涡轮叶片专利技术综述

摘 要：涡轮是动力机械的动力来源，叶片技术对涡轮效率具有重要影响作用。本文以专利数据库中的检索结果作为分析样本，从专利公开时间、专利申请地域、主要申请人、申请内容等多个方面统计，从专利文献的角度对涡轮叶片的发展方向进行了分析，为我国动力涡轮叶片的研制提供参考。

关键词：涡轮叶片；专利；技术综述

0 前言

高性能的动力机械对其动力叶片提出了更高的要求，随着气动设计技术、结构强度技术、材料技术、冷却技术的不断发展，各国已经开发验证了多种先进的叶片技术，例如复合叶片，单晶叶片，空心叶片等，为航空发动机带来了一系列的益处。本文开展涡轮叶片专利战略研究，以期了解该技术领域的技术发展现状、竞争格局。

1 叶片的相关概念

1.1 叶片机的概念

叶片机广泛应用于国民经济各个领域，如日常生活中常见的电风扇、水泵及工业生产中应用的鼓风机、水轮机及蒸汽轮机等。通常叶片机是下述两类机器的总称：一类是给工质加入能量（功），使工质的压力升高或使工质流动而产生推动力的机器，属于这一类的机器有压气机、风扇、泵、空气螺旋桨与船舶螺旋桨等，专利文献分入F04D小类下；另一类则是从工质中获取能量而得到轴功的机器，属于这一类的机器有涡轮机（蒸汽涡轮、燃气涡轮、水力祸轮）和风车，这类机器有时也称为原动机，专利文献分入F01D、F02C、F02K、F03B、F03D等分类号下。这两类机器中能量的转换都是通过工质推动一定形状和一定数量叶片的旋转来实现的。通过叶片和工质的相互作用，给工质加入或自工质取得能量的机器统称为叶片机，由此可见叶片机是国际专利分类表F部中发动机和泵的重要组成部分。

1.2 叶片机的分类

叶片机按其工质流动的方向，可以划分为轴流式、径流式、斜流式和组合式四种。

轴流式是指气流的流动方向与工作轮旋转轴心线的方向一致或近乎一致，径向速度非常小。径流式是指气流方向沿着半径方向或接近于半径方向。斜流式是指气流方向和旋转轴构成一倾斜角。

叶片机按其动叶进口相对气流马赫数来说，可以有亚声速、跨声速和超声速之分。若动叶进口相对气流马赫数沿叶高均小于1.0，则为亚声速级；均大于1.0，则为超声速级；若动叶进口相对气流马赫数沿叶高有一部分大于1.0，而另一部分小于1.0，则为跨声速级。轴流式压气机或风扇的跨声速级，目前在航空发动机上已经有了广泛的应用。

1.3 先进的叶片技术[1]

（1）风扇和压气机叶片。风扇叶片和压气机叶片的作用均是提高流过叶片流体的压力。世界著名的航空发动机设计与制造公司开发和验证了多种先进叶片技术，如宽弦叶片、掠形转子叶片、弓形静子叶片、吹吸叶片、分流小叶片、空心叶片、复合材料叶片，有些已经应用到现役或在研的航空发动机风扇和压气机上，并取得了很好的效果。1）宽弦叶片。风扇和压气机宽弦叶片是指展弦比较小的叶片，它是为解决风扇和压气机带凸肩的窄弦实心叶片存在的结构和性能不足而研制的。与带凸肩的窄弦叶片相比，宽弦叶片具有以下特点。①去掉凸肩，使风扇和压气机空气动力学特性得到改善，流量有所增大，效率明显提高；②增宽弦长，使风扇和压气机的长度缩短，抗外物损伤能力、抗疲劳特性和失速裕度得到提高；③增宽弦长，还可使风扇和压气机零件数减少，生产与制造费用因此降低；2）掠形转子叶片。风扇和压气机掠形转子叶片是一种新的3D气动布局。它是将叶片的前缘法平面设计成与来流方向有一个较大的夹角，以达到尽可能地削弱叶片槽道的激波，进而根本消除影响效率的主要因素。因掠变方向不同，而将掠形叶片分成后掠叶片和前掠叶片；3）弓形静子叶片。与正常的径向积叠的静子叶片相比，弓形静子叶片的叶根有1个正倾斜角，叶尖有1个负倾斜角，能够产生降低吸力面拐角扩散速度的径向力，从而推迟拐角分离的开始，减少端壁损失，提高压气机静子核心流段的压升能力，使压气机在整个流量范围内压力特性更稳定，效率大大提高；4）分流小叶片。分流小叶片就是在全弦长叶片后增加的1排小叶片，具有大大提高轴流压气机叶片排增压比和减少气流引起的振动等特点，是使轴流压气机级增压比达到3或3以上的有发展潜力的技术。在不损失大稠度大叶片排的气动性能的情况下，分流小叶片技术能够控制叶片后缘的气流分离，即能保证后面的叶片排有较大的气流折转角，提高功的传递；由进口区控制，不影响叶片排的流通能力，也不影响进口区的稠度；5）吹吸叶片。风扇和压气机吹吸叶片（带吹吸附面层装置的叶片）是指在叶片吸力面开孔，吹吸叶片表面的低能气体，防止或推迟叶片和端壁附面层分离，使叶型可以达到很大的弯度，进而大大提高风扇和压气机级负荷的1种新技术；6）空心叶片。风扇和压气机宽弦叶片由于采用空心结构（所以称之为空心叶片），加之整体叶盘结构和轻质高强度的复合材料等技术的应用，质量大大减轻，解决了实心叶片本身以及相应的机匣等质量过大的问题。风扇和压气机的质量进一步减小。风扇空心叶片并不是绝对空心的，为了提高叶片的强度，在空腔内采用了一些加强结构；7）复合材料叶片。GE公司研制的GE90系列发动机采用了复合材料风扇转子叶片。采用复合材料和工艺的风扇叶片，不但明显减轻了叶片本身的质量，还减轻了其包容系统、盘以及整个转子系统的质量，具有成本低、抗振（抗颤振）性能好、抗损伤能力强等特点。

（2）涡轮叶片。涡轮叶片设计是燃气涡轮发动机中涡轮部件设计的重要部分，其设计的优劣直接关系到涡轮工作的效率。由于其工作环境是高温、高压和高速，承受的载荷主要有：气动载荷、离心载荷和热载荷，设计过程涉及到气动、强度、振动、结构、工艺、材料及传热等多个学科。

2 叶片专利状况分析

2.1 专利申请年度发展分析

叶片专利申请时间分布如图1所示：1990年至1996年，世界范围内的叶片专利申请保持平稳，年申请量保持在1000件左右；1997年至2012年，专利申请量平稳增长，年增幅约9%，其中在1997、2000、2003、2007、2011年专利申请量有较大幅度的增长，2011年的申请量到达高峰，达到了3820件。由此可见，在减少能源消耗，提高机械设备效率的大环境下，世界各国正积极对叶片领域展开深入研究。endprint

2.2 专利申请地域分布分析

叶片专利申请地域分布如图2所示，从中可以看出：

美国（US）、日本（JP）、欧洲专利局（EPO），德国（DE）、中国（CN）等五国和知识产权组织的申请量总量多达42598件，占总申请量的82.6%，说明世界范围内的专利申请存在高度集中性，叶片技术被美国（US）、日本（JP）、欧洲（EP）、中国（CN）的制造企业所垄断。

美国的专利申请占绝对优势，高达14964件，比排名第二的日本多出近五千件，而且每年美国的专利申请稳步增长，由此可以看出，美国的叶片技术在世界范围内处于绝对领先地位，处于叶片专利申请的第一梯队，是各大企业的市场试金石。而其他国家日本、德国、中国则处于第二梯队，韩国、法国处于第三梯队。

此外，欧洲专利局（EPO）和世界知识产权组织（WIPO）的专利申请量平稳增长，欧洲专利局的申请量保持在六百件左右，世界知识产权组织的申请量保持在三百左右，这也反映了EP申请和PCT申请已经越来越受到了各大企业的重视，反映出其在申请上的优越性。

2.3 专利申请人状况分析

叶片专利申请主要申请人分布如图3所示。

从图3中可以看出：美国的通用电气公司（GE）专利申请占据绝对优势，专利数量是其他公司的两倍以上，属于第一梯队，彰显其在叶片领域强劲实力。联合技术公司（UTC），罗罗公司（Rolls Royce）属于第二梯队。斯奈克玛公司（SNECMA），三菱重工（MITSUBISHI），日立（HITACHI），西门子（SIEMENS AG），东芝（TOSHIBA），MTU，阿尔斯托姆（ALSTOM），石川岛播磨重工（ISHIKAWAJIMA）属于第三梯队。另外，虽然中国的专利申请量保持增长，但是没有一家中国企业进入申请量前十名，说明大多数的专利申请只是外国申请，中国本土企业的申请并不多。由此可见，中国企业的研发能力还很弱，竞争力不足。

3 GE在华专利申请技术分布

由于通用电气（GE）一直是叶片技术的龙头企业，其公司的研发状态在一定程度上能够反映叶片技术发展的走向。这里主要对GE公司的在华叶片专利技术进行归纳和分析。GE在华叶片专利申请分布如图4所示。

GE公司在华有1154件关于叶片的专利申请，其中叶片分类号中的F01D5/14、F01D5/18、F01D5/28、F01D5/30、F01D5/02共有1013件，这反映出GE公司在华叶片专利申请主要集中在这五个分类号下

由此可见，GE公司关于叶片的研究主要集中在这五大方面。在结构方面，主要集中在转子上面的改进；在空气动力学方面，主要集中在叶片型式与结构的改进；在材料方面，主要集中在特殊材料在叶片上的应用；在传热方面，主要集中在叶片的冷却与隔热；在强度与振动方面，主要集中在对叶片叶根的改进。

核心专利分析。主要选取GE公司在华专利申请中对于叶片冷却结构的改进进行分析，GE公司对叶片冷却结构各方面均做出了一定的贡献。从2005年开始专利的公布数量逐渐增多，这也体现了GE公司对中国市场的重视，其相关的专利技术也值得中国企业借鉴。随着时间的推移，GE公司对冷却技术的重点主要放在了气膜冷却和对叶片平台冷却的改进上，这也代表了GE公司叶片冷却技术的研究重点，两个研究方向齐头并进。其他方向的研究例如对隔热材料的应用、叶片气动外形的设计、冷却流道的设计等，GE公司也会涉及，但并不是重点研究方向。

4 CPC分类方法

IPC分类表中对叶片的冷却结构主要分入F01D5/18小组下，因叶片冷却结构众多，从而导致该小组下面专利文献十分混杂，不利于检索，而欧局和美局联合开发的CPC分类号根据冷却原理不同就将该小组进一步细分，其中绿色字体为新增分类号，具体参见表1。

5 总结

叶片技术是叶轮机的核心技术，在国民经济各个领域都会涉及到叶片技术，尤其是高端制造业中的汽轮机，燃气轮机。专利技术的公开是机遇也是挑战，机遇是了解国外先进的叶片技术，挑战是对叶片的改进将越来越难，抓住叶片改进的重点，突破外国专利布局，这就需要我国企业积极消化吸收国外现有技术，加大研发力度，增强自主创新能力，达到真正掌握核心技术，才能不被世界潮流所淘汰。

参考文献：

[1]梁春华.高性能航空发动机先进风扇和压气机叶片综述[J].航空发动机，2006，32（03）：48-52.

作者简介：孙竹，男，安徽马鞍山人，硕士研究生，研究实习员。endprint