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【报告】2022航空发动机行业研究报告

发布时间:2022-08-30 来源:hth华体会最新网站 作者:hth华体会下载   |  点击率: 1

  

  发动机强则飞机强,飞机强则航空强,航空强则中国强!航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”,也是中国高端制造业迈向深水区的重要阵地, 其产业发展是一个国家工业基础、科技水平和综合国力的集中体现,是强军强国的重要标志。航空发动机具有技术密集度高、军民融合性强、产业带动面广等特点,具有极高的军事价值、经济价值和政治价值。全球范围内仅有联合国 5 大常任理事国能够独立研制航空发动机并形成产业规模,而商用发动机市场上具有技术和商业优势的只有美、英两国,全球范围内都呈现高度垄断的态势。我国正在加快实现航空发动机自主创新发展,军用航空发动机已形成“一、二代机加速淘汰,三代机批量稳定交付、四代机研制、五代机预研加速的局面”,商用航空发动机 CJ1000、CJ2000 等正在加速研制以解决大飞机心脏“卡脖子”的重大风险。

  航空发动机产业是以航空燃气涡轮发动机技术为基础发展的产业集群,主要产品包括军 /民用航空发动机、辅助动力装置和航改燃气轮机,还可以得到重型燃气轮机及利用航 空发动机技术衍生发展的其他产品。由于航发与燃气轮机技术相通,产业环节相似,我国于 2017 年正式启动航空发动机与燃气轮机两机专项,直接投入以及带动地方、企业和社会其他投入预计总金额约 3000 亿元,已然将两机产业统筹发展打造产业集群。

  1、航空发动机产业:涡扇发动机为主,产量占一半以上;涡喷、涡桨、涡轴、桨扇、活塞发动机为辅。二战后航空发动机向高功率、低重量方向发展,活塞发动机逐步退出历史舞台,喷气式发动机得到广泛应用,其主要分为有、无压气机 2 种类型。1)无压气机类型:分为冲压式发动机、脉冲喷气发动机。前者应用于高超音速飞机、导弹等飞行器,近年来随着高超音速武器研制也得到快速发展;后者脉冲喷气发动机应用于靶机、导弹、航空模型等,应用较为受限。2)有压气机类型:全球主流,分为涡喷、涡扇、涡桨、涡轴和桨扇发动机。根据《航空发动机产业现状与趋势》,预计 2020~2034 年涡扇、涡桨、涡喷、涡轴产量占比分别达 57%、20%、12%、11%。

  2、燃气轮机产业:燃气轮机广泛应用于发电、船舰和机车动力、管道增压等能源、国防、 交通领域,是关系国家安全和国民经济发展的高技术核心装备。燃气轮机是将气体压缩、 加热后送入透平中膨胀做功,把一部分热能转变为机械能的旋转原动机。按结构形式可以分为重型、轻型、微型燃气轮机,其中全球重型燃气轮机已形成高度垄断的局面,以 GE、西门子、三菱、阿尔斯通等公司为主导;轻型燃气轮机是航空发动机改型,以 GE、 P&W、R&R 等航空公司为主导;微型燃气轮机参与者较多。

  3、两机技术衍生产品:航空发动机与燃气轮机是高端制造业的代表,装备研制需要应用先进的材料、制造工艺、过程控制、定制开发等手段以实现航空装备产品高质量、高可靠性要求,这套高端装备产品研制技术及过程管理体系可以衍生应用到其他领域的产品上。以航发控制为例,核心主营是航空发动机控制系统产品,近年来公司以动力控制系统核心技术为依托,重点向兵器、汽车等动力燃油与控制系统及衍生产品研制、生产、试验、销售、维修保障拓展,2021 年实现营收(3.78 亿元,+16.54%)。因此,我们认为航空发动机高端装备制造技术的延伸性突出,可以向众多非航领域延伸,航发配套企业也多按照航发与非航业务两大路线获得发展,以扩大两机产业集群的发展规模。根据美国国会数据,军事技术二次转化为民用,每投入 1 美元能够产出 7 美元得效益,而在航空工业项目发展 10 年后,技术转移比为 1:16,就业带动为 1:12。

  1、高技术壁垒:航空发动机是世界上公认的总体技术水平最高、核心技术封锁最严、结构最复杂的工业产品之一,挑战着现代工程科学的极限,被誉为“现代工业皇冠上的明珠”。航空发动机研制涉及几乎所有科学和工程专业,技术壁垒极高,具体如下:

  1)工作环境恶劣:高压比、高燃气温度、高负荷、大流量等。高性能压气机叶片既薄又具有弯、扭、掠的构形,高速旋转时要长时间承受自身重量 2 万倍的离心力;薄薄的机匣要长时间承受 50~60 个大气压而不能变形和损坏,相当于蓄水 175 米的 2.5 个长江三 峡大坝所承受的水压;涡轮叶片的气流环境温度现已高达 2000~2200K,远超过其金属材料的熔点,且要求在 1 万~2 万转/分条件下能够长时间可靠工作;主燃烧室中气流速度高于 100m/s,要求燃烧稳定,出口流场均匀,效率达 99%以上。

  2)产品结构复杂:整机由上万个零件组成,加工精度达到微米甚至纳米级。由于对推重比和热效率的极致追求,现代航空发动机结构越发精细化、复杂化。以美国 GE 公司研制生产的大涵道比涡扇发动机 GEnx 为例,其所包含零部件高达 110 万个,且不同部件所使用的材料、工艺也不相同。此外,航空发动机作为一个复杂系统,对零部件的精密程度要求也达到了现代工业的极致,如航空发动机整体叶盘从毛胚到成品要经过几十道工序、数百次换刀、上千次进退刀,A4 纸大小的整体叶盘叶片最厚 2mm,最薄处只有 0.2~0.3mm,绝不允许有任何瑕疵。

  3)高可靠性要求:要求很高的可靠性、很好的环境适应性。高性能、长寿命、高可靠性、很好的环境适应性是航空航天装备制造追求的永恒目标,以满足高温、高压、高转速、交变负载等极端服役条件。现代民用发动机寿命要求达 3 万小时以上,未来将超过 10 万 小时,而对空中停车率的要求是发动机每 10 万飞行小时不能大于 0.2~2 次。航空发动机的外部运行环境极其严苛,发动机要适应从地面高度到万米高空缺氧环境、从地面静 止状态到每小时数千米的超音速状态和从沙漠干燥环境到热带潮湿环境。总之,航空发动机需要在高温、高寒、高速、高压、高转速、高负荷、缺氧、振动等极端恶劣环境下保证稳定的工作状态。

  2、长研制周期、高投入成本。以航空发动机工业制造水平最高的美国为例,美国典型的航空发动机研制费用普遍超过 10 亿美元,且随着航发研制朝着更高的综合性能方向发展,其研制难度逐渐增大,研制费用也逐渐提高,如美国四代航空发动机 F-119 的实际研制经费高达 24.65 亿美元,仅研制周期就长达 13 年之久。

  3、高研制风险。RB211 是罗罗公司在 20 世纪 60 年代研制的推力介于 166-270KN 之间高涵道比涡扇发动机,其最初目的是作为洛克希德马丁公司 L-1011 客机的动力装置。由于 RB211 采用了独特的三转子涡扇概念,其复杂性使得研制和测试耗时极长,1970 年罗罗公司在 RB211 上的投入已经达到 1.703 亿英镑,几乎是原计划的两倍,导致罗罗公司陷入财务危机并最终破产,于 1971 年被收为国有(1987 年英国政府国有资本再次退出,罗罗公司重回私有)。

  航空发动机产业的经济特点体现在:高研制壁垒需要长周期的高研发投入甚至有高风险, 那么与之匹配的也是研制成功后可以获得长期确定性的增长,长期看经济效益巨大。

  1、航空发动机产业发展特点是“基于核心机衍生发展”路线,衍生机型不断延伸发展延长航发产品应用周期的同时带来倍数的经济效益。“核心机”是燃气涡轮发动机中由高压压气机、燃烧室和驱动压气机的高压涡轮组成的发动机核心部分,其在航空发动机研制中处于承上启下地位,是预先研究即发动机技术储备环节中最重要的组成部分。在新发动机研制过程中发生的许多问题都和核心机部分密切相关,因此提前对核心机进行研究,具备减少型号研制风险、降低研制费用、缩短研制周期等好处。更重要的是,以核心机为基础可以拓展不同推力等级的发动机,进一步保证行业高投入长周期经济回报特性。

  例如 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 F110 和 民用 CFM56 系列发动机,其第五代“先进涡轮发动机燃气发生器”已成为 90 年代先进 战斗发动机的基础,以 F110 发动机的核心机派生发展出多种军、民用型号的发动机。法国也在 20 世纪 80 年代中期开始 M88 核心机研制,经过不断改进、发展的推重比 10 一 级发动机 M88-III,配装阵风战斗机。

  2、高壁垒铸就稳固的产业格局,可以获得长期持续、高确定性的增长。虽然航发研制壁垒极高,但一旦研制成功一款成熟产品批产服役时间长达 30~50 年,由于处于几乎垄断的稳定格局中,产业链相关企业都可以获得巨大的经济效益。典型代表如 CFM 公司的 CFM-56 系列,1982 年首台发动机投入运营以来,40 年间累计为全球 670 家飞机运营商交付了 33806 台 CFM-56 系列发动机,产品应用周期极长且在配套机型方面持续实现拓展。从经济效益角度看,根据《航空周刊》预测,2016-2025 年十年间 CFM56 二代发动机(CFM56-5/-7 系列)将实施 26700 次返厂维修,产生近 780 亿美元的维修市场空间。

  我们认为航空发动机产业发展特点主要体现在:形成倒金字塔与小核心大协作产业格局、 军民融合式发展等两大特点。

  第一梯队,美国 GE 和 PW 公司、英国 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;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,主要为塔尖位置公司提供大部件及核心机;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。

  2、航空发动机产业形成小核心大协作的生产组织方式。航空发动机研制难度极大,单一 企业完全具备从零部件到子系统到整机的研制与生产既不经济也没有必要。因此,世界主要航空发动机制造商都采取主承包商供应商的发展模式。其优势在于:对于总装单位,将非核心环节如零部件、小部件、分系统等外包给具备规模化生产能力的厂商,自身聚焦航空发动机总体设计、系统集成及少数核心分系统及零部件的研发,最终作为链长对整条产业链进行管控,有效降低自身成本的同时可以带动产业集群的发展。对于外协厂商,航空发动机产业极高的准入门槛决定了一旦成为供应商短时间内不会被替代,而聚焦某一单一领域又能通过规模化生产使得企业在盈利能力方面获得正向提升,同时也能够充分享受航发技术外溢的红利。

  1)全球范围的大协作:转包生产已成为航空制造业全球化的标志,目前全球航空发动机零部件产业正在向中国转移的趋势非常明显。全球主要航发制造商如 GE、RR 等发展思路是企业将更多精力集中于核心技术的研发与创新,通过转包生产的方式将订单分配给合格供应商,降造任务以获取更大的利润空间。在全球两机产业协同发展的背景下很多企业如日本三菱重工、川崎重工、石川岛播磨重工及韩国三星科技等获得全球航发 巨头认可,切入供应体系并成为稳定供应商。从国内来看,航空发动机零部件制造向中国转移的趋势明显。由于欧美制造成本高,或是打破如 PCC 企业的少数垄断格局,全球两机巨头不少在中国培养合格供应商,我国航空发动机很多配套企业如航宇科技、航亚科技、应流股份、中航重机等已经切入了全球两机体系的供应链并成为重要供应商之一。

  2)从国内范围来看:航发集团也建立了“小核心、大协作、专业化、开放型”的科研生产体系。在军用航发领域,航发集团持续完善专业化布局,对内促进资源向核心环节聚焦,主业集中度持续提升;对外积极引入社会资源,建立社会化专业配套体系,提升供应链的质量与能力。我们认为,航发集团小核心大协作的模式下主机厂将充分利用社会资源提高生产能力和技术水平,以实现快速扩产,而配套业务的外溢也会快速提升配套厂所的经营质量与规模。

  3、军民融合特点:航空发动机作为典型的军民两用产品,其产业发展呈现出显著的军民融合特征。由于航空发动机研制难度极大,出于科研技术成果最大化的考量,将成熟的核心技术在军民用领域双向转移并实现产业化已成为世界各国发展航发产业的重要路径。美国 GE 公司 F101 军用航发的核心机技术被转移应用到 CFM56 民用发动机上,在民航市场获得巨大成功;英国罗罗公司的 AE3007 型发动机原用于支线客机和大型公务机,后续也成功转移应用到美空军的 RQ-4B“全球鹰”无人机和 RQ-4C“人鱼海神”上。

  1)从全球维度来看,航空发动机军民融合式发展已培养出一批世界级航空发动机巨头。由于航发技术及产品的军民通用性,大多数航空发动机制造企业不仅向军方出售航空发动机,更是在民航市场获得了巨大的成功。代表企业如罗罗公司,其军用航发 RB199 应用于 Tornado 狂风战斗机,民用航发 Trent 系列装配于 A-330、B-777、A-380 等多种主流民航机型。2017-2021 年间罗罗公司每年军用航发收入均超过 30 亿英镑,民用航发营收占总营收比例更是超过 40%。

  2)从国内维度来看,我国航发产业链相关企业不仅向军用航空发动机配套,也参与了国产商发的配套研制工作,未来随着商发研制定型的落地有望获得长期成长。

  1、全球军用航发格局:具备独立研制航空发动机能力并形成产业规模的国家只有美、 俄、英、法、中等少数几个。全球航空发动机市场经过近百年的发展,仅仅只有 5 大常任理事国中的少数企业具备研发生产能力,其中又以美国发展最为领先,诞生了如 GE、 PW 等世界航发巨头。从全球军用航发型号发展情况来看,根据中国航发研究院发布的 《2020 年军用航空动力发展综述》,目前全球战斗机用发动机处于三代机作为主力、四代机作为先锋、五代机研发稳步推进的局面。具体来看,F-110 等三代发动机凭借成熟的技术、充沛的产能、稳定的后勤保障,仍是战斗机动力的中流砥柱。美国以 F-135 为 典型代表的四代发动机现已基本成熟,进入大批量生产、维护保障、改进升级阶段;俄罗斯四代发动机“产品 30”大量技术细节公布,正在开展二阶段试验。

  2、全球商用发动机格局:具有技术和商业优势的只有美、英两国,主导公司是 GE、PW、 R&R 等。根据《CommercialEngines2021》统计,2020 年全球总共交付 1374 台民用航空发动机,美国 GE、PW、英国 RR、CFM(美国 GE/法国 SAFRAN 合资公司)四家公司 占据 100%的市场份额,呈现出高度寡头垄断特征。在手订单方面,CFM 公司凭借 CFM56 系列及 LEAP 系列发动机在民用客机领域占据主导地位,其市场份额长期处于市场首位。

  3、全球燃气轮机领域,西门子和 GE、三菱日立三足鼎立。根据麦考伊电力报告 2018 年的燃气轮机报告,在订单方面,GE 燃气轮机的订单数量居全球第一,三菱日立和西门 子分列第二、第三位。在超过 100MW 的燃机方面,三菱的订单占比超过 41%,远超 GE 的 28%和西门子的 25%;在新一代“post-F”级燃机方面,三菱拿到超过 49%的订单, GE 为 34%,西门子为 16%;在传统的 F 级燃机方面,GE 订单占比为 33%,三菱为 31%,西门子为 26%。整体来看,燃气轮机市场呈现三足鼎立的态势。

  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,走了一条艰辛的发展道路。

  1、仿制和改进。上世纪 50 年代,航空发动机工业从零起步;1956 年,中国第一台涡喷 -5 发动机根据苏联 BK-1φ 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 70 年代,我国开始进行部分自主设计,如基于涡喷-7 研制的涡喷-13 系列和基于英国斯贝 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”定型,中国才首次走完自行 研制全过程,也一跃成为继美、俄、英、法之后的第五个航发生产国。2005 年 12 月, 涡扇-10 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。

  我国军用航发格局:航发动力作为航发集团旗下航空动力装置唯一上市平台,是国内唯 一能够研制涡喷、涡扇、涡轴、涡桨、活塞等全谱系军用航空发动机的企业。我国军用航空发动机经历了“维护使用-测绘仿制-型号研制-开展预研”的过程,当前已建立起了相对完整的发动机研制生产体系,国产发动机已装配歼击机、运输机、轰炸机等多种机型。未来,我国军用航空发动机产业将形成一、二代机加速淘汰,三代机批量稳定交付、 四代机研制、五代机预研加速的局面。

  我国商用航发格局:国产商发加速研制,未来一旦定型批产将填补我国商用航发空白。据工信部发文,2016 年中国商发被正式确立为 C919 大飞机国产发动机供应商,2017 年 12 月 CJ-1000AX 研制工作首台整机装配完成,2018 年 3 月在上海临港总装试车成 了全部调试工作,同年 5 月点火成功,核心机转速最高达到 6600rpm,2020 年进入地 面台架测试阶段,预计有望在 2027 年正式进入定型批产阶段。此外,中俄联合联合研制 CR929 远程宽体客机配套国产发动机 CJ-2000 也正处于紧锣密鼓的研制阶段。

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