航空发动机产业链梳理专题报告:工业之巅,市场空间巨大

1、航空发动机是当之无愧的工业之巅,核心机是发动机研制关键的一环

航空发动机是当今世界上最复杂的、多学科集成的工程机械系统之一,涉及气 动热力学、燃烧学、传热学、结构力学、控制理论等众多领域,是技术密集、 知识密集的高科技产品,对基础材料、加工工艺、装配工艺、基础试验等有着 苛刻的要求,因而被誉为现代制造业“皇冠上的明珠”。核心机是发动机的心 脏,核心机在发动机的研制成本中占比最大,研制周期(预研阶段)最长。同 时,核心机可以派生出很多不同系列发动机。

2、航发产业链:上游研发设计、中游分系统制造、下游整机制造

发动机的整机和系统制造是最关键的一步。发动机的核心技术及总装集成、客 户销售、后续的发动机大修与零部件更换等环节都被整机制造商所控制,整机 制造商负责整体设计,承担研发风险,利润也相对最高。叶片是航空发动机的 最核心部件,它的制造占据了整个发动机制造 30%以上的工作量。目前金属材 料和先进复合材料是航空发动机叶片制造的两大类主要材料。动力控制系统从 液压机械控制发展到全权限数字电子控制(FADEC)。发动机状态监视和故障 诊断系统归入发动机控制系统,并且防喘控制也越来越受到专家的关注。航空 发动机的零部件有盘轴、风扇轴、涡轮盘、轴、整体叶盘/叶轮、涡轮机匣和风 扇匣等,按毛坯提供方式可以分为锻造件、铸造件和钣金件。高温合金一般应 用于四大领域。新型的先进航空发动机中,高温合金用量占发动机总重量的 40%-60%以上,主要用于燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘四大热端部件, 此外还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。。

3、军用航空发动机增量和存量市场空间巨大

军用航空发动机主要包括新增市场和存量维护保养市场。新增市场方面,我们 预计未来十年军机航发增量市场为 335.1 亿美元;存量维修和保养市场方面, 航空发动机每运行一段时间(50-100 个小时)需要进行一次专检,检查易损件和 承力件以及油滤油泵的性能,飞行 600-1000 小时再进行一次大修,更换部分易 损承力部件,一般航空发动机整个生命周期大修次数为 3 次左右,航空发动机 后续维修和保养费用较高,我们维修和保养费用价格为新机的 1.2 倍,未来十 年军机航发存量市场为 402.12 亿美元,增量和存量市场合计为 737.22 亿美元。

1. 航空发动机:现代工业“皇冠上的明珠”,核心机是发动机研制关键的一环

1.1 航空发动机三大特点

航空发动机是当今世界上最复杂的、多学科集成的工程机械系统之一,涉及气动热力学、燃烧学、传热学、 结构力学、控制理论等众多领域,是技术密集、知识密集的高科技产品,对基础材料、加工工艺、装配工艺、 基础试验等有着苛刻的要求,因而被誉为现代制造业“皇冠上的明珠”。目前,各种类型的航空发动机分别 被广泛应用于不同飞行包线的固定翼飞机和直升机,是现代航空制造业的核心环节,可以说航空发动机的技 术水平是推动航空器性能提升的核心因素。

航空发动机产业有以下特点:技术壁垒高、经济回报高、研制周期长。

(1)技术壁垒高:高温高压高转速,考验现代工业技术极限。

(2)经济回报高:由于两机产业技术壁垒极高,一旦切入两机供应体系,面临的竞争威胁很小,获得的经 济回报高且回报周期长。

(3)研制周期长:航空发动机的研制流程可分为预先研究、工程研制和使用发展三大阶段,研制周期长既 是进入两机产业的风险,也是行业高进入壁垒。在研制阶段由于大量的试验亦能带来配套产品的需求。

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1.2 核心机是发动机研制关键的一环

如果说发动机是飞机的心脏,那么核心机就是发动机的心脏。核心机由高压压气机、主燃烧室和高压涡轮组 成,它连续输出具有一定可用能量的燃气,因此又称为燃气发生器。核心机主要组成部件在发动机中处于最 恶劣的工作环境(高压力、高温度),且具有最高的工作转速(压气机、高压涡轮),因而是发动机强度和 使用可靠性方面最为关键的部件。

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核心机在发动机的研制成本中占比最大,研制周期(预研阶段)最长。核心机是航空发动机研制中主要难点 和关键技术最集中的部分,也是航空发动机先进性和复杂性的集中体现。20 世纪 70 年代,新一代发动机从 概念研究到投入使用约为 10-15 年,90 年代的战斗机发动机如 F119 从概念研究到定型前前后后经历了 25 年以上,而在一台成熟的核心机上派生新机,周期只需要 3-5 年。

核心机可以派生出很多不同系列发动机。从 B-2 轰炸机到 F-16 战斗机发动机大部分是以普惠 F-110 核心机 派生而来,而普惠 F-110 的核心机来自一款代号为 GE9 的核心机,这款核心机还派生出了燃气轮机和民航 客机的发动机。此外,CFM56 系列发动机的第一个型号 CFM56-2 采用了军用涡轮风扇发动机 F101 的核心 机作为核心机,配上叶尖直径为 1.727 米的风扇及三级增压压气机、4 级低压涡轮组成了一台高涵道比涡轮 风扇发动机,推力为 139~151 千牛,1979 年投入使用。

图3:GEF-110 核心机

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2. 航空发动机产业链包括上游研发设计、中游分系统制造和下游整机制造

航空产业链主要包括上游研发设计、高端材料供应、零部件制造,到中游分系统制造,到下游整机制造、整 机试验和维修保障。中国航发产业从测绘仿制到自主研制 60 多年来,经历了从无到有,现如今已有了一定 的技术积累,基本建立了完整的航空发动机研制和生产体系。

2.1 整机制造

在航发产业链中,发动机的整机和系统制造是最关键的一步。发动机的核心技术及总装集成、客户销售、后 续的发动机大修与零部件更换等环节都被整机制造商所控制,整机制造商负责整体设计,承担研发风险,利 润也相对最高。全球整机制造的代表企业有 GE、P&W、RR、SAFRAN,国内则以航发动力为主导。

上市公司航发动力是航发整机制造的承制单位,产品全谱系覆盖。航发动力集成了我国航空发动机整机的几 乎全部型号,在产品的量价二维体系中最为稳定,将享受确定性溢价。公司主打的“太行”系列产品已在我 国主战机型上大规模应用;涡轴、涡桨类产品亦全面列装我国军用直升机及中型运输机;涡喷类产品仍为我 国早期型号军机提供稳定换发保障。未来随着几款重点型号发动机研制列装的加速,我国有望实现军机发动 机全部国产化的愿景。此外在外贸方面,国产航发伴随国产战机走出去的可能性也在逐步增强。

大运未来或全面换装涡扇 20。2020 年 11 月 21 日,网传大运已装备四台 WS-20 发动机进行飞行试验,WS-20 的顺利换装。这一方面解决了大运的产能瓶颈,使其成为全状态版本;另一方面提高了大运的运载能力和航 程,对于大运实现跨洲际远程飞行、中短程重载飞行有着重要意义。若大运确认换装了 4 发 WS-20,那么 可以认为 WS-20 的研发以进入尾声,后续经过一定调整将进入小批量生产阶段,届时将基本解决我国大型 军用飞机发动机的瓶颈,WS-20 也将成为航发动力业绩的重要贡献力量。

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2.2 叶片锻造及铸造

叶片是航空发动机的最核心部件,它的制造占据了整个发动机制造 30%以上的工作量。叶片是发动机中数量 最大的一类零件,具有壁薄易变形的特点,并且其所承受的工况十分恶劣。目前金属材料和先进复合材料是 航空发动机叶片制造的两大类主要材料,如何高效、高质量地对其进行加工已经成为了目前叶片制造行业研 究的重点之一,也是制造出高性能航空发动机的关键。辅以表面处理技术来完成叶片的高品质制造。

图6:航空发动机叶片

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图7:航空发动机涡轮叶片

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航空发动机叶片按照部件分为风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片。按照运动方式分为动叶和静叶。其中风扇 叶片和压气机叶片主要以数控加工、精密锻造、超塑成型/扩散连接方式为主。压气机叶片则分为压气机低压 级叶片和压气机高压级叶片,随着压气机级数增多,压气机叶片工作温度提升,选用变形高温合金取代钛合 金。并且,在高压压气机末级,选用材料由变形高温合金到新型轻质耐高温 Ti-Al 合金转变。而涡轮叶片所 处环境较风扇叶片和压气机叶片更为恶劣,故对其材料和加工工艺都有着更为严格的要求,目前普遍采取精 密铸造的方式对涡轮叶片进行加工,并辅以磨削等其他一些加工方法。涡轮低压级叶片工作温度相对涡轮高 压级叶片温度较低,主要采用定向结晶铸造镍基高温合金。新型轻质耐高温 Ti-Al 和陶瓷基复合材料也已经 在部分机型上成功应用。

目前全球叶片市场仍以欧美企业为主导,例如 GE、赛峰、罗罗、普惠等国际航空发动机巨头均拥有直属工 厂,或与合作公司成立合资工厂。而随着国内航空发动机叶片制造技术的不断进步,也有部分企业逐步具备 了,引导中国航发叶片市场。目前国内叶片市场由航发动力、炼石航空、万泽股份和应流股份等企业主导。 航发动力拥有国内最大的叶片生产线,其精密锻造、表面处理生产线都处于亚洲领先地位。此外,炼石航空 公司立足于高温合金材料及航空发动机单晶涡轮叶片研制,已构建了“铼元素→高温合金→单晶叶片→航空 零部件→航空发动机→大型无人机整机”完整的产业链。

2.3 动力控制系统

随着航空发动机技术的日益进步,其性能不断地提高,燃油和控制系统也由简单到复杂发展,从液压机械控 制发展到全权限数字电子控制(FADEC),发动机状态监视和故障诊断系统归入发动机控制系统,并且防喘 控制也越来越受到专家的关注。目前国际市场上以英美为主导,我国从80年代初进行了FADEC系统的研究, 并取得了较为瞩目的研究成果。

在动力控制系统方面,我国的航发控制已处于国内市场垄断地位,公司是国家航空动力控制系统及产品研制、 生产基地,已经构建了较为完整的航空发动机燃油与控制系统专业体系,拥有国家一流专业科研人才,科研 实力雄厚。另外具备一定实力的海特高新等民营企业也试图进入市场,公司已完成战略转型,由一家传统航 空维修企业转向综合航空技术服务企业,公司航空新技术研发制造业务板块已形成产量量产、多种新型号在 研,以及多个项目预研全面推进的良好局面。

2.4 零部件(包括锻造件、铸造件和钣金件)

航空发动机的零部件有盘轴、风扇轴、涡轮盘、轴、整体叶盘/叶轮、涡轮机匣和风扇匣等,按毛坯提供方式 可以分为锻造件、铸造件和钣金件。

(1)锻造件

锻件是指通过对金属坯料进行锻造变形而得到的工件或毛坯。利用对金属坯料施加压力,使其产生塑形变形, 可改变其机械性能。目前航空发动机的零部件锻件毛坯占毛坯总重量的一半以上,航空发动机的风扇和压气 机叶片、盘、轴、齿轮和部分机匣零件采用锻造工艺。随着航空发动机工艺制造技术的发展,叶片作为发动 机的核心部件形成了与其他零件不同的精锻工艺。其他盘、轴、齿轮和机匣等零件锻造则以涡轮盘锻件工艺 最为先进。目前航空发动机锻件领域,英美德日走在世界前列,依托高端技术,占据着国际高端市场,国内 企业实力相对薄弱,以中航重机为主导,占据国内航空锻造市场 60%的份额,2019 年一件大型精密的锻件 产品在全球最大电动螺旋压力机的锻压下,正式在中航重机西安航空锻造产业基地出炉。此产品的问世,标 志着我们锻造产品正式进入到精锻 3.0 时代。

(2)铸造件

铸件是用各种铸造方法获得的金属成型物件,即把冶炼好的液态金属,用浇注、压射、吸入或其它浇铸方法 注入预先准备好的铸型中,冷却后经打磨等后续加工手段后,所得到的具有一定形状,尺寸和性能的物件。 航空发动机涡轮叶片和部分机匣采用铸造工艺,其中以涡轮铸造技术最为先进。传统的低压浇铸方法存在氧 化夹渣、气孔、缩孔、裂纹等一系列弊端,精密铸造制坯是铸造领域主要的发展方向。

(3)钣金件

钣金是一种针对金属薄板(通常在 6mm 以下)的综合冷加工工艺,包括剪、冲/切/复合、折、焊接、铆接、 拼接、成型等。其显著的特征就是同一零件厚度一致。通过钣金工艺加工出的产品叫做钣金件。发动机的燃 烧室、喷灌机匣以钣金件为主。

2.5 高温合金

高温合金又叫热强合金、超级合金。按基体组织材料可分为三类:铁基、镍基和钴基。按生产方式可分为铸 造高温合金、变形高温合金和粉末高温合金。按强化机理可分为碳化物强化、固溶强化、时效强化和弥散强 化。

高温合金一般应用于四大领域。新型的先进航空发动机中,高温合金用量占发动机总重量的 40%-60%以上, 主要用于燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘四大热端部件,此外还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口 等部件。

燃烧室是发动机各部件中温度最高的区域,燃烧室内燃气温度可高达 1500-2000℃,作为燃烧室壁的高温合 金材料需承受 800-900℃的高温,局部甚至高达 1100℃以上。除需承受高温外,燃烧室材料还应能承受周期 性点火启动导致的急剧热疲劳应力和燃气的冲击力。用于制造燃烧室的主要材料有高温合金、不锈钢和结构 钢,其中用量最大、最为关键的是变形高温合金。

导向器也可称为涡轮导向叶片,用来调整燃烧室出来的燃气流向,是涡轮发动机上承受温度最高、热冲击最 大的零部件,材料工作温度最高可达 1,100℃以上,但涡轮导向叶片承受的应力比较低,一般低于 70MPa。 该零件往往由于受到较大热应力而引起扭曲,温度剧变产生热疲劳裂纹以及局部温度过高导致烧伤而报废。 因此,导向器材料大多采用精密铸造镍基高温合金。

涡轮叶片是涡轮发动机中工作条件最恶劣也是最关键的部件,由于其处于温度最高、应力最复杂、环境最恶 劣的部位而被列为第一关键件。涡轮叶片又称工作叶片,涡轮叶片在承受高温的同时要承受很大的离心应力、 振动应力、热应力等。其所承受温度低于相应导向叶片 50-100℃,但在高速转动时,由于受到气动力和离心 力的作用,叶身部分所受应力高达 140MPa,叶根部分达 280-560MPa,涡轮叶片材料大多也是精密铸造镍 基高温合金。涡轮叶片其结构与材料的不断改进已成为航空发动机性能提升的关键因素之一。

涡轮盘在四大热端部件中所占质量最大。涡轮盘是航空发动机上的重要转动部件,工作温度不高,一般轮缘 为 550-750℃,轮心为 300℃左右,因此盘件径向的热应力大,特别是盘件在正常高速转动时,由于盘件质 量重达几十至几百千克,且带着叶片旋转,要承受极大的离心力作用,在启动与停车过程中又构成周期性的 大应力低周疲劳。用作涡轮盘的高温合金为屈服强度很高、细晶粒的变形高温合金和粉末高温合金。在我国, 涡轮盘中变形高温合金 GH4169 合金用量最大、应用范围最广。

2.6 陶瓷基复合材料及钛合金

陶瓷基复合材料就是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结 构陶瓷,这些陶瓷材料具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能,但其致命的弱点是 比较脆,容易出现裂纹甚至断裂。而采用高性能纤维与陶瓷基体复合,就可以显著提高陶瓷韧性和可靠性。 纤维能阻止裂纹的扩展,从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。这样的陶瓷基复合材料具备了类 似金属的断裂行为,即受力较大时先发生拉伸,拉伸大到一定程度时才会发生断裂,只有具备这样优良韧性 的材料才具备在发动机涡轮叶片上使用的条件。目前国内厂商有火炬电子等企业。

钛合金指的是多种用钛与其他金属制成的合金金属,强度高、耐蚀性好、耐热性高。根据加入的元素不同, 钛合金的属性也不同。主要应用于压气盘、静叶片、动叶片、机壳、燃烧室外壳等零件部位。2014 年我国生 产航空航天领域用钛销售量合计 4861 吨。

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3. 军用航空发动机市场空间测算

军用航空发动机主要包括新增市场和存量维护保养市场:

新增市场方面,我们分别假设未来十年我国新增各类型军机数量、发动机数量和单机价格。

存量维修和保养市场方面,航空发动机每运行一段时间(50-100 个小时)需要进行一次专检,检查易损件和承 力件以及油滤油泵的性能,飞行 600-1000 小时再进行一次大修,更换部分易损承力部件,一台发动机设计 寿命要比实际寿命小。一般航空发动机整个生命周期大修次数为 3 次左右,第一次大修周期约为 600 小时, 大修的间隔时间逐次递减,一般间隔时间是上一次的 80%。航空发动机后续维修和保养费用较高,我们维修 和保养费用价格为新机的 1.2 倍。

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我们预计未来十年军机航空发动机增量和存量市场分别为 335.1 亿美元和 402.12 亿美元,合计为 737.22 亿 美元,平均每年约为 516 亿元(假设美元对人民币汇率为 7)。

4. 相关企业分析

整个航空 发动机产 业链都 将随着 十四五 期间我 国主战机 型的放 量和航 空发动 机上先进 材料占 比的提 升而受 益,我们认为认为最 为受益的环节相 关公司包括,航 发动力(发动 机整机)、钢研 高纳(高温合 金龙头)、 图南股份(高温合金龙头)和中航重机(航空发动机锻造龙头)。我们重点跟踪的公司为:航发动力、钢研 高纳。

4.1 航发动力

国内航空发动机谱系最全,科研生产能力最强的企业。航发动力是国内大型航空发动机制造基地企业,国内 唯一的生产制造涡喷、涡扇、涡轴、涡桨、活塞全种类军用航空发动机的企业。公司主要业务分为三类:航 空发动机及衍生产品、外贸出口转包业务、非航空产品及其他业务。主要产品和服务有军民用航空发动机整 机及部件、民用航空发动机零部件出口、军民用燃气轮机、军民用航空发动机维修保障服务。目前已具备涵 盖航空发动机全寿命周期的设计、制造、总装、试车、维修整套技术和发动机综合服务保障能力,综合技术 水平国内领先。公司在叶轮、盘、轴、机匣加工、整体结构件、精密铸造、精密锻造等关键点上具备了国内 一流的制造能力。

航发动力将受益于 机型列装和国产替代等逻辑,产能释放和产 品交付有望走上正轨。航发动力的十四五逻辑 除了与中航沈飞、中直股份和中航飞机一样受益于若干主战机型放量以外,还将受益于国内现有飞机航发的 国产替代、现存军机航发的维修替换市场以及未来民机市场爆发的逻辑。产能和交付方面,对于需求方面市 场并没有过多的忧虑,而从供应端来看,市场一直在担忧公司的产能和交付问题,不过从我们对于发动机产 业链的调研情况来看,或许十四五的产能和交付问题相对于十三五来说会有显著改善,主要原因就是十四五 的任务保障被放到了非常重要的位置,同时如果公司自身产能受限,不排除或会通过军民融合来解决产能问 题,所以产能和交付的问题其实可以更加乐观。

未来的看点在于若 干型号定型和量产。 十四五期间主战机型的全状态版本、各种改型都会加快列装,对大推 涡扇、大涵道涡扇、中推涡扇、大功率涡轴都有强劲的需求,从研制时点来看,涡扇的三大型号和涡轴的一 大型号将在十四五期间定型,型号从定型到量产将令产业链上下游公司显著受益。公司在三季报中已经预测 2020 年全年将向中国航发系统内关联方销售商品、提供劳务的金额比年初计划数大幅提升 101.22%,关联 交易规模大幅超公司预期显示非计划需求大幅增加。

4.2 钢研高纳

高温合金龙头企业,航空航天 用高温合金产能超千吨。钢研高纳是国内航空航天用高温合金重要的生产基地, 国内电力工业用高温合金的重要供应商,从事航空航天材料中高温合金材料的研发、生产和销售。公司目前 是国内高端和新型高温合金制品生产规模最大的企业之一,拥有年生产超千吨航空航天用高温合金母合金的 能力以及航天发动机用精铸件的能力,在变形高温合金盘锻件和汽轮机叶片防护片等方面具有先进的生产技 术,具有制造先进航空发动机亟需的粉末高温合金和 ODS 合金的生产技术和能力。

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