航空发动机行业专题研究报告.docx

1、航空发动机行业专题研究报告 航空发动机行业专题研究报告航空发动机的演变及国内产业格局 报告综述：航空发动机是飞机核心部件，约占飞机整机价值量的 20%30%，其设计研发水平、 制造工艺直接影响飞机的性能及可靠性。当前航空发动机主要包括涡喷、涡扇、 涡桨、涡轴发动机，其中涡扇发动机凭借高效率低油耗，成为当前大多数客机及 军机的主要动力类型。航空发动机全生命周期主要经历研发、制造、维护三个阶 段，目前我国已具备航空发动机完整的产业链，其中原材料配套主要以大型钢厂、 研究院所等传统国企为主；零部件制造主要以航发集团为主，部分民参军企业共 同参与；军民用航发整机生产由航发集团主导。航空发动机是飞行器核

2、心部件。航空发动机是飞机核心部件，约占飞机整机价 值量的 20%30%。作为飞机动力的直接来源，其设计、研发、制造、工艺等均 需要精尖的科学技术水平，直接影响飞机的性能、可靠性及经济性，其发展水平 更是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。按照工作原理不同，航空发动 机可以分为活塞式和喷气式，早期飞机几乎全部使用活塞式，但由于功率限制， 只适用于低速飞行，20 世纪 40 年代以来，喷气式开始成为飞机的主要动力。喷 气式按有无压气机又主要分为涡轮发动机和冲压发动机，涡轮发动机是目前最核 心的航空发动机。涡扇发动机高效率低油耗，是当前主流应用类型。航空用燃气涡轮发动机主要 包括涡喷、涡扇、涡桨

3、、涡轴发动机，不同的设计速度与油耗特性差异决定了各 自应用场景：涡喷发动机高速度高油耗，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；涡桨发动机油耗低、推力较大，但飞行速 度受限，多用于低速运输机、轻型飞机及加油机等；涡轴发动机功率大、易于起 动，主要用作直升机的动力。我国已具备完整的航空发动机产业链。航空发动机全生命周期主要经历研发、制 造、维护三个阶段，三者的价值量比例分别为 10%、40%、50%。制造环节中， 按部件价值拆分，涡轮部分占比最高，约 30%，其次为压气机，约 20%-30%；

4、按制造成本拆分，原材料占比最高，约 50%，用材主要以高温合金和钛合金为主， 人工成本占 25%。当前我国已具备完整的航空发动机产业链研发制造能力，包括 上游原材料制备、零部件制造、中游分系统组装、下游主机厂总装和后续维修等 环节，其中原材料配套商主要以大型钢厂、研究院所等传统国企为主；零部件制 造市场主要以航发集团和中航工业为主，部分民参军企业共同参与；航空发动机 整机生产制造由航发集团主导，主要集中于集团旗下的四所七厂；军用航发维修 以军方维修厂和主机厂为主，民用航发维修以 OEM 厂家和民航投资企业为主。航空发动机是飞行器核心部件航空发动机产业是我们重点看好的细分产业方向，我们判断我国的

5、航空发动机产业自 2020 年开始已出现明显的产业拐点，并将迎来至少 510 年黄金发展期。在航空发动机 专题系列报告一航空发动机产业链的投资契机（2020-2-17）中，我们已详细介绍了全 球航空发动机产业的市场格局和国内产业的发展历程及未来趋势。本篇报告是该专题的第 二篇报告，主要介绍航空发动机的型号演变、各部件的价值量拆分以及国内的产业格局。航空发动机是航空器的“心脏”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 是飞机动力的直接来源，其设计、研发、制造、工艺等均需要精尖的科学技术水平，直接 影响飞机的性能、可靠性及经济性，在现代工业领域里占据重要地位，被誉

6、为现代工业“皇 冠上的明珠”，其发展水平更是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。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。航空发动机约占飞机整机价值量的 20%30%。航空发动机作为飞机最核心的部件， 其性能直接影响着飞机的服役行为和可靠性，且航空发动机工作环境严苛，内部结构复杂， 设计制造要求高，种种原因使得其制造成本高、价值量高。一般而言航空发动机制造成本 约占整机制造价值的 20-30%，仅次于飞机机体结构，且机型越小，发动机价值占比越高， 机型越大，发动机价值占比相对越低。航空发动机分类航空

7、发动机通常由压气机、燃烧室、涡轮、排气装置等系统组成。压气机位于航空发 动机进气道后方，主要作用是吸收、压缩空气，提升气体压力；燃烧室位于压气机的后端， 涡轮的前端，是发动机中提高燃气温度的重要装置，从燃烧室流出的高温、高压燃气流入 涡轮进行膨胀做功；涡轮是航空发动机重要动力来源，处于航空发动机中工作温度最高、 转速最快的部位，从涡轮中喷出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速从喷口向 后排出，使得航空发动机获得了推力。此外，由压气机、燃烧室以及驱动压气机的高压涡 轮组成的装置用来提供高温高压燃气，称为燃气发生器，是发动机的核心部分，决定了发 动机的整体性能，也称之为核心机。航空发动机从结

8、构上可分为活塞式与喷气式。喷气式中按是否有压气机可以主要分为 燃气涡轮发动机和冲压式发动机。早期的飞机及直升机几乎全部使用活塞式发动机，由于 其功率的限制，只适用于低速飞行。20 世纪 40 年代以来，涡轮发动机开始成为现代飞机 与直升机的主要动力。冲压式发动机构造简单、重量轻、推重比大、成本低，具有较好的 经济性，但其不能在静止的条件下自行起动，而需要其它发动机做助推器，当飞机达到一 定飞行速度后才能有效工作，不能自行起动限制了其在航空器上的应用，目前仅用在导弹 和在空中发射的靶弹上，本文主要讨论航空燃气涡轮发动机。涡扇发动机高效率低油耗，是当前主流应用类型航空燃气涡轮发动机主要包括涡喷、涡

9、扇、涡桨、涡轴发动机。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。涡喷发动机油耗较高，已逐步被涡扇发动机替代涡喷发动机的动力来源于尾喷管喷出的高温高压气体。涡喷发动机由进气道、压气机、 燃烧室、涡轮、加力燃烧室、尾喷管、附件传动装置与附

10、属系统等组成，工作原理为空气 由进气道流入，通过压力机升压后，为燃烧室提供高压空气，燃烧室再将高压空气与燃料 混合并进行燃烧，转化为热能，用于涡轮进行膨胀做功，最后由尾喷管直接喷出提供飞机 所需推力。双转子轴流式是涡喷发动机最常见类型。涡喷发动机按照压气机不同，可分为离心式 和轴流式，其中离心式为侧向进气，轴流式为轴向进气，因轴流式发动机效率较高、增压 比较大，所以当前推力较大的涡喷均采用轴流式。根据转子不同，轴流式又可分为单转子 （单轴）和双转子（双轴）两种类型，对于单转子结构，内部构成较为简单，造价成本较 低，但压缩效率有限、且耗油率高，目前只有法国“幻影”战斗机所用的 M53 发动机使

11、用；对于双转子结构来说，具有增压比高、效率高、加速性好等优势，除早期外，当前绝 大多数涡轮喷气发动机都是双转子发动机。涡喷发动机油耗高、经济性较差，目前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。涡喷发动机适航的范围极其广泛，无论是低空亚音速飞行，还是高 空超音速飞行都能够胜任，且由于在高速飞行时，喷气速度高，因而高空高速性能好，适 合长时间高速飞行的飞行器。但由于涡喷发动机产生推力的同时，仍存在大量高温燃气高 速排出发动机，造成大量能量损失，因此涡喷耗油相对较高，经济性较差，目前已逐步被 涡扇发动机替代，仅在部分尚未退役的二代战斗机、中高空无人机、靶机等领域有所应用， 民用

12、领域已基本被淘汰。涡扇发动机推进效率较高，是当前主流发展方向涡扇发动机的动力来源于风扇推力（主要来源）+高温高压气体向外喷出，推进效率 较高。从结构上来看，涡喷发动机由压气机、燃烧室和涡轮组成，而涡扇发动机由风扇、 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。根据推进效率的计算公式，当出口速度无限趋近进口速度的时候，推进效率无 限趋近于 100%，涡扇发动机具有的风扇和外涵道结构可以使发动机的出口速度减低，并 利用这部分动能使外涵空气加速，因此涡扇发动机具有更高的推进效率，耗油率一般为涡 喷发动机的 67%。涵道比（Bypass ratio，简称

13、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。涵道比小于 2-3 的称为低涵道比涡轮 风扇发动机，高于 4-5 的称为高涵道比涡轮风扇发动机。高涵道比涡轮风扇发动机的排气 速度低、推进效率高、经济性好，适用于大型远程旅客机和运输机。同时，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。小涵道比涡扇发动机低油耗高速度，主要应用于军用战斗机。小涵道比的发动机引擎， 大部分的动力来自驱动核心机的内进气道尾气，通常使用混合喷嘴，可以变形以调整推力 的大小甚至方向，而高温的尾气经低

14、温的外进气道气流降温后，也有利于降低引擎的红外 特征。小涵道比涡扇发动机可用于超音速飞行，起飞推力大，巡航油耗低，加力比可达 1.6-2.0，主要应用于军用战斗机，显著提升飞机性能，主要用于中高速飞机，当前发达国 家装备的主战斗机均以小涵道比涡扇发动机为主。大涵道比涡扇发动机低油耗长续航，主要应用于军用运输机和民航客机。涵道比高的 引擎，大部分的动力来自由风扇加速的外进气道空气，外进气道往往较短，内进气道的尾 气不与外进气道气流混合，而由喷嘴单独排出。高涵道比引擎在次音速时有非常好的能效， 可以有效延长飞行续航，实现军民用运输机与宽体客机长途飞行需求。在民机领域，由于 其噪声低、续航强的特点，

15、20 世纪 60 年代后广泛应用于新型旅客机，形成民航客机“风 扇化”浪潮，包括波音 747 等；军机领域可满足军用运输机远程运输的需求，例如 C-5 银河运输机等。涡桨发动机推力大但速度受限，现多用于中小型飞机涡桨发动机重量轻、耗油率低、起飞推力较大，但飞行速度受限。涡轮螺旋桨发动机 主要特点是将燃气发生器产生的大部分可用能量由动力涡轮吸收并从动力轴上输出，用于 带动飞机的螺旋桨旋转；螺旋桨旋转时把空气排向后面，由此产生向前的拉力使飞机向前 飞行。与活塞式发动机相比，涡桨发动机具有重量轻、振动小等优点；与涡喷、涡扇发动 机相比，又具有耗油率低和起飞推力大的优点，但因螺旋桨特性的限制，装有涡桨

16、发动机 的飞机速度受限，一般不超过 800 千米/小时。涡桨发动机曾广泛用于旅客机和军用运输机，现多用于中小型飞机。涡桨发动机曾广 泛用作旅客机和军用运输机的动力，如“子爵”、伊尔-18、运 7 等，其中“子爵”四发旅 客机采用“达特”发动机，是第一种采用涡桨发动机作为动力的旅客机。随着涡扇发动机 的出现，各国均不再研制大功率的涡桨发动机，但因其具有飞行高度范围大，中低速性能 好等特性，在一些部分军用运输机、中小型支线客机、专用飞机（如农、林业，消防等） 中仍然被采用，例如装备 T56 涡桨发动机的 C-130 大力神运输机、装备 NK-12MV 涡桨发 动机的安-22 运输机等。涡轴发动机功

17、率大、体积小，是直升机主要动力涡轴发动机功率大、重量、体积小，易于起动。涡轮轴发动机是航空燃气涡轮发动机 中的一种，燃气在核心机或燃气发生器后的涡轮中膨胀，驱动它高速旋转并发出功率，动 力轴穿过核心机转子，通过压气机前的减速器减速后由输出轴输出功率，组成了涡轴发动 机，与活塞式发动机相比，具有重量轻、体积小、功率大、震动小，易于起动，便于维修 和操纵等一系列优点。根据有无自由涡轮，涡轮轴发动机可分为定轴式和自由涡轮式，大 部分涡轮轴发动机为自由涡轮式，与定轴式相比，具有起动性能好，工作稳定，加速性能 较好，调节性能和经济性好等优点，但结构比较复杂。涡轴发动机是军民用直升机主要动力。目前，直升机

18、市场上普遍采用第三代涡轴发动 机，我国研制的第三代涡轮轴发动机涡轴 8 和涡轴 9 发动机用于直 9 和直 10 直升机上。 世界上功率最大的涡轮轴发动机是前苏联研制的D-136发动机，其输出功率为7457千瓦， 用在米-26 直升机上，国际市场主要由 GE、R&R、PWC、Turbomeca 和 Klimov 五家公 司瓜分。为现代军用直升机需求，世界各国正积极对涡轴发动机进行改进改型，下一代发 动机将在功重比、结构、耗油率等方面实现进一步发展。我国已具备完整的航空发动机产业链航空发动机的价值量拆分按部件价值拆分：高、低压涡轮的价值占比最高涡轮部分价值量最高，其次为压气机。航空发动机制造商根

19、据部件分配或者外包任务， 通常在各个机型的发动机中高、低压涡轮的价值占比都最高，其余部件价值占比因不同机 型而有不同，战斗机外涵道小，有加力燃烧室，且要求灵活机动，加力燃烧室、控制系统 占比高；民用固定翼及军用运输机发动机外涵道大，无加力燃烧室，风扇、外机匣的价值 占比高，控制系统占比较低；直升机发动机中控制系统和附件价值占比也相对较高。按制造成本拆分：原材料成本接近一半若不考虑控制系统，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

20、。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%。按发动机生命周期费用拆分：运营维修与整机价值相当航空发动机全寿命周期要经历研发制造、采购、使用维护三个阶段。研发阶段又分为 设计、试验、发动机制造、管理等环节。在全寿命周期中，研发制造、采购、维护的比例 分别为 10%、40%、50%左右。一台民用大涵道比发动机使用寿命约 25 年，平均每 5 年 就要进行一次大修，一次大修费用在几百万美元左右，发动机的使用期间内全部的运营维 护基本与发动机本身的价值相当。使用维护阶段的费用包括更新零部件、维修服务两部分。我国航空发动机产业链梳理我国目前已具备完整的航空发动机产业链的

21、研发制造能力。航空发动机研制包括最源 头的基础研究设计、上游原材料制备、零部件制造、中游分系统组装、下游主机厂总装和 后续维修等环节。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。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

22、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。航空发动机零部件加工主要包括锻造、铸造两大类。锻件性能优异，广泛应用于航空 发动机的重要结构件，主要包括发动机环形锻件、盘类锻件和压气

23、机叶片等，约占发动机 结构重量的 40%以上。环形锻件主要用于制造发动机机匣、涡轮导向环、整流环等构件， 当前市场主要参与者有中航重机、派克新材和航宇科技；盘类锻件主要包括压气机盘、涡 轮盘等构件，核心供应商有中航重机、钢研高纳、万泽股份、三角防务等企业；叶片锻件 根据有无余量可分为精锻与模锻，精锻叶片余量小、精度高，模锻叶片一般用于大批量生 产，当前国产航空发动机叶片锻造以航发集团为主，此外还有航亚科技，无锡透平等。铸件主要应用于叶片、机匣、尾喷口等部位，以航发集团为主导。铸造可生产形状复 杂的零件，在航空发动机上铸件主要用于叶片和机匣等部位。叶片铸造主要是用于涡轮叶 片，分为等轴晶、定向晶

24、和单晶三种工艺，其中非单晶铸造叶片以航发动力为主导，主要 由子公司贵阳精铸承担，近几年不少民企也在积极进入，如应流股份、江苏永瀚、万泽股 份等；单晶叶片的铸造技术难度较大，主要以研究机构为主，如航材院、钢研院、沈金所 等。机匣是航空发动机上的主要承力部件，属于薄壁易变形的复杂结构件，设计精度要求 高，主要参与者为航发集团和图南股份。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

25、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。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。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。