专栏名称: 招商军工研究
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【招商军工|深度报告】航空发动机专题深度报告:中国航发无可替代,砥砺多年终迎腾飞

招商军工研究  · 公众号  ·  · 2020-03-10 16:28

正文

重要观点

1、 民用航空发动机年市场空间超 1400 亿美金。 据日本航空发展公司预测, 2019 年至 2038 年期间售出的发动机总数将为 87,685 台,市场总价值将达到 1.36 万亿美元,年均 680 亿美元。如再考虑发动机维修后市场,预计民用航空发动机市场年均近 1400 亿美金。目前民用航空市场寡头垄断的格局明显,其中 GE、P&W、RR、CFM 国际、IAE、EA 是民用航空发动机市场上最主要的参与者。2016 年,航发集团正式成立,下属中国商发研制的 CJ-1000A 发动机是我国第一款商用航空发动机,设计定位对标 Leap 系列发动机,未来将成为 C919 换装发动机的首选,坐拥广阔市场空间


2、 全球军用航空发动机整机采购支出超 100 亿美金,预计未来十年我国军用发动机总市场空间年均 726 亿人民币。 据国际市场咨询公司 GlobalData 数据,预计到 2018 年,全球用于军用航空发动机的采购达 108 亿美元。对比美国等世界一流空军,我国航空装备存在明显缺口。预计未来十年我国军用航空发动机新增设备市场空间在 330 亿人民币,发动机维修市场 396 亿人民币,合计 726 亿。未来随着新型航空发动机的成熟以及产能提升,行业进入收获期。我国军用航空发动机的总量增长、国产替代、维修市场,三者将为我国航空发动机产业提供巨大的市场空间。


3、 航空发动机产业链格局稳定,关注总装及材料领域。 航空发动机是一个进入门槛极高的行业,格局稳定,逐步形成了主承包商-供应商发展模式。航发集团是我国航空发动机研制的核心,产品涵盖全部类型,基本垄断了国产军/民用飞机市场,但目前在收入规模上较国外仍有较大差距,商业航空发动机仍属空白,维修后市场收入占比不高,同时在经营效率上亦有待提升。另外,行业具有“一代新材料,一代新型发动机”的特点,材料领域有望先行成长。


4 投资建议: 我们认为,国家发展国产航空发动机的决心明确。2016 年航发集团正式成立,2017 年我国两机专项正式实施,同时以航发资产、惠华基金为代表的国家资本积极向产业链投资,有效促进了航空发动机的研发进程。目前我国第三代军用发动机逐步成熟,新型发动机进入攻关阶段。而我国民用航空发动机坐拥全球最大民航市场,未来发展潜力巨大。建议关注:1、具备垄断地位的航发集团下属上市公司如:航发动力,航发控制、航发科技;2、借助军民融合推进,成长速度快的零部件供应商以及具有高壁垒的材料供应商,重点关注:三角防务、钢研高纳,宝钛股份,西部超导,万泽股份,应流股份等。3)发动机后市场服务未来将随存量打开,重点关注:航新科技、铂力特。

风险 提示 重大专项扶持力度低于预期;重点型号研制进度滞后。


核心观点


1、 未来 10 年,我国军用航空发动机市场空间年均 726 亿人民币。

从我国军费数据,国防白皮书数据出发,参照美国军费使用结构,我们自上而下测算得出:2019 年,,我国军费中装备费约为 3927 亿左右,用于航空装备的采购费用约为 1276 亿,航空发动机采购市场为 319 亿人民币。

从另一个角度,如我们自下而上,通过预测未来 10 年我国对各型飞机及其配套航空发动机的市场需求来进行预测,预计未来十年中国军用发动机新增设备市场容量约为 498 亿美元,对应年均 340 亿人民币,与自上而下预测数据基本批量,平均后则年均市场空间为 330 亿人民币。再考虑到发动机维修市场 396 亿人民币,预计我国军用航空发动机市场空间年均 726 亿人民币


2、 总量增长、国产替代、发动机后市场,三者为行业核心驱动因子。

2018 年,我国主要的航空发动机供应商航发动力实现收入 231 亿,如剔除外贸转包等业务,其核心航空发动机产品收入 197 亿。对比我国军用发动机总市场空间,预计目前我国航空发动机的国产化率仍有较大提升空间。另外,虽然由于其他航空发动机维修厂的数据不可得,但仅从航发动力的情况来看,目前我国航空发动机的维修能力也存在不足。未来随着新型航空发动机的成熟,以及产能提升,军用市场:我国军用航空发动机的总量增长,国产替代,以及维修市场,三者将为我国航空发动机产业提供巨大的市场空间。民品市场:目前处于发展初期,具有大量空白等待填补。


3、 国家投资力度不断加大,助力国产发动机技术突破 。

2016 年航发集团正式成立,2017 年我国两机专项正式实施,同时以航发资产、惠华基金为代表的国家资本积极向产业链投资,有效促进了航空发动机的研发进程。


4、 航发集团是我国航空发动机研制的核心,仍有较大提升空间 。

航发集团产品谱系基本实现全覆盖,在国内处于垄断地位,是产业链的核心。下属三家上市公司,其中航发动力拥有四大主机厂,是我国发动机事业的行业龙头,但相较国外龙头,航发动力在规模上有明显差距。


在收入构成上,国外行业龙头的下游客户均以民品收入,军品收入仅占到总收入的 20-30%。发动机整机收入与后续的维修服务收入大致相当。但我国民用航空发动机市场还是一片空白等待开拓。同时目前军品生产任务繁重,维修服务能力研制不足。


从盈利能力上看,航发动力相较国外龙头,在毛利率上相差不大,但在营业利润率上长期偏低。航发动力在人均产值、资产周转率上明显偏低,,我们认为,国内企业在经营效率上仍有提升空间。


5、 一代新材料,一代新型发动机,材料领域有望先行成长。

在航空发动机研制过程中,设计是主导,材料是基础,制造是保障,试验是关键。发动机性能的改进一半靠材料。据预测,新材料、新工艺和新结构对推重比 12〜15 一级发动机的贡献率将达到 50%以上,从未来发展来看,甚至可占约 2/3。随着现代航空工业对航空发动机的性能要求越来越高,对高端新材料的需求也将更加旺盛。作为行业上游领域,看好行业景气度在航空发动机用相关材料领域的先行反应。



一、航空发动机产业概况

1、

什么是航空发动机


航空发动机,又被称为航空动力装置,它为航空器的飞行提供动力,被誉为航空器的“心脏”。航空发动机的研制是航空产业链中的核心环节,在莱特兄弟发明飞机之前,尽管不断有飞机设计方案出现,但都无法实现自由飞行,其中主要原因就是没有适于飞行的动力系统。回顾航空发展历程,每一个里程碑式的成就,无不与航空发动机的技术进步紧密相关:涡轮喷气式发动机的出现,使人类的航空活动扩大到了平流层;加力燃烧室的采用,使飞机突破声障;Ma3 的飞机得益于发动机推重比的提高;旋转喷口发动机使飞机的垂直起降成为可能;高涵道比涡扇发动机的问世使大型远程宽体客机得以成功;推力矢量喷管为飞机提供直接控制力,从而实现超机动飞行;大幅度提高涡轮前温度,则使四代机在不开加力条件下实现超声速持续巡航。

因此,航空发动机不仅在狭义上为航空器提供飞行的动力,而且在广义上也是整个航空工业发展的推动力。


燃气涡轮发动机是目前应用最广泛的航空发动机:主要由进气口、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。从进气口进入的空气在压气机中被压缩后,进入燃烧室与喷入的燃油混合燃烧,生成高温高压燃气。燃气在膨胀过程中驱动涡轮作高速旋转,将部分能量转变为涡轮功。涡轮带动压气机不断吸进空气并进行压缩,使发动机能连续工作。由压气机、燃烧室和驱动压气机的涡轮这三个部件组成的一般称为核心机,又称为燃气发生器,它不断输出具有一定可用能量的燃气。按燃气发生器出口燃气可用能量的利用方式不同,燃气涡轮发动机分为涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机。涡轮喷气发动机在 20 世纪 50 年代曾广泛应用于军用和民用飞机,特别是超声速飞机上,目前大多数已被涡轮风扇发动机所取代。


涡轮螺旋桨发动机主要用于亚声速运输机、支线飞机和公务机;涡轮轴发动机用于直升机。燃气涡轮发动机是 20 世纪 50 年代以来主要的航空动力形式,而且在可预见的未来,还没有任何其他动力形式可以完全取代它

制造业皇冠上的明珠:高温、高压、高转速、高可靠性、耐久性和维护性是其基本特点。在这些相互矛盾的高要求推动下,航空发动机经过长时间的发展已经成为人类有史以来最复杂最精密的工业产品,每台零件数量在万件以上。因此,航空发动机被誉为“制造业皇冠上的明珠”,它是一个国家科技、工业和国防实力的重要标志。


2、

航空发动机行业发展现状


1、军用航空发动机发展至第五代,高推重比与高温是主要特征


从 40 年代末到 21 世纪初.喷气战斗机动力大致经历了四次更新换代。战斗机对发动机的主要要求是:1、推重比高飞机轻,机动性好,由下表可见,发动机划代的一个主要指标是推重比;2、耗油率低对于四代机要求具备不加力超音巡航能力;3、允许飞机高机动飞行发动机抗畸变能力强,具有推力矢量喷管;4、隐身:红外;5、可靠性安全性好;6、一次成本低.使用维修方便。


提高推重比的主要措施是:1、提高每公斤空气流量的推力,为此提高涡轮前燃气温度 (2000K)和加力燃烧室温度(2100-2200K),这是非常有效的。由下表可见涡轮前燃气温度是划代的另一主要特征;2、减重:采用先进结构,如整体叶盘,采用先进强度设计技术,实现等强度设计等,先进材料轻但受力能力大铝镁合金。


近年来,战斗机正朝多用途、宽包线方向发展,这促使研究者提出了变循环发动机概念。变循环发动机通过改变发动机部件的几何形状、尺寸或位置来调节热力循环参数(如增压比、涡轮前温度、空气流量、转速和涵道比等),将高、低涵道比发动机的优势合二为一,使发动机可同时具备大推力与低油耗特性,使得发动机在各种工作条件下都具有最佳的热力循环,从而对飞行速度和高度有良好的适应性。因此,变循环发动机受到各航空强国的重视,是目前航空发动机的重要研究方向。


2、民用航空发动机发展至第四代,安全性与经济性特点突出



民用大客机对发动机的要求与军机差别很大.各指标的相对重要性如下:1、安全性、可靠性;2、经济可承受性;3、排放和噪音的要求不断提高。近年来绿色、低碳甚至已成主要诉求,即在保证安全可靠的前提下.提高经济性,降低污染排放、降低噪音、增长寿命,实现性能更加优化、控制更加智能化和对环境更加友好。由于大涵道比涡扇发动机能更好满足上述要求,现代民用大客机均以此为动力装置。


为了提高运行经济性、降低耗油率.基本的技术途径是提高发动机的涵道比提高总压比以及问冷回热技术。通过对比民机主要参数的发展情况发现,民用航空发动机的涵道比和总增压比明显增长,温度相应增加而耗油率则逐渐降低。而大涵道比的民航发动机是在价格上与小涵道比的发动机相差了近一个量级。



二、民用航空发动机市场:空间广阔,我国有望实现突破


1、

民用航空发动机市场空间近 1400 亿美金


据日本航空发展公司预测, 2019 年至 2038 年期间售出的发动机总数将为 87,685 台,其中 80,764 台是提供给客机和货机的喷气发动机,而 6,921 台是于客用涡轮螺旋桨飞机的涡轮螺旋桨发动机,如 2018 年市场价格测算,市场总价值将达到 1.36 万亿美元,年均 680 亿美元。其中,喷气发动机将占 1.35 万亿美元,涡轮螺旋桨发动机将占剩余的 150 亿美元。再考虑发动机维修后市场,预计民用航空发动机市场年均近 1400 亿美 金。


如按推力进行划分,市场份额最大的是窄体飞机(例如 737 和 A320 系列)所需的 12,000 到 35,000 磅间的中等推力发动机,需求架数达到 48,929 台,占到总需求的 61%。其次宽体客机(例如 777/787 和 A330 / A350 / A380)使用的 65,000 至 115,000 磅推力的大型发动机,需求架数达到 18608 台,占需求数量的 23%。


如考虑到价格,65,000至115,000磅推力的大型发动机将占据最大的市场份额,达6,283 亿美元,占总销售额的 47%。其次是 12,000 到 35,000 磅间的中等推力发动机,价值 5,581 亿美元,占总销售额的 41%。

如按地区划分,亚太地区将是对飞机需求最高的市场,该地区发动机的需求数量为 35,343 台,占发动机销售数量的 40%,销售额为 5,789 亿美元,占销售额的 41%。其次是欧洲的 18,005 台(占 21%)和 2,797 亿美元(占 20%),北美的 17,147 台(占 20%)和 2,562 亿美元(占 18%)。


2、

民用航空发动机市场寡头垄断,美国优势明显


由于航空发动机的高技术、高投入,长周期、高风险等特点,行业进入门槛很高,全球范围内航空发动机经过多年的发展,已呈现出典型、明显的寡头垄断格局。以大推力商用航空发动机为例,目前主要是美国、英国和法国等国家企业占据垄断地位,军用航空发动机也主要集中在美、英、法、俄、中等国家。其中 GE 通用电气、PW 普拉特·惠特尼、RR 罗尔斯·罗伊斯、CFM 国际公司、IAE 国际航空发动机公司、EA 发动机联盟公司是民用航空发动机市场上最主要的参与者。

从市场份额来看,CFM 国际公司凭借其 LEAP 系列发动机优异的燃油经济性,牢牢把握住窄体飞机 70%以上的市场份额,成为波音及空客交付和订单数量最多的供应商。而在宽体飞机的大型民用发动机领域,基本是 GE 与罗尔斯·罗伊斯两强争霸的格局,GE 占到了将近一半的市场存量。


3、

中国商发强势崛起,受益于我国民机产业巨大市场


中国航发商用航空发动机有限责任公司(简称“中国航发商发”,AECC CAE)成立于 2009 年 1 月 18 日,是由中国航空工业集团公司(注:2016 年 1 月 27 日经国务院批准,中国航空工业集团公司所持公司股权换转至新成立的中国航空发动机集团有限公司)与上海烟草集团有限责任公司、上海电气(集团)总公司、上海国盛(集团)有限公司共同出资组建的股份多元化企业,注册资本 60 亿元,主要从事商用飞机动力装置及其 相关产品的设计、研制、生产、总装、试验、销售、维修、服务、技术开发和技术咨询 等业务。商发公司下设研发中心、总装试车中心、大修中心、客户服务中心。


公司在研的“CJ-1000A”发动机是我国第一款商用航空发动机产品,是装配国产大飞机的唯一国产动力。据中国航发商发官网介绍,目前已完成验证机全部设计工作,正在开展零部件试制和试验工作。该款发动机预计于 2025 年服役。


据介绍,该发动机是一型双轴大涵道比直驱涡扇发动机,由 1 级风扇、3 级增压级、10 级高压压气机、单环形燃烧室、2 级高压涡轮及 7 级低压涡轮组成,采用全三维气动设计、贫油预混燃烧、主动间隙控制等先进技术,以及宽弦空心风扇叶片、整体叶盘、新 一代单晶、粉末冶金等先进材料工艺,具有高效率、低燃油消耗,低排放、低噪音,高可靠性、长使用寿命,低维护成本、良好的维修性等产品特性。

相较与成熟的西方航空发动机巨头,目前我国在民用航空涡扇发动机方面还处于空白状态,差距明显,但随着中国航发商发以及 CJ1000A 的出现,我国将拥有挑战世界最大航空发动机市场,发展国产大飞机及航空发动机产业的重要机遇。


C919 中型客机,全称 COMAC C919,是中国首款按照最新国际适航标准,具有自主知识产权的干线民用飞机,由中国商用飞机有限责任公司于 2008 年开始研制。据中国商飞官网报道,目前 C919 已经完成立项论证、可行性论证、预发展阶段工作,转入工程发展阶段。

2020 年 2 月 16 日,据《华尔街日报》报道,特朗普政府考虑阻止通用电气公司向中国出口 LEAP-1C 航空发动机,理由是担心该发动机的技术被中国“逆向仿制”。C919 是商飞具有自主知识产权的 150 座商用单通道,截至 2019 年已经获 1000 架意向订单,在手订单 815 架。原计划 2021 年后进行交付,发动机选用 CFM-leap1c。我们认为,美国政府对发动机“限售”的可能性,将促进我国对于航空发动机产业自主研发的力度。

由中国航发商发研制的“CJ-1000A”发动机作为我国第一款商用航空发动机产品,设计定位对标 Leap 系列发动机,未来将成为 C919 换装发动机的首选,坐拥广阔市场空间。据观察者网 2017 年 9 月报道,中国商用航空发动机有限责任公司总经理冯锦璋于 2017 年 8 月 26 日在无锡透露,装配国产 C919 客机的“长江 1000A”发动机将于 2017 年完成总装下线,装配 C929 的“长江 2000”发动机也正在进行大部件、大单元体的试制和试验。

随着预计 C919 国产大飞机开始交付,国产商用航空发动机 CJ-1000 的逐步成熟,我国民用航空发动机市场前景广阔。



三、军用航空发动机市场:空间广阔,我国有望实现突破 




    


1、

全球军用航空发动机市场空间超 100 亿美金,受益于军费增长


据国际市场咨询公司 GlobalData 披露,预计 2018 年,全球用于军用航空发动机采购的金额达到 108 亿美元(不含维修服务费用) 。未来十年,全球军用航空发动机的累计支出将达到 1,454 亿美金。由于不断增长的地缘政治竞争以及发动机改装和更换计划将是军用航空发动机市场增长的主要驱动因素。


纵观全球,在不断变化的地缘政治格局中,中国和印度等新兴大国正在对本国军队进行现代化改造,以缩小与美国,英国,俄罗斯等发达国家的技术差距。恐怖主义和地缘冲突预计将继续在中东地区持续。北美和西欧等国家在经过数年的军费缩减后重回军费扩张通道,不断增加的国防支出预计将在未来十年为全球军用航空发动机制造商提供更多机会。


2、

我国航空装备缺口明显,未来市场空间广阔


1、我国航空装备缺口较大,预计将长期保持投入


从数量和结构上看,中美两国的航空装备都存在着相当大的差距。先从数量上看,根据 《world air force 2018》统计数据,中国在各类飞机的数量上都不及美国,尤其在战斗直升机、运输机、空中加油机、特种飞机四大类别中存在不止一个数量级的差距。

我们仅以《World air force 2018》统计的数据为依据,在详细梳理各机型的数量情况后,将飞机类型从新调整分类,虽然《World air force 2018》统计的数据与实际情况必然存在偏差,但通过深入分析,在结构构成上仍具有较强的参考意义。


首先,作为最为核心的战斗机&歼击机,我军数量不足美军一半。直升机的数量差距最大,其次是运输机。轰炸机在数量上与美军基本持平。

然而,在我们进一步梳理了装备内部结构情况后发现,两军的差距被进一步拉大。我军航空装备在“质”与“量”上都有很大的差距急需追赶。


在结构上看,中国的三代及以上代次的机型仅占到全部战斗机比例的 40%,绝大多数战斗机型仍为老旧的二代机型,而美国则已经全面淘汰二代机,并将逐步全面换装四代机型。与美军相比,我国在航空装备的结构上仍然存在明显的代差,未来我军换装新机型的需求迫切。

目前中美空军实力最大的差距,除了战机性能之外,还有就是美国拥有大量的支援飞机。美国庞大的运输机、空中加油机、特种飞机部队,是美军“全球到达、全球作战、全球力量”战略得以实现的重要保障。而优秀的运输机,以及以此为改型的各种空中加油机、指挥预警机,是一个国家空军实力的重要支撑。目前我国空军的战略运输能力与美俄差距较大,我国主要的大型军用运输机还是依靠俄罗斯的 IL-78、Tu-154,自主研发的运 -8、运-9 在运载量、航程以及航速上都有较大的局限性,不能满足我军的战略需求。

在第 12 届中国国际航空航天博览会上,我国空军副司令徐安祥介绍:中国空军将按“三步走”规划逐步实现建设世界一流空军的目标:第一步是到 2020 年基本跨入战略空军的门槛,搭建起以第四代装备为骨干、第三代装备为主体的力量体系、指挥体系、作战体系和保障体系;第二步是从 2020 年到 2035 年,基本形成战略空军的能力,力量体系将更加完备、科学、合理;第三步是从 2035 年到本世纪中叶,建成世界一流战略空军。


目前我国航空装备无论在数量上还是在质量上与世界一流均有明显差距,预计我国将长期保持在航空装备领域的中高速投入,而随着航空装备需求的增长必将带动我国军用航空发动机行业的稳步增长。


2、未来我国军用航空发动机市场年均超 700 亿人民币


2019 年 3 月 5 日,国务院报告披露, 2019 年我国国防支出预算 11899 亿元,相比 2018 年国防支出 11070 亿元,增长约 7.5%。


2019 年 7 月 24 日,《新时代的中国国防》白皮书发布。报告指出,我国军费预算一般包含三个方面的投入,分别是人员生活费、装备费和训练维护费。纵向对比,装备费占国防费比例持续提升,从 2010 年的 1773.59 亿元提升至 2017 年的 4288.35 亿元,年均复合增长率达 13.44%。

我国目前未详细披露装备费使用情况。但如参照 2019 年美国军费预算使用情况来看,美国 2019 年美国军费预算中用于采购、研发和的测试评估的费用高达 2367 亿美金,其中 1443 亿用来主要用于装备采购,924 亿主要用于研发。这当中主要国防采办项目共 计 923 亿。

从占比来看,用于任务支援保障的采购金额 668 亿。具体装备方面,航空装备相关的采购排名第一,金额高达 552 亿美金,总占比 23%,如剔除任务支援保障采购费用,在具体装备中,采购费用占比达到 32.5%。

我们假设我国军费开支中,装备费占比维持在 33%,同时装备采购费的使用结构与美国相同,则 2019 年,我国军费中装备费达到 3927 亿,用于航空装备的采购费用为 1276 亿。

2018 年,我国主要航空主机厂中,沈飞、西飞、陕飞、洪都主要资产均已上市,直升机业务中零部件资产已上市,哈飞和昌飞的总装资产未上市,另外成飞、贵飞也未实现上市,上述主机厂 2018 年总收入预计为 1092 亿元,再考虑到如无人机采购、进口采购等未统计部分,市场规模与我们测算的数据大致相当,具有一定参考性。

根据中国产业信息网数据,航空发动机在飞机中的价值链占比在 20-25%之间。参照上述数据,对应我国航空发动机的市场将达到 319 亿人民币。

从另一个角度,如我们自下而上,通过预测未来 10 年我国对各型飞机及其配套航空发动机的市场需求来进行预测:

因此,我们预测未来十年中国军用发动机新增设备市场容量约为 498 亿美元,对应年均 340 亿人民币,与我们此前预测的市场空间基本匹配,平均 330 亿人民币。


另外,由于军用航空发动机的维护要求较高,所以其后续维护保养的费用较高,且有逐步增大的趋势,通过公开论文披露的数据,军用航空发动机维护保障的费用已经超过了购置费用。因此我们按购置费用的 1.2 倍来预计维护保障费用,则未来 10 年我国年均航空发动机维护保障市场空间为 396 亿人民币。

综上测算,未来 10 年我国军用航空发动机市场空间约为 1067.6 亿美元,年均 726 亿人民币。2018 年,我国主要的航空发动机供应商航发动力实现收入 231 亿,如剔除外贸转包等业务,其核心航空发动机产品收入 197 亿。对比我国军用发动机总市场空间,预计目前我国航空发动机的国产化率仍有较大提升空间。另外,虽然由于其他航空发动机维修厂的数据不可得,但仅从航发动力的情况来看,目前我国航空发动机的维修能力也存在不足。未来随着新型航空发动机的成熟,以及产能提升,我国军用航空发动机的总量增长,国产替代,以及维修市场,三者将为我国航空发动机产业提供巨大的市场空间。


3、

我国军用航空发动机加速追赶,进入型号放量期


1、我国军用发动机现状:长期受制于人,国产发动机渐成主力


仿制为主,严重制约了航空工业的发展:军用航空发动机方面,很长一段时期,俄罗斯战机和发动机是我们唯一的进口来源和学习对象,我国历史上的一系列发动机全部在走仿制俄式的路线。直到现在,这个情况依然存在,过去 10 年我国从俄罗斯分批进口了约 400 台 AL-31F 发动机,用于装备歼-11 和歼-10。这种状况对我国的先进战机装备进度和对外军售都造成了很大的制约。正因为多年来我们主要走的是仿制路线,缺乏必要的技术积累,使得发动机技术发展严重滞后,多年来一直是我国航空工业发展的短板。

2、现有型号逐渐成熟,未来成体系化发展,进入收获期


尽管历经磨难,经过近 70 年的发展,我国已建立了相对完整的航空发动机研制生产体系,具备了涡桨、涡喷、涡扇、涡轴等类发动机的系列研制生产能力。目前我国在役歼击机、强击机、轰炸机、歼击轰炸机等主战飞机已批量使用国产涡扇发动机,同时仅有部分三代战机仍然装配的是进口发动机。运输机方面,运-7、运-8 等运输机使用的涡桨发动机全部国产化,运-20 目前装备的仍是进口发动机。直升机方面,随着直-9、直 -8、直-10 等整体技术的成熟,我国已经在引进的基础上实现涡轴-8、涡轴-6、涡轴-16 发动机的系列化发展。目前我国现有发动机谱系已逐步成熟。

2012 年 9 月 8 日,先进航空发动机协同创新中心由北京航空航天大学和中国航空工业集团公司联合发起成立,旨在通过原始创新推动我国先进航空发动机实现自主研发。据 心披露的程度任务情况来看, 中国航空发动机发展已经进入快车道,一系列新型发动机项目正在进入关键攻关阶段。

2018 年 11 月 6 日,第十二届中国国际航空航天博览会在珠海开幕,换装了新型矢量尾喷管的歼-10B 推力矢量验证机进行了精彩绝伦的单机飞行表演,上演了“落叶飘”、“眼镜蛇机动”等多个高难度飞行动作。安装隐身轴对称柔性矢量喷管的歼-10B 飞机公开进行飞行表演,标志着我国矢量发动机走向了实装化的道路,也标志着 WS-10 发动机已经具有较高的成熟度,衍生型号逐渐涌现。

现代航空发动机系列化发展的最主要途径是保持一台成熟的核心机基本几何参数不变的条件下,通过改变风扇或低压压气机直径和级数以及涡轮的冷却技术或材料来改变发动机的主要循环参数,如压比、涵道比、空气流量、涡轮进口温度等,从而获得不同性能和用途的发动机。在同一核心机上配上不同的“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。满足不同用途飞机对动力的需要,从而实现核心机的多用途目标。利用多用途核心机发展系列发动机的道路一直受到了航空发达国家的高度重视,并成为发动机系列发展的主要技术途径。


如惠普公司就开展的多用途核心机研究中采用 F119 核心机作为基准核心机,推力覆盖范围为 2940~12740daN,可用于战斗机、教练机、轰炸机、运输机等六类飞机。GE 公司也采取同样的发展思路,利用 GE23 先进技术验证机的预研核心机,开发出了推力范围为 3 920~14 700 daN 的系列发动机。

我们认为,随着现有型号的逐步成熟,我国航空发动机已进入新的发展阶段,以 WS-10 为代表的三代发动机逐步成熟,成为我国航空动力的中坚力量,并进行系列化发展,同时还有一系列新型发动机项目正在进入关键攻关阶段,有望陆续实现定型、批产。看好行业发展前景。



四、我国航空发动机产业链发展状况  


1、

产业链格局稳定,军民融合完善产业链建设


航空发动机是一个进入门槛极高的行业,全球范围内呈现出典型的寡头垄断格局。目前 能够独立研发大推力航空发动机产品的,主要是美国、欧洲的英国和法国。此外俄罗斯也自成系统,尤其是在军用航空发动机上有比较强的实力,但在商用市场上没有竞争力,整体呈现三极格局。


在行业巨头地位稳固的情况下,航空发动机行业逐步形成了主承包商-供应商发展模式,任何一家主流发动机公司都指数前台,他们的身后则有一列长长的供应商名单。出于政治和商业的考虑,任何一家主要发动机公司都将大量的生产工作甚至一些零部件/子系统的研发工作转包出去,以此提升合作关系并分担技术及商业风险。


以罗·罗公司为例,公司从 2004 年开始就只生产其最终产品所以零部件中附加值最高的 30%,而将余下的 70%转包出去,从而在风险可控的前提下,尽可能地降低发动机全部零件的制造与采购成本。罗·罗认为具有竞争力的核心零部件必须自行生产;非核心零部件如果有足够的竞争力也会自行生产;竞争性不强的核心零部件生产必须受控,即在合作伙伴企业或合资企业中生产;不是核心零部件,竞争性又不高的零部件则完全可以进行外部采购。


2、

航发集团是我国航空发动机研制的核心


1、航发集团产品谱系完整,下属上市公司分工明确


中国航空发动机集团有限公司(简称:中国航发,AECC)是中央直接管理的军工企业,由国资委、北京国有资本经营管理中心、中国航空工业集团有限公司、中国商用飞机有限责任公司共同出资组建。下辖 27 家直属企事业单位,拥有 3 家主板上市公司,现有职工 8 万余人,拥有包括 7 名院士、200 余名国家级专家学者在内的一大批高素质、创新型科技人才。建有多个国防科技重点实验室、创新中心,具有较强的科研生产能力,以及较为完整的军民用航空发动机、燃气轮机研发制造体系与试验检测能力。主要从事航空发动机、辅助动力、燃气轮机、飞机和直升机传动系统的研制、生产、维修和服务;从事航空材料及其它先进材料的研发与制造。中国航发设计生产的涡喷、涡扇、涡轴、涡桨、活塞发动机和燃气轮机等产品,广泛配装于各类军民用飞机、直升机和大型舰艇、中小型发电机组,客户涉及航空、航天、船舶、能源等多个领域,为我国国防武器装备建设和国民经济发展作出了突出贡献。


中国航发下属六大航空发动机主机厂,2008 年集团下属西航集团以航空发动机批量制造等业务及相关资产,通过重组、定向增发等方式借壳上市,重组后,主营业务变更为航空发动机批量制造及修理等,名称变更为航空动力。2014 年,公司采取发行股份购买资产的方式,向中航工业、发动机控股、西航集团、贵航集团、黎阳集团、华融公司、东方公司、北京国管中心等 8 家资产注入方定向发行股份,购买 7 家标的公司的股权及西航集团拟注入资产。此次重组后航发动力完成了国内航空发动机行业最大规模的整合,国内六大航空发动机主机厂,除了成发和东安以外,均注入到上市公司中,纳入到公司的统一管理,从而具备了涡喷、涡扇、涡轴、涡桨、活塞全种类军用航空发动机武器装备科研生产许可资质,是三代主战机型发动机国内唯一供应商,集成了我国航空动力装置主机业务的几乎全部型谱,发动机主机产业链得到完善和优化,公司自此也确立为航空发动机生产和维修的产业平台和资本平台,成为承载我国航空发动机事业的主体,当之无愧的行业龙头。


2、相较国外巨头仍有巨大发展空间


航发集团下属三家上市公司,其中航发动力拥有四家核心主机厂,是承载我国航空发动机事业的主体,集成了我国航空动力装置主机业务的几乎全部型谱,是国内主战机型发动机国内唯一供应商。但是相较于国外航空发动机巨头,航发动力仍然差距明显,仍有较大空间亟待追赶。


从经营情况来看, GE 近年在多元发展中的金融业务部门出现较大亏损,拖累整体业务,但 GE 的航空发动机业务仍稳居世界第一,凭借公司的技术实力,牢牢把控宽体客机和单通道客机的航空发动机市场份额,同时利润率明显高于行业其他。UTC 子公司 Pratt & Whitney 凭借其在 F35 战机中巨额的军品订单,收入规模从 17 年开始向上爬坡,近年来增长势头较好。而 RR 因为其 Trent 1000 的设计技术问题,导致其在民航市场的份额不断萎缩,同时花费了大量维修、研发经费,拖累了整体经营情况。


而对比国外巨头,航发动力首先在规模上有明显差距,仅比较各家航空发动机业务数据,我国的航发动力在收入规模上与国外相差了 5-10 倍;在利润规模上相差 3-35 倍;在资产规模上,相差 3-5 倍。

从收入构成上来看。按最终客户可分为军品收入与民品收入,按产品类型又可分为整机收入与维修服务收入。目前,国外行业龙头的下游客户均以民品收入,军品收入仅占到总收入的 20-30%。此外,国外龙头的业务较为成熟,一般而言发动机整机收入与后续的维修服务收入大致相当,在总收入中占到 50%-60%,其中比较特殊的是由于 P&W 公司新型军用发动机 F135 刚进入批量交付初期,目前维修业务占比相对较低。


与国外行业巨头相比,目前我国民用航空发动机市场还是一片空白等待开拓。同时目前军品生产任务繁重,维修服务能力研制不足,预计维修业务占比仅 20%。同时目前我国军机中仍有一大部分使用的是进口发动机,未来仍有大量国产替代的需求空间。我们认为,随着我国航空发动机产业逐步成熟,成熟型号进入批产阶段,未来将有充足的发展空间,强烈看好我国航空发动机产业的发展前景。

从盈利能力上看,GE 凭借其在民用市场绝对的领先优势,盈利能力远超行业平均,RR 公司则因为民用发动机技术故障问题,近年来民用航空发动机业务经营状况较差。而航发动力相较国外龙头,在毛利率上相差不大,但在营业利润率上长期偏低。航发动力在人均产值、资产利用率上相较国外明显偏低,,我们认为,国内企业在经营效率上仍有提升空间。


3、

一代新材料,一代新型发动机,材料领域有望先行成长


航空发动机是在高温、高压、高速旋转的恶劣环境条件下长期可靠工作的复杂热力机械,在各类武器装备中,航空发动机对材料和制造技术的依存度最为突出,航空发动机高转速、高温的苛刻使用条件和长寿命、高可靠性的工作要求,把对材料和制造技术的要求逼到了极限。材料和工艺技术的发展促进了发动机更新换代,如:第一、二代发动机的主要结构件均为金属材料,第三代发动机开始应用复合材料及先进的工艺技术,第四代发动机广泛应用复合材料及先进的工艺技术,充分体现了一代新材料、一代新型发动机的特点。


在航空发动机研制过程中,设计是主导,材料是基础,制造是保障,试验是关键。从总体上看,航空发动机部件正向着高温、高压比、高可靠性发展,航空发动机结构向着轻量化、整体化、复合化的方向发展,发动机性能的改进一半靠材料。据预测,新材料、新工艺和新结构对推重比 12〜15 一级发动机的贡献率将达到 50%以上,从未来发展来看,甚至可占约 2/3。因此,先进的材料和制造技术保证了新材料构件及新型结构的实现,使发动机质量不断减轻,发动机的效率、使用寿命、稳定性和可靠性不断提高,可以说没有先进的材料和制造技术就没有更先进的航空发动机。


正是由于不断提高的航空发动机性能对发动机材料与制造技术提出了更高的要求,各航空发达国家都投人了大量人力、物力和财力,对航空发动机用的材料与制造技术进行全面、深人的研究,取得了丰硕的成果,满足了先进发动机的技术要求。从国外航空发动机材料与制造技术的发展情况来看,加强材料与制造技术工程化研究是缩短发动机研制周期、减少应用风险、增加研制投人产出比最有效的途径之一。因此从 20 世纪 70 年代至今,航空发达国家安排了一系列的发动机材料和制造技术工程化研究计划,规划了整个材料和制造技术领域的发展方向,为各种先进军、民用发动机提供了坚实的技术基础。如美国综合高性能发动机技术(IHPTET)计划、下一代制造技术计划(NG-MTI),美国空军复合材料经济可承受性计划(CAI)等。

航空发动机的发展方向是提高涡轮前温度、提高压气机增压比和降低油耗,现代航空发动机结构材料总的发展趋势是,2000 年以后传统金属材料和工艺将逐渐被一些新型材料和先进制造技术所代替。其主要的特点是:


(1)采用带热障涂层和各种先进冷却方式的单晶涡轮叶片或无冷却陶瓷、C/C 复合整体涡轮,以适应 1650℃以上使用和满足减重要求。

(2)减少压气机级数,采用整体结构;用高温钛合金和金属间化合物制造低展弦比无凸台空心叶片。

(3)燃烧室采用短环形、浮壁结构,由金属发展到陶瓷浮壁、整体结构。

(4)长寿命和降低全寿命成本,如 F-119 发动机总寿命为 8000h,发动机冷端和热端寿命要求分别达到 4000h 和 2000h。


从发动机所用材料的趋势来看,碳纤维复合材料、陶瓷基复合材料、钛铝化合物、金属基复合材料的用量占比在不断提升。

我们认为,我国航空发动机产业的发展必然离不开上游原材料领域技术的支撑,随着现代航空工业对航空发动机的性能要求越来越高,对高端新材料的需求也将更加旺盛。作为行业上游领域,看好行业景气度在航空发动机用相关材料领域的先行反应。







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