国防军工行业航空发动机系列专题报告之一：锻飞机之心，铸制造强国

核心观点： 锻飞机之心，铸制造强国 ——航空发动机系列专题报告之一 国防军工 推荐(维持) 分析师 为何必须重视航空发动机产业布局？1）高战略价值：核心技术和市场牢牢掌握在美英等国家的寡头企业手中，并对我国军用航空发动机实施禁运，我国实现技术突破和自我迭代迫在眉睫；2）高经济性：航空发动机价值量约占飞机总价值的20-30%，其单位重量创造的相对价值是船舶的1400倍。一款成熟发动机型号产品通常能够延续30至50年，经济性非常高；3）高难度& 重积累：航空发动机研制周期长达数十年，比如F35战机用F135发动机研制 周期达22年，需要投入大量资金，持续不断的实施先进技术预先研究和验证计划。美国航空发动机研究和发展经费占GDP的比重分别达0.08%、0.06%。 如何看我国航发市场空间？1）军用有人机：未来10年，我国军机发动机需 求总量约为2.78万台，万亿市场可期，其中新增军机需求总量约11781台，国产替代发动机需求约3390台，维修与换发带动的发动机需求约12606台。 2）军用无人机：到2025年，我国军用中大型无人机发动机市场规模约30至 45亿元。3）商用：预计未来20年我国共需要9284架飞机，中国商飞将新增 5162台商用发动机需求，市场空间近3000亿，国内发动机产业有望显著受益。 发动机价值链如何评估？航空发动机价值链由研发设计（价值占比10%）、 整机制造（占比40%）和维修运营（占比50%）三部分组成，其中制造阶段的原材料费用（占比20%）、运营维护阶段中零备件航材费用（占比25.5%）在航空发动机全生命周期成本中占比较高。钛合金、高温合金制品供应商以及控制系统供应商有望持续受益。 投资建议：航空发动机赛道“长坡厚雪”，正步入产业发展“红利初期”。 我国航空发动机产业起步较晚，发展基础较为薄弱。随着2015年“两机”重大专项的启动，我国航空发动机产业正式步入发展红利期。2021年以来，随着备战需求大幅提升，国内军用航空发动机规模放量，发动机制造端进入蓬勃发展期。未来，随着量产型号批量进入进厂翻修期，发动机维修运营业务将迎来井喷，发动机产业链有望持续受益。 上游材料端，高温合金用量占发动机总重量的40%~60%以上，叠加国产 化率提升预期，建议关注抚顺特钢（600399.SH）、西部超导（688122.SH）等。高端钛合金用量占发动机总重量的25-40%，建议关注宝钛股份(600456)、西部超导(688122)、西部材料(002149)等。发动机隐身材料领域建议关注华秦科技（688281.SH）等。 中游制造端，建议关注中游锻件供应商中航重机（600765.SH）、航宇科 技（688239.SH）、派克新材（605123.SH）以及中游铸件供应商航材股份 （688563.SH）、钢研高纳（300034.SZ）、图南股份（300855.SZ）等；重点关注航空发动机控制系统供应商航发控制（000738.SZ）。 下游整机制造与运维端，总装环节进入壁垒极高，国内外皆成寡头垄断 态势，后市场规模更加可观，建议重点关注航发动力（600893.SH）。 风险提示：装备需求不达预期的风险；企业扩产不及预期的风险；产品价格大幅波动的风险。 李良 ：010-80927657 ：liliang_yj@chinastock.com.cn分析师登记编号：S0130515090001 胡浩淼 ：010-80927657 ：huhaomiao_yj@chinastock.com.cn分析师登记编号：S0130521100001 相对沪深300表现图2023-12-29 国防军工沪深300 15% 10% 5% 0% -5% -10% -15% -20% 资料来源：中国银河证券研究院 相关研究 【银河军工李良】行业深度报告_2024年度策略_见证转折处，风云再起时_202312 行业深度报告●国防军工 2023年12月31日 www.chinastock.com.cn证券研究报告请务必阅读正文最后的中国银河证券股份有限公司免责声明 目录 一、航空发动机：国之重器，皇冠明珠4 （一）航空发动机在整机价值量中占比20%至30%，是衡量飞机性能的关键指标之一4 1、压气机：多级静子+转子构成，叶片可达2000片5 2、燃烧室：发动机心脏，结构分为扩压器、外壳、内壁和旋流器6 3、涡轮：航空发动机动力部件，涡轮叶片占整机叶片总体价值的60%左右7 4、其他结构7 （二）航空发动机分类：涡扇发动机已成为军民用发动机主流8 （三）评价指标：军民发动机性能评价指标有一定差别10 1、军用发动机评价指标和趋势：追求推重比、单位推力、涡轮前燃气温度和加力状态耗油率10 2、民用发动机评价指标和趋势：安全性、成本可承受性是最优先的考虑因素12 二、为何需重视航空发动机产业布局？14 （一）航空发动机：集高经济性、高战略价值、高难度、高急迫性于一身14 （二）世界竞争格局：寡头占据全球军民用航发主要市场17 1、GE航空：持续紧跟技术发展，拆分业务专注航空再出发18 2、英国罗罗Rolls-Royce：重组效果显现，复苏步伐加快21 3、启示：持续技术突破，专注专业化分工22 （三）中国航空发动机产业：与世界强国尚有差距，发展方兴未艾23 1、历史沿革：国家积极布局+政策逐步加码+自研能力显著提升23 2、中国航空发动机产业现状：军品产业布局基本形成，民品布局较为薄弱25 三、需求端：广阔天地，大有作为27 （一）军用航空发动机：需求增长、维修换装、国产替代三轮驱动27 1、增量逻辑：战机数目持续增长叠加国产化渗透率提升27 2、存量替代逻辑：未来10年存量换发带动的发动机总量约12606台29 （二）无人机发动机：2025年我国军用无人机发动机市场规模约30至45亿元29 1、活塞发动机应用最广泛，未来主流仍是涡扇发动机29 2、更强调技术成熟性、适用性以及较高的可靠性，核心是低成本30 3、军用无人机发展空间广阔，2025年我国军用无人机发动机市场规模约30至45亿元30 （三）商用航空发动机：国产化率较低，蓝海市场待掘金31 1、商用航空发动机价值构成31 2、商业航发蓝海市场待掘金：预计未来20年商飞将新增5162台商用发动机需求32 3、我国航发市占率率较低，中国商飞有望引领我国商用航发破局33 四、航空发动机价值链与产业链分析35 （一）价值链分析36 1、研发设计：占全生命周期10%，其中型号研制费用占比50%36 2、制造成本：占全生命周期成本的40%，其中原材料价值占比40-60%38 3、维护成本：占全生命周期50%，其中零备件航材价值占比51%39 （二）产业链分析40 1、上游材料：冷端以钛为主、热端以镍基合金、钛合金和钢为主40 2、中游零部件制造：锻件重量占发动机结构总重量的55%~65%，精密铸造技术要求高48 3、中游分系统：动力控制系统约占发动机整体价值的10%-20%52 4、下游整机制造&维修运营：整机壁垒最高，维修运营价值占全生命周期50%54 五、投资建议：航空发动机赛道“长坡厚雪”，正步入产业发展“红利初期”56 六、风险提示57 一、航空发动机：国之重器，皇冠明珠 （一）航空发动机在整机价值量中占比20%至30%，是衡量飞机性能的关键指标之一 航空发动机(aero-engine)，是一种高度复杂和精密的热力机械，作为飞机的心脏，被誉为“工业之花”。它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。目前，世界上能够独立研制高性能航空发动机的国家只有美国、俄罗斯、英国、法国、中国等少数国家，技术门槛非常高。 因航空发动机的高技术门槛特征，其本身的价值量也较高。在飞机各分系统成本占比中，航空发动机约占整机成本的20%至30%，仅次于飞机机体结构，是飞机的重要组成部分。 图1：军用飞机各分系统成本占比图2：民用客机各分系统成本占比 资料来源：前瞻经济学人，中国银河证券研究院资料来源：前瞻经济学人，中国银河证券研究院 航空发动机产生推力基本分为四个阶段。喷气式发动机和活塞式发动机都需要经过进气、加压、燃烧和排气四个工作过程。空气首先进入的是发动机的进气道，经过压气机加压后进入燃烧室与燃料混合燃烧，燃烧室产生高温高压的能量气体传送给涡轮，涡轮做功经涡轮轴为发动机运行提供动力，从而推动飞机运行。 航空发动机结构比较复杂，主要由进气装置、压气机、燃烧室、涡轮、排气装置五大部分组成，其中压气机、燃烧室、涡轮是其三大核心部件，三者也被成为核心机的组成部分。核心机囊括了推进系统中温度最高、压力最大、转速最高的组件，发动机研制过程中80%以上的技术问题都与核心机密切相关，是航空发动机研制难点较为集中的环节。 图3：航空发动机工作过程和核心机构成情况简图 进气 压气 燃烧 排气 进气口 压气机 燃烧室 涡轮 工作四阶段 核心机构成 冷端部件热端部件 资料来源：《航空发动机核心部件技术研究概况与展望》，中国银河证券研究院 1、压气机：多级静子+转子构成，叶片可达2000片 压气机作为航空发动机的核心部件之一，具有压力大、转速高的特点。压气机在发动机中的主要作用是利用涡扇输入的机械功对气体进行压缩，将机械能转化为气体内能，让气流的压力和温度升高，从而满足航空发动机的热力循环要求。评价压气机性能的主要指标包括空气流量、增压比、效率、喘振裕度、外廓尺寸。 图4：航空发动机压气机结构图 资料来源：《第四代大推力军用涡轮风扇发动机发展》，中国银河证券研究院 压气机由多级组成，每级分为静子和转子。静子在前，转子在后，交错排列。按照空气流的方向，压气机可以分为轴流式、离心式和混合式三类。轴流式压气机级数（即一圈转子叶片+一圈静子叶片）一般较多，占用轴向空间较长，单级增压比低，但总增压比较高，是现代民用客机和军用战斗机广泛采用的压气机结构。 静子（工作轮）：叶片、盘、轴 转子（导向器）：叶片、机匣图5：航空发动机压气机叶片示意图 资料来源：电力专家联盟，中国银河证券研究院 压气机叶片：空气从进气道进入发动机后流入压气机部分进行减速增压。压气机中的叶片根据不同功能可分为旋转叶片（动叶）和固定叶片（静叶）。旋转叶片旋转并将空气向后推，固定叶片减少空气旋转的动量，为空气施加压力，该过程重复多次实现空气的减速增 压。压气机叶片级数较多，每台发动机压气机叶片数量一般在2000片左右。不同发动机型号设计的叶片级数均存在差异。 压气机轮盘：压气机盘是航空发动机的转子部件，用于安装叶片以传递功率，承受高温、高压、高转速环境下的复杂载荷。根据用途，压气机盘可以分为风扇盘、低压压气机盘和高压压气机盘三种。随着技术的不断发展，发动机转子叶片和轮盘一体的“整体叶盘”被高推重比发动机广为使用。整体叶盘是将盘片一体化设计的复杂转动件，可使发动机重量减轻20-30%、效率提高5-10%、零件数量减少50%以上。 压气机机匣：目前，航空发动机广泛采用双转子轴流压气机，包含低压和高压两部分转子。由于低压和高压两部分压气机工作温度存在差异（低压200-300℃，高压300-500℃），不 同压气机机匣使用的材料也有所不同。低压机匣一般采用钛合金制造，高压机匣一般采用合金钢制造。在机匣结构上，压气机机匣可分为分半式机匣和整环式机匣。分半式机匣结构简单易于安装，但机匣沿周向分布不均匀，容易影响压气机效率。整环式机匣刚性分布均匀，但不容易装配，维修性差。 2、燃烧室：发动机心脏，结构分为扩压器、外壳、内壁和旋流器 燃烧室是发动机的心脏，主要功能是燃烧化石燃料形成高温高压的气体（化学能转化为热能），从燃烧室排出进入涡轮并带动涡轮转动（热能转化为机械能），进而带动发动机转动。燃烧室结构部件可分为扩压器（进气装置）、外壳、内壁和旋流器。 燃烧室研制过程具有难度大、周期长、花费高等特点，其燃烧释放的燃气温度大约是1800-