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            投資專題:航空發動機行業的發展
            發布時間:2012-12-27  來源:中國工業網 
            <    航空發動機被稱為“工業之花”,是航空工業中科技含量高、難度最大的部件之一。中國航空發動機研制經歷了半個世界漫長而艱辛的發展,從最初的簡單仿制,到后來的改型,再到自主研發的階段,先后成功量產了渦扇-6、渦噴-13、秦嶺(渦扇-9)、昆侖(渦噴-14)、太行(渦噴-10)發動機。但現階段中國航空發動機研發實力仍相對薄弱,研發進度仍顯著滯后于戰斗機和打飛機的升級/研制進度,制約整個飛機制造業的發展。

                航空發動機有望列入即將出臺《高端裝備制造“十二五”規劃》相關的重大專項規劃中,獲得政策的多方面支持,航空發動機自主化的進程有望加速。未來20年國內先進航空發動機需求空間巨大,我國航空發動機全球份額將有望加速提升,產業鏈相關公司有望受益。

                近期中航工業集團首次公開推出展示兩款新型軍用航空發動機以及國產大涵道比渦扇發動機的金屬同比例模型,并且國內對于航空發動機重大專項的呼聲也一直很高,我國在當前經濟轉型的背景下,如果推出航空發動機重大專項將是在大飛機專項之后第二個航空制造方向的重大專項,也會體現出政府試圖改變國內傳統工業格局的思路。

                航空發動機具有極高的研制壁壘,目前全球能夠獨立自主進行軍用航空發動機研制生產且有產品的國家僅有英、美、法、俄、烏、中這幾個,而目前擁有民用航空發動機整機研制生產能力的國家則主要在英、法、美等國。我國目前已經研制出配套第三代戰斗機的軍用航空發動機,但大規模使用和成熟還有距離,且尚無民用航空發動機產品。

                目前國內外航空發動機產業發展的差距較大,對于國內來說,行業需求不是問題,主要的瓶頸在技術和機制。對于相關上市公司,高估值背后更多的是例如重組整合這樣的題材因素以及對發動機技術和產業發展空間的預期。

            一、全球航空發動機制造技術狀況

                航空制造是制造業中高新技術最集中的領域,整個制造過程對材料、工藝、加工手段、試驗測試等都有極高的要求,而航空發動機技術則是高新技術中的尖端代表。美國國家關鍵技術計劃說明文件將航空發動機技術描繪成“是一個技術精深得使新手難以進入的領域,它需要國家充分保護并利用該領域的成果,長期數據和經驗的積累,以及國家大量的投資。”

            圖1  航空發動機主要結構

                (一)航空發動機技術特點

                航空發動機的特點在于其工作狀況復雜、制造要求高、研制周期長、研制費用高。

            表1  航空發動機特點
             

            特點 說明
            工況復雜 渦輪驅動壓氣機每秒轉速達上千轉,渦輪前溫度達1500℃甚至更高;壓力約20-40 個大氣壓,1-2 噸自重要產生推力幾千到幾萬公斤
            制造要求高 零件加工精度到微米級;零件數量幾千上萬個
            研制費用高 世界上四大航空發動機公司每年的發動機研究和發展經費占銷售額的15%左右,在10 億美元上下?,F在研制一臺大、中型先進發動機的經費高達15 億~30 億美元
            研制周期長 以美國第四代發動機F119 為例,技術研究和零部件試驗經過了15 年以上時間,從型號驗證機一直到生產加工用了16 年
            試驗、改進多 主要零、部件和系統試驗占總試驗時間的90%以上,全臺發動機的試驗總時數可達2~4 萬小時。

                經過半個多世紀的發展,全球航空渦輪發動機技術取得了較大的進步:

            表2  發動機性能特點
             

            發動機類別 性能特點
            戰斗機發動機 推重比由2 提高到10;
            可靠性:空中停車率為0.01~0.50/1 000 發動機飛行小時
            使用壽命:整機定型要求通過4300~6000 個戰術空軍循環試驗,相當于平
            時使用10 多年,熱端零件壽命達到2000h,冷端零件壽命4000h
            民用渦扇發動機 最大推力已超過50000 daN;
            起飛耗油率從50 年代渦噴發動機1.0 kg/(daN·h)下降到0.35~0.40kg/(daN·h);
            空中停車率為0.002~0.020/1 000 發動機飛行小時;
            熱端部件壽命達到7000~10000 h ,整機的機上不拆卸壽命
            15000~16000h,最長超過40000h
            直升機用渦軸發動機 功重比從2kW/daN提高到6.8~7.1 kW/daN
             
                國外的航空發動機制造已經達到了相當高的技術水平,其發展趨勢主要體現在戰斗機、運輸機和直升機這三種類型的發動機上:

            表3  三類渦輪發動機發展趨勢
             

            戰斗機發動機
            參數 第三代 第四代 第五代
            總壓比 22~32 25~35 25~40
            渦輪前溫度(K) 1540~1750 1800~1950 2000~2200
            涵道比 0.3~1.1 0.2~0.5 0.15~0.35
            運輸機發動機
            參數 70和80年代 90年代 21世紀初
            涵道比 4~5 6~9 10~15
            風扇壓比 1.7 1.5~1.6 1.3~1.4
            總增壓比 25~30 38~45 50~75
            渦輪前溫度(K) 1500~1570 1570~1800 1850~2100
            直升機發動機
            參數 第三代 第四代 第五代
            總壓比 8~14 13~15 16~26
            渦輪前溫度(K) 1270~1370 1400~1500 1500~1850
             
                戰斗機發動機和運輸機發動機在性能的要求上是各有不同的,戰斗機發動機追求的是極限性能和高負荷;而運輸機發動機則要求的是可靠性、經濟性等指標。而越來越顯著的特點就是高性價比則是軍用和民用發動機都追求的目標。

                處于航空發動機技術前列的國家不斷實施各種技術發展計劃,推動著發動機各項性能的提高,在實施這些技術發展計劃的過程中,不斷涌現著新技術。這些新技術的趨勢顯示出高效和經濟性是發動機未來發展方向。

            表4  航空燃氣渦輪發動機不斷涌現的新技術
             

            年代 1940-1949 1950-1959 1960-1969 1970-1979 1980-2000 2020年預計
            機種 渦噴 渦噴、渦槳、渦軸 渦噴、渦槳渦軸、渦扇 渦噴、渦槳渦軸、渦扇 渦噴、渦槳渦軸、渦扇 渦噴、渦槳渦軸、渦扇
            新技術 結構 軸流式壓氣機、雙轉子、雙位噴管 可調靜子、氣冷渦輪、加力燃燒室 跨聲速壓氣機、環管燃燒室、可調噴管、進/發匹配航改燃機 寬弦葉片、環形燃燒室、三轉子結構、結構完整性、單元體結構 空心風扇葉片、整體葉盤、雙級燃燒室、對轉渦輪轉子、矢量噴管 主動流動控制、多電發動機、多點燃油噴嘴、無盤轉子
            控制方式       數字電子控制 全權數字電子控制 飛行-推進綜合控制
            研發技術 模擬高空試驗   核心機途徑、斷裂力學 視情維修、加速任務試驗 計算流體力學、壽命期成、本循環優化設計、部件級數值仿真設計、CAD/CAM HCF 設計技術、自動預診斷和狀態管理、推進系統數值仿真設計
            性能指標趨勢   馬赫數3 V/STOL、輕量設計 高推重比(8)、高涵道比(4~8) 超聲速巡航 變循環發動機、智能發動機、超微型發動機、超高推重比(20)、超高涵道比(10~15)、超聲速STOVL、經濟承受性設計
            材料   鈦合金 鎳基合金 低溫復合材料、定向
            凝固渦輪葉片、粉末冶金渦輪盤
            單晶渦輪葉片、隔熱涂層
            低溫復合材料、低應力陶瓷
            高溫燃料、
            金屬間化合物、高溫復合材料、陶瓷和碳碳材料

                (二)國內外航空發動機應用

                1、軍用航空發動機國內外仍具有代差

                軍用航空發動機整機研制生產的國家不多,這與航空發動機技術在各國之間市場化交流相對較少,處于較封閉的狀態有關。為了戰略考慮,一般各國戰斗機所裝配的發動機在各國國內或聯盟內采購。

            表5 國外主要軍用戰斗機發動機配套情況
             

            戰斗機機型 發動機型號 發動機制造商
            F16 F100-PW-200 PW
            F/A-18 F404-GE-400/F414 GE
            F/A-22 F119 PW
            F-35 F135 PW
            陣風 M88-2 法國斯奈克瑪
            幻影2000 M53-P2 法國斯奈克瑪
            臺風EF2000 EJ200 歐洲發動機公司
            SU27 AL-31F 俄羅斯
            SU35 AL-37F 俄羅斯
            伊爾76 D-30KP-2 俄羅斯
            C17 PW2040 PW
             
                相比全球先進的發動機研制水平,我國的航空發動機研制水平仍然有較大差距。我國第3 代戰斗機發動機“太行”于2005 年底通過設計定型,與美國第3 代戰斗機配置的F100 發動機1973 年10 月定型的時間名義差距為32 年,美國的第4 代戰斗機發動機已于2005 年12 月裝備飛機,具備初始作戰能力;第5 代飛機已經試飛。

            表6 航空發動機國內外的差距
             

            國內 國外
            配套第三代飛機的發動機2005 年設計定型,典型型號:太行 美國配套第三代飛機的發動機分別在1974 年、1985 年服役,典型型號:F100、F110
            大涵道比渦扇發動機剛剛立項開始研制 美國70 年代初投入使用。典型型號:TF39-GE-1A 、JT9D-3
            通過引進國產的WZ8 發動機90年代投入使用 70 年代法國海豚直升機的發動機阿赫耶1C 投入使用

                我國原有第一、二代戰斗機所用發動機基本是仿制或改裝研制生產,近幾年來,我國發動機事業在過去50 年的技術積累下取得了較大進展;目前我國第三代戰斗機開始裝備部隊,對應的發動機原來采用的進口俄羅斯產品,但目前研制成功的太行發動機將實現第三代戰機的國產化;用于配套高級教練機的岷山發動機、用于配套通用飛機的九寨發動機均在研制中;第四代戰斗機已經在研制,還有艦載機等等,相配套的發動機也處于研制之中。

            關鍵詞: 投資 專題 航空
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