发动机大修成本影响因素浅析

2024-01-08许丕昕

设备管理与维修 2023年23期

许丕昕

（上海飞机客户服务有限公司，上海 200241）

0 引言

安全和效益是民航企业的两大主题。发动机是飞机的心脏，其维修成本对航空公司的运营成本具有重要的影响，在飞机的运营成本中，维护成本占10%～15%，其中发动机的维修成本一般占总维护成本的35%～45%[1]（图1）。因此，发动机维修成本已经成为各飞机、发动机制造商、发动机维修商和航空公司关注的焦点。本文主要从单位飞行小时的大修和寿命件平均成本构成展开分析。

图1 直接维修成本分布[2]

1 发动机维修成本构成

发动机的维护工作主要分为在翼维护和返厂维护。在翼维护包含航线和定期检修，返厂大修是在航空公司无相关维修能力时，将发动机送回大修厂或制造商进行全面的分解检查和维修[3]，大修成本指发动机从飞机上拆下以后至MRO（Maintenance,Repair &Operations，用于维护、维修、运行设备的物料和服务）的各类费用，由于维修过程复杂，技术含量较高，因此返厂维护费用需要几百万美元不等，如果包括时寿件的更换，费用还会大大增加，其中返厂维修费用和时寿件的费用占发动机维修成本的80%～85%，具体分布见图2，也就是说发动机大部分维护成本发生在送修期间，如何降低送修期间的费用成为航空公司关注的焦点。本文从返厂大修中的维修成本切入，浅析降低发动机全生命周期小时大修和寿命件维护成本的策略。

图2 发动机维修成本分布

2 返厂原因

根据全球机队数据统计，发动机下发返厂主要由以下原因引起：EGT 裕度衰退，LLP 到寿，硬件退化和其他损伤。其分布主要取决于飞机的运行航段，飞机较多执飞短航程，其下发返厂的主要原因是EGTM 和LLP 到寿，当飞机较多的执飞中/长航段，其下发返厂的主要原因是硬件退化和EGTM（图3）。

图3 返厂原因

3 成本计算

送修成本用单位飞行小时的大修和寿命件平均成本表征，计算式表达如下：

其中，Life Cycle Rate 代表全生命周期小时大修和寿命件成本；RST cost 是送修成本（包含材料、人工、外部修理等）；TOW 是发动机在翼时间；LLP Price n 是第n 个寿命件的价格；LLP cycle n是第n 个寿命件的寿命；Tp%是设定的剩余寿命因子（数值根据各航司设定的参考值）；COWn 是寿命件本次在翼使用循环数（如提前报废，COW 为本次在翼寿命与残余寿命之和）；Leg 是小时航段比。

根据式（1）可知，全生命周期小时大修和寿命件成本的主要影响因子有送修成本（Shop Visit Cost）、发动机在翼时间（TOW）、在翼循环数（COW）、设定的剩余寿命因子（Stub-Life Factor）、航段比和LLP 的费用，其中在翼时间、在翼循环和返厂成本是主要可控变量。

4 返厂成本（Shop Visit Cost）

由式（1）可知，单位飞行小时成本（Life Cycle Rate）与送修的恢复成本（RST cost）和LLP 成本成正比，一次完整的送修流程为：分解—清洁&检查—修理—组装—测试（图4）。

图4 送修流程

LLP 成本比较简单，一般就是发动机手册中05 章的寿命件到寿更换费用。

返厂成本恢复成本主要可以分解为材料费用（不含LLP）、人工费用、修理费用等，材料成本中，例如单个的涡轮叶片成本可能高达8K，如某发动机的高压涡轮叶片1 级有120 片，2 级有136 片，总成本极高，通常这些部件的维修成本也较高（图5）。

图5 恢复成本分布

送修成本一般与维修深度和范围呈正比，影响这些费用的主要因素是需要检查、修理的单元体的送修级别和单元体范围，而影响送修级别与范围的主要因素有以下4 个：

（1）单元体中寿命件：时寿件到寿是发动机送修最常见的原因之一，一旦在该单元体中存在寿命件不能满足下次送修目标寿命，就需要采用机会维修策略，完全分解单元体，对单元体中的零部件进行较高级别的维修和检查，并更换相关寿命件。

（2）排气裕度：EGTM 衰退一般是发动机下发的主要原因。EGTM 是表征发动机健康状态的最重要参数，发动机EGTM 的衰退是一个长期并缓慢的过程，主要因素是涡轮叶片损伤造成尖端与周围密封或保护罩之间的间隙逐渐增加，导致气流从叶尖和机匣间流失，这些流失还会降低发动机效率和增加发动机单位油耗（图6）。

图6 EGT 退化原因和退化曲线

发动机送修时需要恢复EGTM 值和下次送修目标寿命，也会影响送修级别和深度的选择。发动机一般在新装机后的1000 FC内，由于安装损失等因素EGTM 值会快速下降10～15 ℃，之后基本维持线性稳定的水平，每千循环下降4～5 ℃，适当的水洗可以降低约1.2%的单位油耗，并增加一定的裕度以延缓发动机的返厂时间，藉此可以预测发动机的EGTM 耗尽和下发的时间，为发动机计划返厂提供依据（图7）。

图7 EGT 剩余循环测算

（3）AD/SB：根据中国民用航空局（CAAC）发动机适航标准规定，AD/SB 和送修级别存在以下两种关系，第一种是AD/SB 决定送修级别，往往是由于一些紧急情况引起的发动机下发送修；另一种情况是送修级别决定AD/SB，根据已确定好的送修范围和级别来选择需执行的相关SB。

（4）硬件损伤：硬件损伤是指发动机在使用过程中发生零部件不适航缺陷损伤，根据相关手册评估其是否可以继续使用，如无法使用就应进行相关级别的大修。在翼时间长带来的是发动机内部部件高的磨损和退化，在翼时间长还会导致高的返厂维护成本。图8 曲线表示在翼时间和单位小时成本之间的关系，充分了解曲线特性，选择送修时机可决定返厂成本和小时成本。

图8 在翼时间和单位小时成本关系曲线

5 在翼时间

由式（1）可知，单位全生命周期小时大修和寿命件成本与发动机在翼时间（TOW）成本成反比，在翼时间的长短主要受以下4 个因素的影响，推力等级（Thrust Rating）、运行严酷度（Operational Severity）、运行环境（Enviroment）、发动机机龄和大修管理策略。

5.1 推力等级

对于一个给定的发动机，当其处于更高的推力水平下运行时，EGT 将会更快的恶化，更高的推力产生更高的核心机温度，使得发动机的组成部件面临更大的热应力。降低推力等级具有更大的EGTM，使用更少的燃油流量，延缓发动机EGT 和硬件的退化，增加两次进场的间隔以降低维修成本。

5.2 运行严酷度

发动机DMC 的高低严重依赖于其运行环境，包含航段比、减推力的使用、外界温度和环境。图9 是1997 年由各OEM 组成的EMCWG（Engine Maintenance Cost Working Group）组织定义的DMC 相关严酷度矩阵和曲线，用于比较同一基准下的发动机维修成本数据。可以参照运行严酷度大小来评估不同运行严酷度下发动机维修成本的大小[4]。

图9 运行严酷度矩阵

5.2.1 航段比

大的航段比意味着发动机在相同运行时间内使用更少次数和时间的起飞和爬升推力，这样会相对延缓发动机硬件和EGTM的退化，发动机的热退化和损伤会随之下降，维修成本也会随之降低。

5.2.2 减推力起飞

减推力起飞可以使发动机工作在最大推力之下，越大的减推力等级带来更低的起飞EGT，因此发动机退化的更慢，在翼时间也会随之延长，维修成本也会随之降低。

5.2.3 外界温度

涡扇发动机，在高的外界温度下意味着更少的可用EGTM和更大的性能下降，而且一旦外界温度超过拐点温度后，还会带来最大推力的下降，造成商载的下降，发动机维护成本增高。

5.2.4 运营环境

在灰尘、沙尘和腐蚀环境中运行的发动机会导致HPC 叶片被侵蚀，冷却孔堵塞。其他环境问题带来的现象还包括硬件的腐蚀和氧化，对比运行在高温干燥的环境，运行在侵蚀性环境的发动机的EGTM 退化会更快，维护成本也更高。

5.3 发动机机龄（Engine Age）

使用时间越长的发动机相比新的发动机往往会耗费更多的各类维护成本，因为随着发动机的运行，零部件会进入更高的失效区间和报废区间，这样会有更多的非例行和例行任务，同时由于内部的损伤也会导致其返厂的间隔缩短，新交付的发动机比成熟期的发动机具有更长的在翼时间，一般发动机的首次返厂时间会比成熟期的发动机多20%～30%的在翼时间（图10）。同时，发动机在不同阶段具有不同的经济寿命价值周期，典型的阶段分为EIS、成长期、稳定期和衰退期。对于处于衰退期的发动机，应将目标致力于保护现金流，最大化的利用LLP，尤其是具有Green-Time 串件，精确计算进厂维修所更换部件的安排和计划，考虑使用PMA 件和DER 维修件替代，以达到降低维护成本的目的。

图10 不同阶段维修成本曲线

5.4 大修管理策略（WPG）

The Workscope Planning Guide 大修范围计划指导手册提供了旨在提供EGT 出厂裕度、提高发动机硬件耐久性及可靠性的建议，但仅仅为建议而不应被解释为要求。返厂的工作范围和级别应取决于发动机的送修原因、各模块的飞行时间、发动机硬件检查的情况、性能趋势和航空公司管理规定和使用目标，同时还要考虑关键的服务通告。

工作范围的选择决定了发动机未来计划在翼的时间，较小的工作范围带来本次维修较小的花费，但这可能是短期策略，随之而来的是未来较短的在翼时间。深度的工作范围造成较多的花费但不一定能达到最低的维修成本。最优的工作范围是综合考虑机队运行需求和长期策略（图11）。

图11 不同送修方案的影响

6 在翼循环

从式（1）可知，全生命周期小时大修和寿命件成本与发动机在翼循环数（COW）成本成正比，尽可能的减少循环数，增大飞机的小时循环比，可以大幅降低小时维护成本。但实际上，发动机的小时循环比是根据各航空公司的航段来决定的，很难轻易地优化调整。

短航段的飞机往往会快速积累更高的飞行循环数，对成熟期发动机常见的做法是建立性能表现之间的退化标准，使之与LLP 剩余寿命匹配，比如当LLP 剩余寿命远远大于EGT 的剩余循环时，多数情况下将这些发动机调整至中短程航线来消耗LLP的剩余寿命，实现尽可能多的利用LLP 寿命，减少寿命件浪费寿命，降低全生命周期小时大修和寿命件成本。

7 建议

航空业的未来表明旅客数量的持续增长以及大型双发飞机的主导，使得与可靠性和安全性相关方面的改进变得更加重要。具有更高可靠性和耐用性的专用传感器，增强的大数据管理，复杂准确的集成系统，具有趋势预测能力，与发动机MRO 整合的后勤保证系统，增强的检查能力，更加强大的在翼维修技术的组合，根据发动机寿命选择适合机队的包修策略，都将是未来降低发动机维修成本的关键。