航空发动机产业全景解析

航空发动机产业全景解析


航空发动机行业的发展水平是一个国家工业基础、科技水平和综合国力的集中体现,也是国家安全和大国地位的重要战略保障。

航空发动机是航空器的“心脏”-为航空器提供飞行所需动力的装置,约占到飞机整机价值量的20%~30%。

全球航空发动机主要分为涡扇发动机、涡喷发动机、涡轴发动机、涡浆发动机四类,其中涡扇发动机是目前最为核心的航空发动机。

目前,世界上能够独立研制高性能军用航空发动机的国家只有美、俄、英、中等少数几个国家,民用领域则由美、英两国垄断,技术工艺门槛较高。

中国的航空发动机历经“引进—仿制—自主研发”,目前已全面进入涡扇阶段。

航空发动机产业全景解析资料来源:《航空发动机—飞机的心脏》

根据空天界发布的航空发动机产业现状与趋势,2019年各类航发总产量14144台,总产值728亿美元,其中涡扇发动机6322台,数量占比为44.7%,其高昂的制造价格使得其价值占比在90%以上。

战斗机(例如F-35、F-22、歼-20、歼-31)和民航客机(C919、波音、空客的绝大多数客机),都采用的是涡扇发动机,军用战斗机多采用小涵道比,民用客机多为大涵道比。

预计未来15年间航发生产结构大致稳定,总产量23.8万台,总价值1.3万亿美元,其中涡扇发动机11万台,总价值占比92.9%。

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资料来源:民生证券

涡扇发动机:军民用飞机主要动力航空发动机产业全景解析

涡扇发动机由涡轮喷气发动机发展而成,在核心机基础增加了风扇和低压涡轮。由风扇、外涵道、压气机、燃烧室和涡轮组成,涡扇发动机相当于是涡喷发动机加上风扇及其外涵道的部分。

20世纪60年代出现风扇化热潮,70~80年代以后涡扇发动机高速发展,开始取代涡喷发动机成为军民用飞机的主要动力,分别向小涵道比的军用加力发动机和大涵道比的军民共用发动机两个方向发展。

涵道比(Bypass ratio,简称BPR)是指外涵道与内涵道空气流量之比,又称为流量比,是影响涡扇发动机性能好坏的一个重要参数。高涵道比涡轮风扇发动机的迎风面积大,不宜于作超声速飞行,因此一般战斗机用的加力涡轮风扇发动机的涵道比一般小于1.0。

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目前除了尚未退役的部分二代战斗机用涡喷发动机外,大多数已被涡轮风扇发动机所取代,当前小型涡喷发动机主要应用于中高空无人机、靶机和弹道导弹领域。

根据战斗机的性能,现役及在研的战斗机的代数可以分为五代,与之对应的航空发动机也被划分为五代。当前,发达国家装备主战机种是第三代战斗机,未来将逐步过渡到四代战机。

第五代涡扇发动机出现在21 世纪初,以美国的F135 和英、美联合研制的F136 发动机为代表,推重比为12-13。

目前,在国际市场上,大型飞机发动机的研制主要依赖GE、PW和R&R三大公司,各公司发动机系列化发展,已成垄断格局,推力范围覆盖了100~500KN。而俄罗斯研制的大涵道比涡扇发动机主要配装本国生产的大型飞机。

目前,我国WS-10“太行”涡扇发动机及其改进型的性能指标已可与美国普惠F100和通用电气F110相当,是目前来看最有希望取代俄制AL-31,列装J-10、J-11和J-20等空军主力战机的航发产品。

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涡轴发动机:直升机的唯一动力航空发动机产业全景解析

涡轴发动机是直升机最主要的动力,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。

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航空发动机产业链航空发动机产业全景解析


我国目前已具备完整的航空发动机产业链的研发制造能力,产业链涉及从上游材料到下游总装等多个环节

航空发动机产业链主要由原材料供应商、零部件生产商和整机制造商组成,其中原材料供应商主要有高温合金、钛合金、复合材料等钢铁厂及研究生产基地。

零部件制造主要有锻造、铸造等企业,包括机匣、环件、盘件、叶片等各类结构件的生产制造;整机制造商主要由航发集团主导,负责整体设计、总装集成以及大修维保等关键环节。

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资料来源:中信证券

上游:航空发动机材料

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航空发动机用材主要包括高温合金、钛合金、陶瓷基复合材料CMC和其它合金。
高温合金主要应用于航空发动机燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘等关键热端部件,占发动机总重量的40%-60%,当前国内市场主要以抚顺特钢、宝钢特钢、长城特钢等大型钢铁厂及航材院、钢研院、中科院金属所为代表的研究生产基地为主。
钛合金最高耐热温度低于高温合金,常用于风扇、低压压气机等冷端部件,主要参与者有宝钛股份、西部材料等。
陶瓷基复合材料CMC质量轻、性能优良,可用于燃烧室、涡轮导向叶片、尾喷管等部位,是未来发动机热端结构的首选材料,当前国内尚处于起步阶段,主要企业有火炬电子、苏州赛力菲、众兴新材、西安鑫垚、西安超码、中航复材等。
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资料来源:普惠公司官网

中游:航空发动机控制分系统航空发动机产业全景解析

中游航空发动机控制分系统市场由航发控制与614所共同垄断。
控制系统根据飞行器的飞行状态对发动机进行推力控制、过渡控制及安全限制等操作,以保障飞机稳定安全飞行。
控制系统主要分为机械液压、电子硬件、软件三部分:在机械液压方面,呈现航发控制独家垄断的市场格局;电子硬件和软件主要由中国航发控制系统研究院(614所)研制,其为中国航空发动机行业唯一的控制系统研究所。
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我国军用航空发动机生产由航发集团主导,航发动力是整机唯一龙头。
航发集团是我国航空发动机研制和生产的主要力量,旗下航发动力是国内航空发动机整机制造龙头,也是国内唯一生产制造涡喷、涡扇、涡轴、涡桨、活塞全种类军用航空发动机的企业,下属四所七厂承担我国军用航空发动机研制主要任务。本部西航公司(430厂)以研制大中型军用航空发动机为主,子公司黎明公司(410厂)主要以研制中大推力航空发动机为主,黎阳公司(460厂)是我国中等推力涡喷、涡扇发动机的重要生产基地之一,南方公司是我国中小型航空发动机主要供应商,研制多型号涡桨和涡轴发动机。

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资料来源:中国军情网,中信证券

后市场维修航空发动机产业全景解析

后市场维修保障与整机价值相当,军用维修以军方维修厂及主机厂为主,民用维修以OEM厂家和民航投资企业为主。
发动机维修即对发动机部件进行检测、修理、排故、翻修及改装等,在全寿命周期中维修费用约占50%,与发动机本身的价值相当。
国内军用发动机维修包括解放军修理厂和主机厂航发动力旗下山西维修、贵州维修等,民用维修以珠海摩天宇、四川斯奈克玛等OEM厂家合资企业及北京飞机维修工程有限公司等民航投资企业为主。
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航空发动机的部件价值拆分航空发动机产业全景解析
从航空发动机的部件价值拆分来看,高、低压涡轮的价值占比最高,其次为压气机。
根据《航空发动机结构设计分析》、《民用航空发动机维修成本分析与控制研究》的数据,我国航空发动机叶片、燃烧室、控制系统、传动系统的占比分别为35%、10%、18%、9%,其中钛合金/复材叶片、精锻叶片、精铸叶片在叶片中的价值占比采用CFM56系列发动机的数据,分别为26%、11%、63%。
若不考虑控制系统,航空发动机从制造成本角度看原材料成本占比约50%,人工成本占比约25%。航空发动机中使用的材料主要有高温合金、钛合金、复合材料、合金钢、铝合金等。航空发动机中所采用的高温合金涉及的主要材料是镍、钴金属。高温合金占比约35%、钛合金占比约30%,其他合金及复材占比约35%。

叶片:涡扇发动机核心部件航空发动机产业全景解析

涡扇发动机大量应用钛合金、高温合金等高强度金属材料,极大地提高了发动机的综合性能;其中,涡扇发动机的各类叶片(包括风扇叶片、压气机叶片、涡轮叶片)所处恶劣,由高强度金属材料加工而成,且结构日趋复杂,制造难度较大,是涡扇发动机制造的瓶颈。
各类叶片的制造占据整个发动机制造30%以上的工作量。
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图表来源:赛峰集团官网

涡轮叶片航空发动机产业全景解析

涡轮叶片是涡扇发动机中制造难度和制造成本最高的叶片。
相较于风扇叶片和压气机叶片,涡轮叶片的特点主要表现在原材料要求高、制造工艺难度大、成本高。
叶片占发动机价值的35%,涡轮叶片在发动机叶片中的价值占比超过60%。
以在单通道客机上用量较大的CFM56系列发动机为例,叶片包含“风扇叶片—三级低压压气机叶片—九级高压压气机叶片—高压涡轮叶片—四级低压涡轮叶片”,在发动机中的价值占比在35%左右。
涡轮叶片生产难度较大,长期被欧美企业垄断。高性能、长寿命的涡轮精铸叶片均由欧美企业提供,GE、赛峰、罗罗、普惠等国际航空发动机巨头均有直属涡轮叶片工厂,PCC公司是最大的独立涡轮叶片供应商。
国内企业中,航发精铸、应流股份等多家公司涡轮叶片近年来实现突破,发展空间较大。其中,航发精铸实现涡轮叶片的稳定供应,叶片性能和寿命不断提升,是国内最主要的涡轮叶片供应商;应流股份、江苏永瀚、万泽股份实现技术突破,成功进入中国航发的供应商序列。
目前国内军品列装加速,民航需求较大,涡轮叶片具有较大发展空间。
全球航空发动机涡轮叶片生产企业:
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资料来源:广发证券

风扇/压气机叶片航空发动机产业全景解析

风扇/压气机叶片属于冷端部件,多使用钛合金材料,复合材料用量在不断加大。
从涡扇发动机的结构上来看,风扇叶片、压气机叶片虽然功能不同,但均位于燃烧室的前端,工作环境温度较低,属于冷端部件。
风扇叶片、压气机低压级叶片已逐步从钛合金空心叶片向复合材料叶片转变,其中民用大涵道比涡扇发动机已大量使用树脂基复合材料叶片;压气机高压级叶片直径远小于风扇叶片和压气机低压级叶片,更靠近燃烧室,主要使用钛合金或高温合金实心叶片,利用精密锻造和精密加工的方式制造。
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燃气轮机航空发动机产业全景解析
燃气轮机(Gas Turbine)是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转,将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械,是一种旋转叶轮式热力发动机。其主要结构是由压气机(Compressor)、燃烧室(Combustor)和燃气透平(Turbine)组成的循环。
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截止到2019上半年,从存量的装机功率来看,全球市场基本被GE、西门子、三菱等巨头占据,份额分别为49.7%、26.1%、12.4%。
目前,国内燃气轮机主机厂主要包括哈尔滨电气、东方电气、上海电气等,按照“先系统后本体,先静子后转子、先低温后高温”的原则安排国产化生产。
根据GlobalData的报告,中国和印度等发展中国家对不间断电力供应的长期需求以及对低碳经济转型的支持,预计将有助于未来几年的燃气轮机市场价值提升。
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航空发动机产业是军工行业未来最有发展潜力的细分领域之一,具有极其重要的战略地位,受益于军机放量、型号研发加速以及实战化训练的持续推进,我国军用航空发动机市场正在持续扩容,国产化势在必行。
安信证券认为,当前军用航空发动机投资主要围绕两条主线:①具有垄断地位的国家队主机厂:我国军用航空发动机生产由航发集团主导,当前量产的发动机型号较少,新型号一旦定型量产,具备垄断地位和稀缺性的主机厂将显著受益;②材料、叶片等领域寻求突破的民营企业:近年来许多民营企业投身于航空发动机产业,关键技术一旦突破,将极大促进行业发展,同时也为自身打开巨大的发展空间。

原文始发于微信公众号(乐晴智库精选):航空发动机产业全景解析

 

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