航空发动机产业链深度研究

航空发动机是一个进入门槛极高的行业，全球范围内呈现出典型的寡头垄断格局。航空发动机产业链庞大且复杂，其研究及制造需要多方合力，本文将深入分析民用航空发动机产业链上下游行业分类，希望能够提供借鉴意义。

一、国内外航空发动机供应商体系

1、发动机主机厂的“主承制商-供应商”商业模式航空发动机是一个进入门槛极高的行业，全球范围内呈现出典型的寡头垄断格局。目前能够独立研发大推力航空发动机产品的国家主要是美国、欧洲的英国和法国，此外俄罗斯也自成系统，尤其是在非民用航空发动机上有比较强的实力， 但在商用市场上没有竞争力，整体呈现三极格局。

在行业巨头地位稳固的情况下，航空发动机行业逐步形成了“主承包商-供应商”发展模式。

（1）“主承制商-供应商”模式概述

航空发动机的研发生产是一项周期长、投资大、涉及面广的系统工程，其供应链涵盖从原材料冶炼到复杂产品系统装配集成的全产业链，根据供应商的规模及其所提供的产品和服务的特性和预期用途，可将主供模式进一步细分为四个层面，四个层面包括：

在主供模式中，大多数供应商不再是按图生产的配套企业，而更多的是主制造商的风险收益合作伙伴的角色。供应商从产品研制的初始的开始阶段就参与项目，根据与主制造商签订的有关知识产权、风险投资、成本收益分配方案等协议规定的分工原则，采取前端进入、全程合作、资源共享、风险共担、利益共享的模式，与主制造商建立起以产品纽带的、全方位的、关系密切的、高度集成的战略性合作伙伴关系。

采用主供模式的主制造商，专注于“产品创新”、“工程设计”、“供应商管理”、“产品装配集成”、“产品交付和服务”等价值链的前端和终端，将资源和精力聚焦于市场和客户对接和产品设计等关键环节，以提高应对市场需求变化、产品技术创新能力。相应的，主供模式下的供应商，需要具备足够的工程设计、工艺设计的能力和经验，以完成零件甚至部件的细节设计，工艺开发和制造交付工作，支撑主制造商的产品研发和装配交付，以及产品交付后支持。

在主供模式下，从项目研制的启动阶段主制造商和供应商就开始共同研发和制造产品，形成一个完整的生产链条。主制造商变成了“大规模供应链的集成商”，它将其供应链上的供应商整合成一个组织严密的系统，通过利用现代化的手段和工具保持覆盖整个供应链的准确、及时的信息交换能力，快速反应能力和高效的沟通。为了与供应商建立长期互惠合作的战略伙伴关系，主制造商放弃了自身一部分非核心业务和能力，这也将意味着主供模式下的主制造 商与供应商的沟通协调，不再仅仅限于采购与销售之间的窗口，还涉及工程、制造、质量检验等方方面面。

主制造商和各层面的供应商共同开展航空装备的研发生产，使主制造商得以在全球范围内合理的利用和配置资源，控制生产和开发成本。

（2）国外“主承制商-供应商”模式介绍

在打造行业巨头的同时，航空发动机行业逐步形成了主承包商－供应商发展模式，任何一家主流发动机公司都只是前台，他们的身后则有一列长长的供应商名单。以罗罗公司为例，公司从2004年开始就只生产其最终产品所有零部件中附加值最高的30%，而将余下的70%转包出去，从而在风险可控的前提下，尽可能地降低发动机全部零件的制造与采购成本。罗罗认为具有竞争力的核心零部件必须自行生产；非核心零部件如果有足够的竞争力也会自行生产；竞争性不强的核心零部件生产必须受控，即在合作伙伴企业或合资企业中生产；不是核心零部件，竞争性又不高的零部件则完全可以进行外部采购。

基于“主承制商-供应商”商业模式的发展方向，GE、RR和PW等发动机公司已经建立了完善的全生命周期的供应商管理体系和实施重点。供应商管理体系包括了供应商寻源、准入、合同管理、过程控制、绩效管理和培育发展等6部分，从寻源到培育的全过程中施行全面的监督、考核和动态管理，实现产品质量、成本和交付进度的有效管理。

（3）国内主机厂供应商体系介绍参考国外的“主承制商-供应商”商业模式，国内以中国航发商发为代表的主机厂近几年也积极对产业链进行转型升级，中国航发商发采用了“产业链两头以及中段代表核心竞争力的部分在内，其余业务尽量外包”的“元宝型”商业 模式。中国航发商用航空发动机有限责任公司（简称：中国航发商发，AECC CAE）作为国内民用航空发动机的唯一主制造商，为了缩短设计、制造、验证周期，控制成本，降低投资风险，获得更多市场，提高企业未来的竞争力，采用了“产业链两头以及中段代表核心竞争力的部分在内，其余业务尽量外包”的“元宝型”商业模式，大量的业务依靠外部供应商来完成，从而构成一个完整的航空发动机供应链来参与国际市场的竞争。

中国航发商发建立了面向市场化的开放的三级供应体系，按照产品产业链配置资源。积极引入行业外力量包括民营企业、各类科院院所参与研制工作，形成以市场为导向、企业为主体、各类科研资源共同参与的协同创新体系，撬动国内外各级各类资源为我所用，实现共创共享、风险与利益共担的民用航空发动机主制造商与供应商的分工合作机制。

从中国航发商发官网披露的供应商分布来看，国内供应商方面，已经聚集了来自国内17个省/市的100余家系统及单元体、关键零部件设计、制造试验合作伙伴及供应商；国外供应商方面，有来自16个国家的69家潜在供应商有意承担系统及单元体、关键零部件设计、制造、试验工。

二、航空发动机产业链情况

1、航空发动机研制流程

航空发动机的研制主要分成论证、方案、工程研制、设计定型、生产定型、批量生产、使用保障这七个阶段。在这七个阶段中，又可以进一步细分成不同的流程、子流程和步骤。

随着民航运输业对航空动力产品要求的不断增加，航空发动机的系统复杂度也在不断的提高，部件、子系统、系统综合的周期和成本不断增大，传统的研制模式已经难以应对，必须引入新的方法论和工具来解决日益增加的需求与研发管理能力提升不足之间的矛盾。在这种背景下，系统工程的研制思想逐渐在航空发动机的研制过程中得到应用。系统工程是以大型复杂系统为研究对象，按一定目的进行设计、开发、管理与控制，以期达到总体效果最优的理论与方法。系统工程是涉及多学科的复杂系统在综合考虑各种约束条件下达到最优的方法和手段，其核心思想是在产品开发周期的早期阶段，进行需求分析与系统功能分析，并进行设计综合和系统验证。V模型提供了一个在生命周期阶段内系统工程活动的有用图解说明。在V模型中，时间和系统成熟度从左到右推进， 左侧说明架构逐级分解和定义，右侧说明架构逐级集成和验证。

2、航空发动机价值量拆分

（1）航空发动机在飞机的价值量占比

航空发动机是飞机的重要组成部分，是飞机的动力来源。发动机的价值量占整机价值的 20-30%，飞机的机型越大，发动机的价值占比越低，反之，飞机的机型越小，发动机的价值占比就越高。

（2）航空发动机全寿命周期费用拆分

航空发动机全寿命周期经历研发、采购、使用维护三个阶段。研发阶段分为设计、试验、发动机制造、管理等环节。在全寿命周期中，研发、采购、维护的比例分别为 10%、40%、50%左右。使用维护阶段的费用占比最高。该阶段又分为更新零部件、维修服务两部分。

（3）航空发动机制造成本拆分

航空发动机的制造成本主要由原材料成本和劳动力成本这两大部分组成，其中，原材料成本占比40%-60%，劳动力成本占比 25%-35%。航空发动机使用的原材料主要有钛合金、高温合金，钛合金主要用在发动机冷端部件，高温合金主要用在热端部件及压气机后面及温度较高的部分。两者价值量占比分别在30%和35%左右。发动机应用的其他原材料包括铝合金、钢等，占比在35%左右。

（4）按航空发动机部件价值拆分

航空发动机由几大单元体和子系统组成，单元体包括风扇增压机、高压压气机、燃烧室、高低压涡轮、喷管等，子系统包括控制系统、机械系统等。航空发动机有很多种不同的类型和使用场景，不同类型的发动机，部件构成会有区别。比如，涡喷发动机和涡扇发动机相比，由于涡喷发动机没有外涵道，则其风扇及外涵喷管的价值量占比就为0；同一类型不同使用场景的发动机， 部件构成也会有所区别。

3、航空发动机产业链梳理

航空发动机制造产业链从上游到下游可分为原材料、零部件、单元体/分系统、总装。

（1）原材料航空发动机是在高温、高压、高速旋转的恶劣环境条件下长期可靠工作的复杂热力机械，航空发动机对材料和制造技术的依存度最为突出，航空发动机高转速、高温的苛刻使用条件和长寿命、高可靠性的工作要求，把对材料和制造技术的要求逼到了极限。

材料和工艺技术的发展促进了发动机更新换代，如：第一、二代发动机的主要结构件均为金属材料，第三代发动机开始应用复合材料及先进的工艺技术，第四代发动机广泛应用复合材料及先进的工艺技术，充分体现了一代新材料、一代新型发动机的特点。在航空发动机研制过程中，设计是主导，材料是基础，制造是保障，试验是关键。从总体上看，航空发动机部件正向着高温、高压比、高可靠性发展，航空发动机结构向着轻量化、整体化、复合化的方向发展，发动机性能的改进一半靠材料。

据预测，新材料、新工艺和新结构对推重比 12~15 一级发动机的贡献率将达到 50%以上，从未来发展来看， 甚至可占约 2/3。因此，先进的材料和制造技术保证了新材料构件及新型结构的实现，使发动机质量不断减轻，发动机的效率、使用寿命、稳定性和可靠性不断提高，可以说没有先进的材料和制造技术就没有更先进的航空发动机。

1） 钛合金

钛具有密度小、比强度高、导热系数低、低温性能好、耐腐蚀能力强、生物相容性好等突出特点，被广泛应用于航空、航天、舰船、兵器、生物医疗、化工冶金、海洋工程、体育休闲等领域，被誉为“太空金属”、“海洋金属”、“现代金属”和“战略金属”。钛合金是以钛为基加入适量其他元素，调整基体相组成和综合物理化学性能而形成的合金。与航空发动机常用的高温合金、钢等金属材料相比，钛合金具有低密度、高比强度、抗疲劳、耐腐蚀、工作温度范围宽等性能优势，非常适合航空发动机的使用需求。减重对提高在钛合金耐热能力范围内，航空发动机部件多数选用钛合金材料，集中用于风扇、低压压气机和高压压气机的叶片、盘、整体叶盘、轴颈、盘轴、机匣等关键部件或重要部件，以及各类管路、紧固件等。目前，钛合金在先进航空发动机上的用量约占整机重量的 25%~40%，使用温度从进气口的大气温度到接近 600℃，对减轻发动机结构重量、提高推重比（或功重比）、降低耗油率等起到了关键作用。

2）高温合金：制造先进发动机的基石高温合金是能够在 600℃以上及一定应力条件下长期工作的一类金属材料，具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，是军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。在世界先进发动机中，高温合金材料用量已占到发动机总重量的 40%~60%。

高温合金按工艺的不同，可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金几种不同的类型。变形高温合金具有良好的力学性能，主要用于制造航空发动机高压压气机后面级叶片、盘、机匣、燃烧室机匣等零部件。

铸造高温合金又可细分为等轴晶、定向凝固柱晶和单晶高温合金。铸造高温合金具有较好的综合性能以及抗氧化、抗热腐蚀性能，主要用于制造高低压涡轮工作叶片和导向叶片等零部件。其中的镍基单晶高温合金是在等轴晶和定向凝固柱晶基础上发展起来的一类先进的发动机叶片材料。与其他高温合金相比，镍基单晶高温合金具有更为优异的综合性能，成为高推重比航空发动机的关键材料。

粉末高温合金是用粉末冶金工艺制备的高温合金，用粉末冶金方法生产的高温合金，组织均匀、细小，提高了合金的 屈服和抗疲劳强度，表现出优异的综合力学、热工艺及耐腐蚀、抗氧化性能。目前，粉末高温合金主要用于制造航空发动机涡轮盘、压气机盘、鼓筒轴、封严盘、封严环、导风轮以及涡轮盘高压挡板等高温承力转动部件。

3） 复合材料

从发动机所用材料的趋势来看，碳纤维复合材料、陶瓷基复合材料、钛铝化合物、金属基复合材料的用量占比在不断提升。复合材料的重量轻、强度高等材料特性，很好地契合了航空发动机高推重比、低耗油的发展趋势，用复合材料替代传 统材料，可以起到显著的减重效果。因此，复合材料在航空发动机领域逐渐得到应用，且应用前景广阔。目前航空发动机上使用最广泛的就是树脂基复合材料、陶瓷基复合材料和金属基复合材料。以陶瓷基复合材料为例，从 2015 年起，GE公司开始在GE9X上开展包含燃烧室火焰筒内外环第一级高压涡轮外环、第二级涡轮导向器、涡轮转子叶片的陶瓷基复合材料部件试验，来验证整套热端部件的功能性和耐久性。发动机的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片能够实现叶片减重 2/3，耐温提高 20%，对耗油率改善的贡献率达到30%；而使用陶瓷基复合材料的燃烧室火焰筒能以更少 的冷却空气量应对更高的温度，改善发动机热效率。

（2）零部件

航空发动机由几大单元体和子系统组成，单元体包括风扇增压机、高压压气机、燃烧室、高低压涡轮、喷管等。单元体由各种零组件组成。新一代航空发动机总共有 3 万多个零件，涉及 230 多种不同标准的材料。

航空发动机零组件具有如下特点：1）零、组件种类众多；2）难加工材料多；3）零组件结构复杂；4）零件加工精度 高；5）多种冷却小孔；6）零件表面特种工艺要求多。

1）叶片类

叶片是航空发动机关键零部件之一，直接决定发动机性能、安全与寿命。按照叶片的所处部位，叶片可以分为风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片；对于涡扇发动机，压气机叶片根据所在部位的不同又分为低压压气机叶片和高压压气机叶片。按运动方式的不同，叶片又可以分为转子叶片（工作叶片，简称动叶）和静子叶片（简称静叶，风扇和压气机的静叶称作整流器叶片，涡轮的静叶称作导向器叶片）。为了完成整流作用或导向作用，静叶和动叶弯曲方向相反。

叶片的作用在于通过与发动机腔体配合形成空气或燃气截面及方向的不断变化，与主轴或涡轮盘等配合实现燃气的高温压缩，保证燃气的高速流动并转换成所需要的飞机运动动力。叶片的制造量占整机制造量的三分之一左右，是发动机中数量最大的一类零件。压气机叶片级数较多，每台发动机压气机叶片数量一般在2,000 片左右。不同发动机型号 设计的叶片级数均存在差异。从性能上看，压气机叶片决定了总增压比，即发动机对空气流动的压缩程度， 提高发动机的增压比可以提高航空发动机的压缩效率和燃烧效率。另一方面，涡轮叶片的制造水平直接决定了涡轮承受的极限温度，从而影响发动机推重比与动力。因此，压气机叶片与涡轮叶片基本上决定了航空发动机热力循环的两个主要参数，叶片设计与制造的好坏直接决定着发动机的性能、安全与寿命。

2）盘类

航空发动机盘类件绝大部分是精密回转类零件、关重零件，工作条件为高温、高压、高转速的特殊环境，零件材料均为难加工材料，尺寸及技术条件精度严格，对操作人员的技能水平、设备精度等级、检测方法等要求较高。涡轮盘/压气机盘是航空发动机十分重要的转子部件，盘环件是航空发动机中工作条件最为苛刻、最为重要的部件之一，承受着复杂的循环热载荷及机械载荷。盘环件受力状态十分复杂，不同部位所受温度、载荷、介质作用都不相同。涡轮盘在四大热端部件中所占重量最大。涡轮盘是航空发动机上的重要转动部件，工作温度不高，一般轮缘为 550-750℃，轮心为 300℃左右，因此盘件径向的热应力大，特别是盘件在正常高速转动时，由于盘件质量重达几十至几百千克，且带着叶片旋转，要承受极大的离心力作用，在启动与停车过程中又构成周期性的大应力低周疲劳。用作涡轮盘的高温合金为高强度、高持久蠕变性能的变形高温合金和粉末高温合金。在我国，涡轮盘中变形高温合金GH4169合金用量最大、应用范围最广。

3）机匣类

机匣是航空发动机上的主要承力部件，为发动机承受载荷和包容的关键部件，属于典型的薄壁结构零件。其主要作用为：保护发动机核心机；给装在外部的发动机部件如燃油泵、滑油泵、发电机和齿轮箱等部件以及管路等提供支撑；内侧主要安装静子和燃烧室，和转子组件一起构成空气流通通道。按结构不同，机匣可以分为整体式环形机匣、对开式环形机匣、带整流支板机匣；按功能不同，机匣可以分为风扇机匣、外涵机匣、中介机匣、压气机机匣、燃烧室机匣、轴承机匣、涡轮机匣、附件机匣等。机匣材料多为钛合金、高温合金。由于机匣采用难加工金属材料且结构复杂，机匣加工过程中需要着重控制高精度形 位公差及薄壁加工变形。

（3）控制系统

航空发动机控制系统类似人脑，负责接收各种传感器信号，进行计算处理，再驱动执行机构运动。它控制着发动机的稳态推力等级、瞬态的状态转换，以及安全保护等一系列活动。航空发动机控制系统由一系列控制装置组成，是确保发动机健康、稳定、安全工作，最大限度发挥发动机潜能，保证飞机正常工作的关键系统。随着航空发动机技术水平的不断提升，燃油与控制系统也由简单到复杂，并由机械液压控制发展为全权限数字电子控制器（FADEC）。同时发动机控制功能和控制变量的不断增加，导致燃油与控制系统越来越复杂，研制和维护成本增加。

（4）机械系统

航空发动机的机械系统包括传动、润滑、密封和主轴承系统 4 大部分。该系统具有结构复杂、故障多发、牵涉的学科多、国内基础相对薄弱等特点。

国内外出现的机械系统故障主要包括设计、制造、装配、使用及试验验证等方面。从中国现役发动机的故障统计来看， 机械系统的故障始终居高不下，包含其接触副摩擦磨损易发、零组件数量多等结构特点因素；设计水平偏低、制造水平跟不上、试验装配手段落后等客观事实；同时国内技术环境重视程度不够、投资力度偏弱、基础和规范建设工作不到位等均有重要影响。因此，若要有效降低机械系统故障率，要求管理、设计、加工、试验等人员共同努力。

（5）总装

航空发动机总装是发动机制造过程中的终端及核心环节。航空发动机整机装配工艺涵盖从所有零件、成附件到各级组件、单元体、主单元体直至整机的全部装配和分解过程，也包括装配分解过程中的转子零组件平衡、各类检测（试验和测量）、清洗和油封存放等技术活动，所以需要大量的通用/专用工装夹具、标准/专用设备和厂房设施支撑，也需要相当数量的耗材品、动力和人力开支。比如，一般成熟民用发动机零件级装配所需的专用工装夹具在 500~1000 件套之间，工艺设备种类大约在 30~50 种之间。因而，航空发动机整机装配与其他大型高端装备产品一样，作为制造终端环节，具有显著的技术密集型、资金密集型和高素质劳动密集型特征，相对一般工业产品，比如汽车整车，航空发动机装配质量对人工经验的依赖性要明显大一些。鉴于航空产品的高安全性需求特征，航空发动机装配制造更加强调装配精度、一致性和可靠性指标，而对于生产效率指标要求并不严格。

当前，面临生产任务量逐年递增、制造新技术实现难度大、准时交付管理严格等挑战，我国航空发动机主机厂纷纷面向智能制造探索基于脉动线思想的总装生产线，期望将先进的管理理念、管理方法、组织流程、装配工艺、工艺装备 与新一代信息技术深度融合，打造新型产品总装生产与管理方式，大幅提高产品总装生产效率和质量，缩短生产周期，保障型号研制需要。

罗罗、赛峰等国际先进航空发动机制造企业在不断深化数字化技术应用的同时，将智能制造作为工业变革的金钥匙， 作为企业保持行业领先地位以及长远发展的战略制高点。罗罗不仅将数字化技术融入到设计研发中，还将其作为践行全球化的重要手段，通过无缝连接的全球化供应链管理系统，保证了制造品质与效率，通过健康管理系统，跟踪遍布 全球10万台世界各地运营发动机的健康状态；赛峰在 LEAP 系列发动机生产线上，通过横向集成，将全球240多家供应商进行价值链以及信息网络资源整合，形成高效的供应链管控能力，同时利用数字孪生和自动化技术，有效提升产品的装配效率和质量，形成了年均总装 1500 多台的交付能力。

三、航空发动机产业链总结

1、航空发动机产业总结

（1）航空发动机具有技术门槛高、耗资大、研制周期长、产品生命期长等特点。航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”，它是一个国家科技、工业和国防实力的重要标志，是构成国家实力基础和军事战略的核心技术之一。航空发动机需要在高温、高寒、高速、高压、高转速、高负荷、缺氧、振动等极端恶劣环境下工作，因此航空发动机的研制难度极大。由于每一款航空发动机的研发都需要攻克一系列的关键技术，需要经过零件级、部件级、整机级的多种、多轮试验验证，因此，航空发动机的研制周期很长。

（2）预计未来 20 年全球民用航空发动机市场空间年均近1400亿美元。市场需求将保持长期持续增长趋势。预计未来20年，全球商用航空发动机总交付量预计将达到80000台以上，市场价值达13000亿美元以上。再考虑发动机维修后市场，预计民用航空发动机市场年均近1400亿美金。综合考虑新发动机交付和老旧发动机退役，预计到2039年，全球商用航空发动机的市场规模将比目前翻一番，由 2019年的约54000台增长到10万台以上。未来20年，预计中国航空发动机总交付量将达到15000台，市场价值达2600亿美元。其中， 窄体飞机发动机交付量将占 65%，宽体飞机发动机占28%。

（3）航空发动机研制流程、制造产业链及价值量占比介绍。航空发动机产业链航空发动机的研制主要分成论证、方案、工程研制、设计定型、生产定型、批量生产、使用保障这 七个阶段，目前系统工程的研制思想逐渐在航空发动机的研制过程中得到应用。航空发动机制造产业链从上游到下游可分为原材料、零部件、单元体/分系统、总装。其中原材料又分为钛合金、高温合金、复合材料等，零部件可分为 叶片类、盘轴类、机匣类等；单元体包括风扇增压级、高压压气机、燃烧室、高低压涡轮、喷管等；子系统包括控制 系统、机械系统等。航空发动机的价值量占整机价值的 20-30%，在发动机全寿命周期中，研发、采购、维护的价值 量占比分别为 10%、40%、50%左右。按原材料价值拆分来看，钛合金和高温合金占比分别在 30%和 35%左右，其 他原材料包括铝合金、钢等占比在 35%左右。按部件价值拆分来看，发动机热端部件的价值量占比高于冷端部件。

（4）全产业链扩产持续推进，业绩处于快速增长期。受益于下游旺盛需求，产业链相关公司在近两年密集通过定向增发的方式融资募投扩产，提升公司产能用以满足下游客户需求，目前扩产正在持续推进，彰显行业高景气度。

（5）国家对航空发动机产业重视程度增加，看好航空发动机产业链。国家发展国产航空发动机的决心明确。2016年航发集团正式成立，2017年我国两机专项正式实施，同时以航发资产、 惠华基金为代表的国家资本积极向产业链投资，有效促进了航空发动机的研发进程。我国民用航空发动机坐拥全球最大民航市场，未来发展潜力巨大。预计我国航空发动机产业将加速发展，看好航空发动机产业链。

（招商证券）

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