涡桨发动机推力大但速度受限,现多用于中小型飞机
涡桨发动机重量轻、耗油率低、起飞推力较大,但飞行速度受限。涡轮螺旋桨发动机 主要特点是将燃气发生器产生的大部分可用能量由动力涡轮吸收并从动力轴上输出,用于 带动飞机的螺旋桨旋转;螺旋桨旋转时把空气排向后面,由此产生向前的拉力使飞机向前 飞行。与活塞式发动机相比,涡桨发动机具有重量轻、振动小等优点;与涡喷、涡扇发动 机相比,又具有耗油率低和起飞推力大的优点,但因螺旋桨特性的限制,装有涡桨发动机 的飞机速度受限,一般不超过 800 千米/小时。
涡桨发动机曾广泛用于旅客机和军用运输机,现多用于中小型飞机。涡桨发动机曾广 泛用作旅客机和军用运输机的动力,如“子爵”、伊尔-18、运 7 等,其中“子爵”四发旅 客机采用“达特”发动机,是第一种采用涡桨发动机作为动力的旅客机。随着涡扇发动机 的出现,各国均不再研制大功率的涡桨发动机,但因其具有飞行高度范围大,中低速性能 好等特性,在一些部分军用运输机、中小型支线客机、专用飞机(如农、林业,消防等) 中仍然被采用,例如装备 T56 涡桨发动机的 C-130 大力神运输机、装备 NK-12MV 涡桨发 动机的安-22 运输机等。
涡轴发动机功率大、体积小,是直升机主要动力
涡轴发动机功率大、重量、体积小,易于起动。涡轮轴发动机是航空燃气涡轮发动机 中的一种,燃气在核心机或燃气发生器后的涡轮中膨胀,驱动它高速旋转并发出功率,动 力轴穿过核心机转子,通过压气机前的减速器减速后由输出轴输出功率,组成了涡轴发动 机,与活塞式发动机相比,具有重量轻、体积小、功率大、震动小,易于起动,便于维修 和操纵等一系列优点。根据有无自由涡轮,涡轮轴发动机可分为定轴式和自由涡轮式,大 部分涡轮轴发动机为自由涡轮式,与定轴式相比,具有起动性能好,工作稳定,加速性能 较好,调节性能和经济性好等优点,但结构比较复杂。
涡轴发动机是军民用直升机主要动力。目前,直升机市场上普遍采用第三代涡轴发动 机,我国研制的第三代涡轮轴发动机涡轴 8 和涡轴 9 发动机用于直 9 和直 10 直升机上。世界上功率最大的涡轮轴发动机是前苏联研制的D-136发动机,其输出功率为7457千瓦, 用在米-26 直升机上,国际市场主要由 GE、R&R、PWC、Turbomeca 和 Klimov 五家公 司瓜分。为现代军用直升机需求,世界各国正积极对涡轴发动机进行改进改型,下一代发 动机将在功重比、结构、耗油率等方面实现进一步发展。
我国已具备完整的航空发动机产业链
航空发动机的价值量拆分
按部件价值拆分:高、低压涡轮的价值占比最高
涡轮部分价值量最高,其次为压气机。航空发动机制造商根据部件分配或者外包任务, 通常在各个机型的发动机中高、低压涡轮的价值占比都最高,其余部件价值占比因不同机 型而有不同,战斗机外涵道小,有加力燃烧室,且要求灵活机动,加力燃烧室、控制系统 占比高;民用固定翼及军用运输机发动机外涵道大,无加力燃烧室,风扇、外机匣的价值 占比高,控制系统占比较低;直升机发动机中控制系统和附件价值占比也相对较高。
按制造成本拆分:原材料成本接近一半
若不考虑控制系统,航空发动机从制造成本角度看原材料成本占比约 50%,人工成本 占比约 25%。航空发动机中使用的材料主要有高温合金、钛合金、复合材料、合金钢、铝 合金等。航空发动机中所采用的高温合金涉及的主要材料是镍、钴金属。高温合金占比约 35%、钛合金占比约 30%,其他合金及复材占比约 35%。
按发动机生命周期费用拆分:运营维修与整机价值相当
航空发动机全寿命周期要经历研发制造、采购、使用维护三个阶段。研发阶段又分为 设计、试验、发动机制造、管理等环节。在全寿命周期中,研发制造、采购、维护的比例 分别为 10%、40%、50%左右。一台民用大涵道比发动机使用寿命约 25 年,平均每 5 年 就要进行一次大修,一次大修费用在几百万美元左右,发动机的使用期间内全部的运营维 护基本与发动机本身的价值相当。使用维护阶段的费用包括更新零部件、维修服务两部分。
我国航空发动机产业链梳理
我国目前已具备完整的航空发动机产业链的研发制造能力。航空发动机研制包括最源 头的基础研究设计、上游原材料制备、零部件制造、中游分系统组装、下游主机厂总装和 后续维修等环节。航空发动机产业链主要由原材料供应商、零部件生产商和整机制造商组 成,其中原材料供应商主要有高温合金、钛合金、复合材料等钢铁厂及研究生产基地;零 部件制造主要有锻造、铸造等企业,包括机匣、环件、盘件、叶片等各类结构件的生产制 造;整机制造商主要由航发集团主导,负责整体设计、总装集成以及大修维保等关键环节。
航空发动机用材主要包括高温合金、钛合金、陶瓷基复合材料 CMC 和其它合金。高温 合金主要应用于航空发动机燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘等关键热端部件,占发动 机总重量的 40%-60%,当前国内市场主要以抚顺特钢、宝钢特钢、长城特钢等大型钢铁 厂及航材院、钢研院、中科院金属所为代表的研究生产基地为主;钛合金最高耐热温度低 于高温合金,常用于风扇、低压压气机等冷端部件,主要参与者有宝钛股份、西部材料等;陶瓷基复合材料 CMC 质量轻、性能优良,可用于燃烧室、涡轮导向叶片、尾喷管等部位, 是未来发动机热端结构的首选材料,当前国内尚处于起步阶段,主要企业有火炬电子、苏 州赛力菲、众兴新材、西安鑫垚、西安超码、中航复材等。
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