渦槳發動機方案階段經濟可承受性分析

李佳妮，唐正佳，阮華波，吳靜敏

(1.中國航空動力機械研究所，湖南株洲412002；2.中國航空工業發展研究中心，北京100029)

渦槳發動機方案階段經濟可承受性分析

李佳妮1，唐正佳1，阮華波1，吳靜敏2

(1.中國航空動力機械研究所，湖南株洲412002；2.中國航空工業發展研究中心，北京100029)

基于渦槳發動機經濟可承受指標的定義，建立了渦槳發動機方案階段的技術指標體系，提出了渦槳發動機全壽命周期費用指標及估算方法。給出了渦槳發動機方案階段性能/費用權衡分析、全壽命周期費用估算及經濟可承受性指標分析的過程，并以同一渦槳發動機為基準，對比分析了單轉子方案和雙轉子方案的經濟可承受性，最終得出該型發動機雙轉子方案經濟可承受性更優的結論。

航空發動機；經濟可承受性；方案階段；技術指標體系；全壽命周期費用；性能/費用權衡；價值工程

1　引言

現代航空裝備已具有快速獲得空中優勢、在風險和損傷最小前提下精確打擊的能力，然而高昂的購置價格和巨額的維護費用阻礙了高性能航空裝備大量裝備部隊的腳步，造不起、買不起、用不起等現象比較嚴重[1-3]。為此，美、英、法、俄等航空發達國家陸續提出了經濟可承受性概念，把經濟可承受性作為評價航空裝備設計水平的重要指標，要求在航空裝備研制發展中不僅要注重技術指標，還要同樣注重經濟性指標，在航空裝備全壽命周期內通過新的設計[4-5]、制造、管理、維修等方法實現有效的費用(全壽命周期費用，LCC)控制。在國外相關理念和方法研究的基礎上，本文開展了渦槳發動機的經濟可承受分析，建立了方法體系，供相關研究人員參考。

2　渦槳發動機經濟可承受性分析

經濟可承受性較為權威的定義來自于美國防務采辦術語[6]：經濟可承受性是采辦項目壽命期費用與國防部或國防部各部門的長期投資和部隊結構計劃協調程度的度量。對于特定裝備，是指研制、生產、使用與維修的全過程必須在經濟性與作戰效能之間保持平衡。在航空發動機領域，經濟可承受性可定量表達為能力與全壽命周期費用之比。對于渦槳發動機，其能力以單位油耗下的功重比來衡量，全壽命周期費用包括發動機的研制費用、采購費用和使用維護費用。在選定基準發動機的情況下，經濟可承受性指標(CCI)計算如下[7]：

式中：分子為渦槳發動機的能力，其中Δ(P/W)表示功重比相對值，ΔSFC表示耗油率相對值；分母為渦槳發動機全壽命周期費用的衡量，用研制費用、生產成本和維修費用的相對值表示，ΔCost表示成本費用相對值。ΔCost的計算公式如下：

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

美國多用途、經濟可承受的先進渦輪發動機(VAATE)計劃，即以經濟可承受指標作為技術發展標志，其研究目標是2017年使發動機的經濟可承受性提高到F119的10倍[8]。具體見表1。

表1　VAATE對于不同發動機機種的目標(以2000年的技術為基準)[9]Table 1 Targets for different engine types in the VAATE (baseline 2000 state-of-the-art)

當前，我國航空發動機的技術及產品相對落后，對其經濟可承受性研究更是缺乏認識和經驗。中國航空工業發展研究中心曾研究了國內外經濟可承受性技術的發展，提出了渦噴/渦扇發動機的全壽命周期費用估算方法、經濟可承受性分析方法，是國內科學、系統研究航空發動機經濟可承受性的開端[8]。中國航發動力所、動研所在此基礎上，對航空發動機方案階段的經濟可承受性分析方法進行了探索。

渦槳發動機的經濟可承受性分析，要求貫穿方案設計、詳細設計、工程設計等各個設計階段。在每個設計階段將費用指標與性能指標同等對待，并不斷以費用指標為約束，開展面向研制、生產、使用等全壽命周期過程的技術經濟權衡。當費用指標不達標時要進行深入分析，并采取切實可行的手段優化設計、改進方案。由于不同階段的設計要求不同、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、部件、零件)采用不同深度的分析方法。就方案階段來說，經濟可承受性分析的主要任務是根據總體設計要求開展整機級分析，包括技術指標體系構建、全壽命周期費用估算、技術經濟權衡分析三部分。技術指標體系構建指建立反映渦槳發動機能力水平的總體設計參數體系；全壽命周期費用估算指根據方案階段的技術方案、管理方案等，估算渦槳發動機的研制費、采購費、使用保障費；技術經濟權衡分析指分析技術指標的費用影響，計算經濟可承受性指標，選擇合適的總體設計方案。

3　渦槳發動機技術指標體系的構建

圖1展示了渦槳發動機技術指標體系的構建過程。首先分析渦槳發動機總體參數對全壽命周期費用的影響。針對研制費用，分析渦槳發動機研制周期、先進程度、起飛功率、裝機要求對研制費用的影響。針對采購費用，分析渦槳發動機生產臺數、單價、起飛功率、制造系數、研制周期、裝機要求對采購費的影響。針對使用保障費，分析修理廠翻修費、基地維修費、燃油費、部件改進和其他費用增加對使用保障費的影響。其次，以全壽命周期費用最低為準則，建立渦槳發動機性能與適用性、耐久性、可靠性和維修性相平衡的設計指標體系。發動機性能指標包括起飛功率、耗油率、渦輪前溫度、壓比、功重比等指標；適用性指標包括喘振裕度設計指標等；耐久性指標包括熱端和冷端部件設計壽命等；可靠性指標包括定期檢查間隔時間和控制系統指標等；維修性指標包括減少發動機維修需求的發動機設計和監控特點。

圖1　渦槳發動機技術指標體系構建過程Fig.1 The construction process of the turboprop engine technical index system

4　渦槳發動機全壽命周期費用估算

圖2展示了渦槳發動機全壽命周期費用估算的實現過程。采用工程法[8]依據發動機配裝飛機數量、單架飛機總壽命、單架飛機發動機數量、發動機的單臺價格、冷端部件總壽命、熱端部件總壽命、飛機總工作時間等為輸入條件，建立航空發動機全壽命周期費用估算模型。工程法建模步驟包括：建立工作分解結構(WBS)、費用分解結構(CBS)，形成費用矩陣；按照費用矩陣建立一系列規范化的、基礎性的估算關系式，將其表達為量和率的乘積；為估算關系式選取恰當的、反映研發制造水平的費用參數標準。具體估算步驟如下：

圖2　渦槳發動機全壽命周期費用估算過程Fig.2 The life cycle cost estimation process of turboprop engine

(1)設計類工作研制費用估算：按照航空發動機行業一般的階段劃分、專業設置，建立渦槳發動機設計工作列表；針對工程工時計量、人年費率構成、專用研發軟件投入等項目進行估算。

(2)試驗類工作研制費用估算：參考行業慣例對航空發動機的試驗工作進行分類，如性能試驗、強度試驗、系統和成附件試驗、地面試驗、高空臺試驗等，形成渦槳發動機試驗工作列表；就每類試驗的材料消耗(含試驗件)、人員投入、陪試件、轉接段、專用試驗軟件等情況進行估算。

(3)制造類工作研制費用估算：對國內渦槳發動機制造過程的人力投入、材料消耗、工裝研制、設備配置、樣品樣機制造、專用制造軟件使用等情況進行估算。

(4)采購費用估算：包括在新飛機上安裝發動機的采購費用和替換發動機采購費用，按渦槳發動機相關費用標準估算。

(5)使用保障費用估算：包括基地級維護費和發動機后方工廠級翻修費，按渦槳發動機相關費用標準估算。

5　渦槳發動機經濟可承受性分析

在研究渦槳發動機方案階段技術指標體系、全壽命周期費用估算方法的基礎上，以某型渦槳發動機為例，開展經濟可承受性分析。

5.1性能/費用權衡分析方法

依據技術指標體系，開展渦槳發動機每類技術指標的費用影響分析。通過綜合判斷，評判渦槳發動機性能與費用要求是否相符。發現問題時，可進行設計更改、方案完善，獲得更為滿意的設計結果。

(1)發動機性能

將該型渦槳發動機與國內外渦槳發動機的主要性能參數進行對比，從費用角度考慮該型渦槳發動機的研制難度、研制風險，分析承研單位是否承受得起、客戶是否承受得起。

(2)發動機適應性

研究發現，當喘振裕度低于10%，喘振幾率增加，發生故障幾率增加，會增加全壽命周期費用；而喘振裕度高于20%，壓氣機效率降低而引起的性能降低會導致全壽命周期費用增加。需根據渦槳發動機低壓喘振裕度、高壓喘振裕度，分析其是否兼顧了性能與費用。

(3)發動機耐久性

據有關研究結果，發動機壽命費用最低的熱端部件壽命為1/2飛機機體壽命，當熱端部件小于1/2飛機機體壽命時，維修費、備件供應等的增加超過了發動機性能改善所帶來的收益；當熱端部件壽命大于1/2飛機機體壽命時，由于降低燃氣渦輪進口溫度造成發動機性能降低的影響起主導作用，導致壽命期費用增加。冷端部件壽命等于飛機機體壽命時，壽命期費用最低。選擇的壽命小于機體壽命時，發動機維修費增加造成壽命期費用增加超過了改善發動機性能和減少冷端部件質量帶來的好處。反之，降低發動機性能和增加冷端部件質量會增加全壽命周期費用，且無太多意義。所以需針對該型渦槳發動機，分析其冷端部件壽命、熱端部件壽命及其與飛機機體壽命的關系，研究其對費用的影響程度。

(4)發動機可靠性

減少定期檢查的次數對改善全壽命周期費用具有重要影響。如減少定期檢查導致非定期拆換增加總的費用，但與檢查有關的總費用大大減少，從而減少全壽命周期費用；再如控制余度，取消備份部件帶來有關減少質量和費用的好處超過余度所帶來增加任務可靠性帶來的好處。因此，分析發動機定期檢查次數、控制余度等是否符合費用要求。

(5)發動機維修性

研究發現，除孔探儀檢查用高速光學裝置對全壽命周期費用影響較大外，其他維修性指標對全壽命周期費用影響不大。所以在維修性方面，可分析發動機是否在工程設計中考慮采用快速可達光纖孔道，是否符合費用要求。

5.2經濟可承受性指標分析方法

根據設計方案估算發動機的研制費用、采購費用、使用保障費用，利用國外航空發動機經濟可承受性指標的計算公式，在歷史數據和經驗的基礎上進行指標分析。

為定量評估該發動機的單轉子方案和雙轉子方案的經濟可承受性，根據配裝飛機數量、單架飛機配裝的發動機臺數、單架飛機的總壽命、發動機的單臺價格、冷端部件總壽命、熱端部件總壽命等假設條件，分別計算兩個方案的研制費用、采購費用、使用保障費用；又根據功率、質量、功重比、耗油率等技術指標，將兩個方案與基準發動機進行對比。結果發現，與基準發動機相比，該型渦槳發動機雙轉子方案經濟性更優，其經濟可承受性能提高約20%，為項目團隊最終選擇雙轉子方案提供了決策參考。

6　結束語

航空發動機經濟可承受性分析覆蓋研制、生產、使用與維修的全過程，涉及工程技術、經濟學、項目管理等多個專業領域，是一個多學科綜合優化的系統工程。要在壽命期協調平衡各層次和各方面的費用管理問題，追求經費支出全局最優化，過程相當復雜，也具有極大的挑戰性。在將來的航空發動機經濟可承受性研究方面，還可以在以下方面進行努力：

(1)加強費用估算方法研究，積累與充實數據庫。壽命期費用的估算方法較多，有類比法、參數法、工程法、專家法等，因此需要選擇合適的費用估算法，提高全壽命周期費用估算的準確度。同時，有必要積累與充實原始費用數據庫，為經濟可承受性研究提供原始數據參考及模型驗證。

(2)創新型號項目管理方法，提高認識，改善流程。逐漸改變性能優先的型號發展思路，重視經濟可承受性理論與方法的推廣，并從改變管理方法入手，重新優化型號項目管理流程，在型號任務中嘗試應用費用作為獨立變量等管理方法，以提高項目管理水平，保證發動機項目中成本、進度與技術性能之間的平衡。

[1]王科，魏法杰.用經濟可承受性思想指導航空裝備建設[J].科技管理，2006，(6)：13—16.

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[3]張海濤，羅榮軒.F-35項目調整所帶來的影響[J].管理，2011，(5)：54—57.

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[9]方昌德.航空發動機的發展研究[M].北京：航空工業出版社，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，工程師，碩士，主要從事渦軸、渦槳發動機經濟可承受性分析研究。