民用飞机燃油系统设计方案的经济性分析和权衡研究

民用飞机燃油系统设计方案的经济性分析和权衡研究

赵亚正¹　刘英军¹

（1．中国航空工业集团公司西飞技术中心，西安　710089）

摘要：如何在民机系统设计中贯彻成本理念，如何对系统设计方案进行经济性分析，这是国内民机设计工程师正在努力探索的一项重要工作。本文结合新支线飞机燃油系统的设计方案，参照国外公司的数据和经验，通过对不同设计方案的运营成本进行估算，提出了一种对飞机系统设计方案进行分析和权衡的方法。

关键词：燃油系统；权衡；经济性；运营成本；成本估算

Economic Analysis and Tradeoff Study in the Design of Civil Aircraft Fuel Systems

Zhao Yazheng¹ Liu Yingjun¹

(1.Xi'an Aircraft Technology Center,Aviation Industry Corporation of China,Xi'an 710089)

Abstract:How to consider design influence on cost and perform relevant economic analysis is one of the major tasks for civil aircraft designers.This paper estimated and compared the cost of different system design concepts using the new regional turboprop airliner as the example.The method proposed in paper can be used for economic comparative study for major aircraft systems in civil aircraft design projects.

Key words:Fuel System;Trade-off;Economics;Operational Cost;Cost Estimation

0　引言

随着国内经济发展重心向中西部地区的倾斜，可以预期该地区内以及中西部和东部之间的民航市场将持续高速发展，这些航线的特点特别适合运营大型涡桨支线飞机。目前，由中航集团西飞公司主导的新支线飞机各系统目前正处于联合概念设计阶段（Joint Conceptual Definition Phase，JCDP），正和国内外系统级供应商开展技术协调，对各系统的总体技术方案进行设计与论证。

众所周知，JCDP阶段最重要的技术工作就是对系统总体方案进行权衡研究，寻求最优化的系统设计方案，为下一阶段的联合定义（Joint Definition Phase，JDP）工作奠定基础，确定研究方向。

本文以燃油系统为例，运用成本分析的设计理念，给出了一种对系统设计方案进行分析和权衡的方法。

1　系统方案简介

飞机燃油系统的功用是储存燃油，保证在各种规定的飞行状态下，能按发动机、辅助动力装置（Auxiliary Power Unit，APU）所要求的压力和流量连续供油。

新支线飞机燃油系统由以下6个分系统组成：

（1）燃油箱；

（2）通气系统；

（3）供输油系统；

（4）地面加油/放油系统；

（5）燃油测量系统；

（6）油箱惰化系统。

1．1　系统方案的构型简介

目前提出了燃油系统的三种设计方案，三种方案中除供输油分系统外，其他几个分系统的设计方案是一样的，包括燃油箱、通气系统、地面加油/放油系统、燃油测量系统和油箱惰化系统的构型配置都是一样的，只是供油系统由于油泵的选择不同而产生了三种不同的设计方案。不同部分具体如下：

第一种是采用电动泵作为供油泵的系统设计方案，系统原理图参见图1。

图1　新支线飞机燃油系统方案一

第二种是采用喷射泵作为主供油泵，电动泵作为应急备份的系统设计方案，系统原理图参见图2。喷射泵的动力来源于燃油系统自主配置的驱动泵。

图2　新支线飞机燃油系统方案二

第三种也是采用喷射泵作为主供油泵，电动泵作为应急备份的系统设计方案，系统原理图参见图2，与第二种方案不同的是，喷射泵的动力来源于发动机本身。

在下文中，简称第一种为电动泵方案，第二种为喷射泵自主驱动方案，第三种为喷射泵方案。由于本文的重点是描述如何对燃油系统的不同方案进行分析、权衡和选择，所以对系统方案的具体工作原理未予说明。

1．2　系统方案的配置说明

正是由于供油系统的基本配置不同，所以带来三种构型的不同，那么对三种方案的分析和权衡也就可以只针对有差别的部分进行。表1列出了三种方案中有差别的需要对比和权衡研究的主要设备清单。

表1　三种方案中需要权衡研究的主要设备清单

（续表）

2　系统方案的运营成本评估

下面对上述三种设计方案进行分析和评估。

对于这种类型的工程权衡研究来说，成本是评估要考虑的重要准则，这一点在当前民用航空界已基本达成共识。这里的成本是指每架飞机每年的运营成本。

在方案设计阶段，系统的运营成本评估主要包括以下四部分的成本估算，即

（1）重量成本估算；

（2）功耗成本估算；

（3）可靠性成本估算；

（4）采购成本估算。

需要说明的是，由于时间和信息有限，本文中成本估算采用的数据只是国外供应商的一些经验数据，并不是官方统计的准确数据。更准确的成本数据有待于在JCDP阶段进一步搜集和确定。

2．1　重量成本估算

2．1．1　定义

重量成本主要是指，飞机因承载此部分重量，发动机所要额外消耗的燃油而发生的费用，统计分析表明1kg的重量成本是每年大约60美元。

2．1．2　各方案重量对比

表2列出了三种方案的重量数据。为了简化计算，三种方案中相同部分（管路和附件）的重量已省略，仅仅示出各方案中不同配置产生的重量差异。

表2　三种方案的重量数据表

注：虽然喷射泵系统有最轻的部件，但由于管路中存在大量的不可用燃油，所以动流管路整体相对较重，这对于喷射泵系统的重量影响较大。

在方案阶段的权衡研究中，仅仅只是重量估算，所以系统和设备的重量均以千克力为单位进行圆整。

2．1．3　重量成本估算

重量成本估算见表3。

表3　三种方案的重量成本估算

2．2　功耗成本估算

2．2．1　定义

与重量成本类似，功耗成本是指，供油系统因消耗电力能源，使发动机额外消耗燃油而发生的费用，统计分析表明1kW的功耗成本是每年大约550美元。

2．2．2　各方案功耗对比

在整个飞机的配电系统中，供油系统的配电只占很小一部分，为便于权衡研究，对上述三种方案中因配置不同而产生的配电系统的差别不必进行细致的分解，只仅仅作出粗略的估算。

在方案一中，电动泵使用交流电源，单位时间大约消耗0．5kW，4个泵消耗2kW电能。

在方案二中，高压燃油动流驱动泵为供油系统提供动流，每个驱动泵功率大约为5kW，2个泵共消耗10kW电能。

在方案三中，发动机自带的驱动泵为供油系统提供动流，每个驱动泵功率大约为5kW，2个泵共消耗10kW电能。表4列出了三种方案的功耗数据对比。

表4　三种方案的功耗数据对比

2．3　可靠性成本估算

2．3．1　定义

可靠性成本是指修理和替换故障零部件产生的费用。根据经验，供油系统排故和部件修理的平均费用为每次大约10 000美元。

2．3．2　各方案可靠性对比

对三种不同的设计方案的系统可靠性进行计算，得出三种方案的系统可靠性数据。表6中燃油系统部件的故障间隔平均时间是基于外场使用数据粗略给出的，并不是很精确的数值。

表6　三种方案可靠性数据对比

2．3．3　可靠性成本估算

按飞机每年飞行2 500小时估算，可靠性成本的估算如表7所示。

表7　三种方案的可靠性成本估算

2．4　购置成本估算

2．4．1　定义

购置成本是指采购和安装所有系统及其部件发生的费用，是系统总成本中的重要组成部分。

2．4．2　各方案购置成本对比

表8给出的是粗略预计的三种方案的设备购置成本，仅仅用于方案阶段的权衡研究，更精确的购置成本取决于后期的商务谈判。而且，为了简化计算，三种方案中相同部分（管路和附件）的购置成本已省略，仅仅示出各方案中不同配置产生的成本差异。

表8　三种方案的购置成本

2．4．3　购置成本估算

购置成本估算时一般是在飞机寿命内分20年摊薄，如表9所示。

表9　三种方案的购置成本估算

2．5　系统年度运营总成本估算

根据以上重量成本、功耗成本、可靠性成本和购置成本的估算结果，可以估算出每架飞机供油系统的年度运营成本，如表10所示。

表10　三种方案的年度运营成本估算

3　分析和结论

3．1　分析

分析上述表格中的数据，可以看出：

（1）在年度运营总成本方面，成本最低的为电动泵方案，其次为喷射泵方案，成本最高的为喷射泵自主驱动方案。

（2）电动泵方案的优势在于：重量和功耗产生的运营成本很低，可靠性成本和购置成本也具有一定的优势。

（3）喷射泵方案在初始的购置费用上会便宜很多，然而，由于动流管路中残留的不可用燃油量的重量较大，带来的成本相对变高，同时低效率的功耗产生的成本也比较高。

3．2　结论

上述的权衡研究表明，电动泵方案是最佳设计方案。

4　结束语

实际上，从事过燃油系统方案设计的工程师大部分都知道，如果不是按照上述的成本分析方法来考虑，而是基于以前传统的分析方法，很少关注或者只是定性地、粗略地对比各种方案的采购成本，更多的是对比不同方案的技术先进性、可靠性、安全性等定性和定量的技术指标，那么得出的结论必然是“喷射泵方案是最优的选择”，那样我们就不会得到真正最优化的、最低运营成本的系统设计方案，后续的系统设计总体方向也会发生偏离，甚至出现错误。

民机项目强调商业的成功，作为飞机制造商，理应站在航空公司客户的角度，从飞机设计论证开始就关注成本，尤其要关注全寿命运营成本，精打细算，精益设计，为客户创造最大效益。本文提供的分析和评估方法是在系统方案设计论证阶段的一种探索，希望引起各系统工程师的重视。

参考文献

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