航空发动机产业专题深度报告
发布时间: 2024-07-14 12:20:31来源:ballbet贝博官网app下载
继而新冠病毒持续蔓延全球,全球航天业也受到了一定的影响。招商证券军工行业分析师岑晓翔在进门财经路演时认为,目前我国第三代军用发动机逐步成熟,新型发动机进入攻关阶段。而我国民用航空发动机坐拥全球最大民航市场,未来发展的潜在能力巨大。
航空发动机,又被称为航空动力装置,它为航空器的飞行提供动力,被誉为航空器的“心脏”。航空发动机的研制是航空产业链中的核心环节,在莱特兄弟发明飞机之前,尽管不断有飞机设计的具体方案出现,但都没办法实现自由飞行,其中根本原因就是没有适于飞行的动力系统。
回顾航空发展历史,每一个里程碑式的成就,无不与航空发动机的技术进步紧密相关:涡轮喷气式发动机的出现,使人类的航空活动扩大到了平流层;加力燃烧室的采用,使飞机突破声障;Ma3的飞机得益于发动机推重比的提高;旋转喷口发动机使飞机的垂直起降成为可能。
高涵道比涡扇发动机的问世使大型远程宽体客机得以成功;推力矢量喷管为飞机提供直接控制力,以此来实现超机动飞行;大幅度提升涡轮前温度,则使四代机在不开加力条件下实现超声速持续巡航。
因此,航空发动机不仅在狭义上为航空器提供飞行的动力,而且在广义上也是整个航空工业发展的推动力。
燃气涡轮发动机是目前应用最广泛的航空发动机:主要由进气口、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。从进气口进入的空气在压气机中被压缩后,进入燃烧室与喷入的燃油混合燃烧,生成高温度高压力燃气。
燃气在膨胀过程中驱动涡轮作非常快速地旋转,将部分能量转变为涡。涡轮带动压气机不断吸进空气并进行压缩,使发动机能连续工作。
由压气机、燃烧室和驱动压气机的涡轮这三个部件组成的一般称为核心机,又称为燃气发生器,它不断输出具有一定可用能量的燃气。
按燃气发生器出口燃气可用能量的利用方法不一样,燃气涡轮发动机分为涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机。涡轮喷气发动机在20世纪50年代曾大范围的应用于军用和民用飞机,特别是超声速飞机上,目前大多数已被涡轮风扇发动机所取代。
涡轮螺旋桨发动机大多数都用在亚声速运输机、支线飞机和公务机;涡轮轴发动机用于直升机。燃气涡轮发动机是20世纪50年代以来主要的航空动力形式,而且在可预见的未来,还没有一点其他动力形式可以完全取代它。
制造业皇冠上的明珠:高温、高压、高转速、高可靠性、耐久性和维护性是其基本特点。在这些相互矛盾的高要求推动下,航空发动机经过长时间的发展慢慢的变成了人类有史以来最复杂最精密的工业产品,每台零件数量在万件以上。
因此,航空发动机被誉为“制造业皇冠上的明珠”,它是一个国家科技、工业和国防实力的重要标志。
从40年代末到21世纪初.喷气战斗机动力大致经历了四次更新换代。战斗机对发动机的主要要求是:
1、推重比高飞机轻,更加灵活,发动机划代的一个主要指标是推重比;2、耗油率低对于四代机要求具备不加力超音巡航能力;3、允许飞机高机动飞行发动机抗畸变能力强,具有推力矢量喷管;4、隐身:红外;5、可靠性安全性好;6、一次成本低.使用维修方便。
1、提高每公斤空气流量的推力,为此提高涡轮前燃气温度(2000K)和加力燃烧室温度(2100-2200K),这是很有效的。由下表可见涡轮前燃气温度是划代的另一主要特征;
2、减重:使用先进结构,如整体叶盘,使用先进强度设计技术,实现等强度设计等,先进材料轻但受力能力大铝镁合金。
近年来,战斗机正朝多用途、宽包线方向发展,这促使研究者提出了变循环发动机概念。变循环发动机通过改变发动机部件的几何形状、尺寸或位置来调节热力循环参数,将高、低涵道比发动机的优势合二为一,使发动机可同时具备大推力与低油耗特性,使得发动机在各种工作条件下都具有最佳的热力循环,从而对飞行速度和高度有良好的适应性。
因此,变循环发动机受到各航空强国的重视,是目前航空发动机的重要研究方向。
民用大客机对发动机的要求与军机差别很大,各指标的相对重要性如下:1、安全性、可靠性;2、经济可承受性;3、排放和噪音的要求逐步的提升。近年来绿色、低碳甚至已成主要诉求,即在保证安全可靠的前提下。
提高经济性,降低污染排放、降低噪音、增长寿命,实现性能更优化、控制更加智能化和对环境更加友好。由于大涵道比涡扇发动机能更好满足上述要求,现代民用大客机均以此为动力装置。
为了提高运行经济性、降低耗油率.基本的技术途径是提高发动机的涵道比提高总压比以及问冷回热技术。
通过对比民机主要参数的发展状况发现,民用航空发动机的涵道比和总增压比明显增长,温度相应增加而耗油率则逐渐降低。而大涵道比的民航发动机是在价格上与小涵道比的发动机相差了近一个量级。
据日本航空发展公司预测,2019年至2038年期间售出的发动机总数将为87,685台,其中80,764台是提供给客机和货机的喷气发动机,而6,921台是于客用涡轮螺旋桨飞机的涡轮螺旋桨发动机,如2018年市场行情报价测算,市场总价值将达到1.36万亿美元,年均680亿美元。
其中,喷气发动机将占1.35万亿美元,涡轮螺旋桨发动机将占剩余的150亿美元。再考虑发动机维修后市场,预计民用航空发动机市场年均近1400亿美金。
如按推力进行划分,市场占有率最大的是窄体飞机(例如737和A320系列)所需的12,000到35,000磅间的中等推力发动机,需求架数达到48,929台,占到总需求的61%。其次宽体客机(例如777/787和A330/A350/A380)使用的65,000至115,000磅推力的大型发动机,需求架数达到18608台,占需求数量的23%。
如考虑到价格,65,000至115,000磅推力的大型发动机将占据最大的市场占有率,达6,283亿美元,占总销售额的47%。其次是12,000到35,000磅间的中等推力发动机,价值5,581亿美元,占总销售额的41%。
如按地区划分,亚太地区将是对飞机需求最高的市场,该地区发动机的需求数量为35,343台,占发动机销售数量的40%,销售额为5,789亿美元,占销售额的41%。其次是欧洲的18,005台(占21%)和2,797亿美元(占20%),北美的17,147台(占20%)和2,562亿美元(占18%)。
由于航空发动机的高技术、高投入,长周期、高风险等特点,行业进入门槛很高,全世界内航空发动机经过多年的发展,已呈现出典型、明显的寡头垄断格局。
以大推力商用航空发动机为例,目前主要是美国、英国和法国等国家企业占据垄断地位,军用航空发动机也大多分布在在美、英、法、俄、中等国家。其中GE通用电气、PW普拉特·惠
特尼、RR罗尔斯·罗伊斯、CFM国际公司、IAE国际航空发动机公司、EA发动机联盟公司是民用航空发动机市场上最主要的参与者。
从市场占有率来看,CFM国际公司凭借其LEAP系列发动机优异的燃油经济性,牢牢把握住窄体飞机70%以上的市场份额,成为波音及空客交付和订单数量最多的供应商。而在宽体飞机的大型民用发动机领域,基本是GE与罗尔斯·罗伊斯两强争霸的格局,GE占到了将近一半的市场存量。
中国航发商用航空发动机有限责任公司(简称“中国航发商发”,AECCCAE)成立于2009年1月18日,是由中国航空工业集团公司与上海烟草集团有限责任公司、上海电气(集团)总公司、上海国盛(集团)有限公司共同出资组建的股份多元化企业,注册资本60亿元,主要是做商用飞机动力装置及其相关这类的产品的设计、研制、生产、总装、试验、销售、维修、服务、技术开发和技术咨询等业务。商发公司下设研发中心、总装试车中心、大修中心、客户服务中心。
公司在研的“CJ-1000A”发动机是我国第一款商用航空发动机产品,是装配国产大飞机的唯一国产动力。据中国航发商发官网介绍,目前已完成验证机全部设计工作,正在开展零部件试制和试验工作。该款发动机预计于2025年服役。
据介绍,该发动机是一型双轴大涵道比直驱涡扇发动机,由1级风扇、3级增压级、10级高压压气机、单环形燃烧室、2级高压涡轮及7级低压涡轮组成,采用全三维气动设计、贫油预混燃烧、主动间隙控制等先进的技术,以及宽弦空心风扇叶片、整体叶盘、新一代单晶、粉末冶金等先进材料工艺,具有高效率、低燃油消耗,低排放、低噪音,高可靠性、长常规使用的寿命,低维护成本、良好的维修性等产品特性。
相较与成熟的西方航空发动机巨头,目前我国在民用航空涡扇发动机方面还处于空白状态,差距明显,但随着中国航发商发以及CJ1000A的出现,我国将拥有挑战世界最大航空发动机市场,发展国产大飞机及航空发动机产业的重要机遇。
C919中型客机,全称COMACC919,是中国首款按照最新国际适航标准,具有自主知识产权的干线民用飞机,由中国商用飞机有限责任公司于2008年开始研制。据中国商飞官网报道,目前C919已完成立项论证、可行性论证、预发展阶段工作,转入工程发展阶段。
2020年2月16日,据《华尔街日报》报道,特朗普政府考虑阻止通用电气公司向中国出口LEAP-1C航空发动机,理由是担心该发动机的技术被中国“逆向仿制”。C919是商飞具有自主知识产权的150座商用单通道,截至2019年已经获1000架意向订单,在手订单815架。
原计划2021年后进行交付,发动机选用CFM-leap1c。我们大家都认为,美国政府对发动机“限售”的可能性,将促进我国对于航空发动机产业自主研发的力度。
观察者网2017年9月报道,中国商用航空发动机有限责任公司总经理冯锦璋于2017年8月26日在无锡透露,装配国产C919客机的“长江1000A”发动机将于2017年完成总装下线”发动机也正在进行大部件、大单元体的试制和试验。
随着预计C919国产大飞机开始交付,国产商用航空发动机CJ-1000的逐步成熟,我国民用航空发动机未来市场发展的潜力广阔。
据国际市场咨询公司GlobalData披露,2018年全球用于军用航空发动机采购的金额达到108亿美元(不含维修服务费用)。未来十年,全球军用航空发动机的累计支出将达到1,454亿美金。
由于一直增长的地理政治学竞争以及发动机改装和更换计划将是军用航空发动机市场增长的主要驱动因素。纵观全球,在一直在变化的地理政治学格局中,中国和印度等新兴大国正在对本国军队进行现代化改造,以缩小与美国,英国,俄罗斯等发达国家的技术差距。
和地缘冲突预计将继续在中东地区持续。北美和西欧等国家在经过数年的军费缩减后重回军费扩张通道,持续不断的增加的国防支出预计将在未来十年为全球军用航空发动机制造商提供更多机会。
从数量和结构上看,中美两国的航空装备都存在着相当大的差距。先从数量上看,根据《worldairforce2018》统计数据,中国在各类飞机的数量上都不及美国,尤其在战斗直升机、运输机、空中加油机、特种飞机四大类别中存在不止一个数量级的差距。
我们仅以《Worldairforce2018》统计的数据为依据,在详细梳理各机型的数量情况后,将飞机类型从新调整分类,虽然《Worldairforce2018》统计的数据与真实的情况必然存在偏差,但通过深入分析,在结构构成上仍具有较强的参考意义。
首先,作为最为核心的战斗机&歼击机,我军数量不足美军一半。直升机的数量差距最大,其次是运输机。轰炸机在数量上与美军基本持平。
然而,在我们进一步梳理了装备内部结构情况后发现,两军的差距被进一步拉大。我军航空装备在“质”与“量”上都有很大的差距急需追赶。
在结构上看,中国的三代及以上代次的机型仅占到全部战斗机比例的40%,绝大多数战斗机型仍为老旧的二代机型,而美国则已经全面淘汰二代机,并将逐步全面换装四代机型。与美军相比,我国在航空装备的结构上任旧存在明显的代差,未来我军换装新机型的需求迫切。
目前中美空军实力最大的差距,除了战机性能之外,还有就是美国拥有大量的支援飞机。美国庞大的运输机、空中加油机、特种飞机部队,是美军“全球到达、全球作战、全球力量”战略得以实现的重要保障。
而优秀的运输机,以及以此为改型的各种空中加油机、指挥预警机,是一个国家空军实力的重要支撑。
目前我国空军的战略运输能力与美俄差距较大,我国主要的大型军用运输机还是依靠俄罗斯的IL-78、Tu-154,自主研发的运-8、运-9在运载量、航程以及航速上都有较大的局限性,不能够满足我军的战略需求。
在第12届中国国际航空航天博览会上,我国空军副司令徐安祥介绍:中国空军将按“三步走”规划逐步实现建设世界一流空军的目标:第一步是到2020年基本跨入战略空军的门槛,搭建起以第四代装备为骨干、第三代装备为主体的力量体系、指挥体系、作战体系和保障体系;第二步是从2020年到2035年,基本形成战略空军的能力,力量体系将更加完备、科学、合理;第三步是从2035年到本世纪中叶,建成世界一流战略空军。
目前我国航空装备无论在数量上还是在质量上与世界一流均有明显差距,预计我国将长期保持在航空装备领域的中高速投入,而随着航空装备需求的增长必将带动我国军用航空发动机行业的稳步增长。
2019年3月5日,国务院报告披露,2019年我国国防支出预算11899亿元,相比2018年国防支出11070亿元,增长约7.5%。
2019年7月24日,《新时代的中国国防》白皮书发布。报告说明,我国军费预算一般包含三个方面的投入,分别是人员生活费、装备费和训练维护费。纵向对比,装备费占国防费比例持续提升,从2010年的1773.59亿元提升至2017年的4288.35亿元,年均复合增长率达13.44%。
综上测算,未来10年我国军用航空发动机市场空间约为1067.6亿美元,年均726亿人民币。
2018年,我国主要的航空发动机供应商航发动力实现收入231亿,如剔除外贸转包等业务,其核心航空发动机产品收入197亿。
对比我国军用发动机总市场空间,预计目前我国航空发动机的国产化率仍有较大提升空间。另外,虽然由于其他航空发动机维修厂的数据不可得,但仅从航发动力的情况去看,目前我国航空发动机的维修能力也存在不足。
未来随着新型航空发动机的成熟,以及产能提升,我国军用航空发动机的总量增长,国产替代,及维修市场,三者将为我国航空发动机产业提供巨大的市场空间。
仿制为主,严重制约了航空工业的发展:军用航空发动机方面,很长一段时期,俄罗斯战机与发动机是我们唯一的进口来源和学习对象,我国历史上的一系列发动机全部在走仿制俄式的路线。
直到现在,这个情况依然存在,过去10年我国从俄罗斯分批进口了约400台AL-31F发动机,用于装备歼-11和歼-10。
这种状况对我国的先进战机装备进度和对外军售都造成了很大的制约。正因为多年来我们主要走的是仿制路线,缺乏必要的技术积累,使得发动机技术发展严重滞后,多年来一直是我国航空工业发展的短板。
尽管历经磨难,经过近70年的发展,我国已建立了相对完整的航空发动机研制生产体系,具备了涡桨、涡喷、涡扇、涡轴等类发动机的系列研制生产能力。
目前我国在役歼击机、强击机、轰炸机、歼击轰炸机等主战飞机已批量使用国产涡扇发动机,同时仅有部分三代战机仍然装配的是进口发动机。
运输机方面,运-7、运-8等运输机使用的涡桨发动机全部国产化,运-20目前装备的仍是进口发动机。
直升机方面,随着直-9、直-8、直-10等整体技术的成熟,我国已经在引进的基础上实现涡轴-8、涡轴-6、涡轴-16发动机的系列化发展。目前我国现有发动机谱系已逐步成熟。
我们认为,随着现有型号的逐步成熟,我国航空发动机已进入新的发展阶段,以WS-10为代表的三代发动机逐步成熟,成为中国航空动力的中坚力量,并进行系列化发展,同时还有一系列新型发动机项目正在进入关键攻关阶段,有望陆续实现定型、批产。看好行业发展前景。
航空发动机是一个进入门槛极高的行业,全世界内呈现出典型的寡头垄断格局。目前能够独立研发大推力航空发动机产品的,主要是美国、欧洲的英国和法国。此外俄罗斯也自成系统,尤其是在军用航空发动机上有比较强的实力,但在商用市场上没有竞争力,整体呈现三极格局。
在行业巨头地位稳固的情况下,航空发动机行业逐步形成了主承包商-供应商发展模式,任何一家主流发动机公司都指数前台,他们的身后则有一列长长的供应商名单。
出于政治和商业的考虑,任何一家主要发动机公司都将大量的生产工作甚至一些零部件/子系统的研发工作转包出去,以此提升合作关系并分担技术及商业风险。
以罗·罗公司为例,公司从2004年开始就只生产其最终产品所以零部件中附加值最高的30%,而将余下的70%转包出去,从而在风险可控的前提下,尽可能地降低发动机全部零件的制造与采购成本。
罗·罗认为具有竞争力的核心零部件必须自行生产;非核心零部件如果有足够的竞争力也会自行生产;竞争性不强的核心零部件生产必须受控,即在合作伙伴企业或合资企业中生产;不是核心零部件,竞争性又不高的零部件则可完全进行外部采购。
中国航空发动机集团有限公司(简称:中国航发,AECC)是中央直接管理的军工企业,由国资委、北京国有资本经营管理中心、中国航空工业集团有限公司、中国商用飞机有限责任公司共同出资组建。
下辖27家直属企业和事业单位,拥有3家主板上市公司,现有职工8万余人,拥有包括7名院士、200余名国家级专家学者在内的一大批高素质、创新型科技人才。
建有多个国防科技重点实验室、创新中心,具有较强的科研生产能力,以及较为完整的军民用航空发动机、燃气轮机研发制造体系与试验检验测试能力。主要是做航空发动机、辅助动力、燃气轮机、飞机和直升机传动系统的研制、生产、维修和服务;
从事航空材料及其它先进材料的研发与制造。中国航发设计生产的涡喷、涡扇、涡轴、涡桨、活塞发动机和燃气轮机等产品,广泛配装于各类军民用飞机、直升机和大型舰艇、中小型发电机组,客户涉及航空、航天、船舶、能源等多个领域,为我国国防武器装备建设和国民经济发展作出了突出贡献。
航发集团下属三家上市公司,其中航发动力拥有四家核心主机厂,是承载我国航空发动机事业的主体,集成了我国航空动力装置主机业务的几乎全部型谱,是国内主战机型发动机国内唯一供应商。但是相较于国外航空发动机巨头,航发动力仍然差距明显,仍有较大空间亟待追赶。
从经营情况去看,GE近年在多元发展中的金融业务部门出现较大亏损,拖累整体业务,但GE的航空发动机业务仍稳居世界第一,凭借公司的技术实力,牢牢把控宽体客机和单通道客机的航空发动机市场占有率,同时利润率明显高于行业其他。
UTC子公司Pratt&Whitney凭借其在F35战机中巨额的军品订单,收入规模从17年开始向上爬坡,近年来增长势头较好。而RR因为其Trent1000的设计技术问题,导致其在民航市场的份额不断萎缩,同时花费了大量维修、研发经费,拖累了整体经营情况。
而对比国外巨头,航发动力首先在规模上有明显差距,仅比较各家航空发动机业务数据,我国的航发动力在收入规模上与国外相差了5-10倍;在利润规模上相差3-35倍;在资产规模上,相差3-5倍。
我们认为,我国航空发动机产业的发展必然离不开上游原材料领域技术的支撑,随着现代航空工业对航空发动机的性能要求慢慢的升高,对高端新材料的需求也将更加旺盛。作为行业上游领域,看好行业景气度在航空发动机用相关材料领域的先行反应。
我们认为,国家发展国产航空发动机的决心明确。2016年航发集团正式成立,2017年我国两机专项正式实施,同时以航发资产、惠华基金为代表的国家资本积极向产业链投资,有效促进了航空发动机的研发进程。
目前我国第三代军用发动机逐步成熟,新型发动机进入攻关阶段。而我国民用航空发动机坐拥全球最大民航市场,未来发展的潜在能力巨大。
1)具备垄断地位的航发集团下属上市公司如:航发动力,航发控制、航发科技;
2)借助军民融合推进,成长速度快的零部件供应商以及具有高壁垒的材料供应商,着重关注:三角防务、钢研高纳,宝钛股份,西部超导,万泽股份,应流股份等。