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投资专题:航空发动机行业的发展
发布时间:2012-12-27  来源:中国工业网 
<    航空发动机被称为“工业之花”,是航空工业中科技含量高、难度最大的部件之一。中国航空发动机研制经历了半个世界漫长而艰辛的发展,从最初的简单仿制,到后来的改型,再到自主研发的阶段,先后成功量产了涡扇-6、涡喷-13、秦岭(涡扇-9)、昆仑(涡喷-14)、太行(涡喷-10)发动机。但现阶段中国航空发动机研发实力仍相对薄弱,研发进度仍显著滞后于战斗机和打飞机的升级/研制进度,制约整个飞机制造业的发展。

    航空发动机有望列入即将出台《高端装备制造“十二五”规划》相关的重大专项规划中,获得政策的多方面支持,航空发动机自主化的进程有望加速。未来20年国内先进航空发动机需求空间巨大,我国航空发动机全球份额将有望加速提升,产业链相关公司有望受益。

    近期中航工业集团首次公开推出展示两款新型军用航空发动机以及国产大涵道比涡扇发动机的金属同比例模型,并且国内对于航空发动机重大专项的呼声也一直很高,我国在当前经济转型的背景下,如果推出航空发动机重大专项将是在大飞机专项之后第二个航空制造方向的重大专项,也会体现出政府试图改变国内传统工业格局的思路。

    航空发动机具有极高的研制壁垒,目前全球能够独立自主进行军用航空发动机研制生产且有产品的国家仅有英、美、法、俄、乌、中这几个,而目前拥有民用航空发动机整机研制生产能力的国家则主要在英、法、美等国。我国目前已经研制出配套第三代战斗机的军用航空发动机,但大规模使用和成熟还有距离,且尚无民用航空发动机产品。

    目前国内外航空发动机产业发展的差距较大,对于国内来说,行业需求不是问题,主要的瓶颈在技术和机制。对于相关上市公司,高估值背后更多的是例如重组整合这样的题材因素以及对发动机技术和产业发展空间的预期。

一、全球航空发动机制造技术状况

    航空制造是制造业中高新技术最集中的领域,整个制造过程对材料、工艺、加工手段、试验测试等都有极高的要求,而航空发动机技术则是高新技术中的尖端代表。美国国家关键技术计划说明文件将航空发动机技术描绘成“是一个技术精深得使新手难以进入的领域,它需要国家充分保护并利用该领域的成果,长期数据和经验的积累,以及国家大量的投资。”

图1  航空发动机主要结构

    (一)航空发动机技术特点

    航空发动机的特点在于其工作状况复杂、制造要求高、研制周期长、研制费用高。

表1  航空发动机特点
 

特点 说明
工况复杂 涡轮驱动压气机每秒转速达上千转,涡轮前温度达1500℃甚至更高;压力约20-40 个大气压,1-2 吨自重要产生推力几千到几万公斤
制造要求高 零件加工精度到微米级;零件数量几千上万个
研制费用高 世界上四大航空发动机公司每年的发动机研究和发展经费占销售额的15%左右,在10 亿美元上下。现在研制一台大、中型先进发动机的经费高达15 亿~30 亿美元
研制周期长 以美国第四代发动机F119 为例,技术研究和零部件试验经过了15 年以上时间,从型号验证机一直到生产加工用了16 年
试验、改进多 主要零、部件和系统试验占总试验时间的90%以上,全台发动机的试验总时数可达2~4 万小时。

    经过半个多世纪的发展,全球航空涡轮发动机技术取得了较大的进步:

表2  发动机性能特点
 

发动机类别 性能特点
战斗机发动机 推重比由2 提高到10;
可靠性:空中停车率为0.01~0.50/1 000 发动机飞行小时
使用寿命:整机定型要求通过4300~6000 个战术空军循环试验,相当于平
时使用10 多年,热端零件寿命达到2000h,冷端零件寿命4000h
民用涡扇发动机 最大推力已超过50000 daN;
起飞耗油率从50 年代涡喷发动机1.0 kg/(daN·h)下降到0.35~0.40kg/(daN·h);
空中停车率为0.002~0.020/1 000 发动机飞行小时;
热端部件寿命达到7000~10000 h ,整机的机上不拆卸寿命
15000~16000h,最长超过40000h
直升机用涡轴发动机 功重比从2kW/daN提高到6.8~7.1 kW/daN
 
    国外的航空发动机制造已经达到了相当高的技术水平,其发展趋势主要体现在战斗机、运输机和直升机这三种类型的发动机上:

表3  三类涡轮发动机发展趋势
 

战斗机发动机
参数 第三代 第四代 第五代
总压比 22~32 25~35 25~40
涡轮前温度(K) 1540~1750 1800~1950 2000~2200
涵道比 0.3~1.1 0.2~0.5 0.15~0.35
运输机发动机
参数 70和80年代 90年代 21世纪初
涵道比 4~5 6~9 10~15
风扇压比 1.7 1.5~1.6 1.3~1.4
总增压比 25~30 38~45 50~75
涡轮前温度(K) 1500~1570 1570~1800 1850~2100
直升机发动机
参数 第三代 第四代 第五代
总压比 8~14 13~15 16~26
涡轮前温度(K) 1270~1370 1400~1500 1500~1850
 
    战斗机发动机和运输机发动机在性能的要求上是各有不同的,战斗机发动机追求的是极限性能和高负荷;而运输机发动机则要求的是可靠性、经济性等指标。而越来越显著的特点就是高性价比则是军用和民用发动机都追求的目标。

    处于航空发动机技术前列的国家不断实施各种技术发展计划,推动着发动机各项性能的提高,在实施这些技术发展计划的过程中,不断涌现着新技术。这些新技术的趋势显示出高效和经济性是发动机未来发展方向。

表4  航空燃气涡轮发动机不断涌现的新技术
 

年代 1940-1949 1950-1959 1960-1969 1970-1979 1980-2000 2020年预计
机种 涡喷 涡喷、涡桨、涡轴 涡喷、涡桨涡轴、涡扇 涡喷、涡桨涡轴、涡扇 涡喷、涡桨涡轴、涡扇 涡喷、涡桨涡轴、涡扇
新技术 结构 轴流式压气机、双转子、双位喷管 可调静子、气冷涡轮、加力燃烧室 跨声速压气机、环管燃烧室、可调喷管、进/发匹配航改燃机 宽弦叶片、环形燃烧室、三转子结构、结构完整性、单元体结构 空心风扇叶片、整体叶盘、双级燃烧室、对转涡轮转子、矢量喷管 主动流动控制、多电发动机、多点燃油喷嘴、无盘转子
控制方式       数字电子控制 全权数字电子控制 飞行-推进综合控制
研发技术 模拟高空试验   核心机途径、断裂力学 视情维修、加速任务试验 计算流体力学、寿命期成、本循环优化设计、部件级数值仿真设计、CAD/CAM HCF 设计技术、自动预诊断和状态管理、推进系统数值仿真设计
性能指标趋势   马赫数3 V/STOL、轻量设计 高推重比(8)、高涵道比(4~8) 超声速巡航 变循环发动机、智能发动机、超微型发动机、超高推重比(20)、超高涵道比(10~15)、超声速STOVL、经济承受性设计
材料   钛合金 镍基合金 低温复合材料、定向
凝固涡轮叶片、粉末冶金涡轮盘
单晶涡轮叶片、隔热涂层
低温复合材料、低应力陶瓷
高温燃料、
金属间化合物、高温复合材料、陶瓷和碳碳材料

    (二)国内外航空发动机应用

    1、军用航空发动机国内外仍具有代差

    军用航空发动机整机研制生产的国家不多,这与航空发动机技术在各国之间市场化交流相对较少,处于较封闭的状态有关。为了战略考虑,一般各国战斗机所装配的发动机在各国国内或联盟内采购。

表5 国外主要军用战斗机发动机配套情况
 

战斗机机型 发动机型号 发动机制造商
F16 F100-PW-200 PW
F/A-18 F404-GE-400/F414 GE
F/A-22 F119 PW
F-35 F135 PW
阵风 M88-2 法国斯奈克玛
幻影2000 M53-P2 法国斯奈克玛
台风EF2000 EJ200 欧洲发动机公司
SU27 AL-31F 俄罗斯
SU35 AL-37F 俄罗斯
伊尔76 D-30KP-2 俄罗斯
C17 PW2040 PW
 
    相比全球先进的发动机研制水平,我国的航空发动机研制水平仍然有较大差距。我国第3 代战斗机发动机“太行”于2005 年底通过设计定型,与美国第3 代战斗机配置的F100 发动机1973 年10 月定型的时间名义差距为32 年,美国的第4 代战斗机发动机已于2005 年12 月装备飞机,具备初始作战能力;第5 代飞机已经试飞。

表6 航空发动机国内外的差距
 

国内 国外
配套第三代飞机的发动机2005 年设计定型,典型型号:太行 美国配套第三代飞机的发动机分别在1974 年、1985 年服役,典型型号:F100、F110
大涵道比涡扇发动机刚刚立项开始研制 美国70 年代初投入使用。典型型号:TF39-GE-1A 、JT9D-3
通过引进国产的WZ8 发动机90年代投入使用 70 年代法国海豚直升机的发动机阿赫耶1C 投入使用

    我国原有第一、二代战斗机所用发动机基本是仿制或改装研制生产,近几年来,我国发动机事业在过去50 年的技术积累下取得了较大进展;目前我国第三代战斗机开始装备部队,对应的发动机原来采用的进口俄罗斯产品,但目前研制成功的太行发动机将实现第三代战机的国产化;用于配套高级教练机的岷山发动机、用于配套通用飞机的九寨发动机均在研制中;第四代战斗机已经在研制,还有舰载机等等,相配套的发动机也处于研制之中。

关键词: 投资 专题 航空
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