2019年中国航空发动机行业发展历程及未来十年市场发展空间预测[图]

航空发动机李玲玲 2019-12-23 06:25 来源：智研咨询

一、航空发动机发展历程

1.1活塞式发动机时代（1903-1945）

活塞发动机首次应用于飞行器并成功飞行：1903年，莱特兄弟把一台改装过的4缸、水平直列式水冷发动机使用到“飞行者一号”飞机上进行飞行试验，发动机的功率仅为8.95kW，重量却有81kg，功重比为0.11kW/daN。这次留空时间12s、飞行距离为36.6m的短暂飞行，是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操作的重于空气的飞行器的成功飞行。两次世界大战推动活塞式发动机迅速发展，并在二战结束前后达到了技术的顶峰。发动机功率从近10kW提高到2500kW左右，功率重量比从0.11kW/daN提高到1.5kW/daN，飞行高度达15000m，飞行速度从16km/h提高到近800km/h。

活塞式发动机构造

数据来源：公开资料整理

莱特兄弟“飞行者一号”发动机示意图

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20世纪30-40年代，活塞式发动机迎来全盛时期：这个时期活塞式发动机与螺旋桨构成了所有战斗机、轰炸机、运输机和侦察机的动力装置。著名的活塞式发动机有：英国的梅林V型12缸液冷式发动机，功率1120kW，用于“飓风”、“喷火”和“野马”战斗机；美国普拉特·惠特尼公司的“黄蜂”系列星形气冷发动机，气缸7-28个，功率970-2500kW。然而带螺旋桨的活塞式发动机（800km/h以下）限制了飞行速度的提高。由于发动机功率与飞行速度的三次方成正比，速度提高，发动机功率急剧增大，而飞机难以承受通过增加汽缸数目来增大功率所带来的重量负荷。第二次世界大战之后，活塞式发动机逐渐失去了航空领域的霸主地位。

1.2喷气式发动机时代（1939-至今）

喷气发动机面世：1913年，无压气机式空气喷气发动机面世。喷气式发动机是一种直接反作用推进装置，空气和燃料经增压燃烧后以高速喷出而直接产生反作用推力。由于喷气发动机没有了限制飞行速度的螺旋桨，而且单位时间流入发动机的空气流量比活塞式发动机大得多，从而能产生很大的推力，使飞机的飞行速度得到极大的提高。1913年，法国工程师雷恩·罗兰获得第一个喷气发动机专利，属于无压气机式空气喷气发动机，与后来的冲压发动机基本相同。压气机有离心式、轴流式、组合式等多种，由后面的燃气涡轮带动，所以这类发动机又称为涡喷发动机。1939年，第一架装有涡喷发动机的飞机成功首飞。1937年，惠特尔研制出世界上第一台离心式涡喷发动机，试验达到推力200daN；1938年，奥海因试验了采用轴-离心组合式压气机的HeS3涡喷发动机，推力400daN，推力重力比1.12；1939年，装在德国亨克尔公司的He—178飞机上成功首飞，成为世界上第一架试飞成功的涡喷发动机。

涡喷发动机示意图

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涡轮喷气发动机战后迅速发展：20世纪50年代，加力式涡喷发动机应运而生。二战中涡喷发动机和飞机尚处于试验阶段，并没有发挥很大作用，直到战后特别是20世纪50年代开始迅速发展。战后第一批装备部队使用的喷气式战斗机是1944年美国制造的F-80和1946年苏联制造的米格-9。飞机速度达到声速以后，为了突破“声障”，在涡喷发动机上加装了加力燃烧室，它可以在短时间内提高推力使战斗机继续向高空高速发展。1958年美国推出F-104战斗机，最大飞行马赫数2.2，使用升限17.68km。同时出现动力为J79单转子加力式涡喷发动机，最大推力7020daN，推重比4.63。涡喷发动机在军用战斗机上广泛应用的同时，也被轰炸机、运输机、旅客机和侦察机等相继应用。随后在20世纪50-60年代研制出了加力式涡喷发动机，其性能参数水平为：涡轮前燃气温度950-1100℃，推重比4.5-5.5，不加力耗油率0.9-1.0kg/(daN·h)，加力耗油率2.0kg/(daN·h)左右。加力式涡喷发动机的结构不复杂且增加的结构重量不多，却能高效地提高了发动机的推重比。

加力式涡喷发动机示意图

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随后发展出的涡扇发动机，推重比高、油耗率低、机动性强，逐渐取代涡轮喷气发动机。涡扇发动机与涡喷发动机的区别在于风扇，风扇出口气流分成两股，通过内外两个环形涵道流过发动机。外涵空气经过涵道直接排出，由于涡扇发动机总空气流量大，排气速度低，所以与涡喷发动机相比，推力大，推进效率高，耗油率低。涡扇发动机实质上仍属于直接反作用式涡喷发动机。涡扇发动机先发展民用后发展军用：世界上第一台运转的涡扇发动机是德国戴姆勒-奔驰于1943年4月研制的DB670。世界上第一种批量生产的涡扇发动机是英国1959年定型的康维，用于VC-10、DC-8和波音707客机，耗油率比同时期的涡喷发动机低10%-20%。此后，民用发动机主要在在高涵道比方向发展，20世纪70年代第一代推力在20000daN以上的高涵道比（4-6）涡扇发动机投入使用，开创了大型宽体客机的新时代。后来，又发展出推力小于20000daN的不同推力级的高涵道比涡扇发动机，广泛用于各种干线和支线客机。

涡扇发动机构造

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民用涡扇发动机

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军用主要为低涵道比加力涡扇发动机，按照欧美的“五代”划分方法：第一代航空发动机出现在20世纪50年代，以英国的康维发动机、美国的JT3D发动机为代表，推重比在2左右。第二代航空发动机出现在20世纪60年代，以英国的斯贝MK202和美国的TF30发动机为代表，推重比在5左右。第三代航空发动机出现在20世纪70-80年代，以美国的F100、F110、F404，欧洲的RBl99、M88-3，苏联的RD-33和AL-31F发动机为代表，推重比在8左右。其中F100装备了F-15，F110装备了F-16，F404装备了F-18，RBl99装备了“狂风”，RD-33装备了米格-29，AL-31F装备了苏-27。第四代航空发动出现在20世纪90年代，以美国的F119和欧洲的EJ200发动机为代表，推重比在10以上。其中F119装备了F-22，EJ200装备了“台风”。第五代航空发动机出现在21世纪初，以美国的F135发动机和英美联合研制的F136发动机为代表，推重比为12-13。其中F135发动机装备了F-35。2010年以后，美国已经开展第六代航空发动机的研发，预计推重比将达到20以上，目前已取得了阶段性成果，而第七代航空发动机也已经开始预研。

加力涡扇发动机

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民用高涵道比涡轮风扇发动机基本结构示意图

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涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机派生发展：在涡轮喷气发动机蓬勃发展的过程中，驱动飞机螺旋桨和直升机旋翼的动力也实现了涡轮化，派生出两种新型航空燃气涡轮发动机—涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。涡桨发动机相较于涡喷和涡扇发动机，有耗油率低、经济性好、起飞推力大等特点。在第二次世界大战中，英国开始研制本国第一台涡桨发动机罗·罗RB.50遄达，同时美国、法国、苏联等国也开始发展这项技术。目前，涡桨发动机在中小型运输机和通用飞机上仍有广泛用途。其中加拿大普·惠公司的PT6A发动机是典型代表，功率范围为350-1100kW。40年来，这个发动机系列已发展出30多个改型，用于144个国家的近百种飞机，共生产30000多台。90年代英国在T56和T406的基础上研制出新一代高速支线飞机用AE2100，功率范围为2983～5966kW，其起飞耗油率很低，为0.249kg/（kW·h）。

涡轮螺旋桨发动机基本结构示意图

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涡轮轴发动机是涡轮发动机的一种，利用燃烧室产生的气流带动自由涡轮输出轴功率，而不是喷气推力。结构上类似于涡轮螺旋桨发动机，主要区别在于涡轮螺旋桨发动机传动系统的主减速器是集成在发动机上的，而对于涡轮轴发动机，则是分离开的。涡轮轴发动机多用于直升机、坦克、水翼船等，也有摩托车制造商将涡轮轴发动机安装在摩托车上作为发动机。第一代涡轴发动机在20世纪50年代设计，透博梅卡公司研制的功率为405kW的阿都斯特II涡轴发动机成功用在“云雀”2直升机上。第二代涡轴发动机在20世纪60年代设计，典型代表为T64-GE-6和“土地神”（Gnome）。第三代涡轴发动机是20世纪70年代设计，80年代投产，主要代表机型有马基拉、T700-GE-701A和TV3-117VM，装备AS322"超美洲豹"、UH-60A、AH-64A、米-24和卡-52。第四代涡轴发动机是20世纪80年代末90年代初开始研制的新一代发动机,代表机型有英、法联合研制的RTM322、美国的T800-LHT-800、德法英联合研制的MTR390和俄罗斯的TVD1500，用于NH-90、EH-101、WAH-64、RAH-66"科曼奇"、PAH-2/HAP/HAC"虎"和卡-52。

涡轮轴发动机简图

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涡轮轴发动机在50年代初期出现之后逐渐代替了直升机的活塞式发动机。目前，在200kW以上的动力装置中，涡轮轴发动机已经占据了统治地位。在较小功率的动力装置中，仍有少数使用活塞式发动机。涡轮轴发动机作为直升机的动力装置，与活塞式发动机相比，主要的优点是重量轻，体积小。例如，同样为功率600kW左右的涡轮轴发动机的重量还不到活塞式发动机的三分之一。其次，涡轮轴发动机没有往复运动的机件，产生的振动和噪音较少。但是，涡轮轴发动机的单位燃油消耗率较高。以小型的发动机为例，涡轮轴发动机与活塞式发动机之间相差约30%。而且在制造成本方面，小型涡轮轴发动机比较昂贵，因而在民用小型航空装备领域，竞争力并没有比活塞式发动机高。

概括起来，航空发动机的发展主要分为两个阶段：前40年（1903-1945）为活塞式发动机的统治时期。后80年（1939-至今），航空燃气涡轮发动机取代了活塞发动机，开创了喷气式发动机时代，先后发展出了直接产生推力的涡喷发动机和涡扇发动机，并派生发展出了输出轴功率的涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。

二、航空发动机未来市场空间预测

我国未来军用航空发动机市场前景广阔：目前中国人民解放军空军是本地区最大、世界第三大空军，拥有2500多架飞机（不包括无人机和教练机），1700多架战斗机(包括战斗机、战略轰炸机、战术轰炸机、多任务战术攻击机)。同时，中国人民解放军空军正在缩小与西方空军在飞机性能、电子战等广泛能力方面的差距。尽管如此，我国与世界最高水平的空军力量还有着巨大的差距。美国作为目前世界上空军力量储备最大的国家，其军用机总数量占据了全球数量的25%，俄罗斯位列第二占据8%，而中国仅占6%。我国战斗机及攻击机保有量为美国同类机型的约1/2，运输机保有量约为1/6，教练机保有量约为1/7.75，直升机总保有量约为1/5.7。虽然从排名角度仅相差两名，但是从两国拥有军用飞机保有量总量来看我国的空军力量仅为美国的四分之一，同时我国人口总数为美国的四倍。

中、美、俄三国目前军用飞机数量对比

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老旧替换及新增需求大，预计未来十年军用航空发动机需求1500亿元：当前，我国军用战机正处于由三代向四代过渡的关键时期，我们认为未来十年年现有绝大部分老旧机型将退役，配备涡扇-10系列发动机的歼-10、歼-16、歼-15将成为空中装备主力，运-20、直-20、歼-20、歼-31也将有一定规模列装，轰炸机、预警机及无人机等军机也会发生较大幅度的数量增长及更新换代，这将为发动机带来强劲的需求。未来10年内，中国军方飞机可能需要超过10000台各类发动机，发动机总需求或可达1500亿元。

单通道喷气客机将是民航市场主要机型，未来十年民用发动机需求可达5000亿元：近十年来，中国运输行业持续高速增长，特别是航空运输，占交通运输业比重越来越大；旅客周转量年均增长率为12.7%，远高于其他交通运输方式。为适应航空运输业的快速增长，中国客机机队规模（包含港澳台地区）不断扩大。截至2017年底，中国客机机队规模达到3522架（包含港澳台地区），其中，涡扇支线客机47架，单通道喷气客机2852架，双通道喷气客机623架。过去十年，中国客机机队一直保持增长趋势。近四年，出于多种因素的考虑，航空公司更倾向于选择大座级的支线客机，50座级的支线客机大量退役，转由90座级涡扇支线客机填补市场需求。未来二十年，预计中国机队年均增长率为5.3%，旅客周转量年均增长率为6.5%，预计中国将交付9008架客机。至2037年，中国的旅客周转量将达到3.9万亿公里，占全球的21%。到2037年，中国机队规模将达到9965架，其中单通道喷气客机6656架，双通道喷气客机2343架，喷气支线客机966架。预计未来十年民用发动机需求可达5000亿元左右。

中国未来10年军用航空发动机市场空间预测