高端装备制造：航空发动机行业研究报告.docx

《高端装备制造：航空发动机行业研究报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高端装备制造：航空发动机行业研究报告.docx（12页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、高端装备制造：航空发动机行业研究报告1.航空发动机：国之重器，工业皇冠上的明珠1. 1.什么是航空发动机？航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠。航空发动机是飞机的一个核心部件，是为飞机提供飞行所需推力的热力机械。航空发动机不仅是飞机的动力装置，也是航空技术发展的重要推手。航空领域内的重大革命性进展大多与航空动力技术的进步与突破相关。能否研制航空发动机成为衡量一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要标准之一。航空发动机随航空技术发展不断升级，满足不同飞行场景。从19世纪末、20世纪初活塞发动机的发明和应用使得飞机成功上天；到20世纪40年代喷气发动机的出现实现了飞机的超声速飞行；再到大涵道比涡扇

2、发动机的出现，大大降低了航空运输成本，实现了过往难以想象的越洋飞行。航空发动机的发展历经百余年，在飞行技术进步的推动下，人类已发明出多种类的航空发动机，向着飞行速度更快、飞行耗油更低的方向不断升级，满足多种飞行场景。从目前航空发动机的分类来看，航空发动机可分为活塞式发动机和空气喷气式发动机两大类。空气喷气式发动机是目前航空器上主要使用的发动机，其可进一步细分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机等。活塞式发动机：航空活塞式发动机是依靠活塞在气缸中的往复运动使气体工质完成热力循环，与一般汽车用的活塞式发动机在结构与工作原理上基本相同。活塞式发动机是出现最早的航空发动机，

3、由于其提供动力有限等缺点，被喷气发动机逐步替代。但活塞发动机仍在功率较小的小型发动机上具备一定的油耗低、结构简单、价格便宜等优势，可适用于初级教练机、超轻型飞机、小型飞机等。涡轮螺旋桨发动机：涡轮螺旋桨发动机的工作原理是螺旋桨旋转时把空气向后排，以此产生向前的推力。涡轮螺旋桨发动机兼具重量轻、耗油功率低的优点。但由于螺旋桨特性的限制，一般装配的飞机飞行速度不超过800千米/小时。涡轮螺旋桨发动机目前在中小型运输机和通用飞机上仍有广泛应用，而在大型客机和运输机上，已经被高涵道比涡扇发动机替代。涡轮轴发动机：在工作和构造上，涡轮轴发动机同涡轮螺桨发动机根相近。它们都是由涡轮风扇发动机的原理演变而来

4、，只不过后者将风扇变成了螺旋桨，而前者将风扇变成了直升机的旋翼。涡轮轴发动机主要用于直升机上。与活塞式发动机相比，涡轮轴发动机具有重量轻、体积小、功率大、振动小、易于启动等优点。20世纪50年代中期前，直升机发动机主要是活塞式发动机。到20世纪60年代后，新研制的直升机几乎全部采用了涡轮轴发动机作为动力。涡轮喷气发动机：涡轮喷气发动机由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室、尾喷管、附件传动装置与附属系统等组成。由于喷气发动机各部件的工作，流过发动机的空气流以很高的速度流出发动机，产生的反作用力即为发动机的推力。涡轮喷气发动机克服了活塞式发动机的主要缺点，使飞机从亚声速进入了超声速飞行新时代

5、。但是由于涡轮喷气发动机在获得推力时，大量仍具有一定热量、动能的高温燃气高速排出发动机，导致涡轮喷气发动机经济性差、耗油率高。图6:涡轮喷气发动机简图数据来源：航空发动机飞机的心脏，东北证券涡轮风扇发动机：由压气机、燃烧室和高压涡轮组成的核心机和由低压涡轮及其所带动的风扇共同组成的发动机为涡轮风扇发动机。涡扇发动机在涡喷发动机的基础上，进一步利用高温燃气的能量驱动风扇转动。涡轮风扇发动机中，空气在风扇中增压后，由风扇出口流出时分为内涵气流和外涵气流。外涵与内涵空气流量之比称为涵道比。高涵道比涡扇发动机排气速度、推进效率高，适用于大型远程客机和运输机：低涵道比涡扇发动机适用于战斗机。核心机是航空

6、发动机的关键部件。核心机是由压气机、燃烧室和涡轮组成的发动机核心部件。研制核心机可以缩短新机研制周期，发展在此核心机基础上的各类航空发动机。在保持某核心机基本参数不变的条件下，可以通过改变风扇、低压压气机的级数和直径，涡轮的冷却和材料等改变发动机的主要循环参数，如增压比、涵道比、涡轮前燃气温度等，则可发展一系列的发动机包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机以及地面/舰船用发动机。如通用电气公司在FlOl核心机的基础上发展了推力较小的F404发动机，用于F-5G；F-117选用不带加力燃烧室的F404作为其发动机。1.2. 航空发动机具有高技术壁垒、研制周期长、经济效

7、益高等特点航空发动机产业具有高技术壁垒的特点。航空发动机产业的高技术壁垒主要体现在以下几个方面：1）对可靠性要求极为严苛：航空发动机是推动飞机飞行的动力，与地面、水面运输工具动力装置不同，航空发动机一旦出现问题，轻则致使无法完成飞行任务，重则导致机毁人亡的重大事故。2）发动机工作环境恶劣：发动机主要零部件的工作环境十分恶劣，常常处于高温（最高可接近2000C）、高压（几十个大气压）和高速转动（最高可达几万转/分钟）的工作状态。3）发动机结构和技术情况复杂：与其他机械装置相比，发动机结构非常复杂，零件数目达数万个。同时，航空发动机的研制是一项涉及空气动力学、工程热物理、传热传质、机械、强度、传动

8、、密封、电子、自动控制等多学科的复杂的综合性系统工程。航空发动机的复杂程度到了目前理论上仍无法给出详尽而准确的描述，只能依靠试验不断反复完善。航空发动机的发展史就是一个设计、制造、试验、修改、再制造、再试验，不断摸索和反复完善的过程。航空发动机产业具有研制周期长的特点。新型航空发动机全寿命可分为预先研究、工程研制和使用发展3大阶段。每个阶段又可细分为若干子阶段，并设置相应的审查点，以控制进入下一研制阶段的风险。1）预先研究：主要任务是为发展新型发动机提供技术储备，降低研制风险。具体可分为应用基础研究、应用研究和先期技术开发。2）工程研制：主要任务是根据主要作战使用性能指标，研制满足需求的发动机

9、产品。具体可分为工程验证机研制和原型机研制，研制周期规划为18年。3）使用发展：该阶段是发动机全寿命研制工作的重要阶段，发动机装备使用后仍需持续解决使用中暴露的各种技术质量问题，以提高发动机的使用可靠性。随着新型发动机全寿命各研究和发展阶段的逐步推进，大部分发动机潜在的故障隐患被排除，发动机技术成熟度不断提高。一般来说，新型航空发动机的研制生命周期为30年。航空发动机产业具有经济效益高的特点。航空发动机产业链条长，且航空发动机的制造需要大量的高端制造设备和精密加工技术，因此航空发动机产业的附加值极高，远超其他产业。根据日本通产省2002年的统计报告，按照单位重量价值比计算，以轮船为基准1,则航

10、空发动机为MOOo此外，航空发动机是典型的高投入高回报产业，一旦有成熟的产品进入市场，将有望享受数十年的持续稳定收益。1.3.航空发动机的格局1.3.1.全球航空发动机市场呈寡头垄断格局全球航空发动机市场呈现寡头垄断格局。航空发动机产业是国家的战略性产业，掌握其技术的发达国家也严格限制其核心技术向国外出让或转移。航空发动机技术本身的复杂性和高壁垒性，加上技术转移的限制，目前世界上能自行设计研制飞机的国家有几十家，而能够独立研制高性能航空发动机的国家只有美国、英国、法国、俄国、中国等少数几个国家。其中，制造难度更大的商用航空发动机，其市场主要受美国、英国、法国的企业垄断。目前GE通用电气航空、P

11、W普拉特惠特尼、RR罗尔斯啰伊斯、CFM国际公司、IAE国际航空发动机公司、EA发动机联盟公司是商用航空市场的最主要参与者。从市场份额来看，根据CommercialEngines，从供给波音和空客公司的航空发动机市场结构来看，CFM份额排名第一，且份额从2020年的39席提升至2021年的59%,从全球在役商用飞机发动机市场格局来看，2019年5月在役商用飞行器25354个，发动机52849个，其中CFM在发动机市场中占据份额最高为44%,GE次之为23%,罗罗和IAE份额均为12$左右。CFM在商用窄体飞机发动机市场占据绝对领先地位，份额达71%o在商用宽体飞机发动机领域中，主要是GE与罗罗

12、双寡头的市场竞争格局，其中GE占据一半多的市场份额。在商用支线飞机发动机领域，GE为绝对龙头，市场份额达到71%。图19:2019年5月在役商用宽体飞机发动机格局中国航空发动机的研制之路从最初的仿制、到改型再到如今可以独立设计制造高性能航空发动机。中国是继美国、英国、法国、俄国之后第五个能够独立研制发动机的国家。中国航空发动机的研制之路具体可以分为以下三个阶段：1）仿制：1956年，我国根据前苏联BK-l发动机的技术资料仿制出了国内第一台涡喷发动机一一涡喷5发动机，用于国产歼-5战斗机。此后，我国还根据前苏联提供的P11-9B型发动机技术资料研制出涡喷6,根据前苏联提供的P11-300发动机的

13、技术资料研制出涡喷7等。2）部分自主设计：在航空发动机生产和研制领域积累了一定的经验后，我国开始从仿制向自主设计制造开始转变，如1985年成功研制的涡喷13发动机，满足了歼-811飞机的研制进度。3）完全自主设计：从1984年下达研制任务到2022年正式设计定型，昆仑发动机历经18年的时间。昆仑发动机是我国第一种完全自行设计、研制的国产涡喷发动机，具有完全的自主知识产权，其使用的技术、材料、工艺等完全立足于国内。2005年12月，涡扇TO完成设计定型，我国具备自主设计高性能大推力涡扇发动机的能力。国内军用航空发动机仍与欧美先进国家存在一定差距，我国正加紧追赶。从性能和研制时间来看，装配在F-1

14、5战斗机的FlOO发动机于1974年服役，推重比8,是第三代发动机的代表产物；装配在F-22战斗机的FU9发动机于2002年服役，推重比10,是第四代发动机的代表。我国涡扇10发动机推动比与FlOO相当，于2010年服役，较FlOO服役时间晚36年；对标F119性能的涡扇15发动机于2022年完成首飞，2023年开始量产。民用航空涡扇发动机处于研制阶段，未来有望填补国内空白。目前我国在民用航空涡扇发动机方面仍处于空白状态，与成熟的欧美航空发动巨头相比存在较大差距。我国国产民用航空涡扇发动机正处于加速研制中，2016年中国航发商发被认定为C919国产发动机供应商，2017年CJ1000A核心机完

15、成组装，2018年5月点火启动成功，核心转速达到设计要求，2020年开始进入地面台架测试阶段。计划装配于C929大飞机的CJ2000发动机目前正处于研制阶段。我国发动机研制从飞机从属走向飞发分离。我国过去的发动机研制体系为飞机从属，发动机的研制从属于飞机，即一厂一所一型号”。一个厂要研制一款飞机，才会有研究所去研发配套的发动机。但往往航空发动机的研制周期远大于飞机研制周期，以型号带预研，导致对先期技术验证重视程度不够，造成型号研制困难。同时，如果飞机项目下马，发动机研制项目也会随之停摆。2009年，中国航发商发成立，着手研制中国民用航空发动机。2016年，中国航空发动机集团正式成立，标志着我国

16、发动机研发体系正式转变为飞发分离”，发动机的研制独立于飞机制造之外，具备更高的灵活性，对我国后续航空发动机的研制具有重要意义。军民开放融合、产业链整合是发展趋势。美国军工产业模式是波音、洛马、诺格等军民两用集团作为主制造商，雷神、霍尔韦尔、普惠、通用等集团提供分系统配套，原材料和零部件的供应则由TI、ADI等数千家军民两用企业负责，形成开放协作、专业细分的金字塔型军民融合生态圈。我国过去军用民用是两条线，研制分离，在“两机专项及中国航发成立之后，我国航空发动机的研制也将走向军民融合。中国航发确定了“小核心、大协作、专业化、开放式”的发展模式，通过开放融合，打通航空发动机的产业链，有助于实现全行业的降本增效。2 .中国航空发动机市场长坡厚雪2.1. 军用航发：军机数量及代际结构提升空间广阔，新型号丰富产品线国际安全紧张局势下，军费投入持续增长。国防军费投入是军工产业发展的基础，我国2023年