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世界航空渦輪發動機:從細分市場看寡頭壟斷格局

      導讀:由于高技術、高投入、長周期、高風險等特點,航空發動機的研制及制造行業擁有極高的門檻。全球范圍內,航空發動機市場經過近百年的發展已經呈現出典型、明顯的寡頭壟斷格局。美國通用電氣、普拉特·惠特尼、英國羅爾斯·羅伊斯以及由它們主導或合資組建的CFM國際與IAE國際航空發動機公司,占據著約97%全球商用航空發動機市場。軍用航空發動機領域,加拿大普惠公司在軍用航空發動機方面的能力尤為突出,其F135系列產品是全球唯一成熟的第五代軍用發動機,未來市場廣闊。

航空發動機的研制及生產是一項綜合性極強的工作,涵蓋了氣動、傳熱、材料、工藝、強度、振動、裝配、控制和維修等諸多領域。相關設計及制造廠所必須要全面綜合地考慮已有材料性能、機械制造技術、航空發動機性能需求與工作環境,以及類似產品的使用經驗等諸多因素,才有可能獲得到較好的結構設計和制造工藝,并最終加工組裝得到滿足各種要求的航空發動機產品。

一、全球航空發動機產業概況

                                             

1903年以來,世界航空發動機設計研制及制造技術獲得了突飛猛進,各大航空發動機制造公司都積累了大量的研制數據和經驗,產品性能獲得了極大的提升。但是,由于航空發動機研制工作所需的超高技術要求、超高資金投入、超長研制周期、超高試驗風險等因素,世界航空發動機產業成為了門檻極高的產業,相關產品市場也呈現出了典型的寡頭壟斷格局。在民用航空發動機市場,主要是美國和英國的企業占據著壟斷地位;在軍用市場,世界主要軍事強國均有自己的航空發動機研制及制造企業,例如美國、英國、法國、加拿大、俄羅斯、德國、中國、烏克蘭和日本。

在民用航空發動機領域,全球相關制造企業之間相互配合及滲透,呈現著金字塔式的產業結構。通用電氣公司(簡稱“通用”或“GE”)、普拉特?惠特尼公司(簡稱“普惠”或“PW”)、羅爾斯?羅伊斯公司(簡稱“羅羅”或“RR”)位于該產業的核心位置。它們的航空發動機業務均開始于第二次世界大戰之前,相關產品和技術在戰爭中獲得了充分的驗證與提升。之后,為了拓展民用市場和優勢互補,這些公司直接主導或者與其他企業合資先后成立了CFM國際公司、國際航空發動機公司(簡稱“IAE”)和發動機聯盟公司(簡稱“EA”)。目前,這六個航空發動機公司均具有獨立研制大型民用航空發動機整機的能力,并且控制著民用飛機航空發動機的核心技術,包括結構設計、制造加工、總裝集成等,壟斷著全球各個細分市場的銷售及客戶服務市場,特別是CFM國際公司。

法國賽峰公司、美國霍尼韋爾公司、德國MTU公司、俄羅斯聯合發動機制造集團及中國航空發動機集團公司等是第二梯隊。它們擁有較完整的航空發動機研制與生產能力,為其他航空發動機企業提供著大型部件或核心零部件的制造加工,而且在軍用航空發動機和小型民用航空發動機研制領域具有獨特的優勢和一些經典產品。此外,日本三菱重工、川崎重工、石川島播磨重工和韓國三星等企業也具有優秀的航空發動機零部件加工制造能力,主要為其他下游企業提供發動機零部件。

多年來,世界一流航空發動機企業持續大力投入技術提升和新產品研發,同時,所屬國家也在政府層面出臺政策法規,對其他國家推行著技術封鎖,抑制其他國家相關產業的發展。例如,美國政府將航空發動機列為國防科技戰略的核心,嚴格管理和控制著本國企業相關技術的出口或外移,甚至在某些核心技術和零部件方面,對其歐洲盟友也實行著禁運,包括空心葉片制造技術、整體葉盤制造及修復技術和先進燃燒室制造技術。此外,這些國家在人力資源方面也實行著管控,禁止其他國家人員通過各種途徑進入航空發動機核心研制領域工作,或者限制本國相關技術人才去國外工作。

通常來講,一款航空發動機的研制過程需要上萬小時的試驗,從設計、研制、加工、生產到服役往往需要十多年的時間,花費約15-30億美元。如果技術或設計積累不夠,研發投入將無法估量;如果研究先進航空發動機,相關費用、時間及風險呈指數增長并且也無法估量。因此,其他國家研制航空發動機面臨著一系列的困難和風險。

通用、普惠和羅羅擁有著先進技術和豐富的研制經驗,每年在航空發動機研制過程中投入數十億美元。2012年至2018年期間,羅羅公司研發投入合計76.65億美元,年均10.95億美元。終于,通過前期大量的工作驗證,羅羅公司于2018年正式宣布與空客公司聯合研發UltraFan新型航空發動機UltraFan,預計將比其遄達系列發動機相比燃油效率將進一步提高25%

二、重要航空發動機制造企業

航空發動機產業處于高度壟斷狀態,特別是運用于大中型客機和運輸機的大涵道比渦扇發動機幾乎全由美國和英國所屬企業控制著。俄羅斯、中國、德國、日本、烏克蘭作為第二至第三梯隊,也在盡力推進相關項目的研發。如下是世界范圍內重要的航空發動機制造及配套廠商:

1.通用航空公司(GE Aviation):簡稱GE航空,是世界領先的民用、軍用、公務和通用飛機噴氣及渦槳發動機、部件和集成系統制造商。在全世界范圍內,每2秒鐘就有一臺由GE航空公司的飛機發動機提供動力的飛機起飛。

2.羅爾斯·羅伊斯公司(Rolls-Royce):是歐洲最大的航空發動機企業,是全球第二大軍用發動機和第二大民用發動機制造商,是大型豪華公務飛機生產商灣流公司的主要發動機提供商。

3.普拉特·惠特尼公司(Pratt & Whitney Group):是聯合技術公司的子公司,在全球軍用領域擁有強大的競爭力,是美國第五代戰機F22F35的唯一動力供應商;在民用領域,其PW4000系列發動機從1984年投入使用一直延續至今。

4.CFM國際公司(CFM International):由GE和賽峰合資成立,其CFM56系列產品是世界最暢銷的產品之一。目前,該公司的LEAP系列發動機是商業航空史上訂單攀升最快的產品,未來也將繼續成為新型單通道飛機動力裝置的受歡迎的型號。

5.IAE國際航空發動機公司(International Aero Engines):主要為150座級客機提供V2500發動機,與CFM56發動機爭奪市場,是目前在量產方面生產的第二個最成功的商用噴氣發動機項目,也是航空史上第三個最成功的商用噴氣發動機項目。

6.霍尼韋爾航空航天(Honeywell Aerospace):在二戰期間快速崛起,主要產品為航空發動機、航空電子設備和輔助動力裝置(APU),著名渦軸發動機產品為T53T55型號。

7.EA發動機聯盟公司(Engine Alliance):由GE和普惠合資成立,為新型遠程飛機提供發動機系統的研發、制造及維修服務。GP7200發動機為波音747-500 / 600X飛機提供動力,經改進后也可為空客A380飛機提供動力系統,目前主要與羅羅公司的Trent 900競爭。

8.聯合發動機制造集團(United Engine Corporation):是俄羅斯國有企業,下屬土星科學生產聯合公司是俄羅斯最具實力的航空發動機設計制造企業之一,具備很強的科研和生產制造能力。

9.賽峰飛機發動機公司(Safran Aircraft Engines):法國賽峰集團下屬子公司,研制或參與研制了包括陣風戰機的M88型發動機、CFM56系列發動機和LEAP系列發動機。

10.MTU航空發動機(MTU Aero Engines):德國重要航空發動機制造和配套企業,近年來民用航空發動機維護業務發展快速,主要歸功于V2500發動機和CF34系列。該公司正在積極參與歐洲下一代飛機及新型發動機研制項目。

11.馬達西奇(Motor Sich):烏克蘭重要航空發動機制造企業,著名產品包括用于安124與安225運輸機的D18T發動機和米24、米28、卡50、卡52、米17等俄系直升機的TV3-117系列發動機。此外,我國獵鷹高級教練機也是采用其AL-222-25發動機。

13.中國航發(Aero Engine Corporation of China):2016年從中國航空工業集團公司獨立出來,是我國航空發動機建設主體,主要產品包括渦扇-15、渦扇-10和渦軸-9等,基本覆蓋了我國現役全部軍用機型。

14.日本航空發動機公司(Japanese Aero Engine Corporation):由川崎重工,石川島哈里馬重工和三菱重工合資組建,成立于1981年,曾與羅羅公司合作開發RJ500發動機。

三、民用航空發動機市場

3.1民用航空發動機產品

近百年來,航空發動機制造企業一直在不斷地追求著更高的安全性、可靠性、經濟性、環保性和低噪音等,主要通過改進氣動設計、材料應用、低排放燃燒室、高效葉片冷卻技術、智能化監測系統等方式。具體到產品參數,推力大小一直是評價航空發動機的核心技術指標之一。圖表7匯總了過去六十年部分經典航空發動機的首次試驗時間及推力數據。可見,科技的進步和經驗的積累使得研制大推力甚至超大推力航空發動機成為可能。 

GE90型航空發動機是GE公司為波音777客機研制的一款高涵道比超大推力渦扇發動機,其1995年投入商業運營,至今已經衍生出兩個子型號,即最大推力為94000磅的GE90-94B和最大推力115000GE90-115。目前,GE90-115仍然是世界上推力最大的民用航空發動機。2016年,它的改進型GE9X型首次在地面進行測試,預計將在2019年為波音777-9的首次飛行提供動力,并將于2020年正式投入使用。GE9X配備更大的風扇,采用更先進的陶瓷基復合材料,更高的涵道比和壓縮比,雖然推力有所減弱,但是燃油效率將提升10%左右。 

3.2 民用航空發動機市場現狀

民用航空發動機市場主要由GERRPW及其主導或合資成立的CFM國際、IAE公司壟斷。根據Flight Global報告,2018年全球商用航空發動機存量市場規模是52107臺,較2016年的48609臺新增3498臺。上述五家公司合計占據了該市場的份額高達96.26%,其中,CFM國際22934臺、GE公司11718臺、IAE公司6118臺、羅羅公司5920臺和普惠公司3466臺。

近三年,CFM國家的產品銷量較好,2016年市場占有率為41.93%2017年增至43.12%2018年達到了44.01%。但是,普惠公司產品數量卻由2016年的3919臺降至3466臺,市占率由2016年的8.06%降至2018年的6.65%

窄體客機發動機市場:根據Flight Global報告,該細分市場的存量為31690臺,其中CFM國際市占率為71.13%IAE市占率19.31%PW市占率5.55%。這三家頭部企業產品合計占據了市場總額95.99%,而且幾乎所有在生產的窄體客機都選配了CFM國際的CFM56LEAP系列發動機,包括中國商飛研制的C919客機。

寬體客機發動機市場:根據Flight Global報告,該細分市場的存量為12701臺,其中GE市占率為51.21%RR市占率為28.31%PW市占率為13.42%。目前,這三家頭部企業產品合計占據了市場總額92.95%,在產的寬體客機主要選配了GE公司的GE90GE9XGEnx發動機,和RR公司的Trent系列發動機。

支線客機發動機市場:根據Flight Global報告,該細分市場的存量為7214臺,其中GE市占率為72.28%RR市占率為17.08%,霍尼韋爾市占率為6.27%。目前,這三家頭部企業產品合計占據了市場總額95.62%,在產的支線客機主要選配了GECF34系列發動機。

3.3 民用航空發動機市場發展趨勢

據商飛預測,未來二十年現有民用客機機的81%18266架)將逐步退役。此外,民機市場還需要超過24436架的新增客機。因此,全球市場至2037年預計將有超過42702架新機交付,用于代替和支持民機市場的發展,其中,預計三分之二為單通道窄體客機。新增民機細分數據及飛機市場價值參見圖表10

為了迎接需求旺盛的市場,各大航空發動機制造企業在過去十年已經先后啟動了多款新型號產品的研制項目。據統計,2008年至2018年,有八款重要型號進行了首次試車,其中四款將用于窄體客機,三款用于寬體客機,一款將用于支線客機(圖表11)。

現有民機航空發動機訂單數據及即將入市的新型號飛機動力系統可參見圖表12CFM國際獲得全球市場訂單的57.13%,共計5792臺;羅羅公司獲得了30.80%,共計3122臺,GE公司獲得了11.20%,共計1135臺,其中CFM國際的Leap系列和羅羅公司的PW1000G系列發動機將繼續占據市場的較大份額,主要用于A320neo737MAXC919A220等機型。

根據公開信息,2019年至2022年即將入市的民用機型包括波音777XMC-21E-jet 175/195等,其裝備的航空發動機型號可參見圖表13。我國自主研制的C919已獲得了近千架訂單,其正式入市之后也將較大的影響著相關型號發動機市場的格局和發展。

四、軍用航空發動機市場

4.1軍用航空發動機產品及市場

 

軍用航空器主要包括戰機、運輸機、直升機、轟炸機等,其中以直升機、戰機和運輸機為主,規模相對較大。根據Armed Forces網站數據, 2018年,美國軍隊配備有12304架包括直升機在內的軍用飛機,占全球軍機占比為26.61%,其次是俄羅斯4441架,占全球軍機占比為9.60%

軍用飛機裝載的動力系統主要為渦漿發動機、渦扇發動機和渦槳發動機,主要制造企業是GE、普惠、俄羅斯聯合發動機集團和中國航空發動機集團。此外,Lycoming EnginesHoneywell AerospaceAllison Engine Company、法國透博梅卡、馬達西奇等公司也為世界范圍內的軍機提供了相對少量的航空發動機產品。

根據《World Air Forces 2018》報告,現役戰機中,美國F-16F-18戰機數量最多,達2269架和1118架,動力系統是普惠F100系列和通用的F414/F404系列。俄羅斯制造的蘇-27和其升級版蘇-30服役數量為967架,動力系統是俄羅斯聯合發動機集團下屬的土星公司研制的AL-31系列。

全球最著名運輸機的當屬美國C-130“大力神”、C-17“環球霸王”和俄羅斯伊爾-76,現役數量分別為889架、274架和182架,其搭載的動力系統分別是羅羅的T56系列、普惠PW2000系列和俄羅斯聯合發動機集團下屬的索洛維耶夫設計局研制的D-30系列。

美國黑鷹S-70/SH/UH-60是服役數量最多的軍用直升機,多達3842架,其動力系統采用了GE公司的T700。此外,俄羅斯的Mi-8中型運輸機也在全球范圍內大量服役著,其搭載著烏克蘭馬達西奇的產品。

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綜述可見,現役軍機及其動力系統的制造公司的概況是:

全球主要戰機發動機制造企業:(美國)普惠、(美國)通用、(俄羅斯)聯合發動機集團和中國航發;

全球主要運輸機發動機制造企業:(英國)羅羅、(美國)普惠、(加拿大)普惠、(俄羅斯)聯合發動機集團、(烏克蘭)馬達西奇和中國航發;

全球主要直升機發動機制造廠商:(美國)通用、(俄羅斯)聯合發動機集團、(美國)霍尼韋爾、(加拿大)普惠、(英國)羅羅和(法國)賽峰。

4.2 俄羅斯軍機動力系統概況

俄羅斯的經濟實力相對于美國和中國較弱,但是其空軍實戰能力卻受到世界矚目,因此存在一些值得我國借鑒和學習的方面。截止2018年底,在兩年半的敘利亞反恐戰事中,俄羅斯空軍累計觸動了3.6萬架次作戰飛行,但僅損失了5架軍機。俄戰略技術分析中心出版《殘酷的天空—當代沖突中的空軍》書籍,稱贊其空軍的實戰表現是近20年來全球最成功的。

俄羅斯現役軍機4441架,包括軍用直升機1505架,攻擊機783架和戰斗機751架。此外,俄軍還裝備有多用途飛機523架,例如運輸機、偵察機、加油機等。其中,1247架直升機,包括Mi-8/17Mi-24/35Ka-27/28/29/52等型號,裝備著TV3-117系列渦軸發動機;429架戰機,包括Su-27/30/33/34/35等型號,裝備著AL-31F系列渦扇發動機;314架運輸機及其改裝的平臺機,包括Il-76/78Tu-134/154等型號,裝備著D-30系列渦扇發動機。

TV3-117系列渦軸發動機:是世界上產量最大的渦軸家族之一,也是世界上最可靠的發動機之一,配裝在95%的米系列和卡系列直升機上。為了適應各型直升機的要求,TV3-117系列發動機發展出了20多種改進型,產量超過3萬臺,累計飛行時間超過1200萬小時。

我國軍/民用直升機規模及市場增長迅猛,而且擁有極長的邊境線,迫切需要裝備高性能發動機的直升機。但是,國內的軍工渦軸發動機的性能及穩定性相對不足,是我國目前正在大力發展的方向之一。

D-30系列渦扇發動機:最大推力為12.5噸,翻修壽命3000小時左右,主要裝配于大中型飛機,包括俄制Il-76/78Tu-134/154、中國制轟-6系列、運-20系列飛機等。該型號發動機對中國空軍有著非常重要的意義。

4.3 軍用航空發動機發展趨勢

 

美國企業(PWGE)的軍用航空發動機技術代表著世界最高水平,其發展方向和趨勢就是其他國家和地區相關企業的努力方向。結合實際使用情況以及性能的要求,美國和歐洲依據推重比將軍用航空發動機分為五代,參加圖表19

其中,第五代發動機以美國普惠的F135型號為代表(推重比超過11),已經大批量的列裝F-35戰斗機。依靠其強大的技術研發能力,美國已經開始第六代航空發動機的設計及研制,預計推重比將達到15以上,而且第七代航空發動機也可能開展了預研。據報道,2018年美國空軍采購70架搭載F-135發動機的F-35戰斗機,后來又增購了24架,2019年美國空軍計劃采購77F-35戰斗機,這樣到2020年美國空軍F-35戰斗機數量可能會突破400架,這個數字將會超過F-15成為美國空軍第二大戰斗機,僅次于F-16,并且按照這個裝備速度,F-35將會在2025年之前超過F-16成為美國空軍第一大戰斗機,也就是說美國空軍可能在2025年之前基本上完成從三代戰斗機到四代戰斗機升級。

世界航空發動機企業之中,普惠公司在軍用航空發動機方面的能力尤為突出。它的近11000臺軍用發動機在22個國家的服役,其中包括:用于F-35F-135系列,用于F-22F-119系列,用于F-15F-16F100系列,用于C-17F-117系列等。所以,該公司的軍用航空發動機的研制方向很可能就是未來其他國家軍用航空發動機的發展方向。

目前,全球現役戰機之中,四代半及五代戰機占比極低。未來,隨著現役軍機的退役及新戰機的補充,全球范圍內的普惠的F-135系列、俄羅斯聯合發動機制造集團的AL-41F系列、以及中國的WS-15系列等先進軍用航空發動機數量將逐漸增多。 

五、無人機航空發動機市場

自上世紀90年代開始,無人機由于在戰爭中的出色表現迎來了迅猛的發展,并且呈現出察打一體化和高空長航時的發展趨勢。目前,全世界有超過30個國家裝備了無人機系統,并在軍隊中組建了無人機機隊。其中,以美國軍隊裝備的無人機型號最為眾多,并且其技術也引領著世界的發展方向。具體發動機型號及制造企業參見圖表-22

無人機采用的動力裝置主要包括活塞發動機、渦噴發動機、渦扇發動機、渦槳發動機和渦軸發動機。此外,微型無人機通常使用了電池驅動的電動機。無人機發動機的選擇主要與其所要求的性能有關,可參見圖表23。例如,活塞發動機適用于低速、中低空的偵察、監視無人機及長航時無人機,飛機起飛質量較輕;渦噴發動機適用于飛行時間較短的中高空、高速偵察機及靶機、無人攻擊機, 飛機起飛質量可達2500kg;渦軸發動機適用于垂直起降無人機;渦扇發動機適用于高空長航時的大型無人機,例如美國“全球鷹”RQ-4

由于歷史、技術、使用經驗等原因,目前大部分現役無人機均采用活塞發動機,局限性較大。未來,推力更大、耗油率低、高空性能好的渦扇發動機有望在在無人機動力裝置中將占有越來越重要的地位。

六、航發集團下屬上市公司

6.1 中國航發動力股份有限公司(簡稱:航發動力 / 代碼:600893.SH

航發動力是國內大型航空發動機制造基地企業,國內唯一的生產制造渦噴、渦扇、渦軸、渦槳、活塞全種類軍用航空發動機的企業。公司主要業務包括航空發動機及衍生產品、外貿出口轉包業務、非航空產品及其他業務。主要產品和服務有軍民用航空發動機整機及部件、民用航空發動機零部件出口、軍民用燃氣輪機、軍民用航空發動機維修保障服務。

6.2 中國航發動力控制股份有限公司(簡稱:航發控制 / 代碼:000738.SZ

控制系統是航空發動機的核心組成部分,直接影響著發動機的性能參數和可靠性。航發控制是國內重要航空發動機控制系統研制與生產企業,在軍用市場擁有壟斷性的競爭優勢。

隨著國家“兩機”專項的推進實施,公司將在自主產品研制和能力建設上進一步提升核心競爭力和行業地位,充分受益我國航空發動機產業的發展。

6.3 中國航發航空科技股份有限公司(簡稱:航發科技 / 代碼:600391.SH

航發科技主要業務是航空發動機零部件研發、制造、銷售、服務,外貿轉包生產和衍生民品,其中,內貿航空及衍生產品主要是以該公司牽頭組織,通過借助行業力量,系統集成,最終實現生產交付;而外貿產品則主要通過承接國際知名航空發動機公司的委托加工業務。 

 

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