航空發(fā)動機制造產(chǎn)業(yè)鏈分析

航空發(fā)動機制造產(chǎn)業(yè)鏈從上游到下游可分為原材料、零部件、單元體/分系統(tǒng)、總裝。

（1）原材料

航空發(fā)動機是在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的惡劣環(huán)境條件下長期可靠工作的復雜熱力機械，在各類武器裝備中，航空發(fā) 動機對材料和制造技術(shù)的依存度最為突出，航空發(fā)動機高轉(zhuǎn)速、高溫的苛刻使用條件和長壽命、高可靠性的工作要求， 把對材料和制造技術(shù)的要求逼到了極限。材料和工藝技術(shù)的發(fā)展促進了發(fā)動機更新?lián)Q代，如：第一、二代發(fā)動機的主 要結(jié)構(gòu)件均為金屬材料，第三代發(fā)動機開始應用復合材料及先進的工藝技術(shù)，第四代發(fā)動機廣泛應用復合材料及先進 的工藝技術(shù)，充分體現(xiàn)了一代新材料、一代新型發(fā)動機的特點。在航空發(fā)動機研制過程中，設計是主導，材料是基礎，制造是保障，試驗是關(guān)鍵。從總體上看，航空發(fā)動機部件正向 著高溫、高壓比、高可靠性發(fā)展，航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)向著輕量化、整體化、復合化的方向發(fā)展，發(fā)動機性能的改進一半 靠材料。據(jù)預測，新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)對推重比 12~15 一級發(fā)動機的貢獻率將達到 50%以上，從未來發(fā)展來看， 甚至可占約 2/3。因此，先進的材料和制造技術(shù)保證了新材料構(gòu)件及新型結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，使發(fā)動機質(zhì)量不斷減輕，發(fā)動 機的效率、使用壽命、穩(wěn)定性和可靠性不斷提高，可以說沒有先進的材料和制造技術(shù)就沒有更先進的航空發(fā)動機。

1） 鈦合金

鈦具有密度小、比強度高、導熱系數(shù)低、低溫性能好、耐腐蝕能力強、生物相容性好等突出特點，被廣泛應用于航空、 航天、艦船、兵器、生物醫(yī)療、化工冶金、海洋工程、體育休閑等領(lǐng)域，被譽為“太空金屬”、“海洋金屬”、“現(xiàn) 代金屬”和“戰(zhàn)略金屬”。鈦合金是以鈦為基加入適量其他元素，調(diào)整基體相組成和綜合物理化學性能而形成的合金。與航空發(fā)動機常用的高溫合金、鋼等金屬材料相比，鈦合金具有低密度、高比強度、抗疲勞、耐腐蝕、工作溫度范圍 寬等性能優(yōu)勢，非常適合航空發(fā)動機的使用和服役需求。減重對提高在鈦合金耐熱能力范圍內(nèi)，航空發(fā)動機部件多數(shù) 選用鈦合金材料，集中用于風扇、低壓壓氣機和高壓壓氣機的葉片、盤、整體葉盤、軸頸、盤軸、機匣等關(guān)鍵件或重 要件，以及各類管路、緊固件等。目前，鈦合金在先進航空發(fā)動機上的用量約占整機重量的 25%~40%，使用溫度從 進氣口的大氣溫度到接近 600℃，對減輕發(fā)動機結(jié)構(gòu)重量、提高推重比（或功重比）、降低耗油率等起到了關(guān)鍵作用。

2）高溫合金：制造先進發(fā)動機的基石

高溫合金是能夠在 600℃以上及一定應力條件下長期工作的一類金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強度、良好的抗氧化和抗 熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，是軍民用燃氣渦輪發(fā)動機熱端部件不可替代的關(guān)鍵材料。在世 界先進發(fā)動機中，高溫合金材料用量已占到發(fā)動機總重量的 40%~60%。高溫合金按工藝的不同，可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末高溫合金幾種不同的類型。變形高溫合金具有良好的力學性能，主要用于制造航空發(fā)動機高壓壓氣機后面級葉片、盤、機匣、燃燒室機匣等零部 件。鑄造高溫合金又可細分為等軸晶、定向凝固柱晶和單晶高溫合金。鑄造高溫合金具有較好的綜合性能以及抗氧化、抗 熱腐蝕性能，主要用于制造高低壓渦輪工作葉片和導向葉片等零部件。其中的鎳基單晶高溫合金是在等軸晶和定向凝 固柱晶基礎上發(fā)展起來的一類先進的發(fā)動機葉片材料。與其他高溫合金相比，鎳基單晶高溫合金具有更為優(yōu)異的綜合 性能，成為高推重比航空發(fā)動機的關(guān)鍵材料。粉末高溫合金是用粉末冶金工藝制備的高溫合金，用粉末冶金方法生產(chǎn)的高溫合金，組織均勻、細小，提高了合金的 屈服和抗疲勞強度，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學、熱工藝及耐腐蝕、抗氧化性能。目前，粉末高溫合金主要用于制造航空 發(fā)動機渦輪盤、壓氣機盤、鼓筒軸、封嚴盤、封嚴環(huán)、導風輪以及渦輪盤高壓擋板等高溫承力轉(zhuǎn)動部件。

3） 復合材料

從發(fā)動機所用材料的趨勢來看，碳纖維復合材料、陶瓷基復合材料、鈦鋁化合物、金屬基復合材料的用量占比在不斷 提升。復合材料的重量輕、強度高等材料特性，很好地契合了航空發(fā)動機高推重比、低耗油的發(fā)展趨勢，用復合材料替代傳 統(tǒng)材料，可以起到顯著的減重效果。因此，復合材料在航空發(fā)動機領(lǐng)域逐漸得到應用，且應用前景廣闊。目前航空發(fā) 動機上使用最廣泛的就是樹脂基復合材料、陶瓷基復合材料和金屬基復合材料。以陶瓷基復合材料為例，從 2015 年 起，GE 公司開始在 GE9X 上開展包含燃燒室火焰筒內(nèi)外環(huán)第一級高壓渦輪外環(huán)、第二級渦輪導向器、渦輪轉(zhuǎn)子葉片 的陶瓷基復合材料部件試驗，來驗證整套熱端部件的功能性和耐久性。發(fā)動機的陶瓷基復合材料渦輪轉(zhuǎn)子葉片能夠?qū)?現(xiàn)葉片減重 2/3，耐溫提高 20%，對耗油率改善的貢獻率達到 30%；而使用陶瓷基復合材料的燃燒室火焰筒能以更少 的冷卻空氣量應對更高的溫度，改善發(fā)動機熱效率。

（2）零部件

航空發(fā)動機由幾大單元體和子系統(tǒng)組成，單元體包括風扇增壓級、高壓壓氣機、燃燒室、高低壓渦輪、噴管等。單元 體由各種零組件組成。新一代航空發(fā)動機總共有 3 萬多個零件，涉及 230 多種不同標準的材料。

航空發(fā)動機零組件具有如下特點：1）零、組件種類眾多；2）難加工材料多；3）零組件結(jié)構(gòu)復雜；4）零件加工精度 高；5）多種冷卻小孔；6）零件表面特種工藝要求多。

1）葉片類

葉片是航空發(fā)動機關(guān)鍵零部件之一，直接決定發(fā)動機性能、安全與壽命。按照葉片的所處部位，葉片可以分為風扇葉片、壓氣機葉片和渦輪葉片；對于渦扇發(fā)動機，壓氣機葉片根據(jù)所在部位 的不同又分為低壓壓氣機葉片和高壓壓氣機葉片。按運動方式的不同，葉片又可以分為轉(zhuǎn)子葉片（工作葉片，簡稱動 葉）和靜子葉片（簡稱靜葉，風扇和壓氣機的靜葉稱作整流器葉片，渦輪的靜葉稱作導向器葉片）。為了完成整流作 用或?qū)蜃饔茫o葉和動葉彎曲方向相反。

葉片的作用在于通過與發(fā)動機腔體配合形成空氣或燃氣截面及方向的不斷變化，與主軸或渦輪盤等配合實現(xiàn)燃氣的高 溫壓縮，保證燃氣的高速流動并轉(zhuǎn)換成所需要的飛機運動動力。葉片的制造量占整機制造量的三分之一左右，是發(fā)動 機中數(shù)量最大的一類零件。壓氣機葉片級數(shù)較多，每臺發(fā)動機壓氣機葉片數(shù)量一般在 2,000 片左右。不同發(fā)動機型號 設計的葉片級數(shù)均存在差異。從性能上看，壓氣機葉片決定了總增壓比，即發(fā)動機對空氣流動的壓縮程度， 提高發(fā) 動機的增壓比可以提高航空發(fā)動機的壓縮效率和燃燒效率。另一方面，渦輪葉片的制造水平直接決定了渦輪承受的極 限溫度，從而影響發(fā)動機推重比與動力。因此，壓氣機葉片與渦輪葉片基本上決定了航空發(fā)動機熱力循環(huán)的兩個主要 參數(shù)，葉片設計與制造的好壞直接決定著發(fā)動機的性能、安全與壽命。

2）盤類

航空發(fā)動機盤類件絕大部分是精密回轉(zhuǎn)類零件、關(guān)重零件，工作條件為高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的特殊環(huán)境，零件材料均 為難加工材料，尺寸及技術(shù)條件精度嚴格，對操作人員的技能水平、設備精度等級、檢測方法等要求較高。渦輪盤/壓氣機盤是航空發(fā)動機十分重要的轉(zhuǎn)子部件，盤環(huán)件是航空發(fā)動機中工作條件最為苛刻、最為重要的部件之 一，承受著復雜的循環(huán)熱載荷及機械載荷。盤環(huán)件受力狀態(tài)十分復雜，不同部位所受溫度、載荷、介質(zhì)作用都不相同。渦輪盤在四大熱端部件中所占重量最大。渦輪盤是航空發(fā)動機上的重要轉(zhuǎn)動部件，工作溫度不高，一般輪緣為 550-750℃，輪心為 300℃左右，因此盤件徑向的熱應力大，特別是盤件在正常高速轉(zhuǎn)動時，由于盤件質(zhì)量重達幾十 至幾百千克，且?guī)е~片旋轉(zhuǎn)，要承受極大的離心力作用，在啟動與停車過程中又構(gòu)成周期性的大應力低周疲勞。用 作渦輪盤的高溫合金為高強度、高持久蠕變性能的變形高溫合金和粉末高溫合金。在我國，渦輪盤中變形高溫合金 GH4169 合金用量最大、應用范圍最廣。

3）機匣類

機匣是航空發(fā)動機上的主要承力部件，為發(fā)動機承受載荷和包容的關(guān)鍵部件，屬于典型的薄壁結(jié)構(gòu)零件。其主要作用 為：保護發(fā)動機核心機；給裝在外部的發(fā)動機部件如燃油泵、滑油泵、發(fā)電機和齒輪箱等部件以及管路等提供支撐；內(nèi)側(cè)主要安裝靜子和燃燒室，和轉(zhuǎn)子組件一起構(gòu)成空氣流通通道。按結(jié)構(gòu)不同，機匣可以分為整體式環(huán)形機匣、對開式環(huán)形機匣、帶整流支板機匣；按功能不同，機匣可以分為風扇機 匣、外涵機匣、中介機匣、壓氣機機匣、燃燒室機匣、軸承機匣、渦輪機匣、附件機匣等。機匣材料多為鈦合金、高溫合金。由于機匣采用難加工金屬材料且結(jié)構(gòu)復雜，機匣加工過程中需要著重控制高精度形 位公差及薄壁加工變形。

（3）控制系統(tǒng)

航空發(fā)動機控制系統(tǒng)就像人的大腦，負責接收各種傳感器信號，進行計算處理，再驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動。它控制著發(fā)動 機的穩(wěn)態(tài)推力等級、瞬態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，以及安全保護等一系列活動。

航空發(fā)動機控制系統(tǒng)由一系列控制裝臵組成，是確保發(fā)動機健康、穩(wěn)定、安全工作，最大限度發(fā)揮發(fā)動機潛能，保證 飛機正常工作的關(guān)鍵系統(tǒng)。隨著航空發(fā)動機技術(shù)水平的不斷提升，燃油與控制系統(tǒng)也由簡單到復雜，并由機械液壓控 制發(fā)展為全權(quán)限數(shù)字電子控制器（FADEC）。同時發(fā)動機控制功能和控制變量的不斷增加，導致燃油與控制系統(tǒng)越 來越復雜，研制和維護成本增加。

（4）機械系統(tǒng)

航空發(fā)動機的機械系統(tǒng)包括傳動、潤滑、密封和主軸承系統(tǒng) 4 大部分。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復雜、故障多發(fā)、牽涉的學科 多、國內(nèi)基礎相對薄弱等特點。

國內(nèi)外出現(xiàn)的機械系統(tǒng)故障主要包括設計、制造、裝配、使用及試驗驗證等方面。從中國現(xiàn)役發(fā)動機的故障統(tǒng)計來看， 機械系統(tǒng)的故障始終居高不下，包含其接觸副摩擦磨損易發(fā)、零組件數(shù)量多等結(jié)構(gòu)特點因素；設計水平偏低、制造水 平跟不上、試驗裝配手段落后等客觀事實；同時國內(nèi)技術(shù)環(huán)境重視程度不夠、投資力度偏弱、基礎和規(guī)范建設工作不 到位等均有重要影響。因此，若要有效降低機械系統(tǒng)故障率，要求管理、設計、加工、試驗等人員共同努力。國外發(fā) 達國家的航空發(fā)動機機械系統(tǒng)的技術(shù)水平是在其他相關(guān)領(lǐng)域（汽車、化工、機床、船舶、鋼鐵等）的技術(shù)水平的基礎 上，結(jié)合航空發(fā)動機的自身特點發(fā)展起來的。

（5）總裝

航空發(fā)動機總裝是發(fā)動機制造過程中的終端及核心環(huán)節(jié)。航空發(fā)動機整機裝配工藝涵蓋從所有零件、成附件到各級組件、單元體、主單元體直至整機的全部裝配和分解過程， 也包括裝配分解過程中的轉(zhuǎn)子零組件平衡、各類檢測（試驗和測量）、清洗和油封存放等技術(shù)活動，所以需要大量的 通用/專用工裝夾具、標準/專用設備和廠房設施支撐，也需要相當數(shù)量的耗材/品、動力和人力開支。比如，一般成熟民用發(fā)動機零件級裝配所需的專用工裝夾具在 500~1000 件套之間，工藝設備種類大約在 30~50 種之間。因而，航 空發(fā)動機整機裝配與其他大型高端裝備產(chǎn)品一樣，作為制造終端環(huán)節(jié)，具有顯著的技術(shù)密集型、資金密集型和高素質(zhì) 勞動密集型特征，相對一般工業(yè)產(chǎn)品，比如汽車整車，航空發(fā)動機裝配質(zhì)量對人工經(jīng)驗的依賴性要明顯大一些。鑒于 航空產(chǎn)品的高安全性需求特征，航空發(fā)動機裝配制造更加強調(diào)裝配精度、一致性和可靠性指標，而對于生產(chǎn)效率指標 要求并不嚴格。

當前，面臨生產(chǎn)任務量逐年遞增、制造新技術(shù)實現(xiàn)難度大、準時交付管理嚴格等挑戰(zhàn)，我國航空發(fā)動機主機廠紛紛面 向智能制造探索基于脈動線思想的總裝生產(chǎn)線，期望將先進的管理理念、管理方法、組織流程、裝配工藝、工藝裝備 與新一代信息技術(shù)深度融合，打造新型產(chǎn)品總裝生產(chǎn)與管理方式，大幅提高產(chǎn)品總裝生產(chǎn)效率和質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期， 保障型號研制需要。羅羅、賽峰等國際先進航空發(fā)動機制造企業(yè)在不斷深化數(shù)字化技術(shù)應用的同時，將智能制造作為工業(yè)變革的金鑰匙， 作為企業(yè)保持行業(yè)領(lǐng)先地位以及長遠發(fā)展的戰(zhàn)略制高點。羅羅不僅將數(shù)字化技術(shù)融入到設計研發(fā)中，還將其作為踐行 全球化的重要手段，通過無縫連接的全球化供應鏈管理系統(tǒng)，保證了制造品質(zhì)與效率，通過健康管理系統(tǒng)，跟蹤遍布 全球 10 萬臺世界各地運營發(fā)動機的健康狀態(tài)；賽峰在 LEAP 系列發(fā)動機生產(chǎn)線上，通過橫向集成，將全球 240 多家 供應商進行價值鏈以及信息網(wǎng)絡資源整合，形成高效的供應鏈管控能力，同時利用數(shù)字孿生和自動化技術(shù)，有效提升 產(chǎn)品的裝配效率和質(zhì)量，形成了年均總裝 1500 多臺的交付能力。

審核編輯：郭婷