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世界航空涡轮发动机:从细分市场看寡头垄断格局
新闻来源:东莞三原机械生产厂家 发布时间:2019-08-01


由于高技术、高投入、长周期、高风险等特点,航空发动机的研制及制造行业拥有极高的门槛。


全球范围内,航空发动机市场经过近百年的发展已经呈现出典型、明显的寡头垄断格局。美国通用电气、普拉特·惠特尼、英国罗尔斯·罗伊斯以及由它们主导或合资组建的CFM国际与IAE国际航空发动机公司,占据着约97%全球商用航空发动机市场。军用航空发动机领域,加拿大普惠公司在军用航空发动机方面的能力尤为突出,其F135系列产品是全球唯一成熟的第五代军用发动机,未来市场广阔。



一、全球航空发动机产业概况



自1903年以来,世界航空发动机设计研制及制造技术获得了突飞猛进,各大航空发动机制造公司都积累了大量的研制数据和经验,产品性能获得了极大的提升。但是,由于航空发动机研制工作所需的超高技术要求、超高资金投入、超长研制周期、超高试验风险等因素,世界航空发动机产业成为了门槛极高的产业,相关产品市场也呈现出了典型的寡头垄断格局。在民用航空发动机市场,主要是美国和英国的企业占据着垄断地位;在军用市场,世界主要军事强国均有自己的航空发动机研制及制造企业,例如美国、英国、法国、加拿大、俄罗斯、德国、中国、乌克兰和日本。



在民用航空发动机领域,全球相关制造企业之间相互配合及渗透,呈现着金字塔式的产业结构。通用电气公司(简称“通用”或“GE”)、普拉特•惠特尼公司(简称“普惠”或“PW”)、罗尔斯•罗伊斯公司(简称“罗罗”或“RR”)位于该产业的核心位置。它们的航空发动机业务均开始于第二次世界大战之前,相关产品和技术在战争中获得了充分的验证与提升。之后,为了拓展民用市场和优势互补,这些公司直接主导或者与其他企业合资先后成立了CFM国际公司、国际航空发动机公司(简称“IAE”)和发动机联盟公司(简称“EA”)。目前,这六个航空发动机公司均具有独立研制大型民用航空发动机整机的能力,并且控制着民用飞机航空发动机的核心技术,包括结构设计、制造加工、总装集成等,垄断着全球各个细分市场的销售及客户服务市场,特别是CFM国际公司。


法国赛峰公司、美国霍尼韦尔公司、德国MTU公司、俄罗斯联合发动机制造集团及中国航空发动机集团公司等是第二梯队。它们拥有较完整的航空发动机研制与生产能力,为其他航空发动机企业提供着大型部件或核心零部件的制造加工,而且在军用航空发动机和小型民用航空发动机研制领域具有独特的优势和一些经典产品。此外,日本三菱重工、川崎重工、石川岛播磨重工和韩国三星等企业也具有优秀的航空发动机零部件加工制造能力,主要为其他下游企业提供发动机零部件。



多年来,世界一流航空发动机企业持续大力投入技术提升和新产品研发,同时,所属国家也在政府层面出台政策法规,对其他国家推行着技术封锁,抑制其他国家相关产业的发展。例如,美国政府将航空发动机列为国防科技战略的核心,严格管理和控制着本国企业相关技术的出口或外移,甚至在某些核心技术和零部件方面,对其欧洲盟友也实行着禁运,包括空心叶片制造技术、整体叶盘制造及修复技术和先进燃烧室制造技术。此外,这些国家在人力资源方面也实行着管控,禁止其他国家人员通过各种途径进入航空发动机核心研制领域工作,或者限制本国相关技术人才去国外工作。



通常来讲,一款航空发动机的研制过程需要上万小时的试验,从设计、研制、加工、生产到服役往往需要十多年的时间,花费约15-30亿美元。如果技术或设计积累不够,研发投入将无法估量;如果研究先进航空发动机,相关费用、时间及风险呈指数增长并且也无法估量。因此,其他国家研制航空发动机面临着一系列的困难和风险。


通用、普惠和罗罗拥有着先进技术和丰富的研制经验,每年在航空发动机研制过程中投入数十亿美元。2012年至2018年期间,罗罗公司研发投入合计76.65亿美元,年均10.95亿美元。终于,通过前期大量的工作验证,罗罗公司于2018年正式宣布与空客公司联合研发UltraFan新型航空发动机UltraFan,预计将比其遄达系列发动机相比燃油效率将进一步提高25%。



二、重要航空发动机制造企业


航空发动机产业处于高度垄断状态,特别是运用于大中型客机和运输机的大涵道比涡扇发动机几乎全由美国和英国所属企业控制着。俄罗斯、中国、德国、日本、乌克兰作为第二至第三梯队,也在尽力推进相关项目的研发。如下是世界范围内重要的航空发动机制造及配套厂商:


1.通用航空公司(GE Aviation):简称GE航空,是世界领先的民用、军用、公务和通用飞机喷气及涡桨发动机、部件和集成系统制造商。在全世界范围内,每2秒钟就有一台由GE航空公司的飞机发动机提供动力的飞机起飞。


2.罗尔斯·罗伊斯公司(Rolls-Royce):是欧洲最大的航空发动机企业,是全球第二大军用发动机和第二大民用发动机制造商,是大型豪华公务飞机生产商湾流公司的主要发动机提供商。


3.普拉特·惠特尼公司(Pratt & Whitney Group):是联合技术公司的子公司,在全球军用领域拥有强大的竞争力,是美国第五代战机F-22和F-35的唯一动力供应商;在民用领域,其PW4000系列发动机从1984年投入使用一直延续至今。



4.CFM国际公司(CFM International):由GE和赛峰合资成立,其CFM56系列产品是世界最畅销的产品之一。目前,该公司的LEAP系列发动机是商业航空史上订单攀升最快的产品,未来也将继续成为新型单通道飞机动力装置的受欢迎的型号。


5.IAE国际航空发动机公司(International Aero Engines):主要为150座级客机提供V2500发动机,与CFM56发动机争夺市场,是目前在量产方面生产的第二个最成功的商用喷气发动机项目,也是航空史上第三个最成功的商用喷气发动机项目。


6.霍尼韦尔航空航天(Honeywell Aerospace):在二战期间快速崛起,主要产品为航空发动机、航空电子设备和辅助动力装置(APU),著名涡轴发动机产品为T53和T55型号。


7.EA发动机联盟公司(Engine Alliance):由GE和普惠合资成立,为新型远程飞机提供发动机系统的研发、制造及维修服务。GP7200发动机为波音747-500 / 600X飞机提供动力,经改进后也可为空客A380飞机提供动力系统,目前主要与罗罗公司的Trent 900竞争。


8.联合发动机制造集团(United Engine Corporation):是俄罗斯国有企业,下属土星科学生产联合公司是俄罗斯最具实力的航空发动机设计制造企业之一,具备很强的科研和生产制造能力。


9.赛峰飞机发动机公司(Safran Aircraft Engines):法国赛峰集团下属子公司,研制或参与研制了包括阵风战机的M88型发动机、CFM56系列发动机和LEAP系列发动机。


10.MTU航空发动机(MTU Aero Engines):德国重要航空发动机制造和配套企业,近年来民用航空发动机维护业务发展快速,主要归功于V2500发动机和CF34系列。该公司正在积极参与欧洲下一代飞机及新型发动机研制项目。


11.马达西奇(Motor Sich):乌克兰重要航空发动机制造企业,著名产品包括用于安124与安225运输机的D18T发动机和米24、米28、卡50、卡52、米17等俄系直升机的TⅤ3-117系列发动机。此外,我国猎鹰高级教练机也是采用其AL-222-25发动机。


13.中国航发(Aero Engine Corporation of China):2016年从中国航空工业集团公司独立出来,是我国航空发动机建设主体,主要产品包括涡扇-15、涡扇-10和涡轴-9等,基本覆盖了我国现役全部军用机型。


14.日本航空发动机公司(Japanese Aero Engine Corporation):由川崎重工,石川岛哈里马重工和三菱重工合资组建,成立于1981年,曾与罗罗公司合作开发RJ500发动机。


三、民用航空发动机市场



3.1民用航空发动机产品


近百年来,航空发动机制造企业一直在不断地追求着更高的安全性、可靠性、经济性、环保性和低噪音等,主要通过改进气动设计、材料应用、低排放燃烧室、高效叶片冷却技术、智能化监测系统等方式。具体到产品参数,推力大小一直是评价航空发动机的核心技术指标之一。图表7汇总了过去六十年部分经典航空发动机的首次试验时间及推力数据。可见,科技的进步和经验的积累使得研制大推力甚至超大推力航空发动机成为可能。 


GE90型航空发动机是GE公司为波音777客机研制的一款高涵道比超大推力涡扇发动机,其1995年投入商业运营,至今已经衍生出两个子型号,即最大推力为94000磅的GE90-94B和最大推力115000磅GE90-115。目前,GE90-115仍然是世界上推力最大的民用航空发动机。2016年,它的改进型GE9X型首次在地面进行测试,预计将在2019年为波音777-9的首次飞行提供动力,并将于2020年正式投入使用。GE9X配备更大的风扇,采用更先进的陶瓷基复合材料,更高的涵道比和压缩比,虽然推力有所减弱,但是燃油效率将提升10%左右。 


3.2 民用航空发动机市场现状


民用航空发动机市场主要由GE、RR、PW及其主导或合资成立的CFM国际、IAE公司垄断。根据Flight Global报告,2018年全球商用航空发动机存量市场规模是52107台,较2016年的48609台新增3498台。上述五家公司合计占据了该市场的份额高达96.26%,其中,CFM国际22934台、GE公司11718台、IAE公司6118台、罗罗公司5920台和普惠公司3466台。



近三年,CFM国家的产品销量较好,2016年市场占有率为41.93%,2017年增至43.12%,2018年达到了44.01%。但是,普惠公司产品数量却由2016年的3919台降至3466台,市占率由2016年的8.06%降至2018年的6.65%。


窄体客机发动机市场:根据Flight Global报告,该细分市场的存量为31690台,其中CFM国际市占率为71.13%,IAE市占率19.31%,PW市占率5.55%。这三家头部企业产品合计占据了市场总额95.99%,而且几乎所有在生产的窄体客机都选配了CFM国际的CFM56或LEAP系列发动机,包括中国商飞研制的C919客机。



宽体客机发动机市场:根据Flight Global报告,该细分市场的存量为12701台,其中GE市占率为51.21%,RR市占率为28.31%,PW市占率为13.42%。目前,这三家头部企业产品合计占据了市场总额92.95%,在产的宽体客机主要选配了GE公司的GE90、GE9X和GEnx发动机,和RR公司的Trent系列发动机。


支线客机发动机市场:根据Flight Global报告,该细分市场的存量为7214台,其中GE市占率为72.28%,RR市占率为17.08%,霍尼韦尔市占率为6.27%。目前,这三家头部企业产品合计占据了市场总额95.62%,在产的支线客机主要选配了GE的CF34系列发动机。


3.3 民用航空发动机市场发展趋势



据商飞预测,未来二十年现有民用客机机的81%(18266架)将逐步退役。此外,民机市场还需要超过24436架的新增客机。因此,全球市场至2037年预计将有超过42702架新机交付,用于代替和支持民机市场的发展,其中,预计三分之二为单通道窄体客机。新增民机细分数据及飞机市场价值参见图表10。


为了迎接需求旺盛的市场,各大航空发动机制造企业在过去十年已经先后启动了多款新型号产品的研制项目。据统计,2008年至2018年,有八款重要型号进行了首次试车,其中四款将用于窄体客机,三款用于宽体客机,一款将用于支线客机(图表11)。



现有民机航空发动机订单数据及即将入市的新型号飞机动力系统可参见图表12。CFM国际获得全球市场订单的57.13%,共计5792台;罗罗公司获得了30.80%,共计3122台,GE公司获得了11.20%,共计1135台,其中CFM国际的Leap系列和罗罗公司的PW1000G系列发动机将继续占据市场的较大份额,主要用于A320neo、737MAX、C919、A220等机型。


根据公开信息,2019年至2022年即将入市的民用机型包括波音777X、MC-21、E-jet 175/195等,其装备的航空发动机型号可参见图表13。我国自主研制的C919已获得了近千架订单,其正式入市之后也将较大的影响着相关型号发动机市场的格局和发展。


四、军用航空发动机市场


4.1军用航空发动机产品及市场



军用航空器主要包括战机、运输机、直升机、轰炸机等,其中以直升机、战机和运输机为主,规模相对较大。根据Armed Forces网站数据, 2018年,美国军队配备有12304架包括直升机在内的军用飞机,占全球军机占比为26.61%,其次是俄罗斯4441架,占全球军机占比为9.60%。



军用飞机装载的动力系统主要为涡浆发动机、涡扇发动机和涡桨发动机,主要制造企业是GE、普惠、俄罗斯联合发动机集团和中国航空发动机集团。此外,Lycoming Engines、Honeywell Aerospace、Allison Engine Company、法国透博梅卡、马达西奇等公司也为世界范围内的军机提供了相对少量的航空发动机产品。


根据《World Air Forces 2018》报告,现役战机中,美国F-16和F-18战机数量最多,达2269架和1118架,动力系统是普惠F100系列和通用的F414/F404系列。俄罗斯制造的苏-27和其升级版苏-30服役数量为967架,动力系统是俄罗斯联合发动机集团下属的土星公司研制的AL-31系列。


全球最著名运输机的当属美国C-130“大力神”、C-17“环球霸王”和俄罗斯伊尔-76,现役数量分别为889架、274架和182架,其搭载的动力系统分别是罗罗的T56系列、普惠PW2000系列和俄罗斯联合发动机集团下属的索洛维耶夫设计局研制的D-30系列。


美国黑鹰S-70/SH/UH-60是服役数量最多的军用直升机,多达3842架,其动力系统采用了GE公司的T700。此外,俄罗斯的Mi-8中型运输机也在全球范围内大量服役着,其搭载着乌克兰马达西奇的产品。



综述可见,现役军机及其动力系统的制造公司的概况是:


全球主要战机发动机制造企业:(美国)普惠、(美国)通用、(俄罗斯)联合发动机集团和中国航发;


全球主要运输机发动机制造企业:(英国)罗罗、(美国)普惠、(加拿大)普惠、(俄罗斯)联合发动机集团、(乌克兰)马达西奇和中国航发;


全球主要直升机发动机制造厂商:(美国)通用、(俄罗斯)联合发动机集团、(美国)霍尼韦尔、(加拿大)普惠、(英国)罗罗和(法国)赛峰。


4.2 俄罗斯军机动力系统概况


俄罗斯的经济实力相对于美国和中国较弱,但是其空军实战能力却受到世界瞩目,因此存在一些值得我国借鉴和学习的方面。截止2018年底,在两年半的叙利亚反恐战事中,俄罗斯空军累计触动了3.6万架次作战飞行,但仅损失了5架军机。俄战略技术分析中心出版《残酷的天空—当代冲突中的空军》书籍,称赞其空军的实战表现是近20年来全球最成功的。



俄罗斯现役军机4441架,包括军用直升机1505架,攻击机783架和战斗机751架。此外,俄军还装备有多用途飞机523架,例如运输机、侦察机、加油机等。其中,1247架直升机,包括Mi-8/17、Mi-24/35、Ka-27/28/29/52等型号,装备着TV3-117系列涡轴发动机;429架战机,包括Su-27/30/33/34/35等型号,装备着AL-31F系列涡扇发动机;314架运输机及其改装的平台机,包括Il-76/78、Tu-134/154等型号,装备着D-30系列涡扇发动机。



TV3-117系列涡轴发动机:是世界上产量最大的涡轴家族之一,也是世界上最可靠的发动机之一,配装在95%的米系列和卡系列直升机上。为了适应各型直升机的要求,TV3-117系列发动机发展出了20多种改进型,产量超过3万台,累计飞行时间超过1200万小时。


我国军/民用直升机规模及市场增长迅猛,而且拥有极长的边境线,迫切需要装备高性能发动机的直升机。但是,国内的军工涡轴发动机的性能及稳定性相对不足,是我国目前正在大力发展的方向之一。


D-30系列涡扇发动机:最大推力为12.5吨,翻修寿命3000小时左右,主要装配于大中型飞机,包括俄制Il-76/78、Tu-134/154、中国制轰-6系列、运-20系列飞机等。该型号发动机对中国空军有着非常重要的意义。


4.3 军用航空发动机发展趋势



美国企业(PW和GE)的军用航空发动机技术代表着世界最高水平,其发展方向和趋势就是其他国家和地区相关企业的努力方向。结合实际使用情况以及性能的要求,美国和欧洲依据推重比将军用航空发动机分为五代,参加图表19。



其中,第五代发动机以美国普惠的F135型号为代表(推重比超过11),已经大批量的列装F-35战斗机。依靠其强大的技术研发能力,美国已经开始第六代航空发动机的设计及研制,预计推重比将达到15以上,而且第七代航空发动机也可能开展了预研。据报道,2018年美国空军采购70架搭载F-135发动机的F-35战斗机,后来又增购了24架,2019年美国空军计划采购77架F-35战斗机,这样到2020年美国空军F-35战斗机数量可能会突破400架,这个数字将会超过F-15成为美国空军第二大战斗机,仅次于F-16,并且按照这个装备速度,F-35将会在2025年之前超过F-16成为美国空军第一大战斗机,也就是说美国空军可能在2025年之前基本上完成从三代战斗机到四代战斗机升级。


世界航空发动机企业之中,普惠公司在军用航空发动机方面的能力尤为突出。它的近11000台军用发动机在22个国家的服役,其中包括:用于F-35的F-135系列,用于F-22的F-119系列,用于F-15和F-16的F100系列,用于C-17的F-117系列等。所以,该公司的军用航空发动机的研制方向很可能就是未来其他国家军用航空发动机的发展方向。



目前,全球现役战机之中,四代半及五代战机占比极低。未来,随着现役军机的退役及新战机的补充,全球范围内的普惠的F-135系列、俄罗斯联合发动机制造集团的AL-41F系列、以及中国的WS-15系列等先进军用航空发动机数量将逐渐增多。 


五、无人机航空发动机市场


自上世纪90年代开始,无人机由于在战争中的出色表现迎来了迅猛的发展,并且呈现出察打一体化和高空长航时的发展趋势。目前,全世界有超过30个国家装备了无人机系统,并在军队中组建了无人机机队。其中,以美国军队装备的无人机型号最为众多,并且其技术也引领着世界的发展方向。具体发动机型号及制造企业参见图表-22。



无人机采用的动力装置主要包括活塞发动机、涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机和涡轴发动机。此外,微型无人机通常使用了电池驱动的电动机。无人机发动机的选择主要与其所要求的性能有关,可参见图表23。例如,活塞发动机适用于低速、中低空的侦察、监视无人机及长航时无人机,飞机起飞质量较轻;涡喷发动机适用于飞行时间较短的中高空、高速侦察机及靶机、无人攻击机, 飞机起飞质量可达2500kg;涡轴发动机适用于垂直起降无人机;涡扇发动机适用于高空长航时的大型无人机,例如美国“全球鹰”RQ-4。


由于历史、技术、使用经验等原因,目前大部分现役无人机均采用活塞发动机,局限性较大。未来,推力更大、耗油率低、高空性能好的涡扇发动机有望在在无人机动力装置中将占有越来越重要的地位。



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