航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)鏈梳理專題報告

1、 航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)鏈梳理專題報告工業(yè)之巔，市場空間巨大 1、航空發(fā)動機是當之無愧的工業(yè)之巔，核心機是發(fā)動機研制關鍵的一環(huán)航空發(fā)動機是當今世界上最復雜的、多學科集成的工程機械系統(tǒng)之一，涉及氣 動熱力學、燃燒學、傳熱學、結(jié)構(gòu)力學、控制理論等眾多領域，是技術(shù)密集、 知識密集的高科技產(chǎn)品，對基礎材料、加工工藝、裝配工藝、基礎試驗等有著 苛刻的要求，因而被譽為現(xiàn)代制造業(yè)“皇冠上的明珠”。核心機是發(fā)動機的心 臟，核心機在發(fā)動機的研制成本中占比最大，研制周期（預研階段）最長。同 時，核心機可以派生出很多不同系列發(fā)動機。2、航發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈：上游研發(fā)設計、中游分系統(tǒng)制造、下游整機制造發(fā)動機的整機和系統(tǒng)制造是最關鍵的一

2、步。發(fā)動機的核心技術(shù)及總裝集成、客 戶銷售、后續(xù)的發(fā)動機大修與零部件更換等環(huán)節(jié)都被整機制造商所控制，整機 制造商負責整體設計，承擔研發(fā)風險，利潤也相對最高。葉片是航空發(fā)動機的 最核心部件，它的制造占據(jù)了整個發(fā)動機制造 30%以上的工作量。目前金屬材 料和先進復合材料是航空發(fā)動機葉片制造的兩大類主要材料。動力控制系統(tǒng)從 液壓機械控制發(fā)展到全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）。發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視和故障 診斷系統(tǒng)歸入發(fā)動機控制系統(tǒng)，并且防喘控制也越來越受到專家的關注。航空 發(fā)動機的零部件有盤軸、風扇軸、渦輪盤、軸、整體葉盤/葉輪、渦輪機匣和風 扇匣等，按毛坯提供方式可以分為鍛造件、鑄造件和鈑金件。高溫合金一

3、般應 用于四大領域。新型的先進航空發(fā)動機中，高溫合金用量占發(fā)動機總重量的 40%-60%以上，主要用于燃燒室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤四大熱端部件， 此外還用于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。3、軍用航空發(fā)動機增量和存量市場空間巨大軍用航空發(fā)動機主要包括新增市場和存量維護保養(yǎng)市場。新增市場方面，我們 預計未來十年軍機航發(fā)增量市場為 335.1 億美元；存量維修和保養(yǎng)市場方面， 航空發(fā)動機每運行一段時間(50-100 個小時)需要進行一次專檢，檢查易損件和 承力件以及油濾油泵的性能，飛行 600-1000 小時再進行一次大修，更換部分易 損承力部件，一般航空發(fā)動機整個生命周期大修次數(shù)為 3

4、 次左右，航空發(fā)動機 后續(xù)維修和保養(yǎng)費用較高，我們維修和保養(yǎng)費用價格為新機的 1.2 倍，未來十 年軍機航發(fā)存量市場為 402.12 億美元，增量和存量市場合計為 737.22 億美元。1. 航空發(fā)動機：現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，核心機是發(fā)動機研制關鍵的一環(huán)1.1 航空發(fā)動機三大特點航空發(fā)動機是當今世界上最復雜的、多學科集成的工程機械系統(tǒng)之一，涉及氣動熱力學、燃燒學、傳熱學、 結(jié)構(gòu)力學、控制理論等眾多領域，是技術(shù)密集、知識密集的高科技產(chǎn)品，對基礎材料、加工工藝、裝配工藝、 基礎試驗等有著苛刻的要求，因而被譽為現(xiàn)代制造業(yè)“皇冠上的明珠”。目前，各種類型的航空發(fā)動機分別 被廣泛應用于不同飛行包線的

5、固定翼飛機和直升機，是現(xiàn)代航空制造業(yè)的核心環(huán)節(jié)，可以說航空發(fā)動機的技 術(shù)水平是推動航空器性能提升的核心因素。航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)有以下特點：技術(shù)壁壘高、經(jīng)濟回報高、研制周期長。（1）技術(shù)壁壘高：高溫高壓高轉(zhuǎn)速，考驗現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)極限。（2）經(jīng)濟回報高：由于兩機產(chǎn)業(yè)技術(shù)壁壘極高，一旦切入兩機供應體系，面臨的競爭威脅很小，獲得的經(jīng) 濟回報高且回報周期長。（3）研制周期長：航空發(fā)動機的研制流程可分為預先研究、工程研制和使用發(fā)展三大階段，研制周期長既 是進入兩機產(chǎn)業(yè)的風險，也是行業(yè)高進入壁壘。在研制階段由于大量的試驗亦能帶來配套產(chǎn)品的需求。1.2 核心機是發(fā)動機研制關鍵的一環(huán)如果說發(fā)動機是飛機的心臟，那么核心

6、機就是發(fā)動機的心臟。核心機由高壓壓氣機、主燃燒室和高壓渦輪組 成，它連續(xù)輸出具有一定可用能量的燃氣，因此又稱為燃氣發(fā)生器。核心機主要組成部件在發(fā)動機中處于最 惡劣的工作環(huán)境（高壓力、高溫度），且具有最高的工作轉(zhuǎn)速（壓氣機、高壓渦輪），因而是發(fā)動機強度和 使用可靠性方面最為關鍵的部件。核心機在發(fā)動機的研制成本中占比最大，研制周期（預研階段）最長。核心機是航空發(fā)動機研制中主要難點 和關鍵技術(shù)最集中的部分，也是航空發(fā)動機先進性和復雜性的集中體現(xiàn)。20 世紀 70 年代，新一代發(fā)動機從 概念研究到投入使用約為 10-15 年，90 年代的戰(zhàn)斗機發(fā)動機如 F119 從概念研究到定型前前后后經(jīng)歷了 25

7、年以上，而在一臺成熟的核心機上派生新機，周期只需要 3-5 年。核心機可以派生出很多不同系列發(fā)動機。從 B-2 轟炸機到 F-16 戰(zhàn)斗機發(fā)動機大部分是以普惠 F-110 核心機 派生而來，而普惠 F-110 的核心機來自一款代號為 GE9 的核心機，這款核心機還派生出了燃氣輪機和民航 客機的發(fā)動機。此外，CFM56 系列發(fā)動機的第一個型號 CFM56-2 采用了軍用渦輪風扇發(fā)動機 F101 的核心 機作為核心機，配上葉尖直徑為 1.727 米的風扇及三級增壓壓氣機、4 級低壓渦輪組成了一臺高涵道比渦輪 風扇發(fā)動機，推力為 139151 千牛，1979 年投入使用。圖3：GEF-110 核心機

8、2. 航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)鏈包括上游研發(fā)設計、中游分系統(tǒng)制造和下游整機制造航空產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游研發(fā)設計、高端材料供應、零部件制造，到中游分系統(tǒng)制造，到下游整機制造、整 機試驗和維修保障。中國航發(fā)產(chǎn)業(yè)從測繪仿制到自主研制 60 多年來，經(jīng)歷了從無到有，現(xiàn)如今已有了一定 的技術(shù)積累，基本建立了完整的航空發(fā)動機研制和生產(chǎn)體系。2.1 整機制造在航發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈中，發(fā)動機的整機和系統(tǒng)制造是最關鍵的一步。發(fā)動機的核心技術(shù)及總裝集成、客戶銷售、后 續(xù)的發(fā)動機大修與零部件更換等環(huán)節(jié)都被整機制造商所控制，整機制造商負責整體設計，承擔研發(fā)風險，利 潤也相對最高。全球整機制造的代表企業(yè)有 GE、P&W、RR、SAFRAN，

9、國內(nèi)則以航發(fā)動力為主導。上市公司航發(fā)動力是航發(fā)整機制造的承制單位，產(chǎn)品全譜系覆蓋。航發(fā)動力集成了我國航空發(fā)動機整機的幾 乎全部型號，在產(chǎn)品的量價二維體系中最為穩(wěn)定，將享受確定性溢價。公司主打的“太行”系列產(chǎn)品已在我 國主戰(zhàn)機型上大規(guī)模應用；渦軸、渦槳類產(chǎn)品亦全面列裝我國軍用直升機及中型運輸機；渦噴類產(chǎn)品仍為我 國早期型號軍機提供穩(wěn)定換發(fā)保障。未來隨著幾款重點型號發(fā)動機研制列裝的加速，我國有望實現(xiàn)軍機發(fā)動 機全部國產(chǎn)化的愿景。此外在外貿(mào)方面，國產(chǎn)航發(fā)伴隨國產(chǎn)戰(zhàn)機走出去的可能性也在逐步增強。大運未來或全面換裝渦扇 20。2020 年 11 月 21 日，網(wǎng)傳大運已裝備四臺 WS-20 發(fā)動機進行飛

10、行試驗，WS-20 的順利換裝。這一方面解決了大運的產(chǎn)能瓶頸，使其成為全狀態(tài)版本；另一方面提高了大運的運載能力和航 程，對于大運實現(xiàn)跨洲際遠程飛行、中短程重載飛行有著重要意義。若大運確認換裝了 4 發(fā) WS-20，那么 可以認為 WS-20 的研發(fā)以進入尾聲，后續(xù)經(jīng)過一定調(diào)整將進入小批量生產(chǎn)階段，屆時將基本解決我國大型 軍用飛機發(fā)動機的瓶頸，WS-20 也將成為航發(fā)動力業(yè)績的重要貢獻力量。2.2 葉片鍛造及鑄造葉片是航空發(fā)動機的最核心部件，它的制造占據(jù)了整個發(fā)動機制造 30%以上的工作量。葉片是發(fā)動機中數(shù)量 最大的一類零件，具有壁薄易變形的特點，并且其所承受的工況十分惡劣。目前金屬材料和先進復

11、合材料是 航空發(fā)動機葉片制造的兩大類主要材料，如何高效、高質(zhì)量地對其進行加工已經(jīng)成為了目前葉片制造行業(yè)研 究的重點之一，也是制造出高性能航空發(fā)動機的關鍵。輔以表面處理技術(shù)來完成葉片的高品質(zhì)制造。圖6：航空發(fā)動機葉片圖7：航空發(fā)動機渦輪葉片航空發(fā)動機葉片按照部件分為風扇葉片、壓氣機葉片和渦輪葉片。按照運動方式分為動葉和靜葉。其中風扇 葉片和壓氣機葉片主要以數(shù)控加工、精密鍛造、超塑成型/擴散連接方式為主。壓氣機葉片則分為壓氣機低壓 級葉片和壓氣機高壓級葉片，隨著壓氣機級數(shù)增多，壓氣機葉片工作溫度提升，選用變形高溫合金取代鈦合 金。并且，在高壓壓氣機末級，選用材料由變形高溫合金到新型輕質(zhì)耐高溫 Ti

12、-Al 合金轉(zhuǎn)變。而渦輪葉片所 處環(huán)境較風扇葉片和壓氣機葉片更為惡劣，故對其材料和加工工藝都有著更為嚴格的要求，目前普遍采取精 密鑄造的方式對渦輪葉片進行加工，并輔以磨削等其他一些加工方法。渦輪低壓級葉片工作溫度相對渦輪高 壓級葉片溫度較低，主要采用定向結(jié)晶鑄造鎳基高溫合金。新型輕質(zhì)耐高溫 Ti-Al 和陶瓷基復合材料也已經(jīng) 在部分機型上成功應用。目前全球葉片市場仍以歐美企業(yè)為主導，例如 GE、賽峰、羅羅、普惠等國際航空發(fā)動機巨頭均擁有直屬工 廠，或與合作公司成立合資工廠。而隨著國內(nèi)航空發(fā)動機葉片制造技術(shù)的不斷進步，也有部分企業(yè)逐步具備 了，引導中國航發(fā)葉片市場。目前國內(nèi)葉片市場由航發(fā)動力、煉

13、石航空、萬澤股份和應流股份等企業(yè)主導。 航發(fā)動力擁有國內(nèi)最大的葉片生產(chǎn)線，其精密鍛造、表面處理生產(chǎn)線都處于亞洲領先地位。此外，煉石航空 公司立足于高溫合金材料及航空發(fā)動機單晶渦輪葉片研制，已構(gòu)建了“錸元素高溫合金單晶葉片航空 零部件航空發(fā)動機大型無人機整機”完整的產(chǎn)業(yè)鏈。2.3 動力控制系統(tǒng)隨著航空發(fā)動機技術(shù)的日益進步，其性能不斷地提高，燃油和控制系統(tǒng)也由簡單到復雜發(fā)展，從液壓機械控 制發(fā)展到全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC），發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷系統(tǒng)歸入發(fā)動機控制系統(tǒng)，并且防喘 控制也越來越受到專家的關注。目前國際市場上以英美為主導，我國從80年代初進行了FADEC系統(tǒng)的研究， 并取得了較

14、為矚目的研究成果。在動力控制系統(tǒng)方面，我國的航發(fā)控制已處于國內(nèi)市場壟斷地位，公司是國家航空動力控制系統(tǒng)及產(chǎn)品研制、 生產(chǎn)基地，已經(jīng)構(gòu)建了較為完整的航空發(fā)動機燃油與控制系統(tǒng)專業(yè)體系，擁有國家一流專業(yè)科研人才，科研 實力雄厚。另外具備一定實力的海特高新等民營企業(yè)也試圖進入市場，公司已完成戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，由一家傳統(tǒng)航 空維修企業(yè)轉(zhuǎn)向綜合航空技術(shù)服務企業(yè)，公司航空新技術(shù)研發(fā)制造業(yè)務板塊已形成產(chǎn)量量產(chǎn)、多種新型號在 研，以及多個項目預研全面推進的良好局面。2.4 零部件（包括鍛造件、鑄造件和鈑金件）航空發(fā)動機的零部件有盤軸、風扇軸、渦輪盤、軸、整體葉盤/葉輪、渦輪機匣和風扇匣等，按毛坯提供方式 可以分為鍛造件

15、、鑄造件和鈑金件。（1）鍛造件鍛件是指通過對金屬坯料進行鍛造變形而得到的工件或毛坯。利用對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑形變形， 可改變其機械性能。目前航空發(fā)動機的零部件鍛件毛坯占毛坯總重量的一半以上，航空發(fā)動機的風扇和壓氣 機葉片、盤、軸、齒輪和部分機匣零件采用鍛造工藝。隨著航空發(fā)動機工藝制造技術(shù)的發(fā)展，葉片作為發(fā)動 機的核心部件形成了與其他零件不同的精鍛工藝。其他盤、軸、齒輪和機匣等零件鍛造則以渦輪盤鍛件工藝 最為先進。目前航空發(fā)動機鍛件領域，英美德日走在世界前列，依托高端技術(shù)，占據(jù)著國際高端市場，國內(nèi) 企業(yè)實力相對薄弱，以中航重機為主導，占據(jù)國內(nèi)航空鍛造市場 60%的份額，2019 年一件

16、大型精密的鍛件 產(chǎn)品在全球最大電動螺旋壓力機的鍛壓下，正式在中航重機西安航空鍛造產(chǎn)業(yè)基地出爐。此產(chǎn)品的問世，標 志著我們鍛造產(chǎn)品正式進入到精鍛 3.0 時代。（2）鑄造件鑄件是用各種鑄造方法獲得的金屬成型物件，即把冶煉好的液態(tài)金屬，用澆注、壓射、吸入或其它澆鑄方法 注入預先準備好的鑄型中，冷卻后經(jīng)打磨等后續(xù)加工手段后，所得到的具有一定形狀，尺寸和性能的物件。 航空發(fā)動機渦輪葉片和部分機匣采用鑄造工藝，其中以渦輪鑄造技術(shù)最為先進。傳統(tǒng)的低壓澆鑄方法存在氧 化夾渣、氣孔、縮孔、裂紋等一系列弊端，精密鑄造制坯是鑄造領域主要的發(fā)展方向。（3）鈑金件鈑金是一種針對金屬薄板（通常在 6mm 以下）的綜合冷

17、加工工藝，包括剪、沖/切/復合、折、焊接、鉚接、 拼接、成型等。其顯著的特征就是同一零件厚度一致。通過鈑金工藝加工出的產(chǎn)品叫做鈑金件。發(fā)動機的燃 燒室、噴灌機匣以鈑金件為主。2.5 高溫合金高溫合金又叫熱強合金、超級合金。按基體組織材料可分為三類：鐵基、鎳基和鈷基。按生產(chǎn)方式可分為鑄 造高溫合金、變形高溫合金和粉末高溫合金。按強化機理可分為碳化物強化、固溶強化、時效強化和彌散強 化。高溫合金一般應用于四大領域。新型的先進航空發(fā)動機中，高溫合金用量占發(fā)動機總重量的 40%-60%以上， 主要用于燃燒室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤四大熱端部件，此外還用于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口 等部件。燃燒室

18、是發(fā)動機各部件中溫度最高的區(qū)域，燃燒室內(nèi)燃氣溫度可高達 1500-2000，作為燃燒室壁的高溫合 金材料需承受 800-900的高溫，局部甚至高達 1100以上。除需承受高溫外，燃燒室材料還應能承受周期 性點火啟動導致的急劇熱疲勞應力和燃氣的沖擊力。用于制造燃燒室的主要材料有高溫合金、不銹鋼和結(jié)構(gòu) 鋼，其中用量最大、最為關鍵的是變形高溫合金。導向器也可稱為渦輪導向葉片，用來調(diào)整燃燒室出來的燃氣流向，是渦輪發(fā)動機上承受溫度最高、熱沖擊最 大的零部件，材料工作溫度最高可達 1,100以上，但渦輪導向葉片承受的應力比較低，一般低于 70MPa。 該零件往往由于受到較大熱應力而引起扭曲，溫度劇變產(chǎn)生熱

19、疲勞裂紋以及局部溫度過高導致燒傷而報廢。 因此，導向器材料大多采用精密鑄造鎳基高溫合金。渦輪葉片是渦輪發(fā)動機中工作條件最惡劣也是最關鍵的部件，由于其處于溫度最高、應力最復雜、環(huán)境最惡 劣的部位而被列為第一關鍵件。渦輪葉片又稱工作葉片，渦輪葉片在承受高溫的同時要承受很大的離心應力、 振動應力、熱應力等。其所承受溫度低于相應導向葉片 50-100，但在高速轉(zhuǎn)動時，由于受到氣動力和離心 力的作用，葉身部分所受應力高達 140MPa，葉根部分達 280-560MPa，渦輪葉片材料大多也是精密鑄造鎳 基高溫合金。渦輪葉片其結(jié)構(gòu)與材料的不斷改進已成為航空發(fā)動機性能提升的關鍵因素之一。渦輪盤在四大熱端部件中

20、所占質(zhì)量最大。渦輪盤是航空發(fā)動機上的重要轉(zhuǎn)動部件，工作溫度不高，一般輪緣 為 550-750，輪心為 300左右，因此盤件徑向的熱應力大，特別是盤件在正常高速轉(zhuǎn)動時，由于盤件質(zhì) 量重達幾十至幾百千克，且?guī)е~片旋轉(zhuǎn)，要承受極大的離心力作用，在啟動與停車過程中又構(gòu)成周期性的 大應力低周疲勞。用作渦輪盤的高溫合金為屈服強度很高、細晶粒的變形高溫合金和粉末高溫合金。在我國， 渦輪盤中變形高溫合金 GH4169 合金用量最大、應用范圍最廣。2.6 陶瓷基復合材料及鈦合金陶瓷基復合材料就是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié) 構(gòu)陶瓷，這些陶瓷材料具有耐高溫、高強度

21、和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，但其致命的弱點是 比較脆，容易出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。而采用高性能纖維與陶瓷基體復合，就可以顯著提高陶瓷韌性和可靠性。 纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強陶瓷基復合材料。這樣的陶瓷基復合材料具備了類 似金屬的斷裂行為，即受力較大時先發(fā)生拉伸，拉伸大到一定程度時才會發(fā)生斷裂，只有具備這樣優(yōu)良韌性 的材料才具備在發(fā)動機渦輪葉片上使用的條件。目前國內(nèi)廠商有火炬電子等企業(yè)。鈦合金指的是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬，強度高、耐蝕性好、耐熱性高。根據(jù)加入的元素不同， 鈦合金的屬性也不同。主要應用于壓氣盤、靜葉片、動葉片、機殼、燃燒室外殼等零件部位。20

22、14 年我國生 產(chǎn)航空航天領域用鈦銷售量合計 4861 噸。3. 軍用航空發(fā)動機市場空間測算軍用航空發(fā)動機主要包括新增市場和存量維護保養(yǎng)市場：新增市場方面，我們分別假設未來十年我國新增各類型軍機數(shù)量、發(fā)動機數(shù)量和單機價格。存量維修和保養(yǎng)市場方面，航空發(fā)動機每運行一段時間(50-100 個小時)需要進行一次專檢，檢查易損件和承 力件以及油濾油泵的性能，飛行 600-1000 小時再進行一次大修，更換部分易損承力部件，一臺發(fā)動機設計 壽命要比實際壽命小。一般航空發(fā)動機整個生命周期大修次數(shù)為 3 次左右，第一次大修周期約為 600 小時， 大修的間隔時間逐次遞減，一般間隔時間是上一次的 80%。航空

23、發(fā)動機后續(xù)維修和保養(yǎng)費用較高，我們維修 和保養(yǎng)費用價格為新機的 1.2 倍。我們預計未來十年軍機航空發(fā)動機增量和存量市場分別為 335.1 億美元和 402.12 億美元，合計為 737.22 億 美元，平均每年約為 516 億元（假設美元對人民幣匯率為 7）。4. 相關企業(yè)分析整個航空 發(fā)動機產(chǎn) 業(yè)鏈都 將隨著 十四五 期間我 國主戰(zhàn)機 型的放 量和航 空發(fā)動 機上先進 材料占 比的提 升而受 益，我們認為認為最 為受益的環(huán)節(jié)相 關公司包括，航 發(fā)動力(發(fā)動 機整機)、鋼研 高納(高溫合 金龍頭)、 圖南股份(高溫合金龍頭)和中航重機(航空發(fā)動機鍛造龍頭)。我們重點跟蹤的公司為:航發(fā)動力、鋼研 高納。4.1 航發(fā)動力國內(nèi)航空發(fā)動機譜系最全，科研生產(chǎn)能力最強的企業(yè)。航發(fā)動力是國內(nèi)大型航空發(fā)動機制造基地企業(yè)，國內(nèi) 唯一的生產(chǎn)制造渦噴、渦扇、渦軸、渦槳、活塞全種類軍用航空發(fā)動機的企業(yè)。公司主要業(yè)務分為三類:航 空發(fā)動機及衍生產(chǎn)品、外貿(mào)出口轉(zhuǎn)包業(yè)務、非航空產(chǎn)品及其他業(yè)務。主要產(chǎn)品和服務有軍民用航空發(fā)動機整 機及部件、民用航空發(fā)動機零部件出口、軍民用燃氣輪機、軍民用航空發(fā)動機維修保障服務。目前已具備涵 蓋航空發(fā)動機全壽命周期的設計、制造、總裝、試車、維修整套技術(shù)和發(fā)動機綜合服務保障能力，綜合技術(shù) 水平國內(nèi)領先。公司在葉輪、盤、軸、機匣加工、整體結(jié)構(gòu)件、精密鑄造、