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大国重器之① 航空发动机介绍?航空发动机有哪些分类?

2023-02-08 11:18:28 来源:第一商业网

在生活中,很多人都不知道大国重器之① 航空发动机 行业研究报告是什么意思,其实他的意思是非常简单的,下面就是小编搜索到的大国重器之① 航空发动机 行业研究报告相关的一些知识,我们一起来学习下吧!

不战而屈人之兵,出自《孙子兵法·谋攻》,原意为让敌人的军队丧失战斗能力,从而使己方达到完胜的目的。

现多指不通过双方军队的兵刃的交锋,便能使敌军屈服。


【资料图】

现代战争背后打的是科技创新,才可能实现“不战而屈人之兵”。

因此,现代战争是一轮又一轮的科技创新,尤其是“硬科技”创新推动的,甚至可以说,历史上每一次重大科技创新,又都会开启一场新的军事变革,深刻改变战斗力生成模式和作战方式。

科技,已成为影响战争的核心变量。

实际上,自20世纪50年代以来,以原子能、空间技术、电子计算机为代表的第三次科技革命迅速发展,引发了军事领域深刻而广泛的革命性变化,改变了战争面貌与进程。

因此,自今日起,我们硬科技行业组负责撰写一系列有关国之重器——军工“硬科技”的相关细分行业研究报告。

希望大家喜欢,也欢迎大家加入我们硬科技行业交流群,enjoy:

航空界有句名言:“一代发动机,决定一代战机。”

航空发动机是为航空器提供飞行所需动力的装置,是航空器的“心脏”。

航空发动机是一种集气动热力、燃烧、传热、结构强度、控制与测试、工艺和材料等多学科于一身的极高复杂系统,为航空器提供飞行所需动力。

航空发动机的设计、研发、制造、工艺等均需要精尖的科学技术水平,其在现代工业领域里占据重要地位,被誉为现代工业“皇冠上的明珠”,代表了人类最先进的智慧,更体现了一个国家科技和工业的实力,其发展水平也是国家安全和强国地位的重要保障。

图:罗罗公司“超扇”发动机

航空发动机分类:由活塞式转向喷气式,燃气涡轮发动机占据主导地位。

航空发动机大体上分为活塞式发动机和空气喷气式发动机两类。

活塞式发动机具有耗油低、成本低、工作可靠等特点,在喷气式发动机发明之前的近半个世纪内,是唯一可用的航空飞行器的动力,目前仍然应用于一些小型低速飞机;由于喷气式发动机不能满足高速飞行的需求,空气喷气式发动机应运而生,按有无压气机又可分为两类,有压气机(即燃气涡轮发动机)目前占据主导地位,压气机用燃烧室后的燃气涡轮来驱动,具有高推重比等、高可靠性、长寿命、低油耗、低信号特征、低全寿命期费用等特点,具体细分包括涡喷发动机、涡扇发动机、涡浆发动机、涡轴发动机和涡扇发动机等,在军民航空上都有广泛的应用。

图:航空发动机分类

其中,航空燃气涡轮发动机又可细分为涡扇、涡奖、涡轴、涡喷发动机。发动机对飞机性能影响显著,设计速度与油耗特性差异决定了不同的应用场景:涡喷发动机虽速度较高,但油耗较高,经济性差,已逐步被涡扇发动机替代,主要用于部分尚未退役的军用二代战机;涡扇发动机由于其高速度、中等油耗的特点,是现在大多数客机及军机的主要动力类型;涡桨发动机最大速度相对较小、油耗偏低,主要用于时速小于800 千米的飞机,多用于低速运输机、轻型飞机及加油机等;涡轴发动机主要用作直升机的动力。

表:航空燃气涡轮发动机原理及优缺点

涡扇发动机在近60年的发展中,伴随了三代战机的成长起飞。事实上,这是一个复杂又漫长的过程,以俄罗斯AL-31F加力式涡扇发动机为例,其研制过程耗时12年,试验机多达51台,总运转22900小时。由此可见,研制航空发动机并非易事,需要反复试验论证,才能加装到战机上。

以第四代航空发动机研发为例:从前期设计到进入工程制造和发展阶段,美国用时9年,欧洲四国联合用时10年。毫不夸张地说,现代航空发动机的研发需要动用举国之力。这也是世界上只有少数国家能够自主研发航空发动机的原因。

目前,中美在航空装备上的差距依然巨大。总量上看,美国军机数量约1.3 万架,我国仅3,000 余架。从结构上看,美国战斗机以三、四代机为主,我国战斗机中二代机尚占据半壁江山,缺乏战略轰炸机及重型直升机。

此前,航空发动机技术的落后是长期制约我国航空装备发展的一个重要因素。我国可以自行研制歼10、歼15、歼20、FC-31、运20、直20、教10 等三代、四代先进军机,但其在研制初期所采用的航空发动机却均要依赖进口俄、乌发动机。

2005 年,国产第一型三代大推力军用涡扇发动机“太行”通过了定型审查。目前“太行”及其改进型号已可用于我国各主力型号三、四代战斗机。长期桎梏我国先进战斗机放量的动力因素基本解除。其他各类型军用发动机技术也先后取得突破,未来随着各类型军机的快速上量,军用发动机也随之迎来需求的快速爆发。

航空发动机产业链主要由设计研发、加工制造、运营维修三大环节构成。其中,加工制造环节又可细分为原材料、中游零部件及分系统、下游整机。

全球来看,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。

航空发动机技术壁垒高造成全球航空发动机供应格局呈现倒金字塔式。

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。

在国内,航空发动机整机均由航发集团生产,其中,航发集团8大主机厂,航发动力独占4家,产业链地位突出,而中上游则逐渐市场化。其中,加工制造产业链中利润率最高的是上游原材料以及中游,锻造类零部件的毛利率高达40%。下游整机厂的毛利率较低。

全球航空发动机产业呈现出典型、明显的寡头垄断格局。由于航空发动机的高技术、高投入,经过百年的发展,世界上能够独立研制生产军用航空发动机的国家只有美、俄、英、法、中等少数几个国家,而能够独立研制生产商用航空发动机的则主要在美、英、法等国,美国通用电气、普拉特·惠特尼、英国罗尔斯·罗伊斯、法国赛峰集团以及由它们主导或合资成立的国际公司与国际航空发动机公司,占据着全世界航空发动机市场90%以上的份额。

我国航发产业历经三阶段,从测绘仿制到自主研制。60 多年来,我国航空发动机的发展,经历了从无到有,从测绘仿制到自行研制的过程。①第一阶段为1950-1965 年前后,我国在苏联帮助下仿制自制涡喷,实现从完全依赖外援技术到部分自主设计研制的转变。②第二阶段为1966-1990 年,因中苏关系出现问题,我国开始着手完整的自主研制航空发动机,期间我国自主完成了涡喷7 甲、涡喷13 发动机的研制。③第三阶段为1990 年至今,我国构建核心机体系的整体发展思路逐步形成,自行设计研制的涡喷14 及第三代大推力涡扇10发动机研制成功,我国成为少数能自主研制航空发动机的国家之一。如今,中国也有了能制造军用航空发动机和商用航空发动机的公司,分别是中国航发动力股份有限公司和中航商用航空发动机有限责任公司。

世界上最大的综合性动力和设备制造商,其航空发动机广发应用于商用航空、通用航空和军用航空领域,为波音、空客、巴航工业、庞巴迪等企业的多个机型提供动力。典型产品有为波音777 提供动力的GE90 和GE9X、为波音787 提供动力的GEnx、用于巴航工业E-190和我国ARJ21 等支线飞机和公务机的CF34 和为美国舰载机主力F-18 系列飞机提供动力的F404 等。

英国主导的欧洲最大的航空发动机企业,发动机市场占有率也相当高,世界上噪音最小的A330/340 系列客机使用的瑞达500/700 系列发动机就是RR 公司的杰作。瑞达900 发动机为空客A380 提供动力,瑞达1000 发动机为波音787 提供动力,瑞达XWB 发动机是空客A350XWB 的唯一动力系统,瑞达7000 发动机为空客A330NEO 提供动力,先进中型直升机AW101 使用的RTM332 也是RR 的产品。

由GE 公司和法国Snecma 公司各占50%股份合资成立,负责生产CFM56 发动机,其中GE 公司负责核心机包括高压压气机、燃烧室和高压涡轮的研制,而Snecma 公司负责低压涡轮部分和风扇的研发。CFM56 是全世界最畅销最成功的一款民用涡扇发动机,占全球民用航空发动机市场50%的市场份额,装配于空客A320 和波音737 客机。另一款产品是计划取代CFM56 的LEAP 型发动机,包括未来用于A320neo 的LEAP-1A、用于波音737max 的LEAP-1B 和被国产大飞机选中的LEAP-1C。

世界知名的直升机用涡轮轴发动机、民航及军用涡浆/涡扇发动机制造商,研制生产的F117、F119、F135 以及J52 等军用发动机,用于装备F-16、F-22、F-35 战斗机和C-17 运输机等,6 吨级中型直升机AW139 和我国武直-10 等使用的PT6C-67C 也是PW 公司产品;民用发动机有JT8D-200、PW2000、PW4000 和V2500,用于装备波音系列客机,我国的新舟600的引擎也是PW 公司技术。

最初由美国PW、英国RR(现将股份转给PW)、德国MTU、和日本航空发动机公司JAEC联合成立,为150 座级客机市场提供V2500 发动机,主要于CFM56 发动机争夺市场。

由GE 公司和PW 公司在1996 年以各自占50%的比例合资成立的公司,专为空客A380 生产GP7200 发动机,核心机来自GE 公司,低压部分来自PW 公司。

航发动力,全称是中国航发动力股份有限公司。公司前身是吉发股份,2008 年西航集团通过重组、定向增发等方式西航集团实现借壳上市,证券更名为“航空动力”,公司实际控制人变更为中国航空工业集团;2014 年6 月公司完成重大资产重组,公司主营业务产品范围从大型发动机扩展为大中小型发动机;2020 年,公司引入机构投资者对黎明公司、黎阳动力、南方公司三家全资子公司增资65 亿元以实施市场化债转股,同时中国航发对三家子公司合计增资19.8 亿元;2021 年中国航发以国有股权无偿划转方式取得西航公司持有的公司股票(占总股本的22.38%),同时,中国航发以国有股权无偿划转方式受让中航工业集团持有公司股票(占总股本的6.60%),收购完成后中国航发直接持有公司45.79%股权。历经多次资产重组后,航发动力成为我国大、中、小型军民用航空发动机和大型舰船用燃气轮机动力装置的生产研制和修理基地,国内唯一生产制造涡喷、涡扇、涡轴、涡桨全种类军用航空发动机的企业,三/四代主战机型发动机国内唯一供应商,在发动机整机制造行业处于近乎垄断地位。

中航商发,全称为中航商用航空发动机有限责任公司,是中国航空工业集团公司(简称"中航工业")旗下的直属子公司之一,公司主要从事民用飞机发动机及相关产品的设计、研制、生产、销售、维修、服务、技术开发和技术咨询等业务。是我国大型客机发动机项目的责任主体和总承制单位。公司于2009年1月18日在上海成立,是由中航工业、上海电气集团、上海国盛集团共同出资组建的股份多元化企业,注册资本为60亿元人民币。该公司的成立标志着被誉为航空工业“皇冠上明珠”的大飞机发动机研制工作,在我国开始实质性起步。

参考文献:

《航发动力-600893-先进军机加速放量,国产“心”动力澎湃》,中泰证券,20210926

《航空发动机行业研究框架:航空发动机,迎历史性发展机遇》,浙商证券,20220519

《国防军工行业航空发动机:军工长坡厚雪万亿超级赛道,开启10年以上黄金成长期》,国盛证券,20220505

@今日话题@雪球组合

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