全球航空发动机制造技术状况

全球航空发动机制造技术状况航空制造是制造业中高新技术最集中的领域，整个制造过程对材料、工艺、加工手段、试验测试等都有极高的要求，而航空发动机技术则是高新技术中的尖端代表。美国国家关键技术计划说明文件将航空发动机技术描绘成“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，长期数据和经验的积累，以及国家大量的投资。（一）航空发动机技术特点航空发动机的特点在于其工作状况复杂、制造要求高、研制周期长、研制费用高。表1航空发动机特点经过半个多世纪的发展，全球航空涡轮发动机技术取得了较大的进步：表2发动机性能特点国外的航空发动机制造已经达到了相当高的技术水平，其发展趋势主要体现在战斗机、运输机和直升机这三种类型的发动机上：表3三类涡轮发动机发展趋势战斗机发动机和运输机发动机在性能的要求上是各有不同的，战斗机发动机追求的是极限性能和高负荷；而运输机发动机则要求的是可靠性、经济性等指标。而越来越显著的特点就是高性价比则是军用和民用发动机都追求的目标。处于航空发动机技术前列的国家不断实施各种技术发展计划，推动着发动机各项性能的提高，在实施这些技术发展计划的过程中，不断涌现着新技术。这些新技术的趋势显示出高效和经济性是发动机未来发展方向。表4航空燃气涡轮发动机不断涌现的新技术#p#分页标题#e#（二）国内外航空发动机应用1、军用航空发动机国内外仍具有代差军用航空发动机整机研制生产的国家不多，这与航空发动机技术在各国之间市场化交流相对较少，处于较封闭的状态有关。为了战略考虑，一般各国战斗机所装配的发动机在各国国内或联盟内采购。表5国外主要军用战斗机发动机配套情况相比全球先进的发动机研制水平，我国的航空发动机研制水平仍然有较大差距。我国第3代战斗机发动机“太行”于2005年底通过设计定型，与美国第3代战斗机配置的F100发动机1973年10月定型的时间名义差距为32年，美国的第4代战斗机发动机已于2005年12月装备飞机，具备初始作战能力；第5代飞机已经试飞。表6航空发动机国内外的差距#p#分页标题#e#我国原有第一、二代战斗机所用发动机基本是仿制或改装研制生产，近几年来，我国发动机事业在过去50年的技术积累下取得了较大进展；目前我国第三代战斗机开始装备部队，对应的发动机原来采用的进口俄罗斯产品，但目前研制成功的太行发动机将实现第三代战机的国产化；用于配套高级教练机的岷山发动机、用于配套通用飞机的九寨发动机均在研制中；第四代战斗机已经在研制，还有舰载机等等，相配套的发动机也处于研制之中。表7我国主要军机和发动机配套情况秦岭发动机是中等推力（6-9吨）双转子加力式涡轮风扇发动机，是英国斯贝(SPEY)MK202发动机的国产衍生型，而MK202发动机曾经给60-70年代第2代战斗机—F-4“鬼怪”式战斗机配套。西航集团1975年12月通过中国技术进口总公司与英国罗尔斯·罗伊斯公司签订了专利许可权和生产合同进行引进，一开始采购英国材料、附件等进行装配，后来进行材料、附件等国产化，同时吸取了更多的先进技术对其进改进、提升性能，2003年开始批量生产。秦岭发动机主要给西飞集团的飞豹战斗机配套发动机，西航是秦岭发动机的主要部件生产和总装负责单位。飞豹战斗机，西飞80年代开始研制，1988年首飞，1994年开始量产，是我国第一个完全自行研制的超音速歼击轰炸机。该机主要装备海军航空兵，2000年后其改进型开始装备空军。飞豹战斗机需求较稳定。昆仑发动机是沈阳发动机设计研究所按照国军标自行研制的第一台具有全部知识产权的中等推力加力涡轮喷气发动机，80年代开始研制，经过259项严格考核，2002年7月通过国家设计定型，可以满足歼7、歼8改进型推力增大的需求。昆仑的研制标志着我国的航空发动机从测绘仿制、改进改型跨入了自行研制的新阶段。西航是昆仑发动机的协作单位，主要负责研制高压压气机单元体。以昆仑发动机为基础改型研制的中等功率的QD128燃气轮机，功率等级为120m千瓦，热效率约30%。首台QD128燃机和发电机组于1999年3月开始研制，首台QD128燃机和发电机组已交付中原油田安装调试。太行发动机是我国自主研制的大推力涡轮风扇发动机，为了配合歼10飞机的研制，我国80年代开始立项研制大推力涡扇发动机，05年底完成定型审查，目前已部分列装歼10、歼11。太行发动机的总装单位是中航工业下属单位，西航是主要协作单位之一。太行发动机的研制成功在中国航空发动机研制历史上是一次重要跨越，使中国跨入了第三代航空发动机研制国家的行列，在自主研制航空发动机方面，实现了从中等推力到大推力的跨越；从涡喷发动机到涡扇发动机的跨越；从第二代发动机到第三代发动机的跨越。由太行发动机衍生的船用燃气轮机还可以作为驱逐舰等大型水面舰只的主动力，为我国海军国产主站装备提供国产动力装置。表8各国发动机型号及性能2、民用航空发动机：国外企业垄断、国内企业起步全球民用航空发动机市场几乎全被国外GE、PW、RR及SNECMA等几大巨头或者是这几大巨头设立的一些合资公司所占领。这几大巨头同时也是全球除前苏联体系国家外军用飞机发动机的主要供应商。表9主要民用涡扇发动机及其制造商情况#p#分页标题#e#我国在军用发动机研制领域有了跨越式的进展，但在民用航空发动机领域则几乎是空白，甚至我国的新舟支线飞机以及自主在研的ARJ支线飞机目前也只能选择国外的发动机进行配套。表10我国生产的民用支线飞机发动机配置情况我国的民用飞机制造（主要是大型商用飞机）以中国商飞为总承单位，以中航工业集团为重要的协作单位，并向全球发包。我国目前尚无大型民用飞机产品，只有少量支线飞机。据悉，我国自主研发的80吨级的C919客机计划在2014年底至2015年年中首飞，投入市场将在2016年左右。对于民用发动机，中航工业集团下单独设立了中航商发公司。根据商发公司拟定的商用发动机发展规划中初定的时间表，预计第一批国产商用飞机的发动机在2016年取得适航证，这主要是与国产大飞机时间匹配。商发公司已经与CFM公司签订了C919客机项目推进系统协议，明确CFM公司将是C919集成推进系统（发动机、短舱、反推装置）的供应商，LEAP-X1C发动机将是对应的发动机型号，这款发动机同时也为空客A320neo飞机提供动力。LEAP研发项目目前正在顺利进行，并将按计划于2016年投入运营。图2我国民用航空制造业的基本框架在民用航空制造领域，由于航空产品系统性和复杂性，整机供应商和发动机供应商控制着核心的研发和集成环节，在众多的零部件制造环节则是执行着核心的标准在全球范围内广泛采购。目前空客有1,500多家供应商，分布在27个国家，波音的60％以上的零部件也都转包给其他供应商。全球航空制造业全部市场规模约为2,900亿美元，其中以波音和空客为代表的干线飞机市场规模约为780亿美元，每年的对外转包生产总额约有290亿美元，而这其中，日本每年要承担100亿美元转包生产额，韩国也有超过6亿美元的转包合同。GE、RR、PW等发动机制造寡头生产的民用航空发动机每年有70%以上的零部件依靠外部采购。我国航空发动机制造企业在整个民用航空发动机制造链中处于低端环节。图3航空发动机转包业务发展的不同阶段根据DMS（美国防务市场服务公司）的预测，2005-2008年仅发动机零部件转移生产的产值就达220-250亿美元，每年年均约60亿美元，预计未来10年，世界航空发动机零部件转移生产年均产值将达100亿美元。中国一直是未来也将继续是飞机和发动机的最大买家。虽然中国为国产商用大飞机C919设立了专门的商业发动机公司，但短期内我国尚无能力研制出能通过适航认证的民用大涵道比涡扇发动机，仅能参与航空发动机转包业务。2008年我国航空发动机零部件外贸转包生产约占全球市场份额的7%，近年来该比例有所上升，目前有近百种关键零部件被国外发动机公司确定为唯一的供应商。图4我国转包业务规模我国主要的航空发动机转包业务约有80%以上集中于中航工业集团内。表11国内主要航空发动机转包企业3、工业用燃气轮机应用广泛工业用燃气轮机与航空用燃气涡轮发动机基本原理相似，只是输出功率用途更加广泛。石油化工：包括油田、海上平台、气田的发电、增长、注水、注汽，我国已经开工的西气东输输气管线增压站需要2万千瓦等级燃气轮机作为压缩机的动力。已经完工的一线工程中所用到的燃机大多为GE、RR的产品。舰船、机车动力：美、英、俄等国的水面舰艇已基本上实现了燃气轮机化，现代化的坦克用燃气轮机为动力。我国舰船多用柴油机、蒸汽轮机等，所用的不多的燃气轮机也大多为进口。据了解，西方海军有各种舰只1300余艘，采用了3000余台燃气轮机作动力。我国舰船多用柴油机、蒸汽轮机等，所用不多的燃气轮机也大多为进口。但是舰船用燃汽轮机国产化率将会进一步提升，国产的燃机型号将越来越多的出现在我国的海军舰船上。据媒体报道，QC185、QC70、R010等燃气轮机已经陆续由中航工业集团推出，这标志着我国在装备国产舰用燃气轮机道路上迈出了关键一步。发电：发达国家燃气涡轮发动机用于地面燃机和航空用途的比例约为2：3，而这一比例仍在不断上升。与传统燃煤发电机组相比，燃气轮机发电机组具有供电效率高、投资低、建设周期短、占地面积小、用水节约、调峰性能和环保性能好等诸多优点，成为洁净燃煤发电技术中的关键技术，也是继蒸汽轮机后的主要动力装置。最近几年世界上新增加的发电机组中，燃气轮机及其联合循环机组在美国和西欧已占大多数，亚洲平均也已达36%。简单循环和联合循环燃机电站占世界发电机组的比重将呈现上升趋势。图5世界发电市场中简单循环和联合循环燃机电站比重变化趋势近几年，美国、日本、英国的燃气轮机市场规模年均增长均超过了15%。而我国2008-2010年燃气轮机行业年进口量均超过了8,000万千瓦，2011年进口量同比增长16%，预计2012年进口量还将同比增长17%。2010年，中航工业与中国海洋石油总公司签署战略合作协议，将在国产重型燃汽轮机及航改型燃气轮机领域开展全面战略合作，以填补中国燃气轮机领域的空白。中航工业发动机公司作出了“十年规划”——燃气轮机产业的产值于2015年将达到50亿元，2020年达100亿元。目前，全球燃气轮机设计和制造技术形成了高度垄断的格局，仅有GE、西门子/西屋、ABB、三菱等五六家企业掌握了重型燃气轮机的设计和制造技术，轻型燃气轮机则以GE、PW、RR三家为主导企业。我国重型燃气轮机制造主要以南京汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂、东方汽轮机厂、上海汽轮机厂、杭州汽轮机厂等为主要单位，并联合各科研院所单位进行；轻型燃气轮机的研制则集中在航空发动机制造单位，但总体上，研制技术水平与世界先进水平差距较大，主要的燃气轮机发电机组进口比重占90%以上。