渦輪葉片專利技術綜述

摘 要：渦輪是動力機械的動力來源，葉片技術對渦輪效率具有重要影響作用。本文以專利數據庫中的檢索結果作為分析樣本，從專利公開時間、專利申請地域、主要申請人、申請內容等多個方面統計，從專利文獻的角度對渦輪葉片的發展方向進行了分析，為我國動力渦輪葉片的研制提供參考。

關鍵詞：渦輪葉片；專利；技術綜述

0 前言

高性能的動力機械對其動力葉片提出了更高的要求，隨著氣動設計技術、結構強度技術、材料技術、冷卻技術的不斷發展，各國已經開發驗證了多種先進的葉片技術，例如復合葉片，單晶葉片，空心葉片等，為航空發動機帶來了一系列的益處。本文開展渦輪葉片專利戰略研究，以期了解該技術領域的技術發展現狀、競爭格局。

1 葉片的相關概念

1.1 葉片機的概念

葉片機廣泛應用于國民經濟各個領域，如日常生活中常見的電風扇、水泵及工業生產中應用的鼓風機、水輪機及蒸汽輪機等。通常葉片機是下述兩類機器的總稱：一類是給工質加入能量（功），使工質的壓力升高或使工質流動而產生推動力的機器，屬于這一類的機器有壓氣機、風扇、泵、空氣螺旋槳與船舶螺旋槳等，專利文獻分入F04D小類下；另一類則是從工質中獲取能量而得到軸功的機器，屬于這一類的機器有渦輪機（蒸汽渦輪、燃氣渦輪、水力禍輪）和風車，這類機器有時也稱為原動機，專利文獻分入F01D、F02C、F02K、F03B、F03D等分類號下。這兩類機器中能量的轉換都是通過工質推動一定形狀和一定數量葉片的旋轉來實現的。通過葉片和工質的相互作用，給工質加入或自工質取得能量的機器統稱為葉片機，由此可見葉片機是國際專利分類表F部中發動機和泵的重要組成部分。

1.2 葉片機的分類

葉片機按其工質流動的方向，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方向與工作輪旋轉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軸構成一傾斜角。

葉片機按其動葉進口相對氣流馬赫數來說，可以有亞聲速、跨聲速和超聲速之分。若動葉進口相對氣流馬赫數沿葉高均小于1.0，則為亞聲速級；均大于1.0，則為超聲速級；若動葉進口相對氣流馬赫數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。軸流式壓氣機或風扇的跨聲速級，目前在航空發動機上已經有了廣泛的應用。

1.3 先進的葉片技術[1]

（1）風扇和壓氣機葉片。風扇葉片和壓氣機葉片的作用均是提高流過葉片流體的壓力。世界著名的航空發動機設計與制造公司開發和驗證了多種先進葉片技術，如寬弦葉片、掠形轉子葉片、弓形靜子葉片、吹吸葉片、分流小葉片、空心葉片、復合材料葉片，有些已經應用到現役或在研的航空發動機風扇和壓氣機上，并取得了很好的效果。1）寬弦葉片。風扇和壓氣機寬弦葉片是指展弦比較小的葉片，它是為解決風扇和壓氣機帶凸肩的窄弦實心葉片存在的結構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。①去掉凸肩，使風扇和壓氣機空氣動力學特性得到改善，流量有所增大，效率明顯提高；②增寬弦長，使風扇和壓氣機的長度縮短，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，還可使風扇和壓氣機零件數減少，生產與制造費用因此降低；2）掠形轉子葉片。風扇和壓氣機掠形轉子葉片是一種新的3D氣動布局。它是將葉片的前緣法平面設計成與來流方向有一個較大的夾角，以達到盡可能地削弱葉片槽道的激波，進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個正傾斜角，葉尖有1個負傾斜角，能夠產生降低吸力面拐角擴散速度的徑向力，從而推遲拐角分離的開始，減少端壁損失，提高壓氣機靜子核心流段的壓升能力，使壓氣機在整個流量范圍內壓力特性更穩定，效率大大提高；4）分流小葉片。分流小葉片就是在全弦長葉片后增加的1排小葉片，具有大大提高軸流壓氣機葉片排增壓比和減少氣流引起的振動等特點，是使軸流壓氣機級增壓比達到3或3以上的有發展潛力的技術。在不損失大稠度大葉片排的氣動性能的情況下，分流小葉片技術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角，提高功的傳遞；由進口區控制，不影響葉片排的流通能力，也不影響進口區的稠度；5）吹吸葉片。風扇和壓氣機吹吸葉片（帶吹吸附面層裝置的葉片）是指在葉片吸力面開孔，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，使葉型可以達到很大的彎度，進而大大提高風扇和壓氣機級負荷的1種新技術；6）空心葉片。風扇和壓氣機寬弦葉片由于采用空心結構（所以稱之為空心葉片），加之整體葉盤結構和輕質高強度的復合材料等技術的應用，質量大大減輕，解決了實心葉片本身以及相應的機匣等質量過大的問題。風扇和壓氣機的質量進一步減小。風扇空心葉片并不是絕對空心的，為了提高葉片的強度，在空腔內采用了一些加強結構；7）復合材料葉片。GE公司研制的GE90系列發動機采用了復合材料風扇轉子葉片。采用復合材料和工藝的風扇葉片，不但明顯減輕了葉片本身的質量，還減輕了其包容系統、盤以及整個轉子系統的質量，具有成本低、抗振（抗顫振）性能好、抗損傷能力強等特點。

（2）渦輪葉片。渦輪葉片設計是燃氣渦輪發動機中渦輪部件設計的重要部分，其設計的優劣直接關系到渦輪工作的效率。由于其工作環境是高溫、高壓和高速，承受的載荷主要有：氣動載荷、離心載荷和熱載荷，設計過程涉及到氣動、強度、振動、結構、工藝、材料及傳熱等多個學科。

2 葉片專利狀況分析

2.1 專利申請年度發展分析

葉片專利申請時間分布如圖1所示：1990年至1996年，世界范圍內的葉片專利申請保持平穩，年申請量保持在1000件左右；1997年至2012年，專利申請量平穩增長，年增幅約9%，其中在1997、2000、2003、2007、2011年專利申請量有較大幅度的增長，2011年的申請量到達高峰，達到了3820件。由此可見，在減少能源消耗，提高機械設備效率的大環境下，世界各國正積極對葉片領域展開深入研究。endprint

2.2 專利申請地域分布分析

葉片專利申請地域分布如圖2所示，從中可以看出：

美國（US）、日本（JP）、歐洲專利局（EPO），德國（DE）、中國（CN）等五國和知識產權組織的申請量總量多達42598件，占總申請量的82.6%，說明世界范圍內的專利申請存在高度集中性，葉片技術被美國（US）、日本（JP）、歐洲（EP）、中國（CN）的制造企業所壟斷。

美國的專利申請占絕對優勢，高達14964件，比排名第二的日本多出近五千件，而且每年美國的專利申請穩步增長，由此可以看出，美國的葉片技術在世界范圍內處于絕對領先地位，處于葉片專利申請的第一梯隊，是各大企業的市場試金石。而其他國家日本、德國、中國則處于第二梯隊，韓國、法國處于第三梯隊。

此外，歐洲專利局（EPO）和世界知識產權組織（WIPO）的專利申請量平穩增長，歐洲專利局的申請量保持在六百件左右，世界知識產權組織的申請量保持在三百左右，這也反映了EP申請和PCT申請已經越來越受到了各大企業的重視，反映出其在申請上的優越性。

2.3 專利申請人狀況分析

葉片專利申請主要申請人分布如圖3所示。

從圖3中可以看出：美國的通用電氣公司（GE）專利申請占據絕對優勢，專利數量是其他公司的兩倍以上，屬于第一梯隊，彰顯其在葉片領域強勁實力。聯合技術公司（UTC），羅羅公司（Rolls Royce）屬于第二梯隊。斯奈克瑪公司（SNECMA），三菱重工（MITSUBISHI），日立（HITACHI），西門子（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。另外，雖然中國的專利申請量保持增長，但是沒有一家中國企業進入申請量前十名，說明大多數的專利申請只是外國申請，中國本土企業的申請并不多。由此可見，中國企業的研發能力還很弱，競爭力不足。

3 GE在華專利申請技術分布

由于通用電氣（GE）一直是葉片技術的龍頭企業，其公司的研發狀態在一定程度上能夠反映葉片技術發展的走向。這里主要對GE公司的在華葉片專利技術進行歸納和分析。GE在華葉片專利申請分布如圖4所示。

GE公司在華有1154件關于葉片的專利申請，其中葉片分類號中的F01D5/14、F01D5/18、F01D5/28、F01D5/30、F01D5/02共有1013件，這反映出GE公司在華葉片專利申請主要集中在這五個分類號下

由此可見，GE公司關于葉片的研究主要集中在這五大方面。在結構方面，主要集中在轉子上面的改進；在空氣動力學方面，主要集中在葉片型式與結構的改進；在材料方面，主要集中在特殊材料在葉片上的應用；在傳熱方面，主要集中在葉片的冷卻與隔熱；在強度與振動方面，主要集中在對葉片葉根的改進。

核心專利分析。主要選取GE公司在華專利申請中對于葉片冷卻結構的改進進行分析，GE公司對葉片冷卻結構各方面均做出了一定的貢獻。從2005年開始專利的公布數量逐漸增多，這也體現了GE公司對中國市場的重視，其相關的專利技術也值得中國企業借鑒。隨著時間的推移，GE公司對冷卻技術的重點主要放在了氣膜冷卻和對葉片平臺冷卻的改進上，這也代表了GE公司葉片冷卻技術的研究重點，兩個研究方向齊頭并進。其他方向的研究例如對隔熱材料的應用、葉片氣動外形的設計、冷卻流道的設計等，GE公司也會涉及，但并不是重點研究方向。

4 CPC分類方法

IPC分類表中對葉片的冷卻結構主要分入F01D5/18小組下，因葉片冷卻結構眾多，從而導致該小組下面專利文獻十分混雜，不利于檢索，而歐局和美局聯合開發的CPC分類號根據冷卻原理不同就將該小組進一步細分，其中綠色字體為新增分類號，具體參見表1。

5 總結

葉片技術是葉輪機的核心技術，在國民經濟各個領域都會涉及到葉片技術，尤其是高端制造業中的汽輪機，燃氣輪機。專利技術的公開是機遇也是挑戰，機遇是了解國外先進的葉片技術，挑戰是對葉片的改進將越來越難，抓住葉片改進的重點，突破外國專利布局，這就需要我國企業積極消化吸收國外現有技術，加大研發力度，增強自主創新能力，達到真正掌握核心技術，才能不被世界潮流所淘汰。

參考文獻：

[1]梁春華.高性能航空發動機先進風扇和壓氣機葉片綜述[J].航空發動機，2006，32（03）：48-52.

作者簡介：孫竹，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，研究實習員。endprint