航空发动机专题报告：走过70年积累开拓之路，迈向加速高质量发展新阶段

请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明1 你 行业研究/行业专题报告 2023年4月12日 走过70年积累开拓之路，迈向加速高质量发展新阶段 领先大市-A(维持) 航空发动机专题报告 国防军工 国防军工板块近一年市场表现 资料来源：最闻 首选股票 评级 000738.SZ 航发控制 买入-A 688239.SH 航宇科技 增持-A 相关报告： 【山证国防军工】国际地缘剧变伊始，各国武备加速采购-国防军工2023年度 策略2022.12.30 【山证国防军工】锻造新域新质作战力量，内需外贸前景光明-军用无人机专题报告2022.12.7 分析师：骆志伟 执业登记编码：S0760522050002邮箱：luozhiwei@sxzq.com 李通 执业登记编码：S0760521110001电话：010-83496308 邮箱：litong@sxzq.com 投资要点： 燃气涡轮发动机是航空发动机中绝对的主流，主要包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机四种。航空发动机起步于活塞式发动机，发展至今的绝对主流是燃气涡轮发动机。以涡轮喷气发动机为基本构型，针对不同的工作场景，发展演化出总体架构有所差别的涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。涡轮喷气发动机主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成，涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机则是在三个部件组成的核心机基础上，各自增加风扇/增压级、低压涡轮、动力涡轮等部件。目前多数航空发动机都采用涡轮风扇发动机作为动力源，涡轮轴发动机主要用于直升机发动机。 航空发动机的研制难度主要体现在设计之难、先进材料之难、制造之难和试验之难，通过长期的实践摸索，核心机的派生发展成为当前各国发动机系列化发展的主要技术途径。核心机包括了推进系统中温度最高、压力最大、转速最高的组件，其研制成本和周期在航空发动机研制中占比较大，是航空发动机研制主要难点和关键技术最集中的部分，目前“部件-核心机-验证机-型号”的航空发动机研制途径是世界各国普遍采取的方法。航空发动机的诞生过程是一个设计、制造、试验、修改、再制造、再试验的反复迭代过程，试验在航空发动机研制过程中起着举足轻重的作用。为了有效应对航空运输需求的快速增长、能源消耗和环境压力以及新军事变革的需求，航空发动机技术不断持续发展，新构型和新概念将不断推出。 航空发动机产业链主要包括发动机主承包商、子系统供应商、小部件及零组件供应商、原材料供应商四个层次，涵盖研发设计、加工制造和运营维护三大环节。航空发动机主承包商是产业链的链长，核心能力定位于设计、工程和系统集成，负责供应链系统的搭建和维护，居于产业链的核心地位。中国航空发动机集团公司（简称“中国航发”）是我国最主要的发动机主承包商，在2016年成立之初就明确了“小核心、大协作，专业化、开放型”的发展模式，经过数十年的发展我国航空发动机产业已形成涉及政府、军方、中国航发、国有企业、民营企业、高校和科研院所等多方主体融合的军民融合产业体系。 现代航空发动机结构极为复杂，一般而言，单个民用航空发动机零部件数量接近两万件。按照零部件结构形式的不同，发动机零部件可分为盘类件、轴类件、鼓筒、环形机匣及环形件、箱式机匣和叶片等。高性能航空发动机要求在极有限的自重与工作空间、极恶劣的工作条件下保证长期可靠的工作 性能，大量采用了复杂的整体轻量结构，同时大量应用了高性能钛合金、高温合金以及复合材料等难加工材料，对制造技术要求极高。 航空发动机长时间工作于高温、高压和高转速的恶劣环境下，对于材料的性能提出了极高的要求。通过总结航空发动机过去的发展历史，可以发现一代新材料引领一代新型发动机，在未来航空发动机性能的提高中，新材料贡献率将达到50%以上。提高涡轮前温度可直接提升航空发动机的综合性能，航空发动机材料的耐高温性能显得尤其重要。目前航空发动机的主要材料包括高温合金、钛合金、复合材料等，为了满足四代战斗机及未来的隐身飞机对发动机的隐身性要求，隐身材料也得到了广泛应用。 航空发动机控制系统是航空发动机的大脑。航空发动机控制系统从液压机械控制、液压机械+电子控制，发展到现代的全权限数字电子控制 （FADEC），并向智能/分布式控制方向发展。全权限数字电子控制系统 （FADEC）是一种以计算机为核心的控制系统，不仅能够实现从发动机起动、运行、停车的整个运行过程的全部控制功能，保证发动机一直保持在最优条件下运行，而且集成了发动机故障诊断属性，及时发现发动机的“病变”。 重点公司关注：重点推荐航发控制和航宇科技。航发控制是航空发动机控制系统龙头，公司主要产品为航空发动机控制系统及部件，作为国内主要航空发动机控制系统研制生产企业，在军用航空发动机控制系统方面一直保持领先，与国内各发动机主机单位均有密切合作，全面参与了国内所有在役、在研型号的研制生产任务，是航发控制系统唯一上市标的，具有稀缺性。航宇科技是航空发动机环锻件核心供应商，公司参与了我国现役绝大部分军用航空发动机生产任务，承担所有预研、在研军用航空发动机型号研制任务，还是国产大飞机C919长江系列航空发动机环锻件的核心研制生产单位，公司与多家国际主流航空发动机生产商均签订了长期协议，长期协议涉及多个主流航空发动机型号，有望受益于国内和国际市场的双轮驱动。 风险提示：原材料价格波动；新型号列装不及预期；订单交付不及预期；新型号研发不及预期 目录 1.航空发动机的分类及发展10 1.1涡轮喷气发动机13 1.2涡轮风扇发动机16 1.3涡轮螺旋桨发动机23 1.4涡轮轴发动机26 1.5无人机用航空发动机28 2.核心技术与发展趋势33 2.1航空发动机研制途径-核心机的不断继承和发展33 2.2航空发动机发展趋势35 2.2.1变循环发动机35 2.2.2多（全）电发动机36 2.2.3齿轮传动37 2.2.4桨扇发动机37 2.2.5间冷回热发动机（IRA）38 2.2.6高超音速组合发动机39 2.2.7超音速强预冷发动机40 3.产业链分布41 3.1零部件42 3.1.1盘类件48 3.1.2轴类件50 3.1.3鼓筒50 3.1.4环形机匣和环形件51 3.1.5箱体机匣53 3.1.6叶片54 3.2材料57 3.2.1高温合金59 3.2.2钛合金61 3.2.3复合材料64 3.2.4隐身材料67 3.3控制系统68 4.投资建议72 4.1航发控制72 4.2航宇科技72 5.风险提示74 图表目录 图1：航空发动机分类10 图2：典型航空活塞式发动机的剖面图10 图3：四种燃气涡轮发动机简单工作原理图11 图4：涡轮喷气发动机组成11 图5：四种燃气涡轮机的结构图11 图6：通用电气J-79涡轮喷气发动机结构图13 图7：离心式压气机14 图8：轴流离心组合式压气机（T53）14 图9：双转子与单转子发动机结构对比14 图10：大涵道比涡轮风扇发动机GE90结构16 图11：小涵道比加力涡轮风扇发动机TF30-P-10017 图12：LEAP系列发动机具备优异性能17 图13：三转子涡轮风扇发动机（RB211&Trent）18 图14：齿轮传动涡轮风扇发动机（PW1100G）18 图15：罗罗Dart定轴式涡轮螺旋桨发动机23 图16：定轴式和自由涡轮式涡轮螺旋桨发动机24 图17：装备大功率涡轮螺旋桨发动机TP400的AirBusA400M24 图18：采用并列旁置前输出型式的涡轮轴发动机Arriel26 图19：动力涡轮输出功率的三种型式27 图20：活塞/涡轴/涡桨/涡扇/涡喷发动机实物图29 图21：美国F119发动机的核心机（红色线框内部分）33 图22：F101核心机的衍生系列化发展34 图23：发动机吞水试验34 图24：高空台实验舱34 图25：自适应变循环发动机结构35 图26：自适应变循环发动机四种工作模式35 图27：F120双外涵变循环发动机不同工作模式的结构示意图36 图28：多电发动机结构示意图36 图29：采用了动力齿轮箱的UltraFan发动机37 图30：采用桨扇发动机的运输机安-70及其桨扇发动机D-2738 图31：间冷回热发动机原理图38 图32：串联式涡轮冲压组合发动机39 图33：并联式涡轮冲压组合发动机39 图34：StrutjetRBCC发动机40 图35：RBCC发动机不同工作模态40 图36：弯刀（Scimitar）发动机结构图40 图37：佩刀（Sabre）发动机结构图40 图38：我国航空发动机科研生产体系创新主体构成41 图39：EJ200零部件示意图42 图40：航空发动机叶片的工艺流程43 图41：锻造工艺分类44 图42：精密锻造和精密铸造发动机零部件44 图43：可增材制造的发动机零部件45 图44：整体叶盘电解加工方法示意图45 图45：摩擦焊在航空发动机制造领域的应用46 图46：喷丸强化47 图47：应用于涡轮叶片的热障涂层47 图48：典型的航空发动机盘类件49 图49：压气机中的整体叶盘49 图50：CMF-56主要轴类零件50 图51：V2500发动机增压级和高压压气机中的鼓筒51 图52：航空发动机的主要环形机匣及环形件52 图53：不同类型的环形机匣52 图54：风扇机匣和外涵机匣开始采用复合材料53 图55：典型焊接机匣壳体及环形件毛坯53 图56：CFM56附件传动机匣54 图57：航空发动机叶片54 图58：风扇叶片的发展55 图59：宽弦空心叶片（三角桁架结构）55 图60：压气机静子叶片55 图61：涡轮工作叶片56 图62：涡轮叶片采用复杂的内腔结构设计实现内部冷却56 图63：等轴晶铸造高温合金、定向凝固柱晶高温合金、单晶高温合金叶片（从左至右）57 图64：典型型号航空发动机推重比演进57 图65：涡轮前温度和冷却技术的演进57 图66：不同材料的典型比强度-温度适用范围58 图67：典型航空发动机用材的分布示意58 图68：Trent800不同部分的工作温度和压强曲线58 图69：航空发动机热端部件及其零件59 图70：高温合金在叶片和盘片上应用的发展趋势和对比60 图71：2017-2021年中国高温合金需求与产量61 图72：航空发动机低温部件及其零件62 图73：我国高温钛合金的发展63 图74：TiAl合金在普惠齿轮传动涡扇发动机高压压气机和低压涡轮的潜在应用示意图63 图75：Genx发动机用TiAl合金铸造低压涡轮叶片63 图76：2021年中国钛加工材在不同领域的应用比例64 图77：中国钛加工材历年进出口量（2003-2021）64 图78：航空发动机材料发展趋势65 图79：树脂基复合材料在发动机冷端部件上的应用66 图80：高温合金和陶瓷基复合材料耐温能力变化66 图81：GE9X发动机应用的陶瓷基复合材料部件66 图82：铝基复合材料用于B777发动机导向流叶片66 图83：F135锯齿修形喷管67 图84：S弯二维喷管在战斗机发动机上的应用67 图85：隐身材料在航空发动机上的应用68 图86：航空发动机全权限控制系统原理图69 图87：发动机控制复杂性变化趋势69 图88：航空发动机控制技术发展历程与趋势69 图89：某涡扇发送机控制系统总体结构框图70 图90：燃油系统总体方案图71 图91：未来航空发动机控制技术的重点发展领域71 表1：不同类型燃气涡轮发动机特点12 表2：涡轮喷气发动机主要型号15 表3：涡轮风扇发动机主要型号19 表4：涡轮螺旋桨发动机主要型号25 表5：涡轮轴发动机主要型号27 表6：无人机各种动力装置类型特点28 表7：不同类型的发动机所适用的无人机30 表8：配置不同类型动力装置的无人机列表30 表9：航空燃气涡轮发动机不断涌现的新技术42 表10：国内主要航空发动机零部件制造公司情况47 表11：国内主要高温合金上市公司情况61 表12：国内主要钛合金上市公司情况64 表13：不同材料的比强度和比模