燃气轮机燃烧室专利分析与研究

赵传亮，尚守堂，马宏宇，柴 昕

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

0 引言

世界知识产权组织（WIPO）的研究结果表明，全世界90%以上最新的研究成果首先通过专利文献公开。在研究开发的各环节中注意运用专利文献，发挥其作用，不仅能提高开发的起点和水平，而且能节约40%的研发经费和60%的研发时间[1]。世界诸多跨国公司都非常注重对其自身专利技术的保护与对竞争对手专利技术的研究工作。美国微软公司到目前为止已经拥有了4万余项专利，为其在世界各国操作系统领域的霸主地位提供了法律保障。电信设备行业巨头中国华为公司拥有300多名专门从事知识产权工作的技术专家、专利工程师和负责版权、商标、许可等业务的律师。通过学习和继承业界领先的技术，华为公司用最小的研发成本、最短的时间推出了大量业界领先的产品，满足了客户的需求，取得了较好市场收益[2]。另外，专利技术已经成为许多跨国公司的重要战略资产。2011年谷歌以125亿美元的价格收购摩托罗拉移动，正是看好了其1.7万余项专利，而在谷歌收购摩托罗拉移动前，仅拥有317项与移动设备有关的专利。收购摩托罗拉以后，谷歌不但具备了软件和硬件制造能力，同时拥有了一批战略性专利资产以应对旷日持久的专利诉讼[3]。2010～2011年，英国RR公司与美国联合技术公司的发动机专利技术纠纷，震惊了发动机制造界，最终由于2公司都存在侵犯对方专利的可能，而达成秘密和解[4]。纵观该事件全过程，可见知识产权已经成为燃气轮机制造商谋求垄断地位的有力武器，专利储备以及专利风险应对能力是未来竞争的基础和保障。

本文针对燃气轮机燃烧室专利文献进行分析与研究，对于加快国内燃气轮机燃烧技术发展、促进高新技术应用、加强国际竞争力、规避潜在的知识产权风险具有重要的现实意义。

1 研究方法

本项研究主要通过宏观数理统计和专利技术分析方法，判断燃气轮机燃烧室专利申请的整体状况以及关键技术的发展脉络。

数理统计分析法是对专利文献的外部特征（专利文献的各种著录项目）按照一定的指标进行统计，并对有关的数据进行解释和分析。主要采用历年专利申请数量、专利申请地域分布、主要专利权人分布、主要专利权人在中国的申请状况、专利申请IPC分类号分布等分析方法，主要针对燃烧专业发展的一些关键技术进行分析。

2 专利检索工具和范围

本项研究利用的专利检索工具为Thomason Innovation平台中的德温特（Derwent）检索平台。检索范围为中国、美国、加拿大、日本、韩国、俄罗斯、欧洲、世界知识产权组织等主要国家和地区官方专利局公开的专利文献。检索的时间范围为1975年1月1日年起至2010年5月。

3 专利检索结果

本项研究按照燃气轮机燃烧室关键技术谱确定的关键词和逻辑检索式进行检索，并经过多次迭代，对相关专利文献进行了筛选并对部分外文专利和在中国申请的专利进行全文下载分析。燃烧室专利检索的总体状况见表1。从表中可见，共检索到燃烧室相关专利6168项，筛选后得到重点专利3193项，实际详细分析专利328项，其中英文专利110项，中文专利218项，相关专利已进行去同族处理。

表1 燃烧室专利总体状况 篇

由于专利申请延迟公开的特点，有大量2009～2010年申请的专利，在检索时尚未公开，因此，可以认为对于2009～2010年的专利申请数量，真实数据要高于实际检索到的数据。

4 燃烧室专利申请宏观状况分析

4.1 历年专利申请数量分析

燃烧室专利历年申请数量的趋势如图1所示，从图中可见，从1975～2008年，燃烧室专利数量呈逐渐上升的趋势。其中1990～1994年，1996～1999年，2000～2002年存在3个阶段的专利数量大幅飙升现象。由于专利数量中有很大一部分来自于美国，可能与1988年美国开始实施的综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划有关。该计划对美国燃气轮机研制影响重大，到2005年基本完成，耗资约60亿美元，经历18年，以1995、2000年和2005财年分为3个阶段，与专利数量大幅飙升的3个阶段基本对应。由此表明在IHPTET计划各阶段下燃烧技术都取得了较大发展，其部分研究成果已应用到许多军民用发动机的新型号研制和现役型号改进改型中，如民用发动机有GE90、GP7000、PW4084、PW6000、CFM56-7和AE3007等，军用发动机有F404、F414、F110、F117、F118、F119、F135和F136等。2005年以后专利申请数继续激增的原因是美国在2006年开始实施IHPTET计划的后继计划——通用、经济可承受的先进涡轮发动机（VAATE）计划，进一步提高了发动机燃烧室的技术水平。而2008～2010年的专利申请数据下降是由于该专利分析工作开展于2010年，而专利申请有延迟公开的特点，因此该时段的数据下降并不能真实体现实际的专利申请情况。

图1 燃烧室专利申请数量趋势

4.2 专利申请地域分布分析

图2 燃烧室专利地域分布

燃烧室专利地域分布如图2所示。从图中可见，燃烧室领域的专利主要分布区域集中在美国、欧洲和日本，这与世界上发动机的主要制造商GE、联合技术、RR、三菱重工等公司的所属地和产品销售情况相对应，同时在中国申请的相关专利也很多，由此表明了国外竞争对手对中国市场的关注和重视。

4.3 主要专利权人分布分析

燃烧室主要专利权人分布状况如图3所示。从图中可见，1994年以前各公司的专利申请量比较稀少，1994年以后专利数量开始大幅增长，其中GE公司的专利申请数量远远超越了其他竞争对手的，2001年以后GE公司在燃烧室领域树立了难以撼动的霸主地位；德国的西门子和日本三菱重工公司在燃烧室领域的专利主要集中在重型地面燃气轮机方面，其专利创新实力与美国联合技术公司的大体相当；RR公司在燃烧室领域的创新实力相对较弱。

图3 燃烧室主要专利权人分布状况

4.4 主要专利权人在中国的申请分析

主要专利权人在中国的申请状况如图4所示。从图中可见，联合技术公司很早就开始在中国申请专利，中国于1985年制定实施《专利法》，该公司从1986年就开始在中国布局燃烧室领域的专利，表明该公司对中国市场的重视；GE公司从1989年开始在中国申请燃烧室领域的专利，2003年后专利申请量开始大幅增加，特别是2007年以后专利申请增加更为明显，表明其可能针对中国市场开始进行专利布局和封锁，可以预计GE公司今后还将加大在中国申请专利的力度。而英国的RR公司多年来一直很少在中国申请燃气轮机燃烧室领域专利，这也提示中国的研究人员可以无偿使用RR公司在国外申请的很多燃烧室领域专利技术。

图4 燃烧室主要专利权人在中国申请状况

4.5 专利申请IPC分类号分布分析

燃烧室主要专利技术分类状况见表2。从表中可见，IPC大组分类号F23R03领域的专利分布密集，该领域涉及主燃烧室设计、贫油预混预蒸发（LPP）、富油-淬熄-贫油燃烧（RQL）、多点喷射（LDI）、驻涡燃烧（TVC）等技术，是国外发动机制造商重点关注的技术领域；F02C领域的专利主要涉及燃烧室冷却、燃气控制、燃油控制、预混燃烧、级间燃烧等技术；FO1D领域主要涉及燃油喷嘴设计和冷却技术等。

表2 燃烧室主要专利技术分类状况[5]

5 燃烧室专利申请技术状况分析

根据专利申请IPC分类号分布，重点从低排放燃烧室气动设计、火焰筒冷却、低排放燃烧室燃油喷射的主要技术发展路线进行分析。

5.1 低排放燃烧室气动设计技术

随着地面燃气轮机以及民机市场的飞速发展和人们环保意识的增强，人们对于燃气轮机和燃气轮机的排放问题越来越关注。从某种意义上说，降低排放成了近年来燃烧室设计技术不断发展的推动力。

目前在研、在用的低排放技术主要有分级燃烧、多点喷射（LDI）、贫油预混预蒸发（LPP）、富油-淬熄-贫油燃烧（RQL）、驻涡燃烧（TVC）等。

5.1.1 分级燃烧技术

威斯丁豪斯公司于1977年在美国申请的US4112676号专利公开了1种轴向分级燃烧概念，如图5所示。根据专利技术说明书，该燃烧室前部为扩散燃烧室，后部喷入预混气为预混燃烧室，采用该技术的燃烧室可以大大降低NOx的排放。

5.1.2 贫油预混燃烧技术联合技术公司于1978年在美国申请的US4081957号专利公开了1种贫油预混燃烧技术，如图6所示。该专利通过在燃烧室前部增加预混喷嘴和预混管道达到燃气预混的效果，采用该技术后，可以达到提高燃烧效率和降低污染物排放的效果。

5.1.3 富油-淬熄-贫油燃烧技术威斯丁豪斯公司1984年在美国申请的US4787208号专利公开了1种基于富油-淬熄-贫油燃烧（RQL）低排放燃烧技术，如图7所示。该专利通过在火焰筒头部加入大量的燃油降低火焰温度，然后通过在火焰筒后面加入大量的掺混空气来实现完全燃烧并降低火焰温度。这样，整个过程中火焰温度均比较低，从而实现了降低NOx排放的目的。目前这种RQL技术已经成功地应用在了PW公司的PW6000系列发动机中。

图5 US4112676专利[6]

图6 US4081957专利[7]

图7 US4787208专利[8]

5.1.4 多点喷射燃烧技术

日立公司于1987年在日本申请的JP880206号专利采用了多点喷射燃烧技术来降低排放，如图8所示。根据专利技术说明书，该专利通过采用多点的预混方式来实现低排放燃烧。工作时，火焰筒中间低质量分数的燃料混气高速进入火焰筒内，这样可以保证燃料燃烧时火焰温度低，停留时间短，只产生少量的NOx排放物，而高质量分数的燃料混气环绕在低质量分数的燃料混气周围，实现火焰筒的点火。

多点喷射燃烧技术出现以后，美国通GE公司又发明了另1种多点喷射燃烧形式，该技术在GE公司被称为双环预混旋流（TAPS）燃烧室，其中CN100416063专利如图9所示。图中的106所示位置就是每个双环预混装置上带有的沿周向分布的大量小孔，这些小孔形成了实质上的多点喷射燃烧形式。GE公司已将研发的TAPS燃烧室应用于波音787飞机配装的GEnx发动机上。目前，TAPS技术代表了当今世界上最为先进的低排放燃烧技术之一。

5.1.5 驻涡燃烧技术

GE公司于2000年在美国申请的US616258号专利公开了1种驻涡燃烧技术，如图10所示。根据专利技术说明书，该技术主要通过驻涡腔进行火焰的稳定，而在主流路中加入大量的空气，提高火焰速度，降低停留时间，降低NOx排放。目前，驻涡燃烧技术的专利基本上为GE公司所垄断。

值得一提的是，目前，GE公司没有在中国申请驻涡燃烧室相关的专利保护，并且早已过了专利优先权期，在中国可以在军民机燃烧室的设计中借鉴使用。

图8 JP880206专利[9]

图9 CN100416063专利[10]

图10 US616258专利[11]

目前，各种低排放燃烧技术都有成功使用的案例，具体适用范围要根据使用要求及技术水平决定。应及时跟踪国外相关技术的发展情况，有重点地开展相关研究工作，找到适合自身发展的低排放燃烧技术。根据此次开展的燃烧室专利分析研究结果，低排放燃烧室技术的发展演进如图11所示。

图11 低排放燃烧技术发展演进

5.2 火焰筒冷却技术

从发动机技术开始发展以来，直到2010年还不断有新的冷却技术专利申请，其主要原因是随着燃气轮机技术的发展，燃烧室进出口温度均越来越高，火焰筒的热负荷越来越大，而用于冷却的空气量却越来越吃紧，因此，对于先进冷却技术的研究始终没有停止。

目前申请的冷却技术的专利主要如下。

5.2.1 多孔层板（对流冷却）技术

对流冷却是使用最早的冷却技术之一，但早期的对流冷却技术的冷却效率相对较低，随着加工技术的不断进步，一些更为先进的对流冷却技术进入工程使用中。

RR公司1974年在英国申请的GB53892号专利公开了1种用于加强对流换热的多孔层板冷却技术，如图12所示。这是目前RR公司仍在使用的1种专利技术。其缺点是加工成本高，维修性差。

5.2.2 气膜冷却技术

气膜冷却是使用较早的冷却技术之一。多年来，不断有各种新形式的气膜冷却结构投入使用。

GE公司于1975年在美国申请的US4050241号专利公布了1种火焰筒冷却形式，其结构如图13所示。根据专利技术说明书，该冷却形式的优点是壁面刚度好、温度分布均匀。

图12 GB53892号专利[12]

5.2.3 发散冷却技术

发散冷却技术最先用于高压涡轮部件的冷却，开始用于燃烧室部件时，主要是为了解决局部高温的问题。近年来，随着加工技术的不断发展，加工效率不断提高，促进了多斜孔发散冷却技术在燃烧室部件的应用。其中，GE公司在GE90以及GEnx发动机燃烧室上都成功应用了该技术。

GE公司1983年在美国申请的US5233828号专利公开了1种带有多斜孔发散冷却的火焰筒壁，如图14所示。根据专利技术说明书，该壁面的优点是壁面温度低且分布均匀。

近年来关于发散冷却技术的专利主要集中在开孔的规律以及开孔的形式上。比如阿尔斯通公司2004年在欧洲专利组织申请的EP0959228专利公开了1种带有异型孔的发散冷却技术，如图15所示。根据专利技术说明书，该专利的优点是可以大大提高冷却效率，节省冷却空气量，但这种专利技术对加工水平的要求非常高。

5.2.4 复合冷却技术

复合冷却技术通常是上面提到对流、气膜、发散、冲击4种冷却技术或其中几种冷却技术的组合。通过多种冷却技术的组合，可以充分发挥每种冷却技术的优点，提高冷却效率。目前在役的很多发动机都采用了复合冷却技术。

日本科研人员1985年在日本申请的JP6071055号专利涉及1种冲击+对流+多斜孔发散冷却的技术，其结构如图16所示。该专利就是1种复合冷却技术应用的具体体现，根据专利介绍，其优点是冷却效率高，火焰筒壁面温差小，使用寿命长。

图13 US4050241号专利[13]

图14 US5233828专利[14]

图15 EP0959228专利[15]

图16 JP6071055专利[16]

目前各种冷却技术都有在航空发动机中成功使用的案例，应根据燃烧室的使用要求及技术基础相应选择。综合此次燃烧室专利分析研究结果，冷却专利技术的发展演进如图17所示。

图17 冷却专利技术的发展演进

5.3 低排放燃烧室燃油喷射技术

喷嘴及燃油喷射的性能直接影响了燃烧室的污染物排放特性，因此，各公司对于喷嘴的设计也非常重视。

5.3.1 单旋流气动雾化喷嘴

联合技术公司1983年 在 美 国 申 请 的US4418543专利公开了1种气动雾化喷嘴，其结构如图18所示。其特点是在传统离心喷嘴外侧采用1级旋流叶片增加同向旋转的涡流空气，其好处是可以降低发动机排放，降低喷嘴表面积炭。

5.3.2 双旋流气动雾化喷嘴

GE公司于1989年在英国申请了GB2211596号专利介绍了1种双旋流气动雾化喷嘴，其结构如图19所示。由专利技术说明书可知，该技术主要通过双旋流的强力剪切作用，加强对燃料的雾化效果。

5.3.3 多点直接喷射

联合技术公司于1993年申请的WO9312388号专利公开了1种多点直接喷射供油技术，如图20所示。其优点是供油均匀，可以消除局部热区，进而可以降低NOx污染物的排放。

图18 US4418543专利[17]

图19 GB2211596专利[18]

图20 WO9312388专利[19]

5.3.4 多旋流气动雾化喷嘴

GE公司于2000年申请的US6662565号专利公开了1种多旋流燃油雾化喷嘴，如图21所示。其优点是燃油雾化均匀，有利于提高燃烧效率，降低污染物排放。

GE公司于2001年在欧洲申请的EP1186832号专利公布了1种用于低排放燃烧室的燃油喷射及混合技术，如图22所示。该技术应用于GE公司的TAPS燃烧室上。其结构实质为1种多点喷射与多旋流结合的燃油喷嘴。目前，TAPS技术代表了当今世界上最为先进的低排放燃烧技术之一。

据对所有检索到专利的分析结果，低污染燃烧室燃油喷射技术的演进如图23所示。

图21 US6662565专利[20]

图22 EP1186832专利[21]

图23 低污染燃烧室燃油喷射专利技术的演进

6 结束语

（1）燃烧室专利申请数量近年呈现快速增加趋势，说明该技术领域仍有大量高新技术出现；

（2）燃烧专利申请数量以美国GE、英国RR、美国联合技术、德国西门子等公司为主，说明这几大公司掌握着最为先进的燃烧技术；

（3）近些年，国外公司在中国申请的专利数量增加很快，说明了其对于中国市场的重视程度在增加；

（4）燃烧室设计、贫油预混预蒸发（LPP）、富油-淬熄-贫油燃烧（RQL）、多点喷射（LDI）、驻涡燃烧（TVC）等技术是国外发动机制造商重点关注的技术领域；

（5）各种低排放燃烧技术都有成功使用的案例，具体采用何种低排放燃烧技术要根据使用要求及自身技术水平决定；

（6）火焰筒发散冷却和复合冷却技术是较新的冷却技术，应重点开展相关研究工作；

（7）多点喷射与多旋流气动雾化装置是近些年来专利申请数量较多的燃油喷射技术，应重点进行研究。

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