【深度】两机专项背景下的航空发动机与燃气轮机行业分析

1.3 航空发动机产业的发展特点

1.3.1 研制先进的航空发动机难度极大

航空发动机是十分复杂的热力机械，需要在高温、高压、高转速和交变负荷的极端恶劣条件下长时间可靠地工作，并满足推力(功率)大、油耗低、重量轻、寿命长、噪声小、排污少、可靠性高、安全性好、研制和维护成本低等众多互相矛盾而又十分苛刻的要求。一台现代发动机拥有上万个零部件，须用轻质、高温、高强度的特殊材料制造，加工精度已达微米级;高性能压气机叶片既薄又具有弯、扭、掠的构形，高速旋转时要长时间承受自身重量2 万倍的离心力;薄薄的机匣要长时间承受50～60个大气压而不能变形和损坏;涡轮叶片的气流环境温度现已高达2000～2200K，远超过其金属材料的熔点，要求在1万～2万转/分条件下能够长时间可靠工作;主燃烧室中气流速度高达20m/s(相当于8 级大风)，要求燃烧稳定，出口流场均匀，效率达99%以上;现代民用发动机寿命已长达3万小时以上，将来要超过10万小时，而对空中停车率的要求是发动机每10万飞行小时不能大于0.2～2次。

可以毫不夸张地说，航空发动机的研制，一直是在挑战工程科学技术的极限。正如美国《国家关键技术计划》所描述的：“这是一个技术精深得使新手难以进入的领域，它需要国家充分保护并利用该领域的成果，需要长期数据和经验的积累以及国家的大量投资。”

正因为如此，长期以来，美、俄、英、法等少数航空发达国家一直把优先发展航空发动机作为基本国策，将航空动力工业发展成高附加值的国家高科技战略性产业，把航空发动机技术列为严密封锁、严禁出口转让的关键技术，并逐步形成了对航空动力技术和全球市场的垄断地位。目前，世界上能独立设计生产飞机、坦克、舰船的国家有几十个，能研制核弹、火箭、发射卫星的国家也不少，但能自主研制先进航空发动机的国家却只有美、英、法、俄等少数发达国家。

1.3.2 发展先进的航空发动机耗资巨大

国外研制一型先进的军用涡扇发动机的费用在20亿美元左右(法国M88为16亿美元，美国F119为26亿美元)。据统计，美国航空发动机的研究和发展费用 (包括型号研制和改进、改型 )约占整个航空发展经费的1/3～1/4。其中不针对特定型号的发动机预研费约占全部发动机研究和发展费用的30%～35%甚至更高。

海量的资金投入给航空发动机企业的产品研发和公司运营带来巨大风险。以罗罗公司为例，在20世纪60年代后期民用航空的发展浪潮中，罗罗公司抓住机遇发展了大涵道比涡扇发动机RB211，开创性的采用三转子结构，但在研制过程中，由于叶片强度不足改用钛合金等技术困难导致研制经费大幅攀升致1.7亿英镑——比原先估计的数字增加了一倍，从而引发财务困难，直接导致公司破产。后期通过英国政府全盘接管并给予巨额财政支持，才使技术问题逐步解决，最终使这款发动机赢得了市场，奠定了罗罗公司后续发展的基石。

1.3.3 航空发动机产品研制及寿命周期长

航空发动机的发展技术难度大，需要通过多种试验进行探索，因而研制周期很长。

以军用航空发动机为例，不包括先进技术的预先研究, 其工程研制周期约10～12年。一代新型军用航空发动机研制成功后，一般还要持续使用改进发展达几十年。因此现代涡轮喷气航空发动机的更新换代并不是很频繁。如美国为F14、F15、F16研制的F110和F100发动机及俄罗斯为苏27飞机研制的AL-31F发动机，从投入使用至今已达30余年，预计今后10～20年仍然还会继续使用。虽然涡轮喷气发动机的研制是一项投资大、耗时长的大工程，但一旦研制成功投入使用，生命周期可达50年左右，费效比还是比较高的。

1.3.4 开展基础技术预先研究至关重要

预先研究是西方国家研发先进航空发动机的技术基础和保证，由于航空发动机技术难度大，实际研制时间要长于飞机，为保证与飞机同期立项，西方各国都通过实施专项研制计划，提前多年开展不针对特定型号的发动机新技术、新材料、新工艺的研究和探索。当新技术积累到一定程度后，就着手进行关键部件、核心机和发动机的技术验证和试验条件的建设。随着技术的成熟和型号的需求，适时转入型号发展。

以美国为例，为了保持在该领域的领先地位，从20世纪50年代开始.由军方和政府相继投入巨资实施了十几个航空发动机研究计划，奠定美国顶尖军用航空发动机和先进民用航空发动机技术基础。

1.3.5 发展航空发动机的发展途径——以核心机预研为基础

核心机是燃气涡轮发动机中最重要的部分，在发动机中处于最恶劣的工作环境(高压力、高温度、高转速)，是涉及发动机强度和使用可靠性方面最为关键的部件，新机研制过程中发生的许多问题和延长研制时间都与核心机部分密切相关。因此，提前对核心机进行研究，能够大幅度减少发动机研制风险，缩短研制周期。

从技术层面上讲，核心机是由已验证过的先进部件组成，利用核心机作为技术平台，可以在真实发动机环境条件下验证新设计、新材料和新工艺的技术可行性，并在一定程度上评估相关发动机的性能、耐久性和成本，从而降低将这些关键技术移植到工程运用中的风险。在核心机基础上，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。

航空强国的航空发动机发展经验是进行核心机预研，然后在同一个核心机上再衍生出航空发动机和舰用燃气轮机。60年代初美国GE和PW首先发展出了各自的第一代核心机GE1和 STF200，随后又发展出了各自的第二代核心发动机GE9和JTF22，JTF22经过发展就是著名的 F100，GE9核心机衍生出了诸如 F110、CFM56等众多航空发动机和LM2500燃气轮机，解决了如F15、F16、F14、F18的众多军用战斗机和以伯克级驱逐舰为代表的各类舰艇乃至民航客机众多动力选型问题。这就是说，GE9一个核心机解决了F15，F16，F18这些世界知名战斗机、以阿里伯克级驱逐舰为代表的各类舰艇乃至民航客机所有动力问题，这就是核心机预研的巨大效益。可以说，一型核心机的研制成功，意味着整个国家从天空到海洋的全面突破。

1.4 我国航空发动机的发展

1.4.1 我国航空发动机的发展历程

我国航空发动机工业创建于抗美援朝时期。在一穷二白基础上，从无到有，从小到大，由弱变强，经历了“维修仿制、改进改型、自主研制”三个发展阶段。

第一个阶段是从1950年到1965年。在苏联经济、技术援助和国内全面建设航空工业战略的内外因双重作用下，我国航空发动机工业成功起步。从维护维修到按图生产，再到仿制改进，先后制造了涡喷5、涡喷6，并进行了涡喷7、涡喷8的研制生产。

第二个阶段是从1966年到1990年。随着中苏关系的破裂，我国的航空工业在艰难中独立发展。为我国首型自主研制的歼八飞机配套的涡喷7甲发动机在涡喷7的基础上开始研制，并成为走完从设计、试制、零部件加工及整机地面调试、高空模拟实验到试飞定型全研制周期的首型发动机;在其基础上改进研制了涡喷13发动机，全面提高了可靠性和耐久性;引进许可生产了罗罗公司的“斯贝”MK202型加力涡扇发动机并仿制为涡扇9发动机，掌握了大量国内以往没有接触过的先进工艺和技术。

第三个阶段是从1990年往后。以新一代核心机预研计划为代表的，中国航空发动机构建核心机型谱体系的整体发展思路的逐渐形成，中国航空发动机科研体系逐渐步入成熟。2002年和2005年，我国自行设计研制的涡喷14发动机和第三代大推力涡扇10 发动机分别定型，这标志着我国具备了航空发动机的自主研制能力。

1.4.2 我国航空发动机的发展差距

“太行”涡扇发动机和某涡轴发动机设计定型并装备使用，表明我国已基本具备了自主研制第三代涡扇、涡轴发动机的能力。但是，面对世界发动机加速发展的态势和国内飞机旺盛的需求，与世界先进水平相比，我国航空发动机技术落后了，发动机水平赶不上飞机的发展需求，已成为制约军民用航空装备的“瓶颈”。

与世界先进水平相比，我国的航空发动机有近30年的巨大差距。我国现役最先进的涡扇-10及其改进型的性能指标与美国普惠的F100和通用电气的F110相当，这两款配套美国F-15和F-16战斗机发动机上世纪70年代即已装备部队。

我国航空发动机的发展差距主要表现在以下方面：

一是现役军用发动机多数仍是仿制国外的第三代发动机及其改进改型，发动机难以全面满足各类飞机对动力的需求，新研飞机无国产动力可供选用，有时不得不选用国外发动机进行首飞或过渡。

二是我国大型民机发动机型号研制仍是空白，全部依赖从国外进口，民用发动机的特有关键技术预先研究才刚刚开始。

三是尚未全面建立自主创新的研发体系，创新能力薄弱，技术储备不足，航空发动机设计体系尚不完备，设计手段相对落后。

四是航空发动机所需的先进材料、制造技术相对落后，自主研制航空发动机所需的基础设施和保障条件不足，大型试验设备有缺项，试验和测试技术相对落后，满足不了自主研制先进航空发动机需求。