渦輪葉片專(zhuān)利技術(shù)綜述

摘 要：渦輪是動(dòng)力機(jī)械的動(dòng)力來(lái)源，葉片技術(shù)對(duì)渦輪效率具有重要影響作用。本文以專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù)中的檢索結(jié)果作為分析樣本，從專(zhuān)利公開(kāi)時(shí)間、專(zhuān)利申請(qǐng)地域、主要申請(qǐng)人、申請(qǐng)內(nèi)容等多個(gè)方面統(tǒng)計(jì)，從專(zhuān)利文獻(xiàn)的角度對(duì)渦輪葉片的發(fā)展方向進(jìn)行了分析，為我國(guó)動(dòng)力渦輪葉片的研制提供參考。

關(guān)鍵詞：渦輪葉片；專(zhuān)利；技術(shù)綜述

0 前言

高性能的動(dòng)力機(jī)械對(duì)其動(dòng)力葉片提出了更高的要求，隨著氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度技術(shù)、材料技術(shù)、冷卻技術(shù)的不斷發(fā)展，各國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證了多種先進(jìn)的葉片技術(shù)，例如復(fù)合葉片，單晶葉片，空心葉片等，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)了一系列的益處。本文開(kāi)展渦輪葉片專(zhuān)利戰(zhàn)略研究，以期了解該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、競(jìng)爭(zhēng)格局。

1 葉片的相關(guān)概念

1.1 葉片機(jī)的概念

葉片機(jī)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，如日常生活中常見(jiàn)的電風(fēng)扇、水泵及工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的鼓風(fēng)機(jī)、水輪機(jī)及蒸汽輪機(jī)等。通常葉片機(jī)是下述兩類(lèi)機(jī)器的總稱(chēng)：一類(lèi)是給工質(zhì)加入能量（功），使工質(zhì)的壓力升高或使工質(zhì)流動(dòng)而產(chǎn)生推動(dòng)力的機(jī)器，屬于這一類(lèi)的機(jī)器有壓氣機(jī)、風(fēng)扇、泵、空氣螺旋槳與船舶螺旋槳等，專(zhuān)利文獻(xiàn)分入F04D小類(lèi)下；另一類(lèi)則是從工質(zhì)中獲取能量而得到軸功的機(jī)器，屬于這一類(lèi)的機(jī)器有渦輪機(jī)（蒸汽渦輪、燃?xì)鉁u輪、水力禍輪）和風(fēng)車(chē)，這類(lèi)機(jī)器有時(shí)也稱(chēng)為原動(dòng)機(jī)，專(zhuān)利文獻(xiàn)分入F01D、F02C、F02K、F03B、F03D等分類(lèi)號(hào)下。這兩類(lèi)機(jī)器中能量的轉(zhuǎn)換都是通過(guò)工質(zhì)推動(dòng)一定形狀和一定數(shù)量葉片的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)葉片和工質(zhì)的相互作用，給工質(zhì)加入或自工質(zhì)取得能量的機(jī)器統(tǒng)稱(chēng)為葉片機(jī)，由此可見(jiàn)葉片機(jī)是國(guó)際專(zhuān)利分類(lèi)表F部中發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的重要組成部分。

1.2 葉片機(jī)的分類(lèi)

葉片機(jī)按其工質(zhì)流動(dòng)的方向，可以劃分為軸流式、徑流式、斜流式和組合式四種。

軸流式是指氣流的流動(dòng)方向與工作輪旋轉(zhuǎn)軸心線的方向一致或近乎一致，徑向速度非常小。徑流式是指氣流方向沿著半徑方向或接近于半徑方向。斜流式是指氣流方向和旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成一傾斜角。

葉片機(jī)按其動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)氣流馬赫數(shù)來(lái)說(shuō)，可以有亞聲速、跨聲速和超聲速之分。若動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)氣流馬赫數(shù)沿葉高均小于1.0，則為亞聲速級(jí)；均大于1.0，則為超聲速級(jí)；若動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)氣流馬赫數(shù)沿葉高有一部分大于1.0，而另一部分小于1.0，則為跨聲速級(jí)。軸流式壓氣機(jī)或風(fēng)扇的跨聲速級(jí)，目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。

1.3 先進(jìn)的葉片技術(shù)[1]

（1）風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片。風(fēng)扇葉片和壓氣機(jī)葉片的作用均是提高流過(guò)葉片流體的壓力。世界著名的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造公司開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證了多種先進(jìn)葉片技術(shù)，如寬弦葉片、掠形轉(zhuǎn)子葉片、弓形靜子葉片、吹吸葉片、分流小葉片、空心葉片、復(fù)合材料葉片，有些已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)役或在研的航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)上，并取得了很好的效果。1）寬弦葉片。風(fēng)扇和壓氣機(jī)寬弦葉片是指展弦比較小的葉片，它是為解決風(fēng)扇和壓氣機(jī)帶凸肩的窄弦實(shí)心葉片存在的結(jié)構(gòu)和性能不足而研制的。與帶凸肩的窄弦葉片相比，寬弦葉片具有以下特點(diǎn)。①去掉凸肩，使風(fēng)扇和壓氣機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)特性得到改善，流量有所增大，效率明顯提高；②增寬弦長(zhǎng)，使風(fēng)扇和壓氣機(jī)的長(zhǎng)度縮短，抗外物損傷能力、抗疲勞特性和失速裕度得到提高；③增寬弦長(zhǎng)，還可使風(fēng)扇和壓氣機(jī)零件數(shù)減少，生產(chǎn)與制造費(fèi)用因此降低；2）掠形轉(zhuǎn)子葉片。風(fēng)扇和壓氣機(jī)掠形轉(zhuǎn)子葉片是一種新的3D氣動(dòng)布局。它是將葉片的前緣法平面設(shè)計(jì)成與來(lái)流方向有一個(gè)較大的夾角，以達(dá)到盡可能地削弱葉片槽道的激波，進(jìn)而根本消除影響效率的主要因素。因掠變方向不同，而將掠形葉片分成后掠葉片和前掠葉片；3）弓形靜子葉片。與正常的徑向積疊的靜子葉片相比，弓形靜子葉片的葉根有1個(gè)正傾斜角，葉尖有1個(gè)負(fù)傾斜角，能夠產(chǎn)生降低吸力面拐角擴(kuò)散速度的徑向力，從而推遲拐角分離的開(kāi)始，減少端壁損失，提高壓氣機(jī)靜子核心流段的壓升能力，使壓氣機(jī)在整個(gè)流量范圍內(nèi)壓力特性更穩(wěn)定，效率大大提高；4）分流小葉片。分流小葉片就是在全弦長(zhǎng)葉片后增加的1排小葉片，具有大大提高軸流壓氣機(jī)葉片排增壓比和減少氣流引起的振動(dòng)等特點(diǎn)，是使軸流壓氣機(jī)級(jí)增壓比達(dá)到3或3以上的有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。在不損失大稠度大葉片排的氣動(dòng)性能的情況下，分流小葉片技術(shù)能夠控制葉片后緣的氣流分離，即能保證后面的葉片排有較大的氣流折轉(zhuǎn)角，提高功的傳遞；由進(jìn)口區(qū)控制，不影響葉片排的流通能力，也不影響進(jìn)口區(qū)的稠度；5）吹吸葉片。風(fēng)扇和壓氣機(jī)吹吸葉片（帶吹吸附面層裝置的葉片）是指在葉片吸力面開(kāi)孔，吹吸葉片表面的低能氣體，防止或推遲葉片和端壁附面層分離，使葉型可以達(dá)到很大的彎度，進(jìn)而大大提高風(fēng)扇和壓氣機(jī)級(jí)負(fù)荷的1種新技術(shù)；6）空心葉片。風(fēng)扇和壓氣機(jī)寬弦葉片由于采用空心結(jié)構(gòu)（所以稱(chēng)之為空心葉片），加之整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)高強(qiáng)度的復(fù)合材料等技術(shù)的應(yīng)用，質(zhì)量大大減輕，解決了實(shí)心葉片本身以及相應(yīng)的機(jī)匣等質(zhì)量過(guò)大的問(wèn)題。風(fēng)扇和壓氣機(jī)的質(zhì)量進(jìn)一步減小。風(fēng)扇空心葉片并不是絕對(duì)空心的，為了提高葉片的強(qiáng)度，在空腔內(nèi)采用了一些加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；7）復(fù)合材料葉片。GE公司研制的GE90系列發(fā)動(dòng)機(jī)采用了復(fù)合材料風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片。采用復(fù)合材料和工藝的風(fēng)扇葉片，不但明顯減輕了葉片本身的質(zhì)量，還減輕了其包容系統(tǒng)、盤(pán)以及整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量，具有成本低、抗振（抗顫振）性能好、抗損傷能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

（2）渦輪葉片。渦輪葉片設(shè)計(jì)是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪部件設(shè)計(jì)的重要部分，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到渦輪工作的效率。由于其工作環(huán)境是高溫、高壓和高速，承受的載荷主要有：氣動(dòng)載荷、離心載荷和熱載荷，設(shè)計(jì)過(guò)程涉及到氣動(dòng)、強(qiáng)度、振動(dòng)、結(jié)構(gòu)、工藝、材料及傳熱等多個(gè)學(xué)科。

2 葉片專(zhuān)利狀況分析

2.1 專(zhuān)利申請(qǐng)年度發(fā)展分析

葉片專(zhuān)利申請(qǐng)時(shí)間分布如圖1所示：1990年至1996年，世界范圍內(nèi)的葉片專(zhuān)利申請(qǐng)保持平穩(wěn)，年申請(qǐng)量保持在1000件左右；1997年至2012年，專(zhuān)利申請(qǐng)量平穩(wěn)增長(zhǎng)，年增幅約9%，其中在1997、2000、2003、2007、2011年專(zhuān)利申請(qǐng)量有較大幅度的增長(zhǎng)，2011年的申請(qǐng)量到達(dá)高峰，達(dá)到了3820件。由此可見(jiàn)，在減少能源消耗，提高機(jī)械設(shè)備效率的大環(huán)境下，世界各國(guó)正積極對(duì)葉片領(lǐng)域展開(kāi)深入研究。endprint

2.2 專(zhuān)利申請(qǐng)地域分布分析

葉片專(zhuān)利申請(qǐng)地域分布如圖2所示，從中可以看出：

美國(guó)（US）、日本（JP）、歐洲專(zhuān)利局（EPO），德國(guó)（DE）、中國(guó)（CN）等五國(guó)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織的申請(qǐng)量總量多達(dá)42598件，占總申請(qǐng)量的82.6%，說(shuō)明世界范圍內(nèi)的專(zhuān)利申請(qǐng)存在高度集中性，葉片技術(shù)被美國(guó)（US）、日本（JP）、歐洲（EP）、中國(guó)（CN）的制造企業(yè)所壟斷。

美國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，高達(dá)14964件，比排名第二的日本多出近五千件，而且每年美國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)穩(wěn)步增長(zhǎng)，由此可以看出，美國(guó)的葉片技術(shù)在世界范圍內(nèi)處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，處于葉片專(zhuān)利申請(qǐng)的第一梯隊(duì)，是各大企業(yè)的市場(chǎng)試金石。而其他國(guó)家日本、德國(guó)、中國(guó)則處于第二梯隊(duì)，韓國(guó)、法國(guó)處于第三梯隊(duì)。

此外，歐洲專(zhuān)利局（EPO）和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）的專(zhuān)利申請(qǐng)量平穩(wěn)增長(zhǎng)，歐洲專(zhuān)利局的申請(qǐng)量保持在六百件左右，世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織的申請(qǐng)量保持在三百左右，這也反映了EP申請(qǐng)和PCT申請(qǐng)已經(jīng)越來(lái)越受到了各大企業(yè)的重視，反映出其在申請(qǐng)上的優(yōu)越性。

2.3 專(zhuān)利申請(qǐng)人狀況分析

葉片專(zhuān)利申請(qǐng)主要申請(qǐng)人分布如圖3所示。

從圖3中可以看出：美國(guó)的通用電氣公司（GE）專(zhuān)利申請(qǐng)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，專(zhuān)利數(shù)量是其他公司的兩倍以上，屬于第一梯隊(duì)，彰顯其在葉片領(lǐng)域強(qiáng)勁實(shí)力。聯(lián)合技術(shù)公司（UTC），羅羅公司（Rolls Royce）屬于第二梯隊(duì)。斯奈克瑪公司（SNECMA），三菱重工（MITSUBISHI），日立（HITACHI），西門(mén)子（SIEMENS AG），東芝（TOSHIBA），MTU，阿爾斯托姆（ALSTOM），石川島播磨重工（ISHIKAWAJIMA）屬于第三梯隊(duì)。另外，雖然中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)量保持增長(zhǎng)，但是沒(méi)有一家中國(guó)企業(yè)進(jìn)入申請(qǐng)量前十名，說(shuō)明大多數(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)只是外國(guó)申請(qǐng)，中國(guó)本土企業(yè)的申請(qǐng)并不多。由此可見(jiàn)，中國(guó)企業(yè)的研發(fā)能力還很弱，競(jìng)爭(zhēng)力不足。

3 GE在華專(zhuān)利申請(qǐng)技術(shù)分布

由于通用電氣（GE）一直是葉片技術(shù)的龍頭企業(yè)，其公司的研發(fā)狀態(tài)在一定程度上能夠反映葉片技術(shù)發(fā)展的走向。這里主要對(duì)GE公司的在華葉片專(zhuān)利技術(shù)進(jìn)行歸納和分析。GE在華葉片專(zhuān)利申請(qǐng)分布如圖4所示。

GE公司在華有1154件關(guān)于葉片的專(zhuān)利申請(qǐng)，其中葉片分類(lèi)號(hào)中的F01D5/14、F01D5/18、F01D5/28、F01D5/30、F01D5/02共有1013件，這反映出GE公司在華葉片專(zhuān)利申請(qǐng)主要集中在這五個(gè)分類(lèi)號(hào)下

由此可見(jiàn)，GE公司關(guān)于葉片的研究主要集中在這五大方面。在結(jié)構(gòu)方面，主要集中在轉(zhuǎn)子上面的改進(jìn)；在空氣動(dòng)力學(xué)方面，主要集中在葉片型式與結(jié)構(gòu)的改進(jìn)；在材料方面，主要集中在特殊材料在葉片上的應(yīng)用；在傳熱方面，主要集中在葉片的冷卻與隔熱；在強(qiáng)度與振動(dòng)方面，主要集中在對(duì)葉片葉根的改進(jìn)。

核心專(zhuān)利分析。主要選取GE公司在華專(zhuān)利申請(qǐng)中對(duì)于葉片冷卻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)進(jìn)行分析，GE公司對(duì)葉片冷卻結(jié)構(gòu)各方面均做出了一定的貢獻(xiàn)。從2005年開(kāi)始專(zhuān)利的公布數(shù)量逐漸增多，這也體現(xiàn)了GE公司對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的重視，其相關(guān)的專(zhuān)利技術(shù)也值得中國(guó)企業(yè)借鑒。隨著時(shí)間的推移，GE公司對(duì)冷卻技術(shù)的重點(diǎn)主要放在了氣膜冷卻和對(duì)葉片平臺(tái)冷卻的改進(jìn)上，這也代表了GE公司葉片冷卻技術(shù)的研究重點(diǎn)，兩個(gè)研究方向齊頭并進(jìn)。其他方向的研究例如對(duì)隔熱材料的應(yīng)用、葉片氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)、冷卻流道的設(shè)計(jì)等，GE公司也會(huì)涉及，但并不是重點(diǎn)研究方向。

4 CPC分類(lèi)方法

IPC分類(lèi)表中對(duì)葉片的冷卻結(jié)構(gòu)主要分入F01D5/18小組下，因葉片冷卻結(jié)構(gòu)眾多，從而導(dǎo)致該小組下面專(zhuān)利文獻(xiàn)十分混雜，不利于檢索，而歐局和美局聯(lián)合開(kāi)發(fā)的CPC分類(lèi)號(hào)根據(jù)冷卻原理不同就將該小組進(jìn)一步細(xì)分，其中綠色字體為新增分類(lèi)號(hào)，具體參見(jiàn)表1。

5 總結(jié)

葉片技術(shù)是葉輪機(jī)的核心技術(shù)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域都會(huì)涉及到葉片技術(shù)，尤其是高端制造業(yè)中的汽輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)。專(zhuān)利技術(shù)的公開(kāi)是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，機(jī)遇是了解國(guó)外先進(jìn)的葉片技術(shù)，挑戰(zhàn)是對(duì)葉片的改進(jìn)將越來(lái)越難，抓住葉片改進(jìn)的重點(diǎn)，突破外國(guó)專(zhuān)利布局，這就需要我國(guó)企業(yè)積極消化吸收國(guó)外現(xiàn)有技術(shù)，加大研發(fā)力度，增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，達(dá)到真正掌握核心技術(shù)，才能不被世界潮流所淘汰。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁春華.高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片綜述[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2006，32（03）：48-52.

作者簡(jiǎn)介：孫竹，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，研究實(shí)習(xí)員。endprint