两机专项背景下的航空发动机与燃气轮机行业分析

2019年1月19日23:01:37两机专项背景下的航空发动机与燃气轮机行业分析已关闭评论 137 views

作者 方正证券研究所所长  韩振国

内容摘自《大风起兮——两机专项背景下的航空发动机与燃气轮机行业分析》报告

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。

图表 1:航空燃气涡轮发动机的核心机(PW6000,配套空客 A318 飞机)

两机专项背景下的航空发动机与燃气轮机行业分析

资料来源:方正证券研究所

图表 2:航空燃气涡轮发动机的分类

类型 原理 优缺点 应用
涡轮喷气发动机(涡喷) 燃气发生器的可用功从尾喷管喷出产生推力。 耗油率高;推力大。 战斗机、运输机。
涡轮风扇发动机(涡扇) 由涡喷发展而来,组合了涡轮喷气和涡轮螺桨发动机的优点,有内外两个涵道。 耗油率低,推力大,噪声小。 战斗机、运输机、民航干线飞机。应用最广,技术发展逐渐取代涡喷。
涡轮螺桨发动机(涡桨) 燃气发生器的可用功大部分用于驱动螺桨产生拉力,小部分从尾喷管喷出产生推力。 低速下耗油率低于涡扇, 噪声,不适于高速飞行。 巡逻机、反潜机、民航支线飞机等中低速飞机。
涡轮轴发动机(涡轴) 燃气发生器的几乎全部可用功从动力涡轮轴输出,带动直升机旋翼和尾桨。 耗油率略高于涡桨,需要比涡桨更重更大的减速齿轮系。 直升机和垂直/短距起降飞机。

资料来源:《航空发动机原理》,方正证券研究所

图表 3:航空燃气涡轮发动机的分类原理图

两机专项背景下的航空发动机与燃气轮机行业分析

资料来源:《航空发动机原理》,方正证券研究所

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),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。

图表 4:第 1~4 代典型军用发动机

发动机类型

/装备时间

推重比

/涡轮前温度

生产商 典型型号 装备的典型

飞机

第 1 代 涡轮喷气发动机

40 年代末

 

3~4

1200~1300K

GE J57 F-86/F-100
RR/Kliov Nene/RD-45 米格-15
PW J42 F9F
第 2 代 加力涡轮喷气和涡轮风扇发动机

60 年代初

5~6

1400~1500K

GE J79 F-4/F-104
PW TF30 F-14
SNECMA M53-P2 幻影-F1
Tumansky R11 米格-21
Tumansky R29-300 米格-23
第 3 代 加力涡轮风扇发动机70 年代中 7.5~8

1600~1700K

PW F100 F-15/F-16
PW F110 F15
GE F404 F-18
RR RB199 狂风
Klimov RD-33 米格-29
Saturn AL31F 苏-27
SNECMA M88-2 幻影-2000
第 4 代 高推重比涡轮风扇发动机2005 年 9.5~10

1850~2000K

PW F119 F-22
PW F135 F-35
RR EJ200 台风

资料来源:《航空史研究》,方正证券研究所  

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。

图表 5:典型的民用发动机

发动机型号 推力(磅) 装备飞机
GE

1941 年进入航空发动机制造领域,依靠 CF6 系列发动机及合资 CFMI 生产的CFM56 系列发动机两款非常成功的发动机奠定了其在航空发动机制造领域的领先地位。

CF6 40000-72000 A300、A330,B767、B747,DC10
CF34 9200-20000 CRJ100/200/700 、 CL601/604 、E-Jets、Drni r728、ARJ21
GE90 74000-115000 B777
Genx 53000-75000 B787、747-Advanced、A350
RB211-524 50000-63000 B747、B767-300、L-1011
RB211-535 37400-43100 B757、TU-204
RR

世界第二大民用航空发动机公司和世界第二国防航空发动机公司,全球船用燃气轮机和电力燃气轮机的主要供应商。

Trent 700 67500-71000 A330
Trent 800 75000-95000 B777
Trent 500 53000-56000 A340-500/600
Trent 900 70000-76500 A380
Trent 1000 53000-75000 B787
BR700 14000-23000 G500、G550、Global7000、B717
JT3 13000 B707、DC-8
JT8D 14000-17400 B727、B737-1/200、DC-9
JT8D-200 18500-21000 MD-90
PW

隶属于美国联合技术公司,世界大型民用涡轮发动机的主要制造商,集飞机发动机、燃气涡轮和航天推进系统的设计、制造和支援为一体。

JT9D 48000-56000 A300、A310、B767、B747、DC10
PW2000 37250-43000 B757、IL-96
PW4000-94 52000-62000 B747-400、B767-200/300、MD-11、A300-600、A310-300
PW4000-100 64500-73000 A330
PW4000-112 85000-98000 B777
PW6000 18000-24000 A318
PW8000 25000-35000
CFM

GE 和 SNECMA 持股各半于 1974 年联合组成的合资公司,负责 CFM56 涡扇发动机的合作研制、生产和销售。

CFM56-3 18500-23500 B737-300/400/500
CFM56-5 22000-34000 A320、A340-200/300
CFM56-7 18500-27300 B737
IAE

PW、RR、JAEC(日本)和 MTU(德国) 于 1983 年合资成立。

V2500 20000-33000  A319、A320、A321、ARJ、MD-90
Engine Alliance

GE、PW 持股各半于 1996 年成立,开发新一代超大型(450 座以上)宽体长航线客机发动机。

 

GP7000

70000-80000 A380

资料来源:《世界飞机手册》,方正证券研究所 

图表 6:世界民用航空发动机主要生产商产量 图表 7:波音、空客航空发动机市场份额
 两机专项背景下的航空发动机与燃气轮机行业分析
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资料来源:《飞行国际》,方正证券研究所 资料来源:《飞行国际》,方正证券研究所

 图表 8:民用航空发动机发展路线图

 两机专项背景下的航空发动机与燃气轮机行业分析

资料来源:方正证券研究所 

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。

图表 9:美国的航空发动机预研计划

时间 发动机预研发展计划 经费/美元 参与单位
50 年代 航空推进技术探索发展计划 —— 美国军方
70~80 年代 先进战术战斗机发动机计划(ATFE) —— 美国军方
先 进 涡 轮 发 动 机燃 气发 生 器 计划(ATEGG) 3000 万/年
飞机推进分系统综合计划(APSI) ——
70 年代 发动机部件改进计划 —— NASA
高效节能发动机计划(E3) ——
先进螺旋桨计划(APT) ——
发动机热端部件技术计划(HOST) ——
1988-2005 高性能发动机综合技术(IHPTET) 50 亿 国防部高级计划研究局(DAPAR)、陆军、海军、空军、NASA 和七家航空发动机公司
2006-2017 先进涡轮发动机计划(VAATE) 37 亿 DAPAR、国防部办公室(OSD)、陆军、海军、空军、NASA、能源部(DOE) 和六家航空发动机公司,三家飞机制造商

资料来源:《燃气涡轮试验与研究》,方正证券研究所

 图表 10:美国航空发动机研究计划路线图 

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资料来源:方正证券研究所  

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。

图表 11:我国研制的航空发动机型号

发动机类型 发动机型号 飞机型号 生产厂
涡喷发动机 涡喷-5 米格-15、歼-5 沈阳航空发动机厂
涡喷-6 歼-6/强-5 沈阳航空发动机厂
涡喷-7 歼-7/歼-8 沈阳航空发动机厂
涡喷-8 轰-6 西安航空发动机厂
涡喷-11 侦-5/无人机 北京航空航天大学
涡喷-13 歼-7E/D/歼-8 贵发所/贵州黎阳/成都发动机厂
涡喷-14(昆仑) 歼-8H/F/G 系列 沈阳航空发动机厂
涡扇发动机 涡扇-6 未投产 606 所
涡扇-8 运-1 成都发动机厂/上海发动机厂
涡扇-9(秦岭) 歼轰 7(飞豹) 西安航空发动机厂
涡扇-10(太行) 歼-10/歼-11 606 所/沈阳航空发动机厂/西安航空发动机厂
涡扇-11 K-8 教练机 南方航空动力机械公司
涡桨发动机 涡桨-5 运-7/水轰-5 东安发动机公司
涡桨-6 运-8 /安-12 南方航空动力机械公司
涡桨-9 运-12 608 所/南方航空动力机械公司
涡轴发动机 涡轴-5 直-6 东安发动机公司
涡轴-6 直-8 常州兰翔机械总厂
涡轴-8 直-9/直-10 608 所

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

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。

图表 12:未来 10 年我国军用航空发动机市场规模估算

机型 数量/架 平均价格/亿元 价值/亿元 发动机价值/亿元
战斗机 1200 4 4800 1440
轰炸机 150 6 900 270
运输机/特种机 400 5 2000 600
直升机 2000 1 2000 600
教练机 300 1 300 90
无人机 300 2 600 180
合计 4350 - 10600 3180

资料来源:方正证券研究所

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。

综合以上分析,未来 10 年我国军机及民航飞机对应的航空发动机市场规模合计每年将达 900 亿人民币,市场空间极为广阔。

2  燃气轮机行业分析 

2.1 燃气轮机概述 

燃气轮机的基本结构与航空燃气涡轮发动机相当类似,也是由压气机、燃烧室和涡轮(又称燃气透平)等组成,主要的区别在于燃气轮机是将燃气发生器的可用功输出为转子的扭矩。

燃气轮机按照体量及功率大小可分为重型燃气轮机及轻型燃气轮机。重型燃气轮机主要用于满足发电领域城市公用电网的需要,轻型燃气轮机可用于舰船及机车、坦克等特种车辆的动力,原油与天然气的长距离输送,分布式发电以及油气开采、冶金鼓风等工业驱动领域。

图表 13:燃气轮机的分类及应用方向

两机专项背景下的航空发动机与燃气轮机行业分析

资料来源:方正证券研究所

燃气轮机按涡轮前温度还可以大致分类为:900℃的 A 级、1000℃ 的 B 级、1100℃的 C 级、1200℃级的 D 型(如:M701D),1300℃级的E 型,1400℃级的 F 型(如:M501F/M701F),采用回收型蒸汽冷却燃烧器、进口温度 1500℃级的 G 型以及在此基础上还开发出 1500℃级的 H 型(如:M701H)。

图表 14:燃气轮机按涡轮前温度的分类

级别 A 级 B 级 C 级 D 级 E 级 F 级 G 级 H 级
进口温度 900℃ 1000℃ 1100℃ 1200℃ 1300℃ 1400℃ 1500℃ 1500℃

资料来源:《轻型燃气轮机研制可行性调研报告书》,方正证券研究所 

2.2 燃气轮机发展概述 

2.2.1 燃气轮机的应用 

燃气轮机从 60 年代开始应用军用于水面舰船和城市发电;70 代年末期开始应用于美国主战坦克;80 年代以来开始应用于高速客轮、高速船、石油、石化、化工等领域。在发电行业,基本负荷发电以大功率重型燃气轮机为主,调峰发电以由航空发动机改型生产的轻型燃气轮机(航改燃气轮机)为主。燃气轮机在美国、西欧等发电机组中应用已十分广泛,相关资料显示,在 2007 年新建电站中,美国比例高达 82.6%,西欧高达 78.5%,亚洲为 36%,南美地区较低,为 18.4%。中国目前火电、水电较多,燃气轮机发电以调峰为主,只占 4%。

在水面舰船领域,燃气轮机是国外现代大、中型水面舰艇和高性能舰船的主要动力装置。据 1981~2008 年国外舰船动力装置统计,3/4 的水面舰船采用了燃气轮机(含柴-燃联合)。在天然气管输领域, 燃气轮机(一般为采用高速动力涡轮的航改燃气轮机)几乎无一例外被采用。在战车动力装置上,燃气轮机由于功率密度大、机动性好等优势,在美国和俄罗斯等国家作为特种动力装置得到大量使用。目前, 美、俄装备坦克燃气轮机的总数已达 14600 多台,占第 2、3 代坦克总量的 49%。

2.2.2 世界燃气轮机主要厂商及产品 

目前,世界上只有美、英、俄、德、法、日等少数国家具备独立研制先进燃气轮机的能力。这些国家借助技术优势和综合国力,开发了从几十千瓦到几十万千瓦的不同功率档次的燃气轮机,并将其广泛应用于军民领域。燃气轮机主要采用“轻型燃气轮机由成熟航空发动机改型研制,重型燃气轮机移植航空发动机技术研制”的发展途径进行大力开发和应用。

2.2.2.1  轻型燃气轮机厂商及产品

为了满足市场需求,世界主要航空发动机公司罗尔斯.罗伊斯(RR)、通用电气(GE)、普拉特.惠特尼(P&W)等由航空发动机改型研制了 3 代轻型燃气轮机,采用航空发动机积累的各种新技术、新材料及新设计,吸取前期航改燃气轮机的使用经验,收到了投资少、周期短、见效快、效率高、经济性好、可靠性高、使用维护方便的效果。

图表 15:典型航改燃气轮机的性能参数

厂商 型号 原型机 总压比 涡轮前温度/℃ 功率/MW 效率
第1代 RR 工业Avon Avonl534 17.0 28.2
RR 工业Olympus Olympus201 10.4 1060 23.5~28.4 28.8
PW FT3 J57 8.6~14.3
PW FT4 J75 14.0 1079 13.5 32.4
GE LMl500 J79 12.5
第2代 RR 工业

RB21l

RB211 21.0 1130 27.4 36.0
GE LM2500 TF39/CF6-6 19.2 1230 12.4~25.1 37.6
GE LM5000 CF6-50 26.0 1175 41.0 37.8
GE LMl600 F404 22.0 1240 13.8~14.9 37.2
PW FT8 JT8D-219 20.0 1160 24.8~26.1 39.0
GE LM2500+ LM2500 改进型 19.2 27.6~29.0 38.0
索洛维耶夫设计局 GTU-12P PS-90A 1130 12.0 34.5
索洛维耶夫设计局 GTU-16P PS-90A 1130 16.0 37.0
留里卡-土星科研生产联合体 AL31-STE AL-31F 16.0 36.5
第3代 GE LM6000 CF6-80C2 45.0 40.4
RR 工业Trent Trent 55.0 41.6
PW FT4000 PW4000 45.0 41.0
GE 工业GE90AD GE90 50.0 42.0
RR WR-21 RB211/Trent 25.3 42.0

资料来源:《航空发动机》,方正证券研究所

2.2.2.2 重型燃气轮机厂商及产品

重型燃气轮机主要由三菱重工(MHI)、GE、西门子(Siemens-WH)、阿尔斯通(Alstom-ABB)等公司开发,近年来发展迅速。

图表 16:典型的先进重型燃气轮机的性能参数

厂商 型号 投产年份 总压比 涡轮前温度/℃ 简单循环 联合循环
功率/MW 效率/% 功率/MW 效率/%
GE MS-9001E 1979 12.3 1124 123 31.4 189 52.0
GE MS-9001F 1991~1992 15.0 1288 226 36.0 340 55.3
GE MS-9001G 1995 23.0 1430 282 39.5 420 58.2
GE MS-9001H 1997~1998 23.0 1430 480 60.0
WH/MHI 701D 1981 14.7 1100 134 35.0 197 49.4
WH/MHI 701F 1992 15.6 1288 235 36.7 356 55.1
WH/MHI 701G2 1999 21.0 1430 308 39.0 454 58.2
WH/MHI ATS 2000 350 43.0 505 60.0
Simens V94-2 1981 21.9 1100 154 34.5 238 52.1
Simens V94-3A 1995 16.6 240 35.4 354 57.0
ABB GT-26 1994 30.0 241 37.9 360 58.5
MHI M501G 1995 20.0 267 39.1 399 58.4
MHI M501J 2011 23.0 1600 320 >40.0 460 61.0

资料来源:《航空发动机》,方正证券研究所 

2.3 燃气轮机产业的发展特点 

燃气轮机属于技术、资金、人才密集领域,是研发周期长、生命周期长的战略产业。长期以来,世界发达国家一直把燃气轮机作为战略性产业,投入巨资研制和开发燃气轮机新产品、新技术,改善和提高燃气轮机的性能,极大地促进了燃气轮机产业的发展。西方发达国家为保持其燃气轮机技术优势,并在市场竞争中始终处于领先,都制定了燃气轮机的专项发展计划,如美国的 ATS 计划(先进透平系统计划)和 CAGT 计划(联合循环燃气轮机计划)、欧共体的 EC-ATS 计划、日本的“新日光”计划和“煤气化联合循环动力系统”等。这些计划的实施,极大推动了燃气轮机先进技术的研究和应用,为新型燃气轮机的研制储备了技术,对其保持世界领先的地位和优势起到了决定性作用。

图表 17:国外燃气轮机研究计划

名称 国家或组织 研究目标 研究内容
先进燃气轮机系统

(ATS)计划

美国、英国 透平初温:1427℃;系统效率:60%;污染排放:NO <9×10-6,CO<10×10-6。 提取燃气、天然气燃料研究。
Mercury50 燃气轮机燃烧系统先进材料计划(2000~2006) 美国 提高耐久性;降低全寿命费用;维持个位数的排放物标准。 热障涂层(TBC)、氧化扩散强化(ODS)合金、带热障涂层的 CFCC火焰筒。
欧盟先进燃气轮机系统(EC-ATS)计划 欧盟 简单循环效率为 40% ; 联合循环效率>60%。 与 ATS 计划第 1、2 阶段的相仿。
联合的先进航空发动机改型燃气轮机计划

(CAGT)

欧盟 中间冷却循环效率达 45%~46%;湿空气涡轮循环效率可达 61%~63%;功率达 200MW。 中间冷却(ICAD)和湿空气涡轮循环(HAT)。
清洁高效燃气轮机计划(2000~2003) 欧盟 联合循环/先进循环效率>65%;可行性>90%;中期可靠性 95%,长期可靠性97%;NO 排放<25×10-6。 叶轮机技术、先进燃烧技术、先进材料和先进循环。
超级舰船燃气轮机计划( SMGT )( 1997 ~2005)  

日本

NOx 排放低于 1g/KWh(只相当于高速柴油机的 1/10);热效率达到 38%~40%;能使用 A 型重油。 干低 NOx 排放燃烧室、板翅式回热器、高效冷却转子叶片、高效率动力涡轮、防腐涂层。

资料来源:《航空发动机》,方正证券研究所 

2.4 我国燃气轮机的发展 

2.4.1 我国燃气轮机发展现状 

中国燃气轮机工业按苏联模式建立,分属机械、航空、船舶等工业部门,总的来说可以概括为:起步不晚但进展不快,机型不少但市场份额不大。由于长期缺乏统筹规划,资金投入匮乏,预先研究不足, 技术基础薄弱。纵观燃气轮机的发展史,中国始终没有确立坚定地走自主研制的发展道路。

图表 18:中国发展的燃气轮机分类

分类 研制单位 型号 特点/应用情况
早期航机改工业燃机 南方+608 所、黎明、东安、兰翔 以国产航空发动机(如 P6G、WJ5G、WJ6G、WZ6G 等)为基础,派生研制了 6 种 10 多型燃气轮机。 热效率低、功率小,未能占领国内市场。
专利生产航机改工业燃机 西航 罗罗公司 Spey MK202 涡扇发动机改为舰用 Marine 401A 燃气轮机。 经过鉴定,没有使用。
中船重工 703 所、哈电、西航 乌克兰“ 机械设计科研生产联合体”GT25000 舰船燃气轮机整机及生产制造技术许可,已完成国产化型号 QC280 并装备大型驱逐舰。 GT25000 舰用燃机仿制成功将大大提高舰用动力水平,初步解决了中国大档功率燃气轮机的有无问题。但是其技术起点不高,仅能解决燃眉之急。
合作生产燃机 成发、哈电(哈汽轮)、东方电气、上海电气、南京汽轮电机集团 FT-8 轻型燃气轮机(RR)、MS6001重型燃气轮机(GE)、M701F(三菱)、V94.3A 机(西门子)、109FA(GE)、MS9001E(GE)。 市场被国外公司产品占领,但没能引进设计技术和关键的制造技术,仍然受制于人。
正在改进中的航机改燃机 606 所、黎明 QD70、QD70A 燃气轮机发电组(太行涡扇发动机核心机改)。 在中原油田发电,累计运行超过 3000h。
606 所、黎明、中航燃机动力公司(中航重机) QD128 燃气轮机发电组(昆仑涡扇发动机核心机改)。 在中原油田和大庆油田并网发电,累计运行超过 15000h。
 

606 所、黎明

QC185 舰船燃气轮机,QD185 燃气轮机发电组(太行涡扇发动机核心机改)。 QD185 于 2010 年底完成调试, 具备发电能力。
863 燃气轮机专项燃机 中船重工 703 所、黎明与 606 所、清华大学、中科院工程热物理研究所、上海交大 110 MW 级 R0110 重型燃气轮机。 “十五”863 重大专项重型燃气轮机课题。目前已在中海油深圳电力累计并网发电 1000 小时,完成发电长试目标,尚未进入市场。
东安、中科院工程热物理研究所、西安交大 100KW 级WDR100 微型燃气轮机发电机组 “十五”863 重大专项微型燃气轮机课题。希望达到国际2000 年水平并获得产业化发

展。

资料来源:方正证券研究所

根据发展阶段和途径,中国的燃气轮机可以分为 5 大类,包括早期航机改工业燃机、专利生产航机改工业燃机、合作生产燃机、正在改进中的航机改燃机及 863 专项燃机。我国燃气轮机同国际先进水平相比仍存在很大差距,尚未形成真正的产业。

我国燃气轮机领域主要的研制力量分别来自中国航发、船舶、机械等工业部门和科研院所。

图表 19:我国燃气轮机发展的主要研制生产单位

工业部门 厂所
中国航发 中航动力(黎明集团、西航集团、南方集团、黎阳集团)、606 所、608 所、东安发动机、兰翔机械厂
船舶 中船重工 703 所
机械 东方汽轮机(东方电气)、哈尔滨汽轮机(哈尔滨电气)、上海电气、南京汽轮电机集团
中科院 工程热物理研究所
高校 清华大学、北航、上海交大、西安交大、东南大学、哈工大、哈工程

资料来源:方正证券研究所

2.4.1.1 我国的重型燃气轮机产业

在重型燃机领域,2001~2007 年,我国以三次“打捆招标、市场换技术的方式”,引进 GE、MHI、Siemens 公司的 F/E 级重型燃气轮机50 余套共 2000 万千瓦,由哈气-GE、东气-MHI、上汽-Siemens、南汽-GE 四个联合生产体实行国产化制造,目前国产化率近 70%,外方坚持不转让燃气轮机任何设计技术、热端部件制造技术,更不可能转让先进级(G/H 级)燃气轮机的任何技术。在重型燃机的产业链中,我们依然处在的制造环节,缺乏自主研发能力。

目前在我国气电设备市场,竞争格局是典型的 3 加 1,即上海电气、东方电气、哈尔滨电气外加南京汽轮机电机。四家公司又在市场换技术的政策下各自与一家外资公司捆绑招标,其中上海电气结对西门子,东方电气结对三菱,哈电与南汽则与 GE 合作。从下表统计可以得知,截止 2010 年底,在已生产的燃气轮机中,F 级燃气机哈电具有较大优势,上海电气与东方电气份额相当;在E 级气机方面,上海电气则比重最大。

图表 20:E 级、F 级燃气轮机市场竞争格局

两机专项背景下的航空发动机与燃气轮机行业分析

资料来源:《中国燃气轮机电站目录》

2.4.1.2 我国的舰用燃气轮机

由于民用舰船对航速、噪声要求低,对经济性要求高,95%以上的民用舰船仍然使用柴油机动力。军舰是轻型燃气轮机的重要应用方向。在军舰动力方案选择上,燃气轮机的主要竞争对手是柴油机和蒸汽轮机,但是由于燃气轮机先天优势与军舰动力系统性能要求更为吻合,燃气轮机成为了各国军舰动力系统发展的首要选择。

燃气轮机第一个优势是功率密度极大。一般情况下,同等功率的燃机体积是柴油机的 1/3~1/5,是蒸汽轮机的 1/5~1/10 左右。这是由燃气轮机本身精巧的连续转动热力学循环结构决定的。燃气轮机体积小、功率大,非常适合军舰分舱小、航速要求高的特点。

燃气轮机的第二个优势是启动速度快。虽然燃机的转速是三种动力系统中最高的,但是由于整个转子十分轻巧,在启动机帮助下在 1~2 分钟就可以达到最高转速。而柴油机由于转子运动源于活塞的往复, 加速较慢,蒸汽轮机更是“反应迟钝”,而启动速度对于军舰的作战性能有着直接的影响。

燃气轮机第三个优势是噪声低频分量很低。由于燃气轮机本身处于高速稳定转动当中,产生的噪声更多是高频啸声。而柴油机的活塞往复产生了大量低频机械振动噪声,恰好迎合了海洋容易传播低频噪声的特点,导致军舰容易被敌方声纳探测。所以柴油机动力尤为不适合给反潜军舰作动力系统。

舰艇燃气轮机动力的必然趋势。老牌海军强国如美国、英国、日本海上自卫队的主力水面作战舰只早已完成动力燃气轮机化。而蒸汽轮机因为启动慢,提速慢加上体积庞大,维修困难已经基本落伍。

1967 年我国首次进行“航改燃”实践,我国决定将轰六轰炸机上的涡喷 8 发动机改进为大功率舰载燃气轮机,但是最终因为美国同意出口 LM2500 舰用燃机受到冲击无果而终。后来我国一直在舰用燃机方面不断尝试,但是一直没能拿出一款成熟可靠、性能优良的产品。我国军舰动力燃气轮机化率远低于老牌海军强国。目前主力护卫舰采用柴油机动力,主力驱逐舰逐渐采用柴燃混合动力,其中 052C 驱逐舰动力选用乌克兰许可生产的 GT25000 燃气轮机,最新服役的 052D 驱逐舰采用其国产化型号 QC280。

图表 21:中国航改燃气轮机

公司 型号 原型机 研制/投产年

功率KW 效率

/%

压比 Tn/℃ 应用
南方 WJ6G1/G1AGIT WJ6 1974/1975 2130 20.9 7.45 712 发电、机械驱动
WJ6G2G2A/409 WJ6 1974/1979 2060、

2070

20.9、

21.4

 

7.45

679、

737

发电、机械驱动、舰

WJ6G/G4B WJ6 1984/1990 2955 23.1 7.77 813 发电、机械驱动、舰

WJ6G4A WJ6G4 改型 1982/1992 2955 22.4 7.70 819 发电、机械驱动
黎明 WP6G1 WP6 1979/1982 4100 19.0 6.76 737 发电、机械驱动
WP6G1A WP6 1979/1982 4800 20.0 6.76 767 发电、机械驱动
东安 WJ5G1 WJ5 1978/1980 1404 19.9 7.10 727 发电、机械驱动
WJ5AIG1 WJ5A1 1987/1990 1750 21.6 7.40 858 发电、机械驱动
WJ5AIG2 WJ5A1 1988/1991 1750 21.0 6.80 827 发电、机械驱动
兰翔 WZ6G WZ6 1986 750 20.0 5.00 837 发电、机械驱动
动力所、黎明等 QD70A 太行 2006 7650 31.0 12.50 发电、机械驱动
QD128 昆仑 2002 12000 28.0 13.00 发电、机械驱动
QD185 太行 2010 18500 38.0 27.00 发电、机械驱动
R0110 新研 2008 114500 36.0 14.80 发电

资料来源:《航空发动机》,方正证券研究所

图表 22:我国主力军舰动力

054A 导弹护卫舰 056 导弹护卫舰 052C 导弹驱逐舰 052D 导弹驱逐舰
柴柴联合(CODAD) 柴柴联合(CODAD) 柴-燃交替(CODOG) 燃气轮机×2柴油机×2 柴-燃交替(CODOG) 燃气轮机×2柴油机×2

资料来源:百度百科,方正证券研究所 

2.4.2 我国燃气轮机发展落后的原因 

我国在舰载燃气轮机方面一直没能突破技术瓶颈的原因有有舰用燃机工业本身的体制问题,更最主要的一个原因是我国航空动力工业的落后。发达国家的燃气轮机主要采用“轻型燃气轮机由成熟航空发动机改型研制,重型燃气轮机移植航空发动机技术研制”的发展途径。航空发动机研制没能突破相关技术瓶颈,与航空发动机技术相通的舰用燃机更是无从谈起。

2.4.3 国内燃气轮机的市场前景广阔 

从市场容量看,我国新世纪四大工程中“西气东输”、“西电东送”、“南水北调”等三大工程均需要大量 30 兆瓦级工业型燃气轮机,同时我国舰船制造业的健康快速发展需要大量 30 兆瓦级舰船燃气轮机, 我国已成为世界最大的燃气轮机潜在市场。

随着中国能源需求迅猛增长以及天然气资源进入大规模开发利用阶段,燃气轮机正在形成一个“爆发性增长”的市场。到 2020 年,全国燃气轮机联合循环装机容量将达到 5500 万千瓦,是 2000 年之前50 年已建成同类装机容量的 25 倍。保守估计,仅中石油一家,每年需要的燃气轮机价值就达到了 30 亿元。2015 年,国内燃气轮机的市场容量达 300 亿元,而国际市场容量则达 2700 亿元。

2.4.3.1 我国燃气轮机的发展迫切需要政策支持

目前,中国燃气轮机产业尚缺乏按照近期、中期及远期的需求而制定的统筹部署的、按阶段自主发展的发展规划。相应地,对军民燃气轮机的投入、特别是预先研究阶段的投入非常少。在“十五”、“十一五”期间,唯一值得一提的是 2002 年 7 月国家科技部启动的 863 计划“燃气轮机专项”。但这个专项主要的研制方向在重型燃气轮机(R0110)和微型燃气轮机,主要满足我国未来能源发展的重大核心装备。其中重型燃气轮机项目预算 5 亿,微型燃气轮机预算 3000 万。这一数字相比发达国家的投入及燃气轮机的研究工作是微不足道的。

图表 23:我国燃气轮机部分发展计划

两机专项背景下的航空发动机与燃气轮机行业分析

资料来源:方正证券研究所

当前燃气轮机的发展遵循市场经济规律,市场需要成熟产品。在这种情况下,如果没有国家的政策支持,以纯粹市场模式与资金雄厚、先于中国发展几十年的国外大公司同台竞争,中国的自主品牌成长为有竞争力的产品的艰难性和周期是可想而知的。

3   燃气轮机与航空发动机的发展关系 

航空发动机和燃气轮机工作原理基本相同,其核心技术也有相似之处。由于用途不同,两者在工作环境、运行规律、燃料种类、污染排放指标、使用寿命等方面有所区别,导致两者关键技术研究侧重点不同。航空发动机追求先进气动热力设计、高热力循环参数;追求高推重比、高功重比;追求矢量推力技术、隐身技术、高机动下的工作稳定性技术;需要考虑防冰冻、防鸟撞、防雷击等。燃气轮机追求高热效率、低成本、耐久性、高可靠性、长寿命设计技术;追求先进燃气/蒸汽联合循环、间冷、回热、再热等复杂的热力循环技术,提高循环热效率。

以罗罗公司的燃气轮机 MT80(目前世界上可用功率最大的舰用燃气轮机,应用于伊丽莎白女王号航母等大型军舰)与航空发动机Trent800(应用于波音 777 客机)为例,MT80 在 Trent800 的基础上研制,二者的通用件高达 80%。

可以说,航空发动机是燃气轮机技术的基础,燃气轮机是航空发动机技术的延续。

图表 24:航空发动机与其改型燃气轮机结构对比

两机专项背景下的航空发动机与燃气轮机行业分析

资料来源:方正证券研究所

 

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