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两机专项背景下的航空发动机与燃气轮机行业分析

2017-4-11 09:49| 发布者: admin| 查看: 253| 评论: 0

摘要: 航空发动机技术是国家综合国力、工业基础和科技水平的集中体现,是军民用飞行器和航空工业发展的源动力,为轻型燃气轮机、重型燃气轮机提供改型的技术基础。与世界先进水平相比,我国航空发动机差距较大,未来发展空 ...

根据我们的估算,未来10年我国军用飞机用航空发动机的市场规模平均每年在300亿元以上;未来20年我国新增民航飞机对应的航空发动机市场规模为平均每年近600亿元。军民用航空发动机市场需求合计每年约900亿,此外国内燃气轮机市场容量达300亿元,航空发动机与燃气轮机产业发展空间极为广阔。


“航空发动机与燃气轮机”国家科技重大专项直接投入在1000亿元量级,加上带动的地方、企业和社会其他投入,专项投入总金额至少3000亿元。我们估计两机专项在航空发动机与燃气轮机方向的分配比例约为80%、20%。航空发动机的投入重点包括设计、加工组装、材料、工艺、仿真及试验环境的建设等方面。


1 航空发动机行业分析

1.1 航空发动机概述

飞机用航空发动机可分为活塞式航空发动机和燃气涡轮发动机。其中活塞式发动机只适用于低速飞行,二战后逐步退出主要航空领域,目前仅有少量小型飞机采用。燃气涡轮发动机分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮桨扇发动机和涡轮轴发动机。


作为航空燃气涡轮发动机,它们都有一个共同的部分,即燃气发生器(又称核心机)。燃气发生器为燃气涡轮发动机的热机部分,由高压压气机、燃烧室和高压涡轮组成,为各类燃气涡轮发动机生产可转化为机械功的高温高压燃气。它是航空发动机和燃气轮机的核心结构,燃气涡轮发动机的研制难度主要集中在核心机上。


涡扇发动机是目前应用数量最多的航空发动机。民用客机及运输机采用涵道比(外涵空气流量比内涵空气流量)较大的涡扇,以降低耗油率,战斗机采用涵道比较低的涡扇,以保证跨声速、超声速飞行性。战斗机工作高度和速度变化范围很大(最大飞行速度在两倍声速以上),需要发动机为飞机提供各种速度和姿态下所需的动力,必须维持在最恶劣的工况下稳定工作,相对而言其体积小、推力大、油耗高、寿命短,维护时间间隔短。


民用客机及运输机工作状态变化范围很小,对发动机工作性能的需求相对平稳,但对费用和寿命等可靠性和经济性指标有更高要求,相对而言其体积大、推力小、油耗低、寿命长、维护时间间隔长。


1.2 航空发动机发展概述

1.2.1 军用发动机的发展

自20世纪40年代燃气涡轮发动机替代活塞式发动机成为军用战斗机的动力装置以来,其发展已经历四代。航空发动机研制周期长,技术难度大,耗费资金多,具备独立研制先进航空发动机能力的国家只有美、英、法、俄四国。目前世界上主要的航空发动机生产商均来自这四个国家,它们是美国的通用电气(General Electric,GE),普拉特•惠特尼(Pratt & Whitney,PW),英国的罗尔斯•罗伊斯(Rolls-Royce,RR),法国的斯奈克玛(SNECMA)(即现在的赛峰飞机发动机公司),俄罗斯的联合发动机制造集团公司(原留里卡-土星(NPO Saturn)、克里莫夫(Klimov)、礼炮、彼尔姆、乌法等)等。


1.2.2 民用航空发动机的发展

世界民用航空发动机市场基本由通用电气、罗尔斯•罗伊斯、普拉特•惠特尼及这些公司相互联合创办的航空发动机公司CFM、IAE及Engine Alliance占据。民用航空发动机自上世纪50年代起技术不断进步,现已发展到第5代。


1.2.3 发展航空发动机产业的战略意义

据日本通产省分析,按产品单位重量创造的价值计算,假如船舶为1,那么汽车为9,电子计算机为300,喷气客机为800,航空发动机为1400。这充分说明航空发动机是当代高科技的结晶,被人们誉为“工业之花”、“皇冠上的珠宝”。


俄罗斯航空发动机终身院士法沃尔斯基说过这样的话:“所有飞行器上的东西,它们都是提高阻力增加重量的,唯独发动机是提高动力的。只要发动机好,绑上一块木板也能飞起来。”航空发动机被称为飞机的“心脏”,是军民用飞行器和航空工业发展的源动力,是决定现代战争胜负的重要因素,对国民经济发展和科技进步有着巨大的带动和促进作用。一代发动机,一代新飞机。航空发动机的发展水平已是一个国家综合国力、工业基础和科技水平的集中体现之一,是国家安全和强国地位的重要战略保障。


以美国为例,美国长期将推进技术、战略计算机、超大规模集成电路、先进战斗机和航天技术列为国家五大关键技术计划,优先予以规划和安排。美国国防部在《2020 联合设想》中提出构成美国未来军事战略基础的九大优势技术中,喷气发动机技术被排在第二位,而核武器只排在第三位。


从民用航空来看,大涵道比涡扇发动机是自主研制大飞机的关键,发动机技术不突破,就无法真正掌握大飞机研制的主动权。自20 世纪70年代初大涵道比涡扇发动机投入使用以来,民用飞机的燃油效率提高了70%,其中三分之二是发动机技术进步作出的贡献。民用航空发动机也是航空动力产业的重要支柱,国外民用发动机的产值已达到发动机总产值的70% ~ 80%,可见不发展民用航空发动机,就谈不上有独立、完整、强大的航空动力产业,当然也就谈不上建立独立自主的、强大的航空工业体系。


航空发动机的产业链很长,覆盖面十分广泛,其上游涉及机械、冶金、材料、化工、能源、电子、信息等诸多工业部门,本身又涉及气动热力学、传热学、结构力学、材料学等众多基础学科和工程科学技术领域,下游除了在军民用航空领域的应用之外,在航空发动机基础上改型发展的轻型燃气轮机还可为舰船、坦克、车辆、电站、泵站提供优良动力,并为地面重型燃气轮机的发展提供技术支持。航空动力对国民经济发展和科技进步有着巨大的带动和促进作用。


1.3 航空发动机产业的发展特点

1.3.1 研制先进的航空发动机难度极大

航空发动机是十分复杂的热力机械,需要在高温、高压、高转速和交变负荷的极端恶劣条件下长时间可靠地工作,并满足推力(功率)大、油耗低、重量轻、寿命长、噪声小、排污少、可靠性高、安全性好、研制和维护成本低等众多互相矛盾而又十分苛刻的要求。一台现代发动机拥有上万个零部件,须用轻质、高温、高强度的特殊材料制造,加工精度已达微米级;高性能压气机叶片既薄又具有弯、扭、掠的构形,高速旋转时要长时间承受自身重量2万倍的离心力;薄薄的机匣要长时间承受50~60个大气压而不能变形和损坏;涡轮叶片的气流环境温度现已高达2000~2200K,远超过其金属材料的熔点,要求在1万~2万转/分条件下能够长时间可靠工作;主燃烧室中气流速度高达20m/s(相当于8 级大风),要求燃烧稳定,出口流场均匀,效率达99%以上;现代民用发动机寿命已长达3万小时以上,将来要超过10万小时,而对空中停车率的要求是发动机每10万飞行小时不能大于0.2~2次。


可以毫不夸张地说,航空发动机的研制,一直是在挑战工程科学技术的极限。正如美国《国家关键技术计划》所描述的:“这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,需要长期数据和经验的积累以及国家的大量投资。”


正因为如此,长期以来,美、俄、英、法等少数航空发达国家一直把优先发展航空发动机作为基本国策,将航空动力工业发展成高附加值的国家高科技战略性产业,把航空发动机技术列为严密封锁、严禁出口转让的关键技术,并逐步形成了对航空动力技术和全球市场的垄断地位。目前,世界上能独立设计生产飞机、坦克、舰船的国家有几十个,能研制核弹、火箭、发射卫星的国家也不少,但能自主研制先进航空发动机的国家却只有美、英、法、俄等少数发达国家。


1.3.2 发展先进的航空发动机耗资巨大

国外研制一型先进的军用涡扇发动机的费用在20亿美元左右(法国M88为16亿美元,美国F119为26亿美元)。据统计,美国航空发动机的研究和发展费用 (包括型号研制和改进、改型 )约占整个航空发展经费的1/3~1/4。其中不针对特定型号的发动机预研费约占全部发动机研究和发展费用的30%~35%甚至更高


海量的资金投入给航空发动机企业的产品研发和公司运营带来巨大风险。以罗罗公司为例,在20世纪60年代后期民用航空的发展浪潮中,罗罗公司抓住机遇发展了大涵道比涡扇发动机RB211,开创性的采用三转子结构,但在研制过程中,由于叶片强度不足改用钛合金等技术困难导致研制经费大幅攀升致1.7亿英镑——比原先估计的数字增加了一倍,从而引发财务困难,直接导致公司破产。后期通过英国政府全盘接管并给予巨额财政支持,才使技术问题逐步解决,最终使这款发动机赢得了市场,奠定了罗罗公司后续发展的基石。


1.3.3 航空发动机产品研制及寿命周期长

航空发动机的发展技术难度大,需要通过多种试验进行探索,因而研制周期很长。


以军用航空发动机为例,不包括先进技术的预先研究, 其工程研制周期约10~12年。一代新型军用航空发动机研制成功后,一般还要持续使用改进发展达几十年。因此现代涡轮喷气航空发动机的更新换代并不是很频繁。如美国为F14、F15、F16研制的F110和F100发动机及俄罗斯为苏27飞机研制的AL-31F发动机,从投入使用至今已达30余年,预计今后10~20年仍然还会继续使用。虽然涡轮喷气发动机的研制是一项投资大、耗时长的大工程,但一旦研制成功投入使用,生命周期可达50年左右,费效比还是比较高的。


1.3.4 开展基础技术预先研究至关重要

预先研究是西方国家研发先进航空发动机的技术基础和保证,由于航空发动机技术难度大,实际研制时间要长于飞机,为保证与飞机同期立项,西方各国都通过实施专项研制计划,提前多年开展不针对特定型号的发动机新技术、新材料、新工艺的研究和探索。当新技术积累到一定程度后,就着手进行关键部件、核心机和发动机的技术验证和试验条件的建设。随着技术的成熟和型号的需求,适时转入型号发展。


以美国为例,为了保持在该领域的领先地位,从20世纪50年代开始.由军方和政府相继投入巨资实施了十几个航空发动机研究计划,奠定美国顶尖军用航空发动机和先进民用航空发动机技术基础。


1.3.5 发展航空发动机的发展途径——以核心机预研为基础

核心机是燃气涡轮发动机中最重要的部分,在发动机中处于最恶劣的工作环境(高压力、高温度、高转速),是涉及发动机强度和使用可靠性方面最为关键的部件,新机研制过程中发生的许多问题和延长研制时间都与核心机部分密切相关。因此,提前对核心机进行研究,能够大幅度减少发动机研制风险,缩短研制周期。


从技术层面上讲,核心机是由已验证过的先进部件组成,利用核心机作为技术平台,可以在真实发动机环境条件下验证新设计、新材料和新工艺的技术可行性,并在一定程度上评估相关发动机的性能、耐久性和成本,从而降低将这些关键技术移植到工程运用中的风险。在核心机基础上,配上不同的风扇、低压涡轮、加力燃烧室等低压部件及相关系统,就可以以较低的风险研制出覆盖一定推力(功率)范围的一系列发动机。


航空强国的航空发动机发展经验是进行核心机预研,然后在同一个核心机上再衍生出航空发动机和舰用燃气轮机。60年代初美国GE和PW首先发展出了各自的第一代核心机GE1和 STF200,随后又发展出了各自的第二代核心发动机GE9和JTF22,JTF22经过发展就是著名的 F100,GE9核心机衍生出了诸如 F110、CFM56等众多航空发动机和LM2500燃气轮机,解决了如F15、F16、F14、F18的众多军用战斗机和以伯克级驱逐舰为代表的各类舰艇乃至民航客机众多动力选型问题。


这就是说,GE9一个核心机解决了F15,F16,F18这些世界知名战斗机、以阿里伯克级驱逐舰为代表的各类舰艇乃至民航客机所有动力问题,这就是核心机预研的巨大效益。可以说,一型核心机的研制成功,意味着整个国家从天空到海洋的全面突破。


1.4 我国航空发动机的发展

1.4.1 我国航空发动机的发展历程

我国航空发动机工业创建于抗美援朝时期。在一穷二白基础上,从无到有,从小到大,由弱变强,经历了“维修仿制、改进改型、自主研制”三个发展阶段。


第一个阶段是从1950年到1965年。在苏联经济、技术援助和国内全面建设航空工业战略的内外因双重作用下,我国航空发动机工业成功起步。从维护维修到按图生产,再到仿制改进,先后制造了涡喷5、涡喷6,并进行了涡喷7、涡喷8的研制生产。


第二个阶段是从1966年到1990年。随着中苏关系的破裂,我国的航空工业在艰难中独立发展。为我国首型自主研制的歼八飞机配套的涡喷7甲发动机在涡喷7的基础上开始研制,并成为走完从设计、试制、零部件加工及整机地面调试、高空模拟实验到试飞定型全研制周期的首型发动机;在其基础上改进研制了涡喷13发动机,全面提高了可靠性和耐久性;引进许可生产了罗罗公司的“斯贝”MK202型加力涡扇发动机并仿制为涡扇9发动机,掌握了大量国内以往没有接触过的先进工艺和技术。


第三个阶段是从1990年往后。以新一代核心机预研计划为代表的,中国航空发动机构建核心机型谱体系的整体发展思路的逐渐形成,中国航空发动机科研体系逐渐步入成熟。2002年和2005年,我国自行设计研制的涡喷14发动机和第三代大推力涡扇10 发动机分别定型,这标志着我国具备了航空发动机的自主研制能力。


1.4.2 我国航空发动机的发展差距

“太行”涡扇发动机和某涡轴发动机设计定型并装备使用,表明我国已基本具备了自主研制第三代涡扇、涡轴发动机的能力。但是,面对世界发动机加速发展的态势和国内飞机旺盛的需求,与世界先进水平相比,我国航空发动机技术落后了,发动机水平赶不上飞机的发展需求,已成为制约军民用航空装备的“瓶颈”


与世界先进水平相比,我国的航空发动机有近30年的巨大差距。我国现役最先进的涡扇-10及其改进型的性能指标与美国普惠的F100和通用电气的F110相当,这两款配套美国F-15和F-16战斗机发动机上世纪70年代即已装备部队。


我国航空发动机的发展差距主要表现在以下方面:

一是现役军用发动机多数仍是仿制国外的第三代发动机及其改进改型,发动机难以全面满足各类飞机对动力的需求,新研飞机无国产动力可供选用,有时不得不选用国外发动机进行首飞或过渡。


二是我国大型民机发动机型号研制仍是空白,全部依赖从国外进口,民用发动机的特有关键技术预先研究才刚刚开始。


三是尚未全面建立自主创新的研发体系,创新能力薄弱,技术储备不足,航空发动机设计体系尚不完备,设计手段相对落后。


四是航空发动机所需的先进材料、制造技术相对落后,自主研制航空发动机所需的基础设施和保障条件不足,大型试验设备有缺项,试验和测试技术相对落后,满足不了自主研制先进航空发动机需求。


1.4.3 我国航空发动机工业落后的原因

1.4.3.1.行业地位不高和发展规划缺失

从根本上说,我国航空发动机工业的发展差距是长期的行业地位不高和发展规划缺乏带来的。被称作中国航空发动机之父的航空发动机专家吴大观曾经感叹道:“50年来,尚未见到国家长期稳定的航空工业发展规划,就是航空工业多次的科研发展五年计划,国家的肯定和支持也是缺乏力度的,从而使航空科研计划和任务不能如期实现。”


影响我国航空工业发展的政策性因素很大程度上是由建国以来的国际环境和国家工业基础决定的。新中国成立后,一方面美苏英法等国家陆续研制并且试爆成功原子弹,我国面临霸权主义国家对我国进行核打击的威胁。


另外一方面,此时我国尚且处于全面恢复生产进行基础设施建设的过程,有限的国家资源只能对相对重点和紧迫的领域进行战略投资规划。受国际社会核武器和导弹武器发展的影响,我国在制定新的国防科技发展规划时,确定了“生产以常规为主,科研以尖端为主”的方针。因而,我国的科研工作重点逐渐向战略武器方面倾斜,对于战斗机、坦克等常规武器基本以“求数量”为宗旨进行“引进-仿制-批产”,以应对潜在的大规模战争。


这个方针在当时急需战略武器研制的我国应该说是适当的。但航空工业却因此被划为并不需要进行预先研究的“非尖端”常规武器一类。实际上一直到中国制定的863国家高技术研究发展计划,航空工业仍然被排斥在国家重点发展的工业领域之外,航空工业没有列入高技术发展领域,也就是说在国家战略层面依然不承认航空技术是高科技。


1.4.3.2预先研究与基础研究投入不足

由于对航空发动机工业的战略地位认识不足,我国缺乏长期稳定的航空发动机发展规划,从而导致资金投入长期不足。对于航空发动机这一极端复杂工业产品特性认识不够导致以型号需求为纲,预先研究工作严重不足,技术基础非常薄弱。


直至1978年,我国召开航空科技大会,第一次将航空发动机预研工作提到了重要位置。1980年,我国航空动力行业第一次实施按系统工程组织管理的大型预先研究项目,对推比8一级高性能航空发动机进行系统预研。该计划持续了十五年时间,取得了一定突破,但“重型号,轻预研”的指导思想仍未转变,诸多研究项目被迫终止。


直到后来大批院士和科研专家联名向中央、国务院写信,呼吁将航空工业列入高科技产业,并建议将此内容写入《中共中央关于制订国民经济和社会发展九五计划和2010年远景目标的建议(征求意见稿)》。通过他们的努力并且随着我国对于航空工业发展认识的逐渐加深,中共十四届五中全会通过的“九五”计划和2010年远景目标的建议第一次把航空列入高技术行列。至此,中国航空工业游离于高技术研究和发展领域长达五十年的现状才彻底改变,航空在我国应有的高技术地位也得到了确立。


为弥补以往我国在航空发动机研制中所使用的技术、方案等验证不够的缺陷,在“十五”、“十一五”期间,确立实施了我国的“航空推进技术验证(APTD)计划”。APTD计划是属于不针对特定型号的军民结合的航空推进技术验证项目,注重于关键技术的研究和试验验证,为型号发展提供技术基础和直接的技术支持。APTD的实施取得了丰硕成果,一定程度上弥补我国航空动力的基础研究工作经费投入太少的不足,但相对我国在航空工业领域与国外的差距还远远不够。


1.4.4我国航空发动机产业的发展空间巨大


我们根据未来10年海、空军对各型军用飞机的采购需求和机型价格对新增军机的总价值量进行了估算,按照单架军机上航空发动机平均价值占比30%进行估算,可得未来10年我国新增军机对应的航空发动机总的市场规模约为3180亿元人民币,平均每年在300亿元人民币以上


对于民用飞机市场,根据波音公司2015年发布的中国市场展望报告,未来20年中国将需要6330架新飞机,总价值约为9500亿美元。与此同时,中国民航机队规模在未来20年将扩大到现在的三倍,从2014年的2570架增至2034年的7210架。目前,中国国内航空运输市场规模是美国的40%,根据预测,中国将在2030年超越美国成为全球最大民航运输市场


在全球范围内,波音预测未来20年将有价值5.6万亿美元的38050架新飞机交付。中国在新机交付数量和市场价值方面均占全球总量的近17%。


根据波音公司的预测,按照民航飞机航空发动机价值占比20%的比例进行估算,则未来20年中国新增民航飞机对应的航空发动机市场规模为1900亿美元,平均每年约95亿美元,折合近600亿人民币;未来20年全球新增民航飞机对应的航空发动机市场规模为1.12万亿美元,平均每年560亿美元,折合近3500亿人民币。


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