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航空发动机:我们向GE学什么?

倪金刚 / 中航商用航空发动机有限责任公司 高级专家 / 2015-08-31

航空发动机项目的研制没有捷径可走,来不得半点虚假和自欺欺人,任何凭“侥幸”的心里试图一举成名的做法都是不可能取得成功的。事实证明,航空发动机的研制是约80%的经验和技术积累附加20%的创新。没有坚实、可靠的技术积累,创新就成为无源之水、无本之木。一切背离航空发动机研制客观规律、盲目行事、急功近利的“创新”做法,都将付出惨重的代价并一无所获。

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GE:世界航空发动机“霸主”的百年经验

当前,在商用航空发动机领域,全球仅有4家发动机原始设备制造商(OEM),即美国GE公司、普惠公司、英国罗罗公司和法国赛峰集团。他们在为两家大型飞机制造商(波音公司、空客公司)和两家主要支线飞机制造商(庞巴迪飞机公司、巴西航空工业公司),以及数百家航空公司和飞机用户提供着发动机产品和服务。这4家发动机OEM,一方面为了争夺市场份额而展开残酷无情的竞争;另一方面则彼此结成联盟,寻求合作共赢,降低技术和资金风险,并联手设置极高的行业准入“门槛”,以阻止“新玩家”的擅自闯入。他们实际上已经成为航空发动机市场上的联手寡头。

据“商用发动机2014”(Commercial Engines 2014)报道,2013年,空客公司和波音公司交付的飞机共装备发动机2598台,储备订单21636台,详见下表:

2013年发动机制造商排行榜(数据来源:“商用发动机2014”)

发动机制造商 交付发动机/台 交付比例/% 储存发动机/台 储存比例/%
CFM国际公司 1386 53 10280* 48
GE公司 436 17 2004 9
IAE公司 442 17 1382 6
罗罗公司 234 9 2672 12
发动机联盟公司 64 2 308 1
普惠公司 36 1 1716** 8
未定 3274 15
总计 2598 21636
*包括CFM56 和LEAP系列发动机;**主要来源于PW1000G齿轮传动涡轮风扇(GTF)系列发动机

以上数据表明,CFM国际公司——GE公司与赛峰集团各占50%份额的合资公司——作为全球顶级供应商,得益于其畅销的CFM56 和LEAP系列发动机,无论从交付量还是储备订单来考量,都稳居飞机发动机交付榜和储存榜的首位;GE公司得益于其宽体飞机和支线飞机发动机的产品优势,位居发动机交付量和存储量综合排名第二,仅次于CFM国际公司。由于其在CFM56 和LEAP系列发动机项目中占50%的份额,故GE公司成为世界航空发动机领域当之无愧的“霸主”。

GE 航空是GE 公司旗下11大业务集团之一,是世界领先的民用、军用、公务和通用飞机发动机以及部件和系统的集成制造商,同时也是飞机一体化数字、电力和机械系统的主要供应商。2013年,GE 航空集团的销售额为220亿美元,占GE公司总收入的15%。目前GE航空集团42%的销售收入来自于美国市场,58%来自于美国以外的国际市场。

GE 航空发动机走过了近百年的发展历程,经历了无数次挫折和失败,也从中总结出大量的宝贵经验和教训,为人类航空发动机高新科技及产品的研究、开发、应用开创了一个新纪元,谱写了一个又一个灿烂辉煌的篇章,成为今天全球航空发动机企业管理者们仰慕和学习的“标杆”。

重视预先研究与高科技开发

通常,GE 航空集团每年都拿出约占其营业额10%-15%的经费,数额高达十几亿甚至几十亿美元,用于飞机发动机先进技术的研究与开发。这一比例比美国其他工业企业要高出3-5倍。这笔经费的分配比例大致为:

  • 20%用于基础科学,即与航空发动机直接相关的研究与开发,如新材料、新工艺、新的计算分析程序和软件、燃烧的基础理论、空气动力学、结构力学分析、计算机辅助设计、检测技术等;
  • 30%用于应用技术,即发动机高新科技的工程应用,加工制造以及质量监控;
  • 50%用于产品开发,即发动机及相关部件和系统的设计、工艺、工程制造、试验、适航取证、售后服务等。

GE航空集团通常要花10-20年的时间进行发动机高新技术的预先研究和开发工作,以掌握先进技术,积累经验,规避风险,从而得到性能先进、经济性良好的发动机型号设计方案。同时,GE航空集团还重视提高发动机部件生产的质量和效率,大幅度提高发动机零部件的使用寿命和工作可靠性,减少备用发动机和部件的数量,降低发动机的研制和生产成本,使航空公司和部队用户真正得到实惠。此外,GE公司借助于美国政府资助的一系列航空发动机高科技发展计划,不断开发发动机高新科技,并应用于新型发动机产品的研制和对现役产品性能的改进和完善,使GE公司在激烈的市场竞争中一直占有明显的优势。

正是通过长期大规模的技术开发,GE公司获得了许多开创性的科技研究成果,其中包括:研制、生产了美国第一台喷气式飞机发动机;研究、开发了世界第一台涡轮螺旋桨发动机;研制了第一台用于2倍声速战斗机的涡轮喷气发动机;研制了全球第一台大涵道比涡轮风扇发动机;研究开发了整体叶盘(blisk)结构、三维编制RTM复合材料风扇叶片、低污染TAPS燃烧室等先进技术。GE公司最引人注目的贡献是将大涵道比涡轮风扇发动机技术应用于飞机动力,这不仅使美国空军从此用上了诸如C-5A型超大载重量的军用运输机,而且向全世界展示了这一高新科技的巨大威力。大涵道比涡轮风扇发动机的问世带来了大推力、低油耗、低噪声、低污染排放和高可靠性等显著优势,也为现代商用飞机提供了既绿色环保又经济实惠的飞行动力,将商用航空发动机工业带入到一个新纪元。在航空工业领域,GE航空集团以飞机发动机的高新科技创新、产品优异、服务周到而著称。事实证明,企业在航空发动机科研和高新技术开发方面的高额投入,是未来其产品在市场上立足并取胜的先决条件。

与客户及合作伙伴风险共担、利益共享

对于飞机发动机行业来说,一个成功的项目常常需要精心培育20-50年。GE公司的高层管理人员与飞机制造商和航空公司的老板们保持着紧密的联系以及良好的私人交往,并建立起长期的诚信。通常一家航空公司将“赌注”押在任何一款发动机新产品上,都必须首先对该产品的供应商有充分的认知和信赖。在产品的全寿命期内,一旦出现意想不到的问题,供应商必须及时给予用户技术支持,帮助他们解决问题,甚至和他们一起分担经济上的损失。不管客户方面什么时候出现任何问题,GE公司的有关人员都会紧急赶赴现场,与用户一道,高效、快速地解决问题,直到用户感到满意为止。

由于现代飞机发动机的研究、开发、制造需要投入大量的资金和人力,GE公司在全球范围内积极寻求“风险共担,利益共享”的合作伙伴,以便分摊技术风险和资金压力,并联合开拓国际市场。20世纪70年代,GE公司和斯奈克玛公司(现赛峰集团)联合开发了CFM56系列发动机,并一举成为航空工业界国际合作的典范。CFM56发动机项目不仅为两家公司每年创造100多亿美元的营业收入,而且使斯奈克玛公司从一个单纯开发、制造军用飞机发动机的国营企业,迅速成长为国际航空发动机领域的“顶级玩家”之一。GE公司与合作伙伴在发动机项目管理、工程应用、专项技术研究开发、生产、资金筹措、市场营销等方面一起研究,集思广益,发挥各自的优势。GE公司还认真仔细地研究不同合作伙伴的特点并采取相应的合作模式,以达到最佳的合作效果。GE公司在全球广交战略合作伙伴的策略,不仅使自己获益匪浅,而且也极大地孤立了市场上的竞争对手。正是得益于与这些国家的合作伙伴在诸多项目中建立起来的长期友好的合作关系,GE公司真正学会了如何与不同国家和民族进行合作并取得成功的技巧和“秘诀”,并奠定了GE公司在各类民用飞机发动机项目上与这些国外伙伴寻求合作共赢的坚实基础。对于当今的航空发动机行业,发动机制造商必须在全球范围内寻求合作者和供应商,以达到合作共赢的目的,在这方面,GE公司无疑是全行业学习的典范。

在过去的几十年里,军用发动机、民用发动机、舰船动力及地面燃机的产值结构发生了根本性的变化。GE公司从20世纪60年代的军用发动机与民用发动机“八二”开,舰船动力及地面燃机忽略不计,发展到现在的军用发动机、民用发动机、舰船动力及地面燃机的“二六二”开。纵观国际航空工业领域,主要依赖军用飞机的发动机工业已经一去不复返了。在与飞机制造商和航空公司及部队用户紧密结合、休戚与共的合作基础上,建立各类军用发动机、民用发动机、舰船动力及地面燃机产业的均衡体系已经成为当前航空发动机工业的主流发展趋势。

GE商用飞机发动机:

GEnx - 用于波音787“梦想”宽体客机,2011年开始投入运营

GEnx – 用于波音787“梦想”宽体客机,2011年开始投入运营

LEAP - 与赛峰集团联合研制,用于波音737MAX、空客A320neo、中国商飞C919窄体客机,预计2016年投入运营

LEAP – 与赛峰集团联合研制,用于波音737MAX、空客A320neo、中国商飞C919窄体客机,预计2016年投入运营

GE9X - 用于波音777X系列宽体客机,预计2020年投入运营

GE9X – 用于波音777X系列宽体客机,预计2020年投入运营

 

航空发动机行业的特点

众所周知,航空发动机工业具有投资规模大、经营风险高、技术难度大、研发周期长、竞争环境恶劣等显著特点。航空发动机领域几十年的实践经验证明,企业投入大量的“真金白银”,聚集数以万计的各相关专业精英,经过精心的组织策划和数十年坚持不懈的奋力拼搏,才有可能开发出符合市场需求、具有市场竞争力、被客户所钟爱的发动机。

现代燃气涡轮发动机发展70年的经验给我们留下了哪些教益呢?首先,一家企业甚至一个国家在不具备条件的前提下不能轻易、盲目地涉足这一行业,否则很可能会造成“血本无归”的悲惨局面。航空发动机技术和产品的开发是科技和资本密集型的,需要长期的实践和经验积累。航空发动机产业通常需要巨额的资金投入和长期不懈的艰苦努力才有可能获得成功,但上述因素都还是获得成功的必要条件,远不是充分条件。航空发动机研制涉及到产品设计、制造、工艺、材料、试验验证等多个技术领域,如果没有长期扎实的技术积累,就不可能研制出性能先进的型号产品。常言道:“台上十分钟,台下十年功”,此语用于航空发动机的项目研制也恰如其分。只有打好技术基础,才能研制出高性能的产品,从而在航空发动机高科技领域处于领先地位,在市场竞争中占据优势。

一台现代商用航空发动机的研制成本大致在15-30亿美元之间(假设所有的试验验证设施已经齐全,所有的关键技术已经掌握,所有的管理人才和专业技术人员已经到位,所有的设计、研制、试验、生产等能力和经验已经具备),这就意味着在判断和决策上的任何失误都将产生非常严重的后果。良好的产品规划对于确定发动机的市场定位至关重要。产品规划要明确表明其发动机相对于竞争对手的技术优势,包括推力范围、燃油效率、使用寿命、可靠性和维护成本等,即让航空公司用户看得见、摸得着的直接获利和受益特征。在产品具备了以上优良性能的前提下,发动机在制造成本方面的优势就变得异常重要。事实上,发动机的低成本从其结构设计开始,需要在先进制造工艺和设计技术上进行大幅度投资。从产品规划开始,发动机制造商就必须建立一个切实可行的路线图,以便使其先进的产品规划得以逐步实施。

发动机制造商还必须能够生产出他们所承诺的高品质产品,性能参数必须达标。如果一家发动机制造商没能按时交付,或者其产品性能不满足要求,则不仅会丢失大量订单,而且需要向飞机制造商和航空公司用户支付一笔价格不菲的违约金,同时还会带来严重危害企业及产品信誉的恶劣后果。

随着燃油价格的不断攀升,燃油成本占航空公司运营总成本的比例也从20世纪60年代的约15%上升到现在的35%-40%。另外,国际民航适航当局及管理机构(FAA、EASA、ICAO等)对于航空运输的污染物排放及噪声控制制定的相关法规越来越严格。现代航空发动机的耗油率及污染、噪声排放控制已经成为关键性指标,由此给发动机制造商带来越来越严峻的“节能减排”挑战。

由于航空公司希望选用耗油率低、为他们节省运营成本的飞机和发动机,发动机制造商就必须与飞机制造商一道齐心协力,开发出具有市场竞争力的飞机和发动机,来满足航空公司用户的需求。要将产品卖给航空公司,发动机制造商还需要全面掌握并仔细研究航空公司的技术需求、航线结构、客运和货运能力发展计划、维修计划以及财政状况等。通常,飞机和发动机都是非常昂贵的产品,而且要服役几十年。航空公司都希望得到性能优异、价格优惠、可靠性高、部件寿命长、维护成本低的发动机,他们会计算发动机的全寿命期拥有成本,包括维修和备件费用等。所有参与竞争的发动机供应商通常都会提供满足航空公司客户需求的产品,性能优越、可靠性高都将成为产品优势而赢得用户的青睐。最终,航空公司对发动机供应商及产品整体性能的评估和信任度,以及产品在使用过程中的技术支持和售后服务,将成为他们选择发动机的关键因素。

商用飞机发动机和军用飞机发动机项目都强调低成本,然而这两类发动机项目的定价方式截然不同。对于军用发动机项目,负责军备采购的部门通常会根据年度采购目标和预算来确定发动机的成本价。发动机制造商则根据企业自身的发展战略、项目竞争形势和能否达到该目标价来确定竞标价格。对于商用发动机项目,产品的价格是由市场竞争环境来决定的。发动机制造商开始确定产品的销售价,通常比初始发动机的成本价要低很多。这就需要制造商在项目开始时就建立一个成本递减计划,以便通过大量销售发动机产品和备件来回收在发动机研发过程中所投入的全部资金,并获得一定的利润。对于军用发动机,军方用户告诉发动机制造商应该做什么和怎么做,而发动机制造商并不单独做出任何决定,只是按照军方用户的要求去实施;对于商用发动机,制造商对发动机设计和所有技术问题都负全部责任并承担一切后果。在军用发动机项目中,发动机制造商是花国家的钱来研发军方用户所需要的发动机;而对于商用发动机项目,制造商则是花自己的钱来发展自己的发动机,以迎合市场和用户的需求。航空公司所期待的是高可靠性、长寿命和低使用成本的飞机和发动机,而所有的风险都希望由飞机和发动机制造商来承担。

GE军用飞机发动机:

F110 - 用于F-16C/D“战隼”轻型战斗机、F-14“山猫”战斗机、F-15“鹰”重型战斗机等“三代机”,1985年开始服役

F110 – 用于F-16C/D“战隼”轻型战斗机、F-14“山猫”战斗机、F-15“鹰”重型战斗机等“三代机”,1985年开始服役

F414 - 用于F/A-18“超级大黄蜂”舰载攻击机、印度“光辉”MK-2歼击机等“三代机”,1998年开始服役

F414 – 用于F/A-18“超级大黄蜂”舰载攻击机、印度“光辉”MK-2歼击机等“三代机”,1998年开始服役

GE3000 - 用于下一代“黑鹰”、“阿帕奇”军用直升机,预计2018年投入服役

GE3000 – 用于下一代“黑鹰”、“阿帕奇”军用直升机,预计2018年投入服役

adaptive

ADVENT 变循环发动机 – 用于美国第五代战斗机,预计2020年之后投入服役

采用同样的政策和策略去满足军用和商用飞机发动机这两个市场的客户需求是很困难的,几乎是不可能的。在这些市场上,运营特点几乎南辕北辙,两类客户对航空发动机所持有的观点截然不同甚至背道而驰。军方用户要求开发商提供技术最先进的发动机,要求其在重量最轻的条件下推力最大,即追求发动机的推重比最大化,并要求具有最低的可探测性;航空公司则不然,他们关注的重点在于发动机的可靠性、安全性、油耗、污染排放和噪声水平、全寿命期的使用成本等方面。

融化、固化、转化:中国航空发动机产业做强之路

事实上,尽管我国航空发动机行业已经建立起一支拥有5家研究所,7家整机制造厂、上百家专业成附件厂的庞大队伍,但是由于长期受传统计划经济体制的束缚,缺乏对航空发动机产业长期稳定的科学规划和合理的经费支持,缺乏国际市场竞争意识,整体实力和全球竞争能力明显不足,导致我国的航空发动机行业一直处于“虚胖体弱”的尴尬境地。我国航空发动机高端人才、先进科技、基础设施、专业技能、生产效率、企业管理等方面与欧美航空发动机“标杆”企业相比有显著差距。据《中国航空报》报道,整合全行业航空发动机研究所、整机制造厂和专业成附件厂之后成立的中航工业发动机公司,2009年的总收入为255亿元,较2008年增长26.8%,几乎是2006年的两倍;利润总额11.7亿元,为2006年的3倍。同年,GE航空集团各类飞机发动机、地面燃气轮机、舰船动力等相关业务的销售额和利润分别达到188亿美元和39亿美元,按当时的人民币与美元的汇率计算,分别为中航工业发动机公司的5倍和22倍。

纵观世界航空发动机工业最近70年的发展历史,我们不难看出,对于标杆企业的学习和效仿,采用生搬硬套的“克隆”方法,或通过简单的“抄袭”途经是不可能奏效的。在学习、借鉴国外先进经验的时候,我们或许更应该寻找一条“融化、固化、转化”三步走的道路,即对于一些国外先进的成功经验和做法,首先要老老实实地学习,将其融汇贯通,掌握其精髓和真谛,全面、准确地理解他们做了什么、如何做到、以及结果是什么的过程和内涵;其次是将这些成功经验和做法扎扎实实地进行固化,使其能够产生并再现与国外标杆企业同样的输出结果;最后才是将这些先进经验和做法不断优化,并转化为我们自己的工作流程。在这方面,斯奈克玛公司通过与GE公司合作研制CFM56发动机,采用“融化、固化、转化”三步走的策略,全方位虚心学习,科学、睿智地仿效GE公司的做法,今天发展成为一家合格的商用航空发动机原始制造商(OEM)的成功经验,非常值得我们认真学习和借鉴。

航空发动机项目的研制没有捷径可走,来不得半点虚假和自欺欺人,任何凭“侥幸”的心里试图一举成名的做法都是不可能取得成功的。以中国特色或企业特点为借口,采用断章取义的“走捷径”或“一步到位”的急功近利方法去学习借鉴国外标杆企业的成功经验和做法,最后都必然导致人力、物力、财力和宝贵时间的巨大浪费,以及无功而返和“竹篮打水一场空”的惨淡结局。事实证明,航空发动机的研制是约80%的经验和技术积累附加20%的创新。没有坚实、可靠的技术积累,创新就成为无源之水、无本之木。一切背离航空发动机研制客观规律、盲目行事、急功近利的“创新”做法,都将付出惨重的代价并一无所获。

当前,我国的国民经济和综合国力已经具备了大规模投资特大型重点项目的能力,国家对于高铁的数千亿美元投资和今天获取的良好社会效益以及经济回报已经充分证明了这一点。航空发动机产业不仅是关乎国家经济建设、科技发展和国防安全的战略性产业,同时也是一个大国、强国的重要标志。它的不同改型不仅为各种军用和商用飞机提供动力,而且可以为舰船、坦克、电站、石油与天然气开采等提供优良、高效的动力,同时还对能源、交通、机械、冶金、材料等基础工业和科学技术发展具有巨大的带动作用。

长期以来,航空发动机一直是美、俄、英、法等少数航空工业发达国家优先发展、大力扶持、高度垄断、严密封锁的高科技产业。当前,我国航空发动机的技术水平不仅远远落后于西方航空工业发达国家,而且已经成为严重制约整个航空工业发展的“心脏病”。虽说我国的航空公司可以通过采购西方的先进商用飞机而得到高性能的发动机,甚至中国商飞和中航工业飞机公司研制生产的ARJ21、C919、MA600、MA700等商用飞机也可以配装西方航空发动机厂商生产的先进发动机,但是由于西方国家对我国实施的武器禁运和高新科技封锁,我们空军的战斗机和军用运输机、海军的舰艇、陆军的坦克则只能配装我国自行研制的发动机。

另一方面,研究结果表明,随着我国经济实力的日益增强,未来20年(2015-2034),我国的国民经济生产总值(GDP)将以年均6.2%的增速不断升高,航空旅客周转量(RPK)和航空货运周转量(RTK)的年均增长率将分别达到8.0%和8.7%,成为全球增长速度最快的国家。我国对各型商用涡轮风扇发动机的需求量将达到13930台,市场价值1457亿美元。将这样一个巨大的市场“蛋糕”拱手让给西方航空发动机制造商,不仅是我国经济发展的重大损失,同时也是我国航空工业的一大缺憾。

在此,我们呼吁国家有关部门更加关心和重视航空发动机的研究与开发工作,充分借鉴西方航空工业发达国家在政策扶持和经费预算方面的做法,提高对于航空发动机行业的支持力度。同时也希望航空工业管理部门在航空发动机行业内部,全面提高现代企业管理水平,用好纳税人的每一分钱,将有限的资源集中在几个切实可行的重点项目上,克服好高骛远、急功近利的急躁心态,做好奋斗20年的思想准备,坚定不移、扎扎实实地干下去,一定要将我国自行设计研发的先进航空发动机搞出来。

我们相信,只有研制成功了自己的先进航空发动机,占领国内市场并打入国际市场,我国的航空发动机工业才能真正走上健康发展的康庄大道,我国也才能真正从航空工业大国跨入到世界航空工业强国之列。

(本文选编自《GE航空发动机百年史话》,倪金刚 /编著,航空工业出版社 ,2015年4月)



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