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现代工业皇冠上的明珠航空发动机:长坡厚雪逐渐步入红利期

发布时间:2022-09-12  来源:hth华体会下载 作者:hth华体会最新网站  |  点击率: 1

  

  航空发动机是为航空器提供飞行动力的装置,也是航空器的“心脏”,是保证航空器飞行性能与安全的关键部件。

  航空发动机的构造与运作原理高度复杂,涉及材料和机械制造等众多基础科学的交叉融合,典型的涡轮喷气发动机核心部件包括进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管,零部件多达 3万多个;运作环境要求高温、高压、高转速而整体上又要求其重量轻、可靠性高、寿命长等,研发难度极高,因此被誉为“现代工业皇冠上的明珠”。航空发动机是衡量一个国家科技水平、军事实力以及综合国力的重要标志之一。

  人类最早发明的航空发动机是活塞式发动机,从1903年发明的第一架飞机到二战结束,活塞式发动机是当时飞机的主要动力来源。

  从第二次世界大战结束一直到现在,由于活塞式发动机的功率和结构已到达设计瓶颈,出于对航空发动机高功率、低重量的追求,性能更高的航空燃气涡轮发动机逐渐取缔了活塞式发动机,成为航空动力的主导者。

  目前主流的航空发动机为涡轮喷气式发动机、涡轮风扇式发动机、涡轮螺旋桨式发动机、涡轮轴式发动机和螺旋桨风扇发动机,其中使用最广泛的是涡扇发动机;还有两种无压气机的发动机,冲压喷气式发动机和脉动式发动机,由于用途有限,暂不作讨论。

  航空发动机所涉及的学科和技术领域几乎涵盖各个技术领域的尖端技术,是典型的知识、技术密集的高科技产品,同时附加值极高,可同时带动电子、先进材料、特种加工、冶金、化工等产业发展,科技溢出效益极强。

  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,到达数千小时的正常工作寿命,这就使得航空发动机的研制对结构力学、材料学、气体动力学、工程热力学、转子动力学、流体力学、电子学、控制理论等学科都有极高要求。

  据统计,美国在1950-2000年间用在航空涡轮发动机上的研究和开发投入就超过 1000 亿美元。1988-2017年间,美国对两个项目 IHPTET(综合高性能涡轮发动机技术)和 VAATE(“通用经济可承受涡轮发动机)计划投入 87 亿美元。GE和罗罗等公司每年科研投入就高达 10 亿美元以上。F119 作为典型四代发动机,研发费用就高达 31 亿美元,而在其基础上研发的 F135 发动机,研发费用更是高达 90 亿美元。

  据《航空发动机研制全寿命管理研究及建议》研究,航空发动机的生命周期一般经历三个阶段,分别是预先研究、工程研制、使用发展,其中,预先研究需要 12 年,工程研制需要 18 年,预研与研制阶段合计需要 30 年;后续才进入使用发展阶段,并大批量装备。

  每次航空发动机技术的突破都带动了关联技术领域的进步,日本曾作过一次500余项技术扩散案例分析,发现其中60%的技术源于航空产品。

  作为高端制造业,航空发动机对下游产业也有着巨大的带动作用:一是对机械、仪表、电子、材料、冶金、化工等上游产业发展的带动作用;二是对航空运输业、旅游业、城市交通基础设施建设、物流等产业发展的诱导作用;三是对改善国民经济各部门资源配置、提高效率等的推动作用。

  航空发动机产业的高投入也为各大厂商带来高回报,据中航商发测算,按照以单位重量计的价格,航空发动机、民用客机、台式计算机、汽车和船舶的比例为1400:800:300:9:1,是工业部门目前附加值最高的产业。

  据《航空涡轮发动机现状及未来发展综述》(焦华宾,莫松)研究,燃气涡轮发动机发明,使航空工业发生了一场革命,飞机的速度、高度和机动性出现了历史性飞跃,飞机从亚声速跨入了超声速飞行的新时代。

  纵观航空涡轮发动机的发展历程,军用航空涡轮发动机技术的发展始终引领着先进航空发动机发展方向,自 20 世纪 40 年代初以来,军用航空涡轮发动机已研制发展了四代并逐步向第五代跨越,第六第七代发动机已经在研发过程中。

  从发动机性能上看,推重比从第一代的 3-4 提升至第五代的 12-15,涡轮前燃气温度从第一代的 1200~1300K 发展至第五代的超 2200K。

  当前,美国已经开始研发第六代航空发动机,推重比更是达到 16-18;国际上已经开始预研第七代发动机。

  每一代航空发动机的研发都预示着更高的推重比、更高的涡轮前燃气温度、更低的油耗、更强的适用性,每一项的提升都预示着巨大的科技进步。

  未来随着地缘政治事件的复杂化,各国将会加强对新型航空发动机的研发,以应对更复杂的军事用途。

  国外航空发动机起步时间早,第一代涡喷发动机成型于20世纪40年代,而此时,我国才 刚刚开始航空发动机的研制工作。

  目前,西方航空发达国家现役的主力机种都配装第三代发动机,如 F404、F110、AL-31F 等。

  我国部分第三代机型如歼-10 也已配装第三代发动机 WS-10。目前,我国在役的大推重比发动机以 WS-10 为主,与西方先进水平有一定差距,发动机型号单一、性能也亟须提高。

  在研发中的涡扇 15 预计在十四五期间量产,据 Global Security 介绍,涡扇 15 推重比可达 10,最大推力可达 16 吨,适配机型为歼 20。

  随着经济效益和航行要求的不断提升,商用涡扇发动机从 20 世纪 60 年代 JT8D 发展到目前 Leap-X,涵道比从 1 发展至 10 级;纵观商用航空发动机的发展历程可以总结出:涵道比不断增大,油耗不断下降。

  第一阶段,20世纪60到70年代涵道比为1-3,典型机型如 JT8D 系列;

  第四阶段,2008年以后涵道比增大至10,如 GEnx、Trent1000。当前齿轮驱动涡扇发动机 PW1000G,涵道比提高至12,未来的开式转子涵道比会进一步加大。

  我国商用航空发动机仍处于研制阶段,“长江”系列产品或将成为我国商发突破口。

  目前,我国民用客机的发动机全部采购自美国 GE、美国 PW、英国 RR、CFM 等国外企业,包括我国目前研制的 C919 大飞机短期也无法完全摆脱外国发动机,采用的也是 CFM 公司的 LEAP 系列发动机。

  在“十三五”期间,我国商用航空发动机规划了三个产品系列:长江 500(ARJ21)、长江 1000(C919)和长江 2000(CR929)。

  2020 年 3 月,“长江 2000”发动机核心机 C2XC-101 点火成功,8 月,已经进入整机装配阶段。“长江 1000”发动机研制进展稍快 于“长江 2000”,已于 2018 年完成整机点火,2020 年 7 月开始试航取证,预计到 2025 年以后可以投入使用。

  由于航空发动机的研发具有研发时间长、投入资金庞大、技术壁垒高等特点。当前,能够自主研制航空发动机的国家只有美国、英国、法国、俄罗斯和中国等少数国家。而且欧美等国家长期对航空发动机技术封锁,目前,航空发动机军民两用市场呈现由通用电气(GE)、罗罗、普惠等少数几家巨头公司垄断的局面。

  新时代国防和军队建设的新“三步走”发展战略,在 2020 年军队基本实现机械化、自动化;在 2035 年基本实现国防和军队现代化;到本世纪中叶把人民军队全面建设成世界一流军队;将原来的“三步走”发展战略目标实现时间提前了 15 年,这是适应世界新军事革命发展趋势和国家安全的需求。

  在新时代下,特别是中美博弈加剧、国际环境日趋复杂情况下,加强国防实力建设是保证自身发展安全的关键。

  国家已出台一系列政策与纲要推动航空发动机快速发展,2019 年财政部和税务总局宣布对发动机研制项目减税降费;2021 年将航空发动机的研发写入十四五规划和 2035 年远景目标纲要。预计航空发动机产业链在“十四五”期间将迎来快速发展期,军民两用国产化率将有效提高。

  世界经济和战略重心继续向亚太地区转移,亚太地区成为大国博弈的焦点,给地区安全带来不确定性。

  特别是美国强化亚太军事同盟,加大军事部署和干预力度,给亚太安全增添复杂因素。

  当前,中国已发展成为世界第二大经济体,国防实力与经济实力不匹配,面对日趋严峻的地区安全风险,要依据国家经济发展水平和国防需求,合理确定国防费规模结构,坚持国防建设与经济建设协调发展。

  作为世界第二大经济体,中国军费占 GDP 比重长期保持在 2%以下,2020 年占比为 1.75%,较 2019 年略微提升了 0.02pct,与其他世界军事强国俄罗斯(4.26%)、美国(3.74%)、印度(2.88%)、韩国(2.85%)、英国(2.25%)、法国(2.07%)相比,占比远低于俄罗斯与美国,同样低于印度、韩国、英国、法国等经济体量不如中国的国家。

  国防实力与经济实力仍有较大差距,国防开支占 GDP 比重仍有较大的提升空间。

  根据《World Air Forces 2021》统计,我国现役军机(包括:加油机、教练机、特种飞机、运输机、战斗机、直升机)总数为 3,260 架,占全球比重为 6%;美国为 13,232 架,占全球比重为 25%;俄罗斯为 4,143 架,占全球比重为 8%。

  从飞机总数上看,中国军机数量只有美国的 1/4,比俄罗斯少近 1000 架;我国数量最多的战斗机只有 1,571 架,而美国有 2,717 架,数量只有美国的 57.82%,其余各类军机数量与美国差距明显。为应对未来复杂多变的环境,我军亟需补全各类型飞机的差距,行业需求上升空间庞大。

  根据《World Air Forces 2021》统计,我国现役战机数量为 1,571 架,其中二代机数量为 789 架,占比为 50.22%,是占比最多的战机,而同期美国二代机数量为 0,数量和占比最多的是四代机,其次是五代机;作为美国主要空军力量的四代机数量达 2250 架,占比为 82.81%,而我国四代机数量只有 620 架;美国五代机数量为 393 架,我国只有 19 架。

  我国空军装备实力与美国仍然存在较大差距,后续航空装备升级与更新换代下,航空发动机需求庞大。

  当前部分歼击机已换装国产 WS10 发动机,后续换装国产发动机的战机数量将日益提升;同时,随着 WS15 在十四五期间的交付与批量列装,预计将为国产发动机提供广阔的空间,整个航发产业链将直接受益。

  中国航空市场正在从高速增长转向高质量增长,根据《中国商飞公司市场预测年报(2020-2039)》测算,到 2039 年中国航空市场将拥有 9,641 架客机,占全球比例从 16.2% 上升至 21.7%;其中单通道喷气客机 6,521 架,双通道喷气客机 2,174 架,喷气支线 架,预计中国将成为全球最大的民用飞机、民用航空发动机和维修维护市场。

  按交付数量统计,预计到 2039 年,单通道喷气客机为 5937 架,占交付总量的 68.0%,其中近八成的单通道喷气客机机队为 160 座级,双通道喷气客机 1,868 架,占总交付量的 21.4%,以 250 座级喷气客机机队为主,占双通道喷气客机交付总量的 75.3%;其余为喷气支线客机,二十年时间里将交付近千架,均为 90 座级。

  二十年累计总价值为 13249 亿美元,约为人民币 8.44 万亿元人民币(按 1 美元兑 6.37 人民币折算),平均每年 0.42 万亿元。假设民航发动机价值占比为 26%,二十年累计发动机采购价值为 2.19 万 亿元。

  当前,国内首款自主研发的大飞机 C919 预计在 2022 年交付,订单已达 850 架,未来拟搭载长江 1000 发动机实现国产替代。

  ARJ21 新支线飞机是我国首次按照国际民航规章自行研制、具有自主知识产权的中短程新型涡扇支线 日取得中国民航局型号合格证,2017年 7 月 9 日取得中国民航局生产许可证;目前,ARJ21 新支线飞机已正式投入航线运营,市场运营及销售情况良好,未来拟搭载长江500发动机完成国产替代。

  CR929远程宽体客机是中俄联合研制的双通道民用飞机,以中国和俄罗斯及独联体市场为切入点,同时广泛满足全球国际间、区域间航空客运市场需求,座级280座,拟搭载“长江2000”发动机完成国产替代。

  当前,“长江2000”发动机核心机C2XC-101点火成功,已经进入整机装配阶段。未来随着民用航空发动机的投入不断增加,巨额的民航市场将会为整个航空发动机产业链打开业绩空间。

  根据《浅析军机的综合保障费用》研究,全寿命费用包括研究研制费用、采购费用和综合保障费用,采办费用包括研究研制费用和采购费用。

  在军机全寿命费用中,研究研制费用约占10~15%,采购费用约占20~25%,综合保障费用约占60~70%。战斗机的综合保障费用占全寿命费用的70%。预计战机更新换代将增加采购费用,后续随着战机的存量上升,战机的维护保障市场将迎来大发展。

  为延长发动机使用寿命,必须定期对航空发动机进行维护与零件更换,这形成了一个庞大的发动机售后市场,据《发动机制造商另辟商机:谈航空发动机售后服务和热端部件的典型修理技术》测算,其中一半费用(51%)用于购置新的零部件航材,发动机大修(不含航材) 和零部件修理占22%(其中零件修理费用达9%以上),航线%。后期维护费用一半以上用于零部件采购, 中上游企业将直接从中受益。

  当前国内已具备较为完善的航空发动机产业链。整个产业链总共分为五个部分,分别为上游原材料、中游零部件和控制系统、下游总装、维修维护。

  其中,上游原材料包含高温合金、钛合金和复合材料;中游包含零部件锻造、铸造、机加和控制系统;下游包含总装;以及军用和民用维修维护。

  中上游主要以科研院所和民营企业为主,中下游主要是航发集团旗下企业为主,维修维护方面军用主要为航发动力,民用为第三方和合资企业为主。

  当前行业进入“十四五”批产期,在行业具有垄断地位,并率先享受产业万亿红利的航发集团旗下公司:航发动力(600893.SH)、航发控制(000738.SZ)。

  看好产业中壁垒较高,受益新机采购以及后期零部件维修维护的中上游锻造、高温合金、钛合金等产业。

  1、新型号发动机研发、生产和交付不及预期。2、上游原材料价格大幅上涨。3、商用发动机需求低于市场预期。4、国际环境急剧恶化。