基于專利分析的我國航空燃機產業現狀及建議

黃靖蕓　朱德芝

摘? 要：航空燃機產業作為我國制造業皇冠上的明珠，歷來受業界和學界重視。已有研究側重于對航空燃機的某一具體技術或某一零部件進行分析，較少探討航空燃機產業發展現狀，且多基于研究者自身對產業的整體把握，客觀的數據支撐還不足。該文力圖通過專利申請人、發明人、申請時間和IPC類別分析為了解我國航空燃機產業現狀搭建直觀框架，并根據分析結果提出我國航空燃機產業應以市場為導向進行研發，各相關機構做好知識產權博弈準備，加強人才合作與引進的建議。

關鍵詞：航空燃機? 有效專利? 統計分析

中圖分類號：V23 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（c）-0189-08

Abstract： As the crown jewel of China's manufacturing industry， the aviation gas turbine industry has always been valued by the industry and academic circles. There have been few studies involving the analysis of the status quo of the aviation gas turbine industry， and it is based on the researchers' overall grasp of the industry. This paper attempts to build an intuitive framework for understanding the current status of China's aviation gas turbine industry through patent applicants， inventors， application time and IPC category analysis. According to the analysis results， research and development should be market-oriented， all relevant institutions should prepare for intellectual property rights race， and strengthen the cooperation and introduction of talents.

Key Words： Aviation Gas Turbine; Patent in force; Statistic analysis

燃氣輪機作為在高溫、高壓、高轉速惡劣環境條件下反復使用的新一代動力裝置，集新材料、新技術于一體，在國民經濟中占有重要地位，是將來國民經濟支柱性產業[1]。燃氣輪機廣泛應用于發電和重要軍事設備動力，也是航空發動機的重要組成部分。作為飛機的“心臟”，航空發動機的技術難度和工藝要求也遠高于飛機，比較單位重量創造價值，船舶為1，轎車為9，計算機為300，支線飛機是800，而航空發動機則高達1400[2]，航空燃機作為航空工業皇冠上的明珠實至名歸。不僅經濟價值高，航空燃機的轉化能力也很強，艦船燃氣輪機走航空改型發展是最快捷、方便、經濟、可靠的途徑。也正是由于航空燃機豐厚的經濟價值、重要的技術價值，發達國家嚴格把控航空燃機技術，我國要發展航空燃機產業必須把握其現狀，集中精力攻堅克難。

大量研究圍繞燃氣輪機以及航空發動機展開，從燃氣輪機性能參數、燃燒效率、到燃燒室、熱風爐、壓氣機、渦輪葉片、火焰筒等，學者們圍繞燃氣輪機的方方面面進行了深入研究。這些研究主要從技術發展的角度，著眼于對某一型號某一部件的升級與開發，具有十分重要的研究意義，但也需要整個產業的把握分析。婁馬寶（2001）[3]對我國燃氣輪機工業進行了多方面的分析，并給出了燃氣輪機產品開發、營銷等的建議。蔣洪德等人（2014）[4]介紹了重型燃氣輪機工業的發展歷史、現狀及趨勢給出了未來燃氣輪機的主要技術參數。張會生等人（2006）[5]則從燃氣輪機運用到燃料電池進行混合發電這一新能源領域，對其工作原理和研究現狀進行了綜述。李孝堂（2017）[6]詳細介紹了我國具有自主知識產權的燃氣輪機型號，針對我國自主研發燃氣輪機的問題提供對策。楊強（2019）[7]在總結了中小型雙燃料燃氣輪機產品的現狀和參數后，指出中小型雙燃料燃氣輪機的發展方向和應用優勢。李婧等人（2017）[8]通過專利文獻分析了全球燃氣的主要研發國家、機構和技術領域，總結出全球燃氣輪機的技術競爭態勢。吳艷等人（2011）2]從專利技術層面梳理了大型飛機的技術現狀。趙云和吳艷（2011）[9]又分析了4家世界主要航空發動機公司專利申請情況。通過對我國研究的梳理不難發現，針對性的技術分析研究多，整體發展狀況把握少，經驗性論述多，基于專利的統計分析少，尤其是對航空燃機這一細分領域的研究更是少之又少。因此該文認為，基于航空燃機的重要地位以及現有研究的不足，有必要對從專利入手對我國航空燃機產業現狀進行分析。

1? 航空燃機的國際發展現狀

1.1 發達國家高度重視航空燃機產業的發展

過去幾十年中，美、歐、日等國投入了大量財力、物力、人力，致力于燃氣輪機研究，取得了燃氣輪機技術的快速發展。在航空燃機領域先進國家與地區處于技術領先地位，美國通用電氣公司（GE）、ABB公司、西門子公司（Siemens）、美國普惠公司（PW）英國羅羅公司（ROLLS-Royece）主導了全球市場。這些公司強強聯手，如西門子公司和普惠公司的合作、ABB公司和羅羅公司的合作。同時善于將航空燃機的先進技術移植到重型燃氣輪機，或直接采用航空技術設計，或按比例模化放大航空燃機部件，技術水平大幅度提升。

據不完全統計美國、歐盟、日本自20世紀90年代起相繼制定了各種有關燃氣輪機的計劃[10]（見表1），旨在提高燃氣輪機的性能、可靠性，降低燃氣輪機的成本、排放量。雖然沒有制定具體針對于航空燃機的計劃，但其內容都將航空燃機的性能提升、技術轉化視為重要內容。計劃的制定與實施構成脈絡，前后相銜，既有先進性的指導意義，又符合當下發展實際。計劃的制定建立在對產業整體發展有清晰的把控，充分了解技術熱點、重點與弱點。

研究發現美、日、英三國的專利申請量占航空發動機領域全部總量的77.4%，可以認為航空發動機制造的先進技術被三國的航空制造企業所壟斷，且僅2006—2010年間世界知識產權組織申請的專利量就有2001—2005年申請量的4倍之多，國際申請越來越受到重視[2]。

1.2 大公司之間頻發知識產權博弈

專利一方面是技術保護的屏障，另一方面也作為技術壁壘存在，各大公司在加強自身技術專利保護的同時，也時刻緊盯競爭對手的專利申請與使用，為技術和市場換取增加籌碼和談判資本。2010年羅羅公司起訴聯合技術公司先后在與通用電氣公司合作的發動機以及其他發送機侵犯了其風扇葉片方面的專利，隨即聯合技術公司發起反訴，在經過一年的起訴拉鋸戰后，雙方達成了和解協議。2016年，通用電氣公司多次向美國專利商標局提出普惠公司和羅羅公司所持的重要專利無效宣告請求，通用電氣公司認為普惠公司所用的燃氣輪機技術源于20世紀70年代的思想，經美國專利商標局裁定普惠公司的一項航空發動機專利包含公知技術，宣告無效。2017年，普惠公司與羅羅公司競爭波音公司新科技動力供應商時，普惠公司曾以齒輪傳動技術專利訴訟來威脅羅羅公司，增加競爭籌碼[11]。

近年來，我國航空科技研發水平不斷提高，中國啟動航空發動機和燃氣輪機重大專項后，國外航空燃機制造商正在不斷加大對華知識產權布局，提高航空燃機技術門檻，加大技術封鎖。我國科研單位和制造廠商要找到技術突破口愈加困難，因此必須對我國的航空燃機產業進行專利分析，做好沖出專利灌叢，避免專利陷阱的準備工作。

2? 我國航空燃機產業專利分析

該文在智慧芽專利數據庫中進行了關鍵詞檢索，檢索式為TS=（（燃氣輪機OR內燃機）AND（航空器OR航空飛行器OR浮空器OR航空飛機OR宇航員OR宇航飛行器OR空運OR機身OR空中飛行器OR飛行器））并將IPC類別限制為F02C（燃氣輪機裝置;噴氣推進裝置的空氣進氣道;空氣助燃的噴氣推進裝置燃料供給的控制）、F01D（非變容式及其或發動機，如汽輪機）、F23R（高壓或告訴燃燒生成物的產生，例如燃氣輪機的燃燒室）3個燃氣輪機的主要專利類別，得到法律狀態為有效的專利共224條。將從申請人、發明人以及時間和技術分類進行我國航空燃機產業專利的分析。

2.1 申請人分析

2.1.1 專利權人排名

對同屬一家公司的專利權人進行合并，得到專利權人排名（見圖1），以及專利權人申請專利百分比（見圖2）。

在華申請的有效專利中通用電氣公司一騎絕塵，以187項專利的絕對優勢領先于其他申請人。通用電氣公司、西門子公司、聯合工藝公司和埃克森美孚上游研究公司占據了我國航空燃機領域發明專利的半壁江山，這也在情理之中，與這些企業在航空燃機領域的傳統優勢密不可分，而排在前8位的專利權人我國只有北京航空航天大學上榜。我國排在前位的專利權人大多為高校和科研院所，說明我國的航空燃機還停留在基礎研究階段，與真正的實施開發還有相當的距離。

2.1.2 專利權人申請趨勢

分析專利數排名前15的專利權人申請趨勢，將沒有專利申請的年份隱去得到圖3。

從圖3中不難發現航空燃機產業的知名國際企業很早就有專利布局的意識，由于該文將專利限定為有效專利，所以超過20年專利有效期的專利暫未統計，但據了解我國于1985年制定實施《中華人民共和國專利法》聯合工藝公司于1986年開始布局燃燒室專利。而聯合工藝公司現在仍處于有效期的專利包括20年前在1989年申請的2項專利，來年又申請了2項專利。專利布局時間早，專利有效期長，都體現了其對中國市場的重視。而在我國擁有最多專利的通用電氣公司其仍處于有效期的專利也可追溯到1991年，其后幾年專利申請量逐年增加。而航空燃機領域一直頗具盛名的羅羅公司多年來鮮有布局中國航空燃機專利，這是我國技術突破的一個可操作的空間。我國最早申請航空燃機專利的機構是清華大學，它于2007年申請了2項專利，打開了我國自主研發的大門，但隨后幾年專利申請并無跟進，極有可能是技術遇到困難，或沒有形成系列研究，從一個側面可以反映我國航空燃機研發的體系尚不健全。2012年可以算是中國航空燃機研發的騰起之年，先后有中國科學院工程熱物理研究所、清華大學、北京航空航天大學進行了專利申請，其后每年都有我國的科研機構和院校進行相關專利申請。

2.1.3 專利權人技術分布

在對專利權人的申請數量、申請趨勢有一定了解后，再對各專利權人的主要技術領域分布進行繪制，得到圖4。

對專利數排在前12位的專利權人擁有的專利按IPC分類號進行分類統計，通用電氣公司在各技術領域均有專利布局，發展均衡，而西門子公司的研發主要集中在F01D5/28、F01D25/00、F01D9/02、F01D5/30，對F02C和F23R兩個技術領域涉及較少。聯合工藝公司則更為關注F02C7/00和F02C/12。埃克森美孚上游公司更多關注F02C。

鑒于我國國內機構及個人航空燃機行業專利申請數較少，因此單獨對選擇我國專利權人繪制中國專利權人技術分布圖，如圖5所示。

對比觀察圖4和圖5，首先是專利數量級的差異，先進企業在我國的專利布局以一個IPC分類號可以達到20項專利，而我國最多有3項專利。其次，是IPC分類號的差異，我國研發的重點也集中在F01D5/28和F01D5/18，這兩個IPC小類代表的是航空燃機領域的核心技術，我國要走自主發展的道路既要加大這方面的研究力量，同時必須做好專利預警工作。國際公司的已有專利很可能已經布局了專利陷阱，我國在研發時要小心繞開這些陷阱。同時在F02C7/06上我國也已有一定的研究基礎，而目前國際企業這一方面在我國的布局力量還較弱，有望在這一技術領域突出重圍。比較圖5與圖4，我國航空燃機領域在很多方面還處于暫無技術成果的階段，更遑論將其投入到生產實際，我國在航空燃機領域還有很長的路要走。

2.2 發明人分析

2.2.1 發明人排名

統計所有發明人的專利數，平均每位航空燃機的發明人都至少發明了3項專利（見圖6）。專利數最多的發明人為R·A·亨廷頓，他為埃克森美孚上游公司工作，幾乎作為專利的第一發明人。沃納·斯塔姆（西門子公司）于2011年提交了12項專利申請，其中有8項專利與同公司的S·K·德哈努卡和I·A·斯洛巴蒂安斯克伊合作。張弛（北京航空航天大學）和林宇震合作自2012年起陸續申請了9項專利。R·S·班克（通用公司）在2011年申請了12項專利，同為通用公司職工的李經邦在2006、2007年申請了7項專利。K·D·明托（埃克森美孚上游研究公司）在2013、2015年申請了6項專利。松山龍佐（川崎重工業株式會社）于2013、2015年申請了6項專利。

2.2.2 本國發明人申請趨勢

不難發現圖6中我國航空燃機專利發明人專利數集中在4和3兩個數量，需要對我國主要專利發明人的申請趨勢進行繪圖，得到圖7。我國最早參與航空燃機研究的發明人是來自清華大學的姜培學，他在2007年就進行了2項專利的申請。自2011年起北京航空航天大學的張弛、林宇震、林培華逐漸開始有意識地進行專利申請，申請速度維持在年均2項。圖7中另一個明顯的時間節點就是2012年，自2012年起我國航空燃機領域正式開始步入穩定的研發階段，不再出現2007年“曇花一現”似的“偶然”研究發現。

2.2.3 發明人技術分布

不僅要了解哪些發明人是主要發明人，還要進一步了解發明人擅長哪些領域，繪制發明人技術分布圖（見圖8），一般而言，同一技術領域的發明人越多，該領域的進入壁壘越小。圖8中顏色分布最密集的IPC大組是F02C6和F02C7，一定程度上可證明我國從這兩項技術入手比較容易能突破已有的技術壁壘。而在F02C7大組中專利數最多的是深圳福世達動力科技有限公司的向兵，說明我國已經有了一定的技術基礎，其他機構可與向兵合作研發。

進一步對中國發明人的技術分布進行分析，得到中國發明人技術分布圖（見圖9）。相較于國際主要發明人技術領域分布廣泛，我國發明人的技術分布更為集中，主要集中在F02C3、F23R3以及F02C7，且這3個IPC大組都有較多發明人參與，第一，可能是因為這些發明人之間形成了發明人小組;第二，則說明我國在這些技術方面取得了一定的突破，吸引人們參與研究;第三，是我國在航空燃機領域的技術分布不均，仍然受技術先進國家的制約。

比較中國專利權人技術分布（圖1～圖5）與中國發明人技術分布（圖6～圖9），有細微差異之處值得注意，中國專利權人在F01D小類表現優異，但卻較少有中國發明人參與，說明在一些核心領域，中國所擁有的專利中國發明人沒有或較少參與。專利權人的相對分散，而發明人則表現更為集中，我國航空燃機領域發明人可能存在相對穩定的研究團體，他們主攻航空燃機領域某一具體方向。

2.3 時間和IPC類別分析

2.3.1 申請趨勢

為了解我國航空燃機產業專利申請趨勢，繪制圖10。現有有效專利最早可追溯到1988年，短暫發展了幾年后自1997年專利申請逐年上升，并于2004年實現了大幅跨越，隨后6年專利申請圍繞年申請25項上下震蕩，并于2011年再次實現小高峰該年申請了55項專利，2014年專利申請驟降到27項，但次年達到航空燃機領域專利申請最高峰，連續兩年專利申請在64和65的水平，緊接著回落到31項每年的水平。整體而言，航空燃機專利申請已能維持在年申請量25項以上的水平，專利申請分布可能存在大小年的情況。利用專利申請時間差，雖然我國在航空燃機核心技術突破仍需一定時間，但能布局專利灌木叢，阻礙其他國家在我國專利申請的步伐，或可換取雙方技術交易的談判籌碼，為我國技術研發留有時間。對于已經20年期滿或因種種原因專利有效期提前結束的專利，這些專利的技術已經進入公有領域，我國在進行技術引進和置換時要小心不能購買“過期”專利。同時基于我國航空燃機產業落后世界先進水平20年，完全可以充分利用其進入共有領域的專利，進行研發改造和優化，這將是一條高性價比的道路。

2.3.2 公開趨勢

了解了專利的申請趨勢，再對專利的公開趨勢進行一定的了解，根據專利公開情況，繪制圖11公開趨勢圖。根據專利制度要求，所有發明創造在獲得授權后，都應該及時向公眾公開。相較于專利申請趨勢的波動不斷，專利公開趨勢則相對穩定呈現逐年上升的趨勢，這可能與專利批準的時滯有關，即發明專利自申請到獲批有一定的時間差。我國航空燃機產業必須時刻緊盯競爭對手的專利公開信息，及時發現對方的研發方向，加快自身研發速度，找出對方新穎性的不足，使其專利無效，這些都是我國航空燃機產業發展的可行道路。

2.3.3 IPC分類排名

該文在進行專利檢索時，已經將IPC分類號限制在了F02C、F01D、F23R三類，但IPC小組分布情況，需要更為詳細的分析，根據檢索專利的IPC分類號按專利數由高到低的順序進行排列，選取出現F02C、F01D、F23R三類以外分類號之前的數據，繪制IPC分類雷達圖（見圖12）。可以觀察出最熱門的申請領域是F01D5/28、F02C7/00、F01D5/18等，而F02C9/28則是發明分水嶺，在其之前的專利號申請專利較多，之后的專利則比較穩定，在20以下。

2.3.4 IPC分類申請趨勢

在了解熱門專利申請領域后，基于我國現實條件，有必要對IPC分類申請趨勢進行了解，繪制圖13。IPC分類趨勢與前文分析基本一致，一開始只有少數企業在部分領域申請專利保護，隨后各方均意識到專利申請的重要性，加大專利申請力度。該部分更關注的是已經進入公有領域的專利，即2000年前的專利（見圖14）。針對我國目前技術基礎還不牢固，研發力量相對薄弱，當技術涉及F01D5/28、F02C7/00、F02C9/00、F01D9/02、F02C7/22、F02C9/28、F02C6/18時可以考慮參考借鑒這些專利。

3? 我國航空燃機產業現狀

3.1 國家高度重視

我國航空燃機產業發展始于20世紀50年代末，早在1956年清華大學就建立了燃氣輪機專業，根據前文對我國航空燃機專利申請人的分析，申請數靠前的機構主要為高校和研究院所，這與我國較早注重相關基礎研究密不可分。國家高度重視航空燃機產業，將航空發動機和燃氣輪機技術發展列為國家重大科技專項，將我國燃氣輪機市場發展思路和對策納入長期發展規劃中。航空燃機產業迎來了重要的發展契機，國內的相關研發和制造機構應充分把握時機，早日實現技術的騰飛。

3.2 技術進展緩慢

（1）核心技術引進之路不好走。先進的航空燃機生產牢牢掌握在通用電氣公司、羅羅公司、西門子公司等手中，我國雖已與這些擁有先進技術的企業合作多年，生產多臺航空燃機，但被其壟斷的關鍵技術，這些公司決不會輕易轉讓。他們的目的即在于控制、爭奪中國市場，企圖依靠與他們合作共同培植我國自己的航空燃機產業，難度頗高。

（2）自主研發效果不佳。我國雖已投入不少人力、物力，但研發航空燃機的主力為高校和科研院所，研究成果取得了某些方面的突破，攻克了一些技術難關，但距離實際應用仍存在一定差距。航空燃機的研發與生產尚未形成譜系化，沒有滿足市場需求，難有進一步的發展。

3.3 專利戰略局面未打開

梳理上一部分對我國航空燃機產業專利分析的結果，我國整體產業專利布局有如下幾點特征：第一，專利前瞻考慮不足，為圖專利盡快生效，很多企業選擇了保護力度不強的實用新型專利，而忽略了將專利進行整體布局以形成專利保護網絡;第二，專利保護意識不強，專利申請相較于其他國家技術先進企業落后，專利維護相對消極;第三，專利戰略布局未形成，專利作為攻守俱佳的工具，我國目前主要利用的還是專利對技術的保護功效，在國外先進技術公司不斷利用累積的專利形成專利壁壘，占領我國市場時，有必要從全盤考慮如何進行專利布局，有效抵擋專利進攻。

4? 對我國航空燃機產業的發展啟示

據《Turbomachinery International》期刊介紹航空燃機技術正越來越多地與重型結構燃氣輪機結合。重視航空燃機發展符合客觀發展規律，符合社會生產力發展需要，在這一技術高端又被高度壟斷的產業，中國航空燃機研發機構和生產機構都要面對不小的阻力。該文從我國航空燃機產業有效專利的統計分析入手，認為我國可從如下幾方面入手以發展航空燃機產業。

第一，以市場為導向進行研發。我國排在前位的專利權人大多為北京航空航天大學、清華大學這一類科研院所，它們進行研究的出發點往往與市場實際需求脫節，不能有效轉化為生產力。但同時它們長期研究積累下的寶貴經驗只要稍加引導，就能使我國的航空燃機研發朝著譜系化的方向發展，研發更為系統與高效，避免重復研究造成浪費。我國航空燃機專利雖已全面開花，但除通用電氣公司仍各有側重，選擇先進企業相對關注較少的領域入手，未嘗不能以小博大，減輕研究壓力。

第二，做好知識產權博弈準備。前有羅羅公司、通用電氣公司、普惠公司等航空燃機先進企業間糾葛難分的專利訴訟案件，最后能達成和解無疑也與各公司提前做好了知識產權博弈準備有關。我國要在重重壁壘的航空燃機產業突破重圍，既需攻下技術之城，又需提防專利陷阱。應對復雜的專利形勢，我國首先要充分認識到專利布局的重要性;其次采取專利灌叢等策略攔截先進技術企業對我國市場控制的步伐;同時要做好長期的技術情報收集工作，確保引進的每項技術都是真正有價值的，充分利用進入共有領域的技術進行改善和優化;最后總結吸納大公司間知識產權博弈經驗，既要善于利用它們互相攻擊的成果，“鷸蚌相爭漁翁得利”，也要就其博弈過程進行梳理總結經驗，為以后的交易與談判累積經驗。

第三，加強人才合作與引進。北京航空航天大學的張弛與林宇震、林培華多年來合作申請了9項專利，積累了技術經驗與專利申請經驗，圍繞他們3人北京航空航天大學可逐步形成航空燃機的研發團隊，提高研發效率。這種模式在西門子公司已有成功經驗，沃納·斯塔姆就與S·K·德哈努卡和I·A·斯洛巴蒂安斯克伊合作了8項專利。科學無國界，科學家卻有國籍，通用公司的李經邦曾在2006、2007年申請了7項專利，其業務水平值得認可，我國在引進人才時，不僅要著眼于高校與科研院所，企業中也是人才濟濟，可嘗試與李經邦這類華裔研究人員溝通，聘請其為技術顧問，指導我國技術研發。現今，中美關系處于波動階段，我國在進行人才合作與引進中，除關注美國的先進企業，還要放眼世界各地，不拘于地區，凡是好技術、愿意合作的人才都可以引進。

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