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【深度好文】世界航空发动机发展趋势及经验_

2019-06-10 11:29 出处:未知 人气: 评论(

  世界航空发动机发展上百年来,经历了诸多技术突破和行业变革,从军事到民用,航空发动机的发展取得了长足进步,活塞、涡轮、冲压等发动机相继问世,其中燃气涡轮发动机成为当前应用最广泛的航空发动机。目前,世界主要国家的航空发动机的发展已相当成熟,其发展现状、趋势及发展经验,对我国航空发动机的发展具有重要的参考和借鉴意义。

  世界航空发动机行业现状及趋势

  行业寡头垄断格局明显

  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。世界大型民用航空发动机产业已呈现金字塔式的发展格局,处于塔尖位置的整机制造商包括美国的通用电气公司(GE公司)和普拉特惠特尼公司(PW公司)、英国的罗尔斯罗伊斯公司(RR公司)以及这三家公司等相互合资成立的CFM(SNECMA、GE合资)、IAE(RR、PW合资)和EA(GE、PW合资)等公司,这些企业具有独立研制航空发动机整机的能力,几乎控制了全球大型民用飞机发动机的核心技术研发、总装集成、销售及客户服务等全部市场。处于塔尖下面位置的法国Snecma公司、美国霍尼韦尔公司、德国MTU公司、意大利Avio公司以及俄罗斯土星、礼炮公司,其本身也具有较完整的航空发动机生产能力,在各自的技术领域具有很强的实力,但产品多为防务产品或者小型发动机,主要为塔尖位置企业提供大部件和核心机部件,属于行业第二梯队的一级供应商。再下一级的供应商以日本和韩国公司为主,包括日本三菱重工、川崎重工、石川岛播磨重工和韩国三星科技公司等,具有强大的航空发动机零部件加工制造能力,主要为上一级企业提供发动机零部件产品。

  发达国家不断强化并控制技术

  在发达国家垄断航空发动机、掌握核心技术的同时,还对其他国家长期实行技术封锁,抑制或排挤其他国家航空发动机的研制发展。如美国将航空发动机产业作为国防科技战略的核心,一直严格控制本国企业航空发动机技术的转移,不仅对我国实行技术封锁,严格限制相关先进技术、部件产品通过合资并购、专利转让或直接贸易等方式卖给中国,甚至在某些核心技术上也对其欧洲盟友实行禁运。

  这些技术包括核心的宽弦风扇空心叶片(钛合金或复合材料)制造技术、整体叶盘制造及修复技术、单晶空心涡轮叶片的制造技术、浮壁式燃烧室制造技术等。同时,发达国家在人力资源方面也实行看不见的封锁,不仅限制发展中国家人员通过相关途径进入航空发动机核心研制领域,而且限制本国航空发动机研发及技术人才向国外转移,以此长期维护其产业垄断地位。

  由于研制一台新型航空发动机一般需要上万小时的试验,发动机从部件研制到投入使用需十数年,费用高达数十亿美元,发展中国家自行研制新型发动机,需要很大的投入,面临巨大的风险和困难,在发达国家垄断并控制技术转移的情况下,无疑将遏制发展中国家的航空发动机发展。

  另外,发达国家还通过强强合作、不断加强新技术研发等,不断扩大垄断地位和优势。如法国斯奈克玛公司,通过并购不断巩固和提升其在发动机研发设计、零部件制造、发动机总成和维修服务产业链中的地位,甚至涉足发动机试车台的建造业务,占据了发动机产业价值链的高附加值部分。近年来,美、英、法三国航空发动机研发经费占各自GDP的比例分别达0.05%、0.08%和0.06%,通用电气公司、普拉特惠特尼公司、罗尔斯罗伊斯公司和斯奈克玛公司每年在航空发动机方面的研发投入达10亿美元左右。

  后发国家追赶步伐不断加快

  近年来,包括我国和印度在内的一些新兴市场国家加快了航空发动机研制步伐。我国已经从最初的仿制改型发展到可以独立设计制造一些航空发动机,在军用航空发动机领域,已有少量航空发动机装备到了国产战斗机上;在民用航空发动机领域,我国从国际化转包分享世界航空发动机市场,与世界航空发动机制造企业建立风险合作关系,开展广泛的零部件外贸转包生产,到中航工业收购著名的小型活塞航空发动机企业美国大陆航空发动机公司,再到开启航空发动机重大专项,开始组建更高级别且独立的航空发动机公司,我国民用航空发动机的追赶步伐不断加快。

  同时,印度方面,2015年11月,印度启动了一项300亿卢布的航空发动机发展计划Ghatak,继续研制之前已经宣告失败的卡佛里发动机,为印度的首款无人作战飞机\轰炸机提供动力;同年12月,印度斯坦航空有限公司自主设计的国产涡扇发动机HTFE-25成功运行,并开始研制用于军用和民用直升机的涡轴发动机HTSE-1200。

  全球市场需求不断增长

  由于全球航空运输业和通用航空产业的发展,全球航空发动机市场面临巨大的前景。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,其中单通道市场继续成为增长最快和规模最大的部分,在未来20年将需要26730架飞机,大量的新飞机交付将带动民用航空发动机市场不断壮大。

  罗尔斯罗伊斯公司预测,未来20年全球军用和商用航空发动机市场规模分别为4000亿美元和19000亿美元,平均每年的市场规模为200亿美元和850亿美元,其中一半以上产值来自宽体客机或大型商用喷气飞机。《中国制造2025》则预测,未来十年全球涡扇/涡喷发动机累计需求总量将超7.36万台,总价值超4160亿美元;涡轴发动机累计需求总量超3.4万台,总价值超190亿美元;涡桨发动机累计需求总量超1.6万台,总价值超150亿美元;活塞发动机累计需求总量超3.3万台,占60%以上通飞动力市场,总价值约30亿美元。

  世界航空发动机技术发展趋势

  安全环保经济高性能发动机潜力巨大

  从世界航空发动机发展历程来看,以燃气涡轮为基础的喷气发动机目前占据主导地位,并且仍将持续下去。涡轮发动机之所以影响如此持久,主要原因是其技术的不断进步。在军用发动机方面,具有高性能(高推重比等)、高可靠性、长寿命、低油耗、低信号特征、低全寿命期费用等特点的发动机不断满足军机性能提升要求,目前已发展到第五代,第六代也在研发过程当中。

  欧美国家正在实施综合性的先进涡轮发动机技术计划,开发和验证低排放燃烧室、先进加力燃烧室、智能控制系统等部件和技术,为改进和提高推重比、增强可靠性、降低耗油率、减少运行和维护成本,从而研究变循环发动机、多电/全电发动机、智能发动机等新型发动机提供技术基础。

  未来,变循环发动机将更好地适用各种飞行条件和工作状态,多电发动机技术可全面优化燃气涡轮发动机的结构和性能并降低寿命期成本,智能发动机技术将使军机推进系统结构更紧凑、效率更高。

  在民用发动机方面,目前主要企业的新型号发动机都以追求安全性、可靠性和经济性,并考虑低污染和低噪音等为主,通过改进气动设计、风扇材料、低排放燃烧室、高效涡轮叶片冷却技术与智能化发动机状态监视系统等,不断加强航空发动机满足民用飞机安全环保经济舒适的要求。欧洲在进入21世纪后,针对大涵道比涡轮风扇发动机先后制定了高效和环境友好的发动机计划、降低飞机噪音计划、多电飞机技术、环保航空发动机计划及新型航空发动机方案等,投入大量资金研制以满足欧洲洁净天空计划要求。

  中小型发动机具有较大成长空间

  随着通用航空及支线航空的发展,装配公务机、通用飞机、直升机及无人机的中小型航空发动机具备较大的市场潜力。一些航空发动机主要企业投入巨资研发公务机和直升机动力技术。普拉特惠特尼公司在2006年就决定在加拿大投入15亿美元研发下一代公务机和直升机发动机技术,研制超越国际民用航空组织(ICAO)制定的噪音和排放标准的新型发动机,重点研究降低燃油消耗技术和先进制造技术。看好大型支线客机和公务机市场中等推力涡扇发动机,俄罗斯和法国联合研制了SaM146发动机,为其RRJ支线飞机提供动力支持。美国霍尼韦尔公司也发展了一种推力4450daN的大中型新型公务机用发动机,该发动机不仅推力比HTF7000发动机增加25%,而且将减小30有效感觉噪声分贝(EPNDB),并较大幅度降低燃油消耗率。威廉姆斯国际公司改进FJ33/44发动机满足塞斯纳飞机的动力需求。透博梅卡公司则继续创造涡轴发动机市场佳绩,共有30余种Arriel发动机装备了空客EC系列、松鼠和海豚以及西科斯基、奥古斯塔等先进直升机,累计飞机时间超过200万小时。与此同时,无人机用重油发动机、电动发动机、氢燃料发动机等技术也取得新进展,将满足各种无人机的发展需要。

  新概念发动机引起动力系统革命性进步

  传统构型航空发动机的发展已经相当成熟,目前尚难有大的突破,随着飞行器的技术和使用发展要求,发动机厂商开始将目光转向新概念的发动机架构。如高超声速飞行器、空天飞机等发展,牵引出现超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机(PDE)等新概念发动机,前者是燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机,具有结构简单、重量轻、成本低、比冲高和速度快的优点;后者是基于爆震燃烧产生连续推力的发动机,整个燃烧过程接近定容燃烧,热循环效率大大提高,发动机性能大大改善,且结构大大简化,成本大大降低。

  此外,风扇齿轮传动系统的出现也具有较大的成长空间,如普惠公司的PW1000G发动机采用齿轮传动的风扇发动机设计技术,使RTM复合材料风扇叶片制造技术、CMC低压涡轮叶片、3D压气机叶型的使用成为可能,可大幅提高涡扇发动机涵道比,降低燃油消耗和噪声污染。

  罗尔斯罗伊斯公司倡导的开式转子发动机采用开放式风扇,与目前先进的涡扇技术相比燃油消耗可降低10%~15%。NASA则正在研究分布式混合电推进系统,在未来5年内,将研发紧凑型、高功率密度、能够产生1~2兆瓦电能的电动机,以满足全电通用飞机、直升机、混合涡轮电力支线飞机或大型运输机的动力需求。

  发动机加工制造技术不断进步

  航空发动机的制造涉及材料、结构、焊接等众多难度极高的工业技术,其加工制造过程一直是新技术、新工艺应用的重点领域。近年来,随着新一代信息通信技术、网络技术、高性能数控机床及控制系统等应用的不断深入,推动了航空发动机产品数字化制造技术的发展,改变了其传统的工艺设计和制造模式,使之成为提高航空发动机研发制造能力的重要手段,包括数字化工艺设计、数控加工、虚拟制造、智能控制、企业资源数据管理及产品协同设计制造等。

  同时,随着3D打印技术的成熟,航空发动机及其零部件3D打印已成为可能,能够满足航空发动机叶片型面复杂、零件众多、叶盘锻造加工工序纷繁复杂等要求。如通用电气公司与斯奈克玛合作采用3D打印LEAP发动机燃油喷嘴,将其耐久性提高了4倍,燃油效率提高15%,重量降低25%。同时,GE公司还通过3D打印了一台转速达33000 RPM的小型喷气发动机,未来将打印大型发动机整机。

  主要国家航空发动机发展经验启示

  美国:以引进起家,通过调控式竞争推动发展

  美国是公认的当今航空发动机技术最为先进的国家,具有GE和普拉特惠特尼等最顶尖的航空发动机研制企业,但美国的航空发动机技术也是以引进来起家的。二战前,航空喷气推进的研究进展主要在德国和英国,英国对离心式和轴流式喷气发动机有研究,而德国的轴流式发动机则取得了突破性进展。战争中凭借与英国的同盟关系,美国先从英国手里拿到了惠特尔离心式喷气发动机相关技术,后又获得了轴流式的Goblin发动机,并通过战争获得了德国技术资料。

  同时,美国将航空喷气发动机产业作为重要战略方向,以技术突破为导向全力发展自主航空发动机先进技术,从战后普拉特惠特尼公司许可制造罗尔斯罗伊斯公司的尼恩发动机,到其决定投入巨资建设新的研发机构和相应测试设施,再到J57的研制成功,奠定了美国在喷气发动机领域领先地位的基础。此外,美国还通过政府主导的调控式竞争推动航空技术进步,如采用了过多新技术的通用电气公司的YF120发动机曾竞标F-22失败,但美国通过IHPTET(综合高性能涡轮发动机技术)等项目与通用电气展开合作,直接与企业各自出资50%经费支持YF120等新技术开发和演示验证,使预研技术始终和现役技术保持着合理的时间间隔,确保了技术领先优势。

  法国:政府主导和推动发动机研制和市场推广

  法国的航空工业建立较早,但在二战前一直缺乏高水平的活塞发动机,致使法国战斗机性能一般。因此,法国政府战后积极寻找德国喷气研究技术人员和资料,推动国有企业斯奈克玛开始了阿塔(ATAR)发动机的研制。此后从M53到M88,法国政府都积极支持企业的研制生产,并坚持在军机上使用国产的发动机。如法国、英国和德国曾准备联合研制欧洲战斗机,法国因坚持使用自己的M88发动机而甘愿退出项目。

  在民用发动机领域,法国政府极力支持斯奈克玛与通用电气合作,由总统出面,并同意对美国未来出口到欧洲的飞机减免关税等获得了美国当时最先进的F101技术输出,达成最终协议合作开发CFM56发动机。尽管协议要求CFM56的核心部分在美国制造,法国总装,同时法美联合公司还要支付给美国总计8000万美元的技术许可使用费,但在法国政府的支持下,CFM56发动机无疑成为了当今最为成功的发动机之一。CFM56刚研制成功之时市场反应十分冷淡,法国政府为了帮助CFM56获得市场,在1978年竞标美国600架KC-135换发计划时,宣布为法军的11架KC-135先换装CFM56,为CFM56竞标成功及日后的商业发展奠定了基础。法国经验最为宝贵之处在于,无论是合作还是自研,法国都坚持100%使用自主航空发动机,为其创造良好市场。

  俄罗斯:整合重组发动机企业形成竞争力

  俄罗斯在前苏联时期的发动机企业实行单业经营的体制管理,涡桨、涡轴、涡喷、涡扇发动机每个系列各由三个设计局负责,每个设计局只允许设计一至两个、最多三个系列的发动机,这一体制导致前苏联出现了许多航空发动机企业。苏联解体后,为应对国际航空发动机企业的竞争,满足飞机动力性能不断提高的要求,俄罗斯开始对其发动机企业实行资产划转、资源整合及并购重组。20世纪左右,礼炮工厂与AO SiCH发动机工厂和AO UMPO工厂合并,成立了俄联邦直属莫斯科礼炮机械制造联合企业;罗宾斯克发动机联合公司与留里卡-土星联合企业也完成了最终合并,组建了当今俄罗斯最具实力的航空发动机设计制造企业俄联邦直属留里卡-土星科研生产联合企业,这些企业积极开展与发达国家及新兴市场国家发动机企业的合作,与普拉特惠特尼、通用、罗尔斯罗伊斯等都建立了合资合作关系。目前俄罗斯从事航空发动机生产制造的企业还有33家之多,从2001年开始,俄罗斯实行了一项长期的国防工业调整计划,进一步整合发动机生产企业,避免重复生产并且形成竞争力。

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