干货丨航空发动机全景解析之分系统与关主件

航空发动机控制系统航发控制系统主要由电子控制器、燃油泵、燃油控制器、限制器、执行元件、测量元件、燃油喷嘴和控制阀门等部件构成。

图：飞机发动机综合控制系统结构简图

资料来源：《航空发动机控制系统的研发与展望》（张绍基）

发动机控制系统经历了从机械液压式到数字电子式发展的过程。全权限数字式发动机控制系统（FADEC）为当前先进军、民用航空发动机所使用的标准控制系统。在 FADEC系统中，发动机电子控制器 EEC 或电子控制系统 ECU 是它的核心，所有控制计算由计算机进行，然后通过电液伺服机构将控制指令转化为液压机械装置及各个活门、作动器的动作，从而实现对发动机硬件状态的调节。

我国从 80 年代初进行了研究，掌握了机械液压控制、液压备份、模拟控制等相关技术，并在数字控制、数字全权限电子控制等领域取得了重大突破。未来航空发动机控制系统将向着轻量化、高速化、大负荷、长寿命、高可靠性、适应复杂环境要求的方向发展。

表：航空发动机控制系统决定了航空发动机多个功能的实现

资料来源：《航空发动机控制系统的研发与展望》

全球发动机控制系统行业内竞争日益激烈，行业整合趋势明显。由于发动机控制系统生产厂商的下游客户纵向一体化水平不断提升，业务逐步向上实现垂直整合，中小控制器件制造商面临销售风险。目前电子控制系统的主要厂商有法国的赛峰集团、英国航空航天系统公司、FADEC International、美国的汉密尔顿标准公司、俄罗斯的 UEC-Star 等，其他控制器件的制造商主要有美国的沃德伍德、伊顿，以及东南亚的多家代工厂商。

表：国际航发控制系统主要企业

资料来源：《航空发动机和控制系统的研究进展》

国内行业竞争格局稳定，航发控制与中国航发控制系统研究院（614 所）“软硬”结合，占据市场垄断地位。航发控制与 614 所同为中国航发集团直属单位。如前所述，控制系统主要可分为机械液压、电子硬件、软件三大部分：电子硬件和软件主要由614所研制，其为中国航空发动机行业唯一的控制系统研究所，承担了绝大部分国家重点型号、批产及预研任务，质地优良、盈利能力强，在军工资产证券化，科研院所加快改制的大背景下，614 所作为试点单位，未来存在资产证券化空间。

在机械液压方面，则呈现航发控制独家垄断的市场格局。其与 614 所的产品构成一个完整的控制系统，优势互补，合作紧密。航发控制产品涵盖国内军机所有在研、在役型号，在国内航空发动机控制系统机械液压领域具有垄断地位，为燃油控制系统细分行业唯一供应商。

另外国内一部分新兴民营企业正试图开辟市场，包括海特高新、晨曦航空、航星科技、中航机电等，在部分航空发动机控制系统的部组件上具备一定的研制生产能力。随着民营企业的进入，航空发动机市场竞争活力也将得到加强。

表：我国航空发动机控制系统主要企业

资料来源：Wind

资料来源：根据公开资料整理，招商证券

资料来源：百度图片，招商证券

资料来源：《航空发动机控制系统发展概述》，招商证券

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。国外发达国家的航空发动机机械系统的技术水平是在其他相关领域（汽车、化工、机床、船舶、钢铁等）的技术水平的基础上，结合航空发动机的自身特点发展起来的。

目前国内从事航空发动机机械系统相关业务的上市公司有：航发控制（000738）、航发科技（600391）、中航机电（002013）等。非上市公司有：哈尔滨东安等。

航空发动机进气道主要的作用是在各种工作状态下，能够将足够量的空气，以最小的流动损失，引入压气机。亚音速进气道是扩张型的管道。它由壳体和整流锥组成。

压气机是航空发动机的重要组成部分之一。它的主要作用是通过高速旋转的叶片对空气做功，对流过它的空气进行压缩，提高空气的压力，为之后在气体在燃烧室中的燃烧创造条件，以改善发动机的经济性，增加发动机的推力。

燃烧室是发动机的重要部件之一。燃烧室位于压气机和涡轮之间，其主要作用是高压空气和燃油充分混合燃烧，将化学能转化为热能，形成高温高压的燃气，发动机的可靠性、经济性和寿命很大程度由它决定。燃烧室有三种基本构型，分别是分管燃烧室，联管燃烧室和环形燃烧室，无论那种燃烧室，为了满足基木功能都采用了减速扩压，分股进气等技术，燃烧室由进气装置(扩压器)、火焰筒、喷嘴、点火装置和壳体组成。

涡轮是航空发动机的重要部件之一。安装在燃烧室的后面，它的作用是将高温燃气中的热能和压力位能转变为功，高温高压的气体在涡轮中膨胀，推动涡轮旋转，带动风扇和压气机工作。航空燃气涡轮的特点是功率大、燃气温度高、转速高、效率高和重量轻。

尾喷管安装在涡轮的后部，也是发动机的重要部件之一，主要作用是将从涡轮流出的燃气膨胀加速，将燃气部分的烩转变为动能，提高燃气速度，使燃气以很大的速度排出，产生较大的推力。

航空发动机叶片属于薄壁易变形零件，如何控制其变形并高效、高质量地加工是目前叶片制造行业研究的重要课题之一。

航空发动机叶片按部件分为风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片。按运动方式又分为动叶和静叶。风扇和压气机的静叶称作整流器叶片，而涡轮的静叶称作导向器叶片，涡轮盘上的动叶就是工作叶片。金属材料叶片按工艺类别分，压气机叶片主要采用精密锻造工艺，涡轮叶片主要采用精密铸造工艺（高压级单晶、低压级定向晶）。

图：GE 公司 F110 发动机结构

资料来源：《F110-GE-100 小涵道比涡扇发动机总体结构分析》

（1）民用涡扇发动机风扇叶片

随着民用涡扇发动机风扇叶片涵道比增加直径逐渐增大，风扇叶片减重成为了发展重点。为了降低风扇噪声，民用涡扇发动机风扇一般为单级低压比设计，出口温度低，适合用于低温环境的低密度高比强度的树脂基复合材料实心叶片正在替代钛合金空心叶片成为主流。

经过数十年技术积累的 GE 和 Snecma 公司，已经基本完成了在复材风扇方面的专利布局。英国罗-罗公司目前正将目光从其涡扇发动机上长期应用的钛合金空心风扇叶片移开，转而研制碳纤维增强复合材料风扇叶片。该公司与吉凯恩集团(GKN)一起碳纤维风扇叶片试验件，有望在 2020 年前应用于 TRENT-XWB 之后的下一型新发动机。我国对 3D 编织结构/RTM工艺成型的大量研究始于 20 世纪 90 年代初，在航空发动机叶片上的应用更是最近几年才开始。

（2）军用涡扇发动机风扇叶片和压气机低压级叶片

军用小涵道比涡扇发动机为了在迎风面积限制条件下提高外涵流量，一般采用多级高压比设计，叶片直径和工作环境与压气机前几级基本相当，材料与工艺的选用基本相同，主要选用钛合金空心叶片，目前钛基复材空心叶片正在研发中。

空心叶片主要采用超塑性成型/扩散连接技术（SPF/DB）。超塑性成型/扩散连接技术是金属毛坯在一次加热过程中同时完成扩散连接和超塑性成形的组合方法。超塑性通常是指材料在拉伸条件下表现出异常高的延伸率也不产生缩颈与断裂的现象；扩散连接是指在一定的温度和压力下，经过一定时间，连接界面原子间相互扩散，实现的可靠连接。

钛合金空心叶片超塑性成型/扩散连接技术（SPF/DB）由 R&R 公司首先研发成功，应用于RB211 发动机上，随后 PW 公司也开发了此项技术。PW 公司目前正在研制连续碳化硅纤维增强的钛基复合材料风扇叶片。我国扩散连接技术还仅仅局限在实验室基础研究和小批量生产之间，目前涡扇-15 发动机采用实心钛合金风扇叶片。

（3）压气机高压级叶片

压气机高压级叶片直径逐渐减小，主要采用实心叶片。随着压气机级数增多，压气机叶片工作温度逐渐提高，材料选用由钛合金变为变形高温合金。另外，在高压压气机末级，新型轻质耐高温 Ti-Al 合金将逐渐取代变形高温合金。

高压压气机叶片生产多采用精锻制坯，磨削技术精密加工成型。精锻叶片可以更完整地保持金属流线的连续，精锻叶片余量小、强度高、加工周期短、寿命长。

目前在航空发动机预叶片锻件领域，英国、美国、德国和日本走在世界前列，技术实力雄厚，依托高端的生产设备及先进的加工工艺，能够生产出大尺寸、高精度、高性能的产品，占据着高端市场。国内企业目前技术主要生产厂商是航发动力、无锡透平叶片有限公司和无锡航亚科技股份有限公司。

表：国内航空发动机叶片锻造企业

资料来源：公司公告

（4）涡轮叶片

在航空发动机中，涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”。涡轮叶片的性能水平，特别是承温能力，成为一种型号发动机先进程度的重要标志，在一定意义上，也是一个国家航空工业水平的显著标志。

涡轮低压级叶片工作温度相对涡轮高压级叶片温度较低，主要采用定向结晶铸造镍基高温合金。新型轻质耐高温 Ti-Al 和陶瓷基复合材料也已经在部分机型上成功应用。

推比10一级的涡轮高压级叶片工作温度达到 1700℃，主要采用耐温 1150℃的第三代镍基单晶铸造高温合金，空心气膜冷却结构和陶瓷涂层的使用提高了涡轮叶片基体材料的耐温水平。美国 IHPTET 计划开发的高温度基体材料-镍铝基单晶铸造高温合金也处于工程应用阶段。单晶高温合金已经发展到了第五代，当前主要应用为第三代。

资料来源：航空制造网

资料来源：新浪军事

目前单晶叶片的研制，美国、法国、英国和俄罗斯走在世界前列，美国的 Howmet 公司、GE 公司、PCC 公司以及 Allison 公司，英国 RR 公司，法国的 SNECMA 公司，俄罗斯的SALUT 发动机制造厂等厂商均大量生产单晶零件。国内企业目前主要单晶叶片生产商是航发动力下属贵阳航发精密铸造有限公司。另外，民营企业也在进入叶片铸造市场，主要包括万泽股份、炼石航空、应流股份和江苏永瀚。

表：国内航空发动机叶片铸造生产企业

资料来源：公司公告