發動機大修成本影響因素淺析

許丕昕

（上海飛機客戶服務有限公司，上海 200241）

0 引言

安全和效益是民航企業的兩大主題。發動機是飛機的心臟，其維修成本對航空公司的運營成本具有重要的影響，在飛機的運營成本中，維護成本占10%～15%，其中發動機的維修成本一般占總維護成本的35%～45%[1]（圖1）。因此，發動機維修成本已經成為各飛機、發動機制造商、發動機維修商和航空公司關注的焦點。本文主要從單位飛行小時的大修和壽命件平均成本構成展開分析。

圖1 直接維修成本分布[2]

1 發動機維修成本構成

發動機的維護工作主要分為在翼維護和返廠維護。在翼維護包含航線和定期檢修，返廠大修是在航空公司無相關維修能力時，將發動機送回大修廠或制造商進行全面的分解檢查和維修[3]，大修成本指發動機從飛機上拆下以后至MRO（Maintenance,Repair &Operations，用于維護、維修、運行設備的物料和服務）的各類費用，由于維修過程復雜，技術含量較高，因此返廠維護費用需要幾百萬美元不等，如果包括時壽件的更換，費用還會大大增加，其中返廠維修費用和時壽件的費用占發動機維修成本的80%～85%，具體分布見圖2，也就是說發動機大部分維護成本發生在送修期間，如何降低送修期間的費用成為航空公司關注的焦點。本文從返廠大修中的維修成本切入，淺析降低發動機全生命周期小時大修和壽命件維護成本的策略。

圖2 發動機維修成本分布

2 返廠原因

根據全球機隊數據統計，發動機下發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的運行航段，飛機較多執飛短航程，其下發返廠的主要原因是EGTM 和LLP 到壽，當飛機較多的執飛中/長航段，其下發返廠的主要原因是硬件退化和EGTM（圖3）。

圖3 返廠原因

3 成本計算

送修成本用單位飛行小時的大修和壽命件平均成本表征，計算式表達如下：

其中，Life Cycle Rate 代表全生命周期小時大修和壽命件成本；RST cost 是送修成本（包含材料、人工、外部修理等）；TOW 是發動機在翼時間；LLP Price n 是第n 個壽命件的價格；LLP cycle n是第n 個壽命件的壽命；Tp%是設定的剩余壽命因子（數值根據各航司設定的參考值）；COWn 是壽命件本次在翼使用循環數（如提前報廢，COW 為本次在翼壽命與殘余壽命之和）；Leg 是小時航段比。

根據式（1）可知，全生命周期小時大修和壽命件成本的主要影響因子有送修成本（Shop Visit Cost）、發動機在翼時間（TOW）、在翼循環數（COW）、設定的剩余壽命因子（Stub-Life Factor）、航段比和LLP 的費用，其中在翼時間、在翼循環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，單位飛行小時成本（Life Cycle Rate）與送修的恢復成本（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—測試（圖4）。

圖4 送修流程

LLP 成本比較簡單，一般就是發動機手冊中05 章的壽命件到壽更換費用。

返廠成本恢復成本主要可以分解為材料費用（不含LLP）、人工費用、修理費用等，材料成本中，例如單個的渦輪葉片成本可能高達8K，如某發動機的高壓渦輪葉片1 級有120 片，2 級有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，影響這些費用的主要因素是需要檢查、修理的單元體的送修級別和單元體范圍，而影響送修級別與范圍的主要因素有以下4 個：

（1）單元體中壽命件：時壽件到壽是發動機送修最常見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壽命，就需要采用機會維修策略，完全分解單元體，對單元體中的零部件進行較高級別的維修和檢查，并更換相關壽命件。

（2）排氣裕度：EGTM 衰退一般是發動機下發的主要原因。EGTM 是表征發動機健康狀態的最重要參數，發動機EGTM 的衰退是一個長期并緩慢的過程，主要因素是渦輪葉片損傷造成尖端與周圍密封或保護罩之間的間隙逐漸增加，導致氣流從葉尖和機匣間流失，這些流失還會降低發動機效率和增加發動機單位油耗（圖6）。

圖6 EGT 退化原因和退化曲線

發動機送修時需要恢復EGTM 值和下次送修目標壽命，也會影響送修級別和深度的選擇。發動機一般在新裝機后的1000 FC內，由于安裝損失等因素EGTM 值會快速下降10～15 ℃，之后基本維持線性穩定的水平，每千循環下降4～5 ℃，適當的水洗可以降低約1.2%的單位油耗，并增加一定的裕度以延緩發動機的返廠時間，藉此可以預測發動機的EGTM 耗盡和下發的時間，為發動機計劃返廠提供依據（圖7）。

圖7 EGT 剩余循環測算

（3）AD/SB：根據中國民用航空局（CAAC）發動機適航標準規定，AD/SB 和送修級別存在以下兩種關系，第一種是AD/SB 決定送修級別，往往是由于一些緊急情況引起的發動機下發送修；另一種情況是送修級別決定AD/SB，根據已確定好的送修范圍和級別來選擇需執行的相關SB。

（4）硬件損傷：硬件損傷是指發動機在使用過程中發生零部件不適航缺陷損傷，根據相關手冊評估其是否可以繼續使用，如無法使用就應進行相關級別的大修。在翼時間長帶來的是發動機內部部件高的磨損和退化，在翼時間長還會導致高的返廠維護成本。圖8 曲線表示在翼時間和單位小時成本之間的關系，充分了解曲線特性，選擇送修時機可決定返廠成本和小時成本。

圖8 在翼時間和單位小時成本關系曲線

5 在翼時間

由式（1）可知，單位全生命周期小時大修和壽命件成本與發動機在翼時間（TOW）成本成反比，在翼時間的長短主要受以下4 個因素的影響，推力等級（Thrust Rating）、運行嚴酷度（Operational Severity）、運行環境（Enviroment）、發動機機齡和大修管理策略。

5.1 推力等級

對于一個給定的發動機，當其處于更高的推力水平下運行時，EGT 將會更快的惡化，更高的推力產生更高的核心機溫度，使得發動機的組成部件面臨更大的熱應力。降低推力等級具有更大的EGTM，使用更少的燃油流量，延緩發動機EGT 和硬件的退化，增加兩次進場的間隔以降低維修成本。

5.2 運行嚴酷度

發動機DMC 的高低嚴重依賴于其運行環境，包含航段比、減推力的使用、外界溫度和環境。圖9 是1997 年由各OEM 組成的EMCWG（Engine Maintenance Cost Working Group）組織定義的DMC 相關嚴酷度矩陣和曲線，用于比較同一基準下的發動機維修成本數據?？梢詤⒄者\行嚴酷度大小來評估不同運行嚴酷度下發動機維修成本的大小[4]。

圖9 運行嚴酷度矩陣

5.2.1 航段比

大的航段比意味著發動機在相同運行時間內使用更少次數和時間的起飛和爬升推力，這樣會相對延緩發動機硬件和EGTM的退化，發動機的熱退化和損傷會隨之下降，維修成本也會隨之降低。

5.2.2 減推力起飛

減推力起飛可以使發動機工作在最大推力之下，越大的減推力等級帶來更低的起飛EGT，因此發動機退化的更慢，在翼時間也會隨之延長，維修成本也會隨之降低。

5.2.3 外界溫度

渦扇發動機，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拐點溫度后，還會帶來最大推力的下降，造成商載的下降，發動機維護成本增高。

5.2.4 運營環境

在灰塵、沙塵和腐蝕環境中運行的發動機會導致HPC 葉片被侵蝕，冷卻孔堵塞。其他環境問題帶來的現象還包括硬件的腐蝕和氧化，對比運行在高溫干燥的環境，運行在侵蝕性環境的發動機的EGTM 退化會更快，維護成本也更高。

5.3 發動機機齡（Engine Age）

使用時間越長的發動機相比新的發動機往往會耗費更多的各類維護成本，因為隨著發動機的運行，零部件會進入更高的失效區間和報廢區間，這樣會有更多的非例行和例行任務，同時由于內部的損傷也會導致其返廠的間隔縮短，新交付的發動機比成熟期的發動機具有更長的在翼時間，一般發動機的首次返廠時間會比成熟期的發動機多20%～30%的在翼時間（圖10）。同時，發動機在不同階段具有不同的經濟壽命價值周期，典型的階段分為EIS、成長期、穩定期和衰退期。對于處于衰退期的發動機，應將目標致力于保護現金流，最大化的利用LLP，尤其是具有Green-Time 串件，精確計算進廠維修所更換部件的安排和計劃，考慮使用PMA 件和DER 維修件替代，以達到降低維護成本的目的。

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 大修范圍計劃指導手冊提供了旨在提供EGT 出廠裕度、提高發動機硬件耐久性及可靠性的建議，但僅僅為建議而不應被解釋為要求。返廠的工作范圍和級別應取決于發動機的送修原因、各模塊的飛行時間、發動機硬件檢查的情況、性能趨勢和航空公司管理規定和使用目標，同時還要考慮關鍵的服務通告。

工作范圍的選擇決定了發動機未來計劃在翼的時間，較小的工作范圍帶來本次維修較小的花費，但這可能是短期策略，隨之而來的是未來較短的在翼時間。深度的工作范圍造成較多的花費但不一定能達到最低的維修成本。最優的工作范圍是綜合考慮機隊運行需求和長期策略（圖11）。

圖11 不同送修方案的影響

6 在翼循環

從式（1）可知，全生命周期小時大修和壽命件成本與發動機在翼循環數（COW）成本成正比，盡可能的減少循環數，增大飛機的小時循環比，可以大幅降低小時維護成本。但實際上，發動機的小時循環比是根據各航空公司的航段來決定的，很難輕易地優化調整。

短航段的飛機往往會快速積累更高的飛行循環數，對成熟期發動機常見的做法是建立性能表現之間的退化標準，使之與LLP 剩余壽命匹配，比如當LLP 剩余壽命遠遠大于EGT 的剩余循環時，多數情況下將這些發動機調整至中短程航線來消耗LLP的剩余壽命，實現盡可能多的利用LLP 壽命，減少壽命件浪費壽命，降低全生命周期小時大修和壽命件成本。

7 建議

航空業的未來表明旅客數量的持續增長以及大型雙發飛機的主導，使得與可靠性和安全性相關方面的改進變得更加重要。具有更高可靠性和耐用性的專用傳感器，增強的大數據管理，復雜準確的集成系統，具有趨勢預測能力，與發動機MRO 整合的后勤保證系統，增強的檢查能力，更加強大的在翼維修技術的組合，根據發動機壽命選擇適合機隊的包修策略，都將是未來降低發動機維修成本的關鍵。

8 結束語

本文主要從計算發動機大修成本的測算公式出發，著重分析了在翼時間、運行嚴酷度和在翼循環等決定發動機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。