很强的技术优势，并且其地理位置在人才的吸引方面也具备一定的优势，因此，适宜将E厂定位为叶片的专业技术研发单位，将D厂定位为全品类生产厂。

（2）C厂在综合评价中尽管各品类的排名都在最后，但是从综合评分的绝对值来看，其在低压和高压导向叶片上的得分相比在其它产品上的得分更高。因此，C厂应专注于生产低压和高压导向叶片，而这也与目标规划模型中给出的方案相一致。

（3）根据目标规划模型给出的专业化建设方案，B厂应重点生产低压工作叶片和高压工作叶片。而从综合评价模型中可见，B厂在各品类产品排名中都位于第三，但从得分的绝对值来看与排名第二的D厂差距并不太大，而其中高压导向叶片和高压工作叶片上得分的差距最小。综合考虑，B厂应专注于生产低压工作叶片和高压工作叶片。

（4）A厂在综合评价中得分较高的两项是低压导向和低压工作叶片，而目标规划模型给出的方案是生产高压导向叶片。考虑到前面在安排B厂的业务分工对目标规划模型给出方案的调整可能对产能约束的影响，A厂应专注于生产高压导向叶片和低压导向叶片。

综上所述，可得到专业化能力建设方案如表12所示。该建设方案，既考虑了各单位的自身特点和优势，又考虑了生产能力的灵活性，非常适合我国航空工业当前的实际情况，有利于推动叶片专业化生产。

表12 专业化能力建设方案表

参考文献：

[1] 霍武军，孙护国.先进的航空发动机涡轮叶片涂层技术[J].航空科学技术，2001，（3）：34-36.

[2] 李海宁，赵，史耀耀，等.航空发动机风扇/压气机叶片制造关键技术[J].航空制造技术，2013，（16）：34-37.

[3] 透平机械现代制造技术丛书编委会.叶片制造技术[M].科学出版社，2002.

[4] 黄 维，黄春峰，王永明，等.先进航空发动机关键制造技术研究[J].国防制造技术，2009，（3）：42-48.

[5] 王增强.先进航空发动机关键制造技术[J].航空制造技术，2015，（22）：34-38.

[6] 桂忠楼，张鑫华，钟振纲，等.高效冷却单晶涡轮叶片制造技术的发展[J].航空制造工程，1998，（2）.

[7] 李涤尘，吴海华，卢秉恒，等.型芯型壳一体化空心涡轮叶片制造方法[J].航空制造技术，2009，（3）：38-42.

[8] Airbus.Airbus Centers of Excellence[J].Airbus information，2012，6：1-3.

[9]APPLICATION DELIVERY：CENTER OF EXCELLENCE EVOLUTION，WWW.MERCURY.COM.

[10] 马士华，林 勇.供应链管理[M].北京：机械工业出版社，2000.