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admin 2019-03-23 阅读:257

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一、航空发动机:飞机心脏,工业之花

航空发动机是飞机的 心脏,被誉为 现代工业“皇 冠上的明珠” 和“工业之花”。目前虽然许多国家都可以自主 研制生产飞机,但具 备独立研制航 空发动机能力 并形成产业规 模的国家却只 有美、俄、英、 法、中等少数几个。

1. 航空发动机分类

按燃气发生器出口燃 气可用能量利用方式的不同,燃气涡轮发动机分为涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮 轴和螺旋桨风扇发动机。

2. 航空发动机发展历程

2.1. 活塞式发动机:低速、通用飞机仍在应用

2.2. 涡喷发动机:已逐步被涡扇发动机取代

2.3. 涡扇发动机:军民用飞机主要动力

2.4. 涡桨发动机:应用于中小型运输机和通用飞机

2.5. 涡轴发动机:直升机唯一动力

涡轴发动机是直升机最主要的动力,其工作原理与涡桨发动机类似,燃气流经驱动压气机的 涡轮后,再流经一个驱动减速器的自由涡轮,最后从尾喷管中喷出,减速器的输出轴与传动 直升机旋翼的主减速 器相连,驱动 旋翼的旋转。 涡轴土豆兔盲盒发动机具 有功重比高、 油耗低等特点。 涡轴发动机经巴罗莫角过不断改进改型和更新换代,已成功研制到第四代并开始陆续投入使用。目前, 直升机市场上普遍采用的是第三代涡轴发动机,仅少数直升机采用第四代涡轴发动机。 同运输机用涡扇发动机一样,直升机用涡轴发动机也有明显的军民共用的特点。涡轴发动机 市场主要由 GE、R&R、Turbomeca(透博梅卡)、PWC(普惠加拿大)和 Klimov(克里莫 夫)五家公司瓜分。

2.6. 桨扇发动机:目前仅有一款成功机型

桨扇发动机既可看作带先进高速螺旋桨的涡轮螺旋桨发动机,又可看作除去外涵道的超高涵 道比涡轮风扇发动机,结合了涡轮螺旋桨发动机耗油率低和涡轮风扇发动机飞行速度高的优 点,其有效涵道比为 15~20。桨扇发动机克服了一般螺旋桨在飞行马赫数到达 0.65后效率 就急剧下降的缺点,而使推进效率较高的优越性保持到飞行马赫数0.8 左右。但由于桨扇发 动机噪声、振动及减速器性能差tyingart,特别是没有外涵机匣,使用安全性没有保证等问题未能得 到很好的解决,桨扇发动机尚未被广泛采用,唯一投入生产的桨扇发动机是用于安-70运输 机的 D-27发动机。

3. 航空发动机产业特点

3.1.基于核心机衍生发展

航空发动机的研制流程可分为预先研究、工程研制和使用发展三大阶段。

( 1)预 先研究阶段: 为发展新型发动机提供技术储备, 缩短研制周期,降 低研制风险,不 断提高技术水平,同时,为改进现役发动机性能、可靠性提供实用的技术成果。

( 2)工 程研制阶段: 根据主要作战使用性能指标,研制 满足装备使用要求 的发动机产品。 工程研制阶段结束后,将最终给出是否可以大批量装备使用的结论。

( 3)使 用发展阶段: 是发动机全寿命科研工作的重要组 成部分,发动机装 备使用后进忠公公应不断 解决使用中暴露的技术质量问题,提高可靠性,并根据装备发展需求和新技术研究成果进行 改进改型发展。

据《跨世纪航空发动机预研技术的发展》,国外航空发动机研发经费占航空科研总经费的35%, 其中型号(包括型号研发、技术基础、预先发展和后续工程发展)与预研费各占科研费 50%; 而我国预研经费占航 空发动机研发 经费比重相对 偏低,根据《 中国航空工业 技术政策》,我 国航空发动机研发经费中预研只占 25%左右。

航空发动机预研阶段主要展开核心机的研制,在新型发动机研制中具有十分重要的意义。核心机从物理概念讲,是在燃气涡轮发动机中由压气机、燃烧室和驱动压气机的涡轮组成的核心部分,它不断输出具有一定可用能量的燃气,因此又称为燃气发生器。核心机的研制是发展各种型号发动机的基础,可以增加几型发动机的通用零件数、改善互换性,大大缓减发动机研制周期长于飞机研制的矛盾,降低成本和提高可靠性。

( 1) 核 心机系列化派生发展

国外的实践经验证明,走核心机及其派生发动机的发展道路,同时发展几型核心机,通过匹 配不同的低压系统,形成一定范围的推力覆盖。GE 公司在同一核心机的基础上,发展出轰 炸机用的 F101、F16 战斗机用的 F110 和民用的 CFM56 系列发动机。前苏联的伊伏琴柯设 计局于 20世纪 60 年代中期,为了研制大推力、三转子高涵道比涡扇发动机,先进行了小尺 寸的技术验证发动机D-36 的研制工作,在D-36 的核心机的基础上发展了D-18T 三转子高 涵道比涡扇发动机,D-136涡轴发动机,D-236桨扇发动机、D-336地面用燃气轮机以及 D-436高涵道比涡轮风扇发动机、D-436T民用发动机。

( 2) 世界航空发动机预研体系

西方发达国家积极推进和实施各种研究计划。美国空军航空推进实验室于1959 年向国防部 提出燃气发生器计划。1965年该计划正式命名为“先进涡轮发动机燃气发生器计划” (ATEGG),开启了“核心机衍生发展”之路,ATEGG 计划自启动以来已经发展了 9 代核心机。 同时展开的联合技术验证发动机(JTDE)计划将 ATEGG 计划获得的核心机与其它先进低压 部件组合成技术验证发动机,在真实的发动机环境中评估核心机和低压部件技术。20世纪 80 年代到本世纪初,美国相继提出 IHPTET(综合高性能涡轮发动机计划,1987~2005,原 来的 ATEGG、JTDE 被并入该计划)、VAATE(先进涡轮发动机计划,2003~2017)等预研 项目,分别投入 50 亿和 42 亿美元。以英国为主的西欧也有与美国 IHPTET计划相类似的计 划——军用发动机先进技术综合验证计划ACME(Advanced Core Military Engine)和英法 合作军用发动机技术计划 AMET(Advanced Military Engine Technology);俄罗斯虽然经济 条件有限,但其技术的发展仍可与美、英、法等国相匹敌。

与发达国家相比,我国航空发动机发展走的是一条“维护使用-测绘仿制-型号研制-开展预研” 的反过程。发动机预研开始于 20 世纪 80 年代,而那时国外已经形成成熟预研体系,但此后 进行的系列预研项目使我国高性能航空发动机走上“技术预研-核心机-试验验证”的高速公路。原国防科工委还组织 制定了以核心 机为基础的《 航空发动机发 展系列》,并 将航空发动机核心机技术列为关键技术。

3.2. 高温高压高转速,考验现代工业技术极限

发动机虽然是飞行器的一个分系统,但其涉及的学科和技术领域之多几乎与整个飞行器相同, 而且有些要求还更高。航空发动机是知识密集、多学科集成的高科技复杂热力机械,需要在 高温、高速、高负荷的苛刻条件下反复工作,且技术性能、耐久性、可靠性及经济性要求日 益提高。航空发动机制造涉及气动、热力、控制、材料、强度、制造等诸多学科和技术领域, 是最为复杂的工程技术之一。

现代航空发动机主机内的温度达到 1800~1950K,压强达到 50 个大气压,转速达到 50000/min,这些都对发动机叶片、轴承的材料提出了严峻挑战。航空发动机部件之间的相 互干扰大,上下游部件的流场和温度场的相互干扰影响了发动机工作丝足恋稳定性,也增加了发动 机的研制难度。航空发动机的超高研发、制造难度,集中考验了一国工业技术所能达到的极限。

3.3. 高投入长周期,伴随巨大经营风险

发动机的型号发展往往需要大量投入,一般新研涡扇发动机需要 20亿美元左右,而且市场竞争激烈,发动机研制进度的拖延可能造成严重经济损失,如GE 公司的 F120在竞争中失利;R&R公司在 RB211研制中采用当时尚不很成熟空心风扇叶片而导致公司破产等。

3.4. 壁垒门槛高,经济回报高

如美国《国家关键技术计划》所描述:这是一个技术精深得使新手难以进入的领域,它需要 国家充分保护并利用该领域的成果,需要长期数据和经验的积累以及国家大量的投资。航空 发动机产业因为技术极其高端,处于寡头垄断的环境中,一款成熟产品能美人入肉够销售 30~50 年, 面临的竞争威胁很小,制造商可以安心享受技术和产业链升级带来的好处,几乎不必担心竞 争和市场回报问题。据日本通产省统计,按照产品单位重量创造的价值来计算,如果船舶为喜盈新生儿你 1、则汽车为 9、电视机为 50、电子计算机为 300、大型飞机为 800、航空发动机为 1400。

3.5. 军民通用性强

大涵道比 涡扇发 动机 的军民 结合主 要表现 为军用 运输机 和大型 客机 发动机 的相互 借鉴和选 用。早期的大涵道比涡扇发动机(如 JT9D、CF6 等)均源自美国空军的战略运输机计划。 而随着民用航空的发展,大型军用运输机都不再专门研制发动机,而是直接选择成熟的民用 发动机,在不经修改或稍作修改的情况下,便可用于装备加油机、运输机、预警机和其他大 型军用飞机。如美国空军的 C-17 大型运输机配装的F117-PW-100 发动机对应的民用型号就 是用于波音 757 的 PW2037发动机;美国空军的C-5“银河”运输机换发计划所采用的 CF6-80C2发动机,亦是波音 767、空客 A300 等民用客机的动力装臵。

涡轴、涡桨发动机的军、民用界限则更为模糊,选装涡桨或涡轴发动机的军、民用飞机的飞 行包线差别并 不大,发 动机的安 装条件也 没有实质 性区别。 配装涡桨 发动机的运 输机、初/ 中级教练机等机种都可以军民两用,除了专门的武装直升机外,绝大部分直升机也都是军民 通用的。例如,普惠加拿大公司的 PT6 系列涡桨/涡轴发动机,累计产量已经超过 4.4 万台, 其配装对象既有比奇 1900、肖特 330、EMB-312 等支线飞机,也有贝尔 212、贝尔 412、 S-58T、S-76B、H-76N 等军、民用直升机,已经很难严格区分其军、民属性了。

二、产业格局:美俄英寡头垄断,中国从测仿到自研

1. 航空发动机产业格局

1.1. 全球寡头垄断

航空发动机是战斗机等军机的核心组成系统,属于一个国家的战略装备,因此拥有一流技术 的发达国家对其他国家实行严格的技术封锁。同时由于发达国家的经济实力较强、起步较早, 有能力持续投入巨额 的研发资金以 维护自身的领 先地位。据《 装备工业研究 》统计,美国、 英国和法国的航空发动机产业研究经费分别占其国内生产总值的 0.05%,0.08%和 0.06%。 这也促成了航空发动机产业行业形成了金字塔形的发展格局:

1第一梯队,美国的 GE 和 PW 公司、英国的 R&R 公司、CFM 国际公司(SNECMA与 GE 的合资公司)、国际航空发动机公司(IAE、R&R 与 PW 的合资公司)以及 EA 公司(GE与 PW 的合资公司)由于其出色的航空发动机整机研制、总装集成、销售及客户服务能力位于 金字塔的顶层;

2第二梯队,俄罗斯的土星公司和礼炮公司、法国的 SNECMA、美国的 Honeywell、德国的 MTU 以及意大利的 AVIO 公司本身也具有较完整的航空发动机整机研制能力,并在各自的技 术领域具有很强实力,但由于缺乏民品或者中大型航空发动机,主要为塔尖位臵公司提供大 部件及核心机; 3第三梯队,具有强大的航空发动机零部件加工制造能力,包括日本的三菱重工、川崎重工、 石川岛播磨重工和韩国的三星科技公司等。

1.2. 军民协调发展

世界大型航空发动机企业也非常重视军民航空发动机的协调发展。一个企业如果单纯依靠军 用航空发动机很难长期生存,必须辅以民机和燃机的高额利润来维持运转。世界发动机产业 格局早期以军机为主,军民用航空发动机的销售额比约为 4:1。这种情况当前已出现了根本 性的转变,2017年,GE 军民用航空发动机的销售额比约为 1: 5.2,R&R 为 1: 3.5。

1.3. 主承包商-供应商发展模式

在打造行业巨头的同时,航空发动机行业逐步形成了主承包商-供应商发展模式。 以 R&R 公司为例,至少从 2004 年开始,就只生产其最终产品所有零部件中附加值最高的 30%,而 将余下的 70%转包出去,从而在风险可控的前提下,尽可能地降低发动机全部零件的制造与 采购成本。R&R公司认为具有竞争力的核心零部件必须自行生产;非核心零部件如果有足够 的竞争力也会自行生产;竞争性不强的核心零部件生产必须受控,即在合作伙伴企业或合资 企业中进行生产;不是核心零部件,竞争性又不高的零部件则完全可以进行外部采购。

2. 军用航空发动机市场寡头垄断,美俄占比超八成

2.1. 军用航空发动机:美俄英占九成

当今世界能够独立研制航空发动机并形成产业规模的也仅仅有中美俄英法等国家,军用航空 发动机被美俄英主fanamo导。我国由于航空发动机研制起步较晚,目前军用航空发动机进展较民用 航空发动机更快,但仍落后于美英法等国家,而俄罗斯航空工业发展长期以军用为主,民用 航空发展失衡,故在民用航空发动机方面也相对落后。

根据 2017 年《WORLD AIR FORCE》统计,对全球装备数量前十的战斗机、运输机和直升 机进行统计:

1、按产地分,美、俄、英三国分别占比为 55%、27%、9%,合计 91%;

2、战斗机装备数量前三发动机厂商为 GE、ODK、PW、,占比分别为 42%、34%、14%;

3、运输机装备数量前三发动机厂商为 R&R、PW、ODK,占比分别为 39%、37%、21%;

4、直升机装备数量前广州大学数字广大三发动机厂商为 GE、阿维科〃莱卡明、ODK,占比分别为 50%、17%、 11%;

5、三种机型合计,装备数量前三发动机厂商为 GE、ODK、PW,占比分别为 35%、27%、 16%。

2.2. 美国:以引进起家,通过”调控”式竞争推动发展

美国是公认的当今航空发动机技术最为先进的国家,但美国的航空发动机也是以引进英国发 动机技术起家的。美国通过政府主导的”调控”式竞争推动航空技术进步,从 1984 年到 1989 年,美国空军每年都要将 F-16 发动机的订单在普惠和通用之间进行分配,每年的份额都有 所不同,这导致两家公司每年的激烈竞争。但如果把6 年间的总份额累计来看,两家公司基 本上是平分秋色。作为竞争的统筹规划者,美国军方在研发和采购过程中并未由于竞争的存 在而节约多少资金,但通过对竞争的有效统筹,美国空军从更优秀的厂商那里获得了性能更 优、更为可靠且维护性更好的喷气发动机。从上世纪八十年代至今,美国凭借其在发动机遥 遥领先的技术和地位,成为全球航空大国和军事大国。

2.3. 俄罗斯:整合重组发动机企业形成竞争力

俄罗斯前苏联航空发动机产业也以仿制起步,二战后与欧美强国处于同一水平。前苏联鼎盛 时期建立了强大的航空工业体系,形成了“设计单位百花齐放,生产单位三强并立”的格局。 随着苏联的解体,由于缺乏资金,许多在研和预研项目被取消,一批国有航空发动机设计局 和批量厂被民营资本和海外资本收购。这直接导致俄罗斯民用航空发动机产品几乎完全退出 国际市场。为了扭转这一现状,一向以铁腕著称的普京总统上台后,对国内的航空发动机产 业进行了铁腕改革。

从 2007 年开始进行了 3 个阶段的航空发动机行业改革与重组:

  • 1、2007 年整合国内航空发动机行业的资源,成立4 个控股公司:“礼炮航空发动机联合体”、 “留里卡-土星航空发动机联合体”、克里莫夫股份公司、萨马拉航空发动机制造中心;
  • 2、2008 年,把 4 个控股公司整合成立联合发动机制造集团控股公司(ODK),ODK 整合了 俄罗斯发动机行业 85%以上的资产,已经成为俄罗斯航空发动机的领军企业;
  • 3、2013 年,将 ODK 旗下多家企业进行专业化整合,根据不同的产品线,成立了 4个发动机 部,分别是军机发动机部、民用飞机发动机部、直升机发动机部和燃气轮机部。 值得一提的是,在对发动机产业整合过程中,俄罗斯开始吸纳社会资本参与航空发动机产业 的发展。

3. 国产军用航空发动机的自主之路

3.1. 国产军用航空发动机发展历程

我国航空发动机的研制是在新中国成立后一片空白的基础上发展起来的,从最初的修理、仿 制、改进改型到今天可以独立设计制造高性能航空发动机,走过了一条十分艰辛的发展道路。


(1)仿制和改进

上世纪 50 年代,中国航空发动机工业从零起步,走过了一条充满荆棘的道路。1956年,中 国第一台涡喷-5发动机根据苏联 BK-1发动机的技术资料在沈阳仿制成功,此后很长一段 时间,中国航空发动机都以仿制和改进为主,例如涡喷-6、涡喷 7 和涡喷 8。

(2)部分自主设计

进入上世纪 70 年代,我国开始对航空发动机进行了部分的自主设计,如基于涡喷-7研制的 涡喷-13系列发动机和基于英国斯贝 MK202的涡扇-9 系列发动机。其中,涡喷-13 于 1985 年开始装机试飞,满足了歼-8II飞机研制进度的要求。

( 3) 拥 有自主知识产权

直至 2002 年,国产涡喷-14”昆仑”发动机定型,中国才首次走完了自行研制的全过程,也一 跃成为继美、俄、英、法之后的第五个航空发动机生产国。2005年 12 月,涡扇-10 也就是 俗称的”太行”发动机研发成功,成为我国首个具有自主知识产权的高性能大推力涡扇发动机。

经过 60 多年的发展,我国已建立了相对完整的发动机研制生产体系,具备了涡桨、涡喷、 涡扇、涡轴等类发动机的系列研制生产能力。国产发动机主要装配在歼击机、强击机、轰炸 机、歼击轰炸机等主战飞机上,只有少量三代战 机装的是进口发动机。运输机方面,运 -7、 运-8 等运输机使用的涡桨发动机全部国产化。直升机方面,随着直-9、直-8、直-10 等整体 技术的成熟,在引进的基础上实现涡轴-8、涡轴-6、涡轴-16 发动机的系列化发展,为我国 快 速 扩 大的国产直升机群提供了可靠的动力来源。

3.2. 航发集团:军用航空发动机制造国家队

2016 年 8月 28 日,中国航空发动机集团公司成立大会在京举行。作为中央管理的国有特大 型企业,中国航发注册资本人民币500 亿元,是实施航空发动机专项的责任主体,由国务院、 北京市人民政府、中国航空工业集团公司、中国商用飞机有限责任公司共同出资组建,是国 有控股的集团公司。

航发集团的成立,将研制 周期长于一般机体的发动机独立于整机制造之外,使之不受制于整 体飞机制造的限制 ,从而具备了更大的灵活性。航发集团的成立标志着我国航空发动机产业 将形成全新格局,对我国航空工业未来发展具有重要意义。航发集团将建立“小核心、大协 作、专业化、开放式”的研发生产体系,真正走出一条从基础研究到关键技术突破,到战略 性航空发动机产品研制的自主创新研制的发展道路,同时也带动我国科学技术和工业技术水 平的提升。

3.3. 民营企业:积极投身航空发动机领域,以零部件配套为主

航空发动机高投入、长周期,经营风险大,对一般民营企业构成较高的壁垒和门槛。近几年来,随着国家“两机”专项的实施,军民融合政策的深入推进,再加上资本市场助力,我国发动机逐步形成“小核心、大协作、专业化、开放式”的模式,民营企业逐步成为一支不可忽视的力量。

当前民营企业主要从零部件切入航空发动机领域 ,且多为同国际巨头合作,许多企业利用灵 活的机制,引进国际知名专家队伍,定制国际先进的专业化设备,在高温合金材料制备、精 密铸造、叶片机加等方面 承担了多项航空发动机和燃气轮机科研生产任务。虽然目前尚没有 可 以 独 立制造发动机整机的民企,但未来可能性依然存 在。

3.4. 中国航空发动机与燃气轮机两机专项

过去,我国对于航空发动机研制工作的艰巨性、长期性和高投入认识不足,与发达国家在这 两方面资金投入上差距巨大。为支持第四代发动机的研制和开展推重比 15~20 一级的先进 军用发动机关键技术研究,美国的 IHPTET计划在 1988~2003年的 15 年中总计投资 50 亿美元。而我国 1980~2000年实施的两项高性能发动机预研计划,20年的总投入只有美国 一年经费的几分之一,专项资金匮乏是制约我国航空发动机发展的重要因素。

在这一背景下,从 2011年开始,国家对航空发动机与燃气轮机启动调研与论证,突破瓶颈 后逐渐被提上日程。2017 年 3月,航空发动机与燃气轮机两机专项启动,在两机专项资金 与政策的支持下,航空发动机体系将有能力自主筹备研发方案,大规模开展预研项目,切实 做到“动力先行”,将有望缩小我们与欧美国家的差距。我们预计“航空发动机与燃气轮机” 国家科技重大专项的直接投入在 万界直播之至高法庭1000亿元量级,加上带动的地方、企业和社会其他投入, 专项投入总金额约3000 亿元。

两机专项的推出必定会给两机行业带来巨大的政策红利,将从根本上解决长期困扰我国航空发动机与燃气轮机产业的投入不足问题,在政策和资金的有利支持下,将推动我国航空发动机与燃气轮机技术赶超世界先进水平,实现历史性飞跃。我国航空发动机和燃气轮机产业将加速发展,并有望在未来打破巨头垄断进入国际市场。


三、军用航空发动机产业链

航空发动机产业链包括研发设计、原材料制备、零部件制造、分系统制造、整机装配、整机 试 验 和 维修保障等环节;我国目前已基本建立了完整的 航空发动机研制和生产体系。

1. 整机

军用发动机研制以航发集团主导,自研太行发动机已量产。军用发动机方面,太行发动机目 前主要用于装备中国第三代战斗机,其性能指标与美军 F-16 战机 F110 发动机相当,这意味 着未来太行发动机有可能逐步取代俄制 AL-31F,装备歼-10、歼-11、歼-15、苏-27 等战机。 当前涡扇-10 处于量产过程,且质量稳定性提升,适合我国四代、五代机的涡扇-15 发动机仍 在研制过程中,但距离正式配装还较为遥远。我国短期内很难摆脱依赖进口发动机局面,国 产 发 动 机竞争力不足的现象将长时间存在。

近年国家持续推进军民融合项目开展,鼓励民企参与军工产品竞争,开始引入市场竞争机制, 军工产品生产逐步与市场接轨。客户对军工产品及服务质量提出了更高的要求,这进一步加 剧了国内军工企业与有实力、有资质民企间的竞争。虽然目前尚没有可以独立制造发动机整 机的民企,但未来可能性依然存在。同时我国也在海外积极寻求并购机会,如中航国际于 2011 年收购美国大陆航空活塞发动机公司。

商用航空发动机方面,商发成立,尚不具备自主研制能力,目前主要承接外国公司转包业务。 商发公司于 2009 年成立,目标是提供商用大涵道比涡扇发动机系列产品及相应服务,商发 总经理冯锦璋 2017 年 8 月透漏,“长江 1000(CJ-1000A)”发动机将近期完成总装下线, 装配 C929 的“长江 2000(CJ-2000)”发动机也正在进行大部件、大单元体的试制和试验。 我国民用发动机起步晚,发展道路也将更加漫长。

2. 原材料

根据 Global Commercial Aero Turbofan Engine Market 数据,镍合金、钛合金和特钢是航空 发动机的主要材料,分别占比 40%,30%及 25%。陶瓷基复合材料等新兴材料,因其优良 属性而在未来有着巨大的应用空间。

2.1. 高温合金:先进发动机的基石

高温合金一般是指以铁、镍、钴为基体元素,能在应力及高温(600C以上)同时作用下, 依然具备良好工作性能的金属材料。航空发动机的技术进步与高温合金的发展密切相关,高 温合金是推动航空发动机发展的最为关键的结构材料。军用航空发动机通常可以用其推重比 来综合地评定发动机的水平。提高推重比最直接和最有效的技术措施是提高涡轮前的燃气温 度,因此高温合金材料的 性能和选择是决定航空发动机性能的关键因素。随着航空装备的不 断升级,对航空发动机推重比的要求不断提高,发动机对高性能高温合金材料的依赖越来越 大。

高温合金主要用于发动机四大热端部件:燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘,此外,还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。

高温合金行业需要依托强大的生产和研发技术方能保障企业的正常运行,同时该行业无论军品和民品均涉及到产品认证问题,特别是军品的认证,周期长,审核严,可以说为该行业构筑了天然的进入壁垒,国内外能够形成较为完善产业链的国家也仅有美国、英国、德国、法国、俄罗斯和日本等少数国家,从事高温合金的企业全球范围内也仅有50 家左右。

美国在高温合金研发以及应用方面一直处于世界领先地位,年产量约为50000 吨,其中近 50%用于民用工业。欧盟国家中英、德、法是世界上主要的高温合金生产和研发代表,英国 是世界上最早研究和开发高温合金的国家之一。日本则在镍基单晶高温合金、镍基超塑性高 温合金和氧化物晶粒弥散强化高温合金领域取得较大的突破,近年来,日本一直致力于研发 新型的耐高温合金,并成功开发出了在 1200C高温下依然能保持足够强度的新合金。

经过 50 多年发展,我国已经形成了比较先进,具有一定规模的生产基地。国内厂商主要包 括钢亵裤研高纳、抚顺特钢、齐齐哈尔特钢、宝钢特钢、长城特钢、中科三耐、图南股份、炼石 航空、应流股份和万 泽股份等企业 ,这些大型钢 企拥有大吨位 冶炼设备以及 变形加工能力, 主要生产在航空航天领域用量最大的变形高温合金,因此在大批量生产高温合金母合金、板、 棒、锻材上有很大的优势。

2.2. 钛合金:低密度、高强度

钛合金是以钛为基体加入其他元素组成的合金,根据所掺杂的元素(铝、钼、钒、锆等金属) 不同,钛合金可以拥有不同的特性。由于钛合金具备优良的力学性质和化学性质,可以满足 先进飞机发动机高可靠性和长寿命的要求,同时能在 500C高温下长期工作,在发动机的中 等温度部位(如压气 机)可取代高 温合金和不锈 钢,主要应用 于压气盘、静 叶片、动叶片、 机壳、燃烧室外壳、排气机构外壳、中心体、喷气管、压气机叶片、轮盘和机匣等零件部位。

国际领域主要的钛合金生产商有美国钛金属公司(Titanium Metals Corporation)、俄罗斯(VSMPO-AVISMA)、日本东邦钛公司(Toho Titanium)、住友公司尼崎分公司等,在技术上 拥有较大优势。在军用领域,由于准入条件限制,这些企业与国内企业并无竞争关系;国内 市场集中度很高,2014 年我国生产航空航天领域用钛销售量合计 4861吨,其中宝钛股份、 西部超导和西部材料三家企业继续稳居行业前三甲,占比合计81%。

2.3. 陶瓷基复合材料:制造高推重比航空发动机的理想材料

陶瓷基复合材料(CMC)是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料,具有密度低、耐 高温、高温抗氧化性能优异的显著优势。对于航空发动机来说,提高涡轮前燃气温度是提高 发动机推力的主要技术途径,但是目前的涡轮前燃气温度已经逐步接近高温合金自身的熔点, 温度上升空间很小,因此需要有替代材料。陶瓷基复合材料具有耐高温特性,可用于热端构 件。研究表明陶瓷基复合材料可将涡轮前燃气温度在现有的基础上提高 300K 以上。同时陶 瓷基复合材料密度小,有利于发动机减重。

CMC 被视为取代航空发动机高温合金、实现减重增效“升级换代材料”之首选。1对于军用发动机:提高推重比、降低服役成本是研制焦点。现有推重比 10 一级的发动机 涡轮进口温度达到 1500C,如 F119 涡轮进口温度达到 1700C左右;正在研制的推重比 12~15的发动机涡轮进口平均温度超过 1800C。然而,目前耐热性能最好的镍基高温合金 材料工作温度在 1100C左右,且必须采用隔热涂层以及设计最先进的冷却结构。因此,现有 的高温合金材料体系(镍基等)已接近其使用温度的极限,难以满足先进航发的热结构用材 需求;CMC 工作温度高达 1650C,将成为替代航发高温合金最具应用潜力的材料。

2对福人楼珠宝于民航发动机:降低油耗、提高发动机使用寿命是研制焦点。以Boeing-787 为例,使 用超过 50%的先进复合材料,油耗下降了20%左右。根据英国宇航专家Andrew Walker 教 授预测,截至 2020 年飞机飞行燃油成本还会进一步下降29%~31%,其中 17%~19%源于发 动机,特别是受益于陶瓷基复合材料的广泛应用。

国帕金森综合征,物美超市,地铁跑酷下载外 CMC 在航空发动机的应用层面已逐渐打开,呈现出从低温向高温、从冷端向热端部件、 从静子向转子的发展趋势。短期应用目标为:尾喷管、火焰稳定器、涡轮罩环等;中期 应用 目标为:低压涡轮叶片、燃烧室、内锥体等;远期应用目标为:高压涡轮叶片、高压压 气机 和导向叶片等。CMC 在国外已成功应用于多款发动机型号并实现工程化生产,将成为航空发 动机制造的主流趋势,市场空间巨大。国内CMC 增强纤维材料研制单位有:厦门大学、国 防科技大学;并且均通过产-学-研形成以下纤维供应商:火炬电子、苏州赛菲及宁波众兴新 材。国防科大是国内最早研制 SiC 纤维的单位,已形成SiC 纤维体系化的发展格局,综合性 能达到或接近国外同类产品水平;厦门大学特种陶瓷先进材料实验室从 2002年底开始研发 SiC纤维,目前已经制得连续 SiC纤维。

国内 CMC 材料制备商:西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司、西安超码科技有限公司、中航复 合材料有限责任公司等多家公司公司均有 CMC 相关业务。根据张立同院士 2006 年在第十 四届全国复合材料学术会议上的论文中的表述“我国已经打破国际封锁,自主攻克了碳化硅 陶瓷基复合材料构件批量制造技术,但是由于缺少高性能 SiC纤维,目前只能用碳纤维代替” 判断,碳化硅纤维的量产将直接推动相关 CMC 材料的量产,进而推动我国碳化硅陶瓷基复 合材料的大量应用。

3. 零部件

航空发动机的主要零部件按其功能可以分为叶片牛人自制船用推进器、轮盘、轴、齿轮、钣金件和机匣等(叶片 为发动机重要部件, 下文中单独列 出)。零部件 按毛坯提供方 式可以分为锻 件、铸件和钣金 件。

(1)锻件

锻造是指对金属坯料施加压力,使其产生塑形变形的工艺。 航空发动机风扇和压气机叶片、 盘、轴、齿轮和部分机匣零件采用锻造工艺。1叶片锻造技术随着航空发动机工艺制造技术 的发展,形成了与其他零件不同的叶片无余量精锻工艺,精锻叶片叶身不需要切削技工,只 需要砂带秦王川城市湿地公园磨削、化学铣削或精抛光;2其他盘、轴、齿轮和机匣等零件锻件以涡轮盘锻件工 艺最为先进,由普通的锻造、等温锻造发展为等温锻造粉末盘。

(2)铸件

铸造是将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中,待其冷却凝固后,获得零件或毛 坯的方法。航空发动 机涡轮叶片和 部分机匣采用 铸造工艺,其 中以涡轮铸造 技术最为先进。 早期涡轮叶片采用变形高温合金锻造实心叶片,随着发动机涡轮前温度的提高,叶片冷却结 构越来越复杂,精密铸造高温合金涡轮叶片替代了锻造涡轮叶片。涡轮叶片铸造工艺经历了 等轴晶、定向晶到单晶的曹少麟发展历程。晶粒在各方向上尺寸相差较小的晶粒为等轴晶,平行排 列的柱状晶组织称为定向晶,单个晶体为单晶,单晶可以通过选用不同的材料和控制结晶过 程获得。

(3)钣金件

钣金是将一些金属薄 板通过手工或 模具冲压使其 产生塑性变形 ,形成所希望 的形状和尺寸, 并可进一步通过焊接或少量的机械加工形成更复杂的零件,燃烧室和喷管机匣以钣金件为主。

目前在航空发动机锻件领域,英国、美国、德国和日本走在世界前列,技术实力雄厚,依托 高端的生产设备及先进的加工工艺,能够生产出大尺寸、高精度、高性能的产品,占据着高 端市场。主要厂商有 DONCASTERS、FIRTHRIXSON、FRISA 和 SCOTFORGE等公司。 国内企业目前技术实力有所欠缺,主要生产厂商是中航重机,其占据国内航空锻造市场60% 的份额,另外还有贵州航宇科技等厂商也从事锻件生产,钢研高纳也从事一部分难变形高温 合金和粉末冶金纳维康空气净化器盘等高端锻件生产。

在航空发动机铸件领域,常规铸件和非单晶叶片铸造以中航重机和航发动力为主;单晶叶片 的铸造主要以研究机构为主,比如沉浸于这个领域已久的航材院、金属所等材料研究。近几 年不少民企也积极进 入这个领域, 逐渐成为这个 领域不可忽视 的一股力量, 比如万泽股份、 应流股份、炼石航空等公司。

4. 叶片

叶片是航空发动机关键零件,它的制造量占整机制造量的三分之一左右,是发动机中数量最大的一类零件。航空发动机叶片属于薄壁易变形零件,如何控制其变形并高效、高质量地加工是目前叶片制造行业研究的重要课题之一。

航空发动机叶片按部件分为风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片。按运动方式又分为动叶和静 叶。风扇和压气机的静叶称作整流器叶片,而涡轮的静叶称作导向器叶片,涡轮盘上的动叶 就是工作叶片。金属材料叶片按工艺类别分,压气机叶片主要采用精密锻造工艺,涡轮叶片 主要采用精密铸造工艺(高压级单晶、低压级定向晶)。

4.1. 民用涡扇发动机风扇叶片

随着民用涡扇发动机风扇叶片涵道比增加直径逐渐增大,风扇叶片减重成为了发展重点。为

了降低风扇噪声,民用涡扇发动机风扇一般为单级低压比设计,出口温度低,适合用于低温

环境的低密度高比强度的树脂基复合材料实心叶片正在替代钛合金空心叶片成为主流。

经过数十年技术积累的 GE和 Snecma 公司,已经基本完成了在复材风扇方面的专利布局。 英国罗-罗公司目前正将目光从其涡扇发动机上长期应用的钛合金空心风扇叶片移开,转而研 制碳纤维增强复合材料风扇叶片。该公司与吉凯恩集团(GKN)一起碳纤维风扇叶片试验件, 有望在 2020年前应用于 TRENT-XWB之后的下一型新发动机。我国对 3D编织结构/RTM工艺成型的大量研究始于 20世纪 90 年代初,在航空发动机叶片上的应用更是最近几年才开 始。

4.2. 军用涡扇发动机风扇叶片和压气机低压级叶片

军用小涵道比涡扇发动机为了在迎风面积限制条件下提高外涵流量,一般采用多级高压比设计,叶片直径和工作环境与压气机前几级基本相当,材料与工艺的选用基本相同,主要选用钛合金空心叶片,目前钛基复材空心叶片正在研发中。

空心叶片主要采用超塑性成型/扩 散连接技术(SPF/DB)。超塑性成 型/扩散连接技术是金属 毛坯在一次加热过程中同时完成扩散连接和超塑性成形的组合方法。超塑性通常是指材料在 拉伸条件下表现出异常高的延伸率也不产生缩颈与断裂的现象;扩散连接是指在一定的温度 和压力下,经过一定时间,连接界面原子间相互扩散,实现的可靠连接。

钛合金空心叶片超塑性成型/扩散连接技术(SPF/DB)由 R&R 公司首先研发成功,应用于 RB211 发动机上,随后 PW 公司也开发了此项技术。PW 公司目前正在研制连续碳化硅纤维 增强的钛基复合材料风扇叶片。我国扩散连接技术还仅仅局限在实验室基础研究和小批量生 产之间,目前涡扇-15 发动机采用实心钛合金风扇叶片。

4.3. 压气机高压级叶片

压气机高压级叶片直径逐渐减小,主要采用实心叶片。随着压气机级数增多,压气机叶片工 作温度逐渐提高,材料选用由钛合金变为变形高温合金。另外,在高压压气机末级,新型轻 质耐高温 Ti-Al 合金将逐渐取代变形高温合金。

高压压气机叶片生产多采用精锻制坯,磨削技术精密加工成型。精锻叶片可以更完整地保持 金属流线的连续,精锻叶片余量小、强度高、加工周期短、寿命长。 目前在航空雅培金钻发动机预叶片锻件领域,英国、美国、德国和日本走在世界前列,技术实力雄厚, 依托高端的生产设备及先进的加工工艺,能够生产出大尺寸、高精度、高性能的产品,占据 着高端市场。国内企业目前技术主要生产厂商是航发动力、无锡透平叶片有限公司和无锡航 亚科技股份有限公司。

4.4. 涡轮叶片

在航空发动机中,涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第 一关键件,并被誉为“王冠上的明珠”。涡轮叶片的性能水平,特别是承温能力,成为一种型 号发动机先进程度的重要标志,在一定意义上,也是一个国家航空工业水平的显著标志。

涡轮低压级叶片工作温度相对涡轮高压级叶片温度较低,主要采用定向结晶铸造镍基高温合 金。新型轻质耐高温 Ti-Al 和陶瓷基复合材料也已经在部分机型上成功应用。

推比 10 一级的涡轮高压级叶片工作温度达到 1700C,主要采用耐温 1150C的第三代镍基 单晶铸造高温合金,空心气膜冷却结构和陶瓷涂层的使用提高了涡轮叶片基体材料的耐温水 平。美国 IHPTET 计划开发的高温度基体材料-镍铝基单晶铸造高温合金也处于工程应用阶段。 单晶高温合金已经发展到了第五代,当前主要应用为第三代。

目前单晶叶片的研制,美国、法国、英国和俄罗斯走在世界前列,美国的Howmet 公司、 GE公司、PCC 公司以及 Allison 公司,英国 RR 公司,法国的 SNECMA 公司,俄罗斯的 SALUT 发动机制造厂等厂商均大量生产单晶零件。国内企业目前主要单晶叶片生产商是航 发动力下属贵阳航发精密铸造有限公司。另外,民营企业也在进入叶片铸造市场,主要包括 万泽股份、炼石航空、应流股份和江苏永瀚。

5. 动力控制系统

随着航空发动机技术的 不断进步和性能 的不断提高,燃油 与控制系统也由简 单到复杂,并由液 压机械控制发展到全权限数字电子控制(FADEC)。20 世纪 70 年代初,英国开始研制数字式 电子控制(FADEC)系统。美国等国家也继而纷纷进入,美国后来居上,一直处于比较领先的 地位。我国从 80年代初就进行了 FADEC系统的研究工作,已取得了很大的进展。 动力控制系统核心部件控制器方面,航发控制作为行业龙头,已经垄断军用航空发动机控制 系统领域市场份额。国内海特高新、晨曦航空等民营企业也具备一定的技术实力,试图进入 市场。

动力控制系统其他部件如电缆、传感器、电机、元器件等方面,军工股上市公司有中航机电、 湘电股份、航天电器、中航光电,民营企业上市公司有火炬电子、高华科技。


四、军用航空发动机价值拆分和市场空间

1. 军用航空发动机价值拆分

军用航空发动机的设计思想已出现三次跳越式的转变:

1、从重视性能到重视五性(适用性、可靠性、维修性、测试性、保障性)的转变;

2、从重视采购费用到全寿命周期费用的转变;

3、从重视效能或全寿命周期费用到金历旭二者的统一,即重视经济可承受性的转变,经济可承受性已成为现代军用航空发动机设计体系中不可缺少的重要组成部分,是各种新型号研制发展初期就必须考虑的重要指标。

航空发动机价值链条由从研发设计到售后服务的一系列环节组成。研制成本主要是在发动机 演示、验证、工程制造和发展过程中产生的非重复性费用。生产成本主要是第 250 台发动机 的成本。使用维护成本主要是直接维修成本和燃料成本。

发动机是飞机上的重要部件,一般而言,其价值占整机价值的 20-30%,机型越小,发动机 价值占比越高,机型越大,发动机价值占比越低。

1.1. 按生命周期拆分

航空发动机全寿命周期要经历研发、制造、使用维护三个阶段。研发阶段又分为预先研究阶 段和型号研制阶段。在全寿命周期中,研发、制造、维护的比例分别为 10%~20%、40%、 50%左右。在和平时期,由于武器系统服役的时间更长,发动机的寿命达到 15~25年,维护 费用在发动机整个生命周期内的总费用占比越来越大。

(1)研发阶段

据《航空发动机-飞机的心脏》所述,航空发动机研发阶段费用按成本构成拆分,设计费用占 比 10%、试验费用占比 50%、研发阶段制造费用占比 40%。根据 1990 年编制的《中国航 空工业技术政策》, 航空发动机研 发阶段按研制 流程拆分,可 以分为预先研 究阶段和型号研 制两个阶段,研发费用分别占比 40%和 60%,其中各子阶段研发费用占比为应用基础 4%、 先进部件 26%、技术验证机 10%、型号验证机 50%、工程发展 10%。

(2)制造阶段

航空发动机制造成本(不含控制系统)主要由原材料成本和劳动力成本两部分组成,分别占 比在 40%-60%,25%-35%。航空发动机使用的原材料主要是高温合金、钛合金,两者价值 占比分别在 35%、30%左右。高温合金涉及的主要材料是镍、钴金属,钛合金主要是钛。发 动机应用的其他材料还包括铝合金、钢等。

(3)维护阶段

航空发动机维护费用约一半用于购买航材,发动机大修和零部件修理费用占比22%,航线维 修费用占比 10%,租赁备发费用占比 5%,外场更换周转件费用占比9%,发动机管理费用 占比 3%。在修理的发动机零部件中,热端部件是其重点,占大修费用的70%以上。

1.2. 按部件价值拆分

航空发动机制造商根据部件分配任务,因此有必要对部件价值进行拆分。一般而言,无包荣亭论战 斗机、或运输机用发动机,高、低压涡轮的价值占比都最高。对于战斗机发动机,其外涵道 很小,有加力燃烧室,因此,风扇、外机匣的价值占比较低,但加力燃烧室、控制系统占比 高;对于运输机发动 机(客运、货 运、军用), 外涵道大,无 加力燃烧室, 因此,风扇、外 机匣的价值占比高,控制系统占比较低;直升机发动机中,控制系统、减速机构的占比较高。 根据兰德公司统计,三代战斗机发动机 F110 全寿命周期部件维护费用分析,包括涡轮工作 叶片、涡轮导向叶片和核心机在内的热端部件占发动机整机维护费用的 41%。

2. 军用航空发动机价值拆分和市场空间测算

2.1. 全球军用航空发动机市场

据《ABSOLUTE REPORT》测算,全球军用航空发动机市场年复合增长率为4.96%,将从 2017年的 97 亿美元增加到 2027 年的 141 亿美元,加上维修经费后,全球军用航空发动机 市场从 2017年的 145.5 亿美元增加到 241.5 亿美元。

2.2. 中国军用航空发动机市场

军用航空发动机的发展和军机发展相辅相成 ,而军机发展依赖于航空兵部队(包括空军航空 兵 、 陆 军航空兵、海军航空兵等,空军为主力)建设。

( 1) 战略空军转型,军机换装列装提速

我国空军起步晚、底子薄,老旧机型比例高,代际差距严重,运输机、轰炸机、直升机等短板明显。2015年首次将空军定位为战略军种,空军建设由“国土防御”向“空天一体、攻防兼 备”的战略转变,成为了新装备加速发展和列装的主要驱动力。在新时期战略空军建设目标下, 由“防”转“攻”,将信息化作为发展方向和战略重点,大力发展先进战斗机、战略运输机/轰炸 机,提高纵深攻击能力、远程投送/打击能力和立体攻防能力,弥补代际差,尽快实现代际换 装,提高信息化、自动化程度。

我国各类型军机数量均低于美国,各机型数量比例不合理。据 World Air Force 统计,美国军 机数量为 13772架,我国数量仅为 2955架。和美国相比,我国直升机、运输机、轰炸机比 例明显偏低,中美空军数量和作战能力相差巨大,难以达到覆盖我国领土巡航的要求,距离 战略空军目标尚远。

战斗机:代际差距严重,换装列装需求急切。四代机列装战斗机作为空军最主要的作战平台, 是空军战斗力强弱的主要标志,对于制空权的夺取有着举足轻重的意义,我国与美国相比代 际差距严重,老旧机型较多,整体水平显著落后。我国二代机占比依然高达 55.5%,而四代 机不足 1%,相比美国,美国二代机仅占 14.8%,四代机占比已达 10%。我们认为,我国战 斗机处于快速换装和列装期,三代机将保持开足马力生产状态,四代机将在固化状态后迅速 大批量部署。

轰炸机:远程轰炸机力量薄弱,短板短期较难补齐。我国空军当前的主力轰炸机型是批量列 装的轰-6,存在机体设计落后、航速/航程低、载弹量不足等诸多缺陷,从其本身来看只是一 款中型轰炸机,并不是合格的战略轰炸机。而且考虑到我国的战略环境,仅拥有中远程轰炸 机远远不够,不能从根本上弥补我国空军的战略打击和战略威慑短板。我国缺少远程战略轰 炸机,需要一款突防能力的洲际战略轰炸机。

运输机:运-20列装,战略运输机取得长足进步。大型运输机、加油机、预警机和战略轰炸 机等大飞机是战略空军 的基石,相比美 俄等军事强国,我 国大型运输机/加 油机/预警机列装极为有限,远程隐形轰炸机更是空白,打造战略空军任重而道远。运-20是中国自主研发的 新一代重型军用运输机,已列装部队,将成为我军重要的一款运输机型,我们预计,运-20将迎来快速列装部署,基于运-20平台的预警机、加油机项目也将不断推进。

直升机:陆军转型“立体防攻”战略提升军用直升机需求量,在研 10 吨级通用直升机为未来 主要看点。未来空中打击力量将是陆军主要配臵的主要战斗力,陆航部队是我军建设“立体防 攻”的重要力量。根据美国詹姆斯敦基金会的报告显示,此轮军改之前我军共有 7个陆航旅和 5个陆航团,到 2017年 5 月已扩编为 11 个陆航旅和 1 个陆航团。由于陆航兵在现代作战中 的特殊性,预计我军将进一步扩建陆航部队。

(2)我国军机发动机市场,未来十年年均 467亿

我们按照存量和增量两部分,对未来十年我国军用航空发动机市场进行测算,为了简化计算, 我们将存量飞机分为换发 1 次和 2次两部分,增量飞机分为不换发和换发 1次两部分,发动 机单价取可参考型号价格。经测算,未来十年,我国军用发动机购臵经费共3114 亿,维修 经费1557 亿,合计 4671亿;平均每年购臵经费311 亿,维修费 156亿,合计 467亿。按 各部分拆分费用,平均每年叶片 179亿、零部件 202亿、动力控制系统 55亿。