航空發動機制造產業鏈分析

航空發動機制造產業鏈從上游到下游可分為原材料、零部件、單元體/分系統、總裝。

（1）原材料

航空發動機是在高溫、高壓、高速旋轉的惡劣環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 動機對材料和制造技術的依存度最為突出，航空發動機高轉速、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的要求逼到了極限。材料和工藝技術的發展促進了發動機更新換代，如：第一、二代發動機的主 要結構件均為金屬材料，第三代發動機開始應用復合材料及先進的工藝技術，第四代發動機廣泛應用復合材料及先進 的工藝技術，充分體現了一代新材料、一代新型發動機的特點。在航空發動機研制過程中，設計是主導，材料是基礎，制造是保障，試驗是關鍵。從總體上看，航空發動機部件正向 著高溫、高壓比、高可靠性發展，航空發動機結構向著輕量化、整體化、復合化的方向發展，發動機性能的改進一半 靠材料。據預測，新材料、新工藝和新結構對推重比 12~15 一級發動機的貢獻率將達到 50%以上，從未來發展來看， 甚至可占約 2/3。因此，先進的材料和制造技術保證了新材料構件及新型結構的實現，使發動機質量不斷減輕，發動 機的效率、使用壽命、穩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就沒有更先進的航空發動機。

1） 鈦合金

鈦具有密度小、比強度高、導熱系數低、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、生物醫療、化工冶金、海洋工程、體育休閑等領域，被譽為“太空金屬”、“海洋金屬”、“現 代金屬”和“戰略金屬”。鈦合金是以鈦為基加入適量其他元素，調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 寬等性能優勢，非常適合航空發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，航空發動機部件多數 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℃，對減輕發動機結構重量、提高推重比（或功重比）、降低耗油率等起到了關鍵作用。

2）高溫合金：制造先進發動機的基石

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動機熱端部件不可替代的關鍵材料。在世 界先進發動機中，高溫合金材料用量已占到發動機總重量的 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 固柱晶基礎上發展起來的一類先進的發動機葉片材料。與其他高溫合金相比，鎳基單晶高溫合金具有更為優異的綜合 性能，成為高推重比航空發動機的關鍵材料。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，表現出優異的綜合力學、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 發動機渦輪盤、壓氣機盤、鼓筒軸、封嚴盤、封嚴環、導風輪以及渦輪盤高壓擋板等高溫承力轉動部件。

3） 復合材料

從發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動機高推重比、低耗油的發展趨勢，用復合材料替代傳 統材料，可以起到顯著的減重效果。因此，復合材料在航空發動機領域逐漸得到應用，且應用前景廣闊。目前航空發 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外環第一級高壓渦輪外環、第二級渦輪導向器、渦輪轉子葉片 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。發動機的陶瓷基復合材料渦輪轉子葉片能夠實 現葉片減重 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，改善發動機熱效率。

（2）零部件

航空發動機由幾大單元體和子系統組成，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）零組件結構復雜；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

葉片是航空發動機關鍵零部件之一，直接決定發動機性能、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；對于渦扇發動機，壓氣機葉片根據所在部位 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 用或導向作用，靜葉和動葉彎曲方向相反。

葉片的作用在于通過與發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燃氣的高 溫壓縮，保證燃氣的高速流動并轉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，是發動 機中數量最大的一類零件。壓氣機葉片級數較多，每臺發動機壓氣機葉片數量一般在 2,000 片左右。不同發動機型號 設計的葉片級數均存在差異。從性能上看，壓氣機葉片決定了總增壓比，即發動機對空氣流動的壓縮程度， 提高發 動機的增壓比可以提高航空發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動機熱力循環的兩個主要 參數，葉片設計與制造的好壞直接決定著發動機的性能、安全與壽命。

2）盤類

航空發動機盤類件絕大部分是精密回轉類零件、關重零件，工作條件為高溫、高壓、高轉速的特殊環境，零件材料均 為難加工材料，尺寸及技術條件精度嚴格，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/壓氣機盤是航空發動機十分重要的轉子部件，盤環件是航空發動機中工作條件最為苛刻、最為重要的部件之 一，承受著復雜的循環熱載荷及機械載荷。盤環件受力狀態十分復雜，不同部位所受溫度、載荷、介質作用都不相同。渦輪盤在四大熱端部件中所占重量最大。渦輪盤是航空發動機上的重要轉動部件，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動時，由于盤件質量重達幾十 至幾百千克，且帶著葉片旋轉，要承受極大的離心力作用，在啟動與停車過程中又構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

機匣是航空發動機上的主要承力部件，為發動機承受載荷和包容的關鍵部件，屬于典型的薄壁結構零件。其主要作用 為：保護發動機核心機；給裝在外部的發動機部件如燃油泵、滑油泵、發電機和齒輪箱等部件以及管路等提供支撐；內側主要安裝靜子和燃燒室，和轉子組件一起構成空氣流通通道。按結構不同，機匣可以分為整體式環形機匣、對開式環形機匣、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構復雜，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

航空發動機控制系統就像人的大腦，負責接收各種傳感器信號，進行計算處理，再驅動執行機構運動。它控制著發動 機的穩態推力等級、瞬態的狀態轉換，以及安全保護等一系列活動。

航空發動機控制系統由一系列控制裝臵組成，是確保發動機健康、穩定、安全工作，最大限度發揮發動機潛能，保證 飛機正常工作的關鍵系統。隨著航空發動機技術水平的不斷提升，燃油與控制系統也由簡單到復雜，并由機械液壓控 制發展為全權限數字電子控制器（FADEC）。同時發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越 來越復雜，研制和維護成本增加。

（4）機械系統

航空發動機的機械系統包括傳動、潤滑、密封和主軸承系統 4 大部分。該系統具有結構復雜、故障多發、牽涉的學科 多、國內基礎相對薄弱等特點。

國內外出現的機械系統故障主要包括設計、制造、裝配、使用及試驗驗證等方面。從中國現役發動機的故障統計來看， 機械系統的故障始終居高不下，包含其接觸副摩擦磨損易發、零組件數量多等結構特點因素；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；同時國內技術環境重視程度不夠、投資力度偏弱、基礎和規范建設工作不 到位等均有重要影響。因此，若要有效降低機械系統故障率，要求管理、設計、加工、試驗等人員共同努力。國外發 達國家的航空發動機機械系統的技術水平是在其他相關領域（汽車、化工、機床、船舶、鋼鐵等）的技術水平的基礎 上，結合航空發動機的自身特點發展起來的。

（5）總裝

航空發動機總裝是發動機制造過程中的終端及核心環節。航空發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，也需要相當數量的耗材/品、動力和人力開支。比如，一般成熟民用發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 空發動機整機裝配與其他大型高端裝備產品一樣，作為制造終端環節，具有顯著的技術密集型、資金密集型和高素質 勞動密集型特征，相對一般工業產品，比如汽車整車，航空發動機裝配質量對人工經驗的依賴性要明顯大一些。鑒于 航空產品的高安全性需求特征，航空發動機裝配制造更加強調裝配精度、一致性和可靠性指標，而對于生產效率指標 要求并不嚴格。

當前，面臨生產任務量逐年遞增、制造新技術實現難度大、準時交付管理嚴格等挑戰，我國航空發動機主機廠紛紛面 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 與新一代信息技術深度融合，打造新型產品總裝生產與管理方式，大幅提高產品總裝生產效率和質量，縮短生產周期， 保障型號研制需要。羅羅、賽峰等國際先進航空發動機制造企業在不斷深化數字化技術應用的同時，將智能制造作為工業變革的金鑰匙， 作為企業保持行業領先地位以及長遠發展的戰略制高點。羅羅不僅將數字化技術融入到設計研發中，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，保證了制造品質與效率，通過健康管理系統，跟蹤遍布 全球 10 萬臺世界各地運營發動機的健康狀態；賽峰在 LEAP 系列發動機生產線上，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絡資源整合，形成高效的供應鏈管控能力，同時利用數字孿生和自動化技術，有效提升 產品的裝配效率和質量，形成了年均總裝 1500 多臺的交付能力。

審核編輯：郭婷