胡洋洋 朱燕鷗 嚴索

摘 要：本文簡要介紹了燃氣輪機進氣管防冰技術，并給出了其發(fā)展歷程以及包括的主要技術類型，還對燃氣輪機進氣管防冰全球和中國專利申請趨勢以及全球和中國在該領域的主要申請人作了分析。

關鍵詞：燃氣輪機；進氣管防冰；發(fā)展路線；申請趨勢；申請人

引言

航空發(fā)動機進氣道結冰是飛機結冰中最危險的情況，它不僅直接導致進氣道氣動外型的破壞，降低發(fā)動機推力，增大飛行負載，而且進氣道內冰層一旦脫落，冰塊將隨氣流進入發(fā)動機內部，不但會打傷具有很大轉速的葉片，造成壓氣機的機械損傷，甚至對整臺發(fā)動機造成破壞，直接引發(fā)飛行事故。因此，為了保證飛行安全，發(fā)動機防冰十分重要。

1技術發(fā)展路線

燃氣輪機進氣管防止結冰技術的關鍵在于加熱進入進氣管的空氣，雖然到目前為止關于燃氣輪機進氣管防止結冰技術的國內外申請多達成百上千篇，各個申請會有這樣或那樣的差異，但按照不同的加熱方式仍可以將其大體劃分為四種不同的類型，分別為熱氣加熱防冰技術、電加熱防冰技術、微波加熱防冰技術和導波能量加熱防冰技術，其演進如下圖1所示。

圖1 燃氣輪機進氣管防止結冰技術演進圖

1.1熱氣加熱防冰技術

1986年5月SHORT BROTHERS PLC的專利技術EP0205283“熱氣管道”如圖2所示，采用的技術手段是通過引氣管道24從壓氣機級引入熱空氣，然后從與引氣管道24相連的噴管13噴向唇緣，進而加熱進氣。

圖2 SHORT BROTHERS PLC公司的熱空氣噴射直接加熱唇緣式防冰技術

1.2電加熱防冰技術

2008年3月埃爾塞樂公司的專利技術FR2928625“用于渦輪噴氣發(fā)動機機艙的進氣口唇緣”，如圖3，采用的技術手段是，進氣口4被分為兩個部分，即一方面為進氣口唇緣4a，該進氣口唇緣適用于將需要供給渦輪噴氣發(fā)動機的風扇和內部壓縮機的空氣朝向渦輪噴氣發(fā)動機最佳地匯合，并且另一方面為下游結構4b，唇緣4a被安裝在該下游結構上，并且設計用于將空氣朝向風扇葉片進行適當引導。結構7包括壁10和電除冰裝置11，壁10可以是金屬的或由復合材料制成，電除冰裝置11設置成與面向風扇入口的壁10的區(qū)域接觸，并且設置有多個規(guī)則間隔的孔12，除冰裝置11由板和電連接裝置4組成，所述板包括由例如碳的導電性材料制成的蜂窩型多孔結構3，所述電連接裝置被連接至多孔結構13。除冰裝置11用來通過連接器（未示出）連接至下游結構4b的排氣口（未示出），該連接器由電線連接至與多孔結構相接觸的導電條21，22。

1.3微波加熱防冰技術

1994年8月斯奈克瑪公司申請的專利FR2723761A1“噴氣發(fā)動機進氣微波防冰系統(tǒng)”，如圖4所示，采用的技術方案是，噴氣發(fā)動機進口包括固定在外部環(huán)形結構10和中部結構20的放射狀臂1，每個放射狀臂通過副翼2垂直地延伸到噴氣發(fā)動機軸，貫穿噴氣發(fā)動機每個放射狀臂1的氣流被調節(jié)以用于噴氣發(fā)動機的下游，外部環(huán)形波導11設置在由外部結構10和外部的內表面構成的外袖12的外表面上，波導11上有兩排槽，其中外槽14處于放射狀臂1之間，微波沿著波導11傳導接著沿著放射狀臂1傳出，并在電磁能的作用下在覆蓋于放射狀臂1表面上的水滴或冰顆粒里面裂開，第一微波發(fā)生器15面對第一環(huán)形波導11，第二微波發(fā)生器25和橫向波導26設置在中部結構里面。

圖4 斯奈克瑪公司的微波加熱防冰技術

1.4導波能量加熱防冰技術

通用電氣公司2009年11月申請的專利US2011099970“利用導波能量用于防冰和/或防霜的系統(tǒng)”，如圖5所示，采用的技術手段是，系統(tǒng)92包括位于空氣流管道120中的多個波導通路142，該波導通路142將空氣流管道120分割成許多較小的部分。在矩形的空氣流管道120的情況下，波導通路142可由在空氣流管道120的側面之間延伸或延伸穿過空氣流管道120的許多水平板件144形成。篩網(wǎng)160在空氣過濾器130的前方，結合微波能量源150，篩網(wǎng)160，162產(chǎn)生受引導的、駐波微波能170，該微波能170大體上防止在空氣過濾器130上形成冰和/或霜。

圖5 通用電氣公司的利用導波能量加熱防冰技術

2專利申請趨勢及重要申請人分析

燃氣輪機進氣管防止結冰領域全球專利申請量總體呈增長態(tài)勢。最早的燃氣輪機進氣管防止結冰專利為1972年斯奈克瑪公司申請的FR1972002693，該專利至今仍被視為燃氣輪機進氣管防止結冰技術的原理。此后的30年里，專利申請量緩慢，從21世紀開始申請量大幅攀升，其中2000年以后進入快速增長期，2006-2009年出現(xiàn)穩(wěn)步波動，進入調整期，2010年以后再次進入快速增長期。申請人數(shù)量的發(fā)展趨勢與申請量變化趨勢基本一致（參見圖6）。

在燃氣輪機進氣管防止結冰領域所有全球專利申請中，主要的申請人有通用電氣、勞斯萊斯、空中巴士法國、聯(lián)合工藝、斯奈克瑪、空客和三菱株式會社等，這幾個申請人的申請數(shù)量有205件，占所有申請的50.9%。其中又以通用電氣公司的申請量最多，達到73件，占所有申請的18.1%，同時其申請涉及的技術類型廣泛，包括熱氣加熱防冰技術、電加熱防冰技術等，同時還最先提出了利用導波能量加熱防冰技術。

圖6 燃氣輪機進氣管防冰技術全球專利申請趨勢

圖7 燃氣輪機進氣管防冰技術中國專利申請趨勢

中國燃氣輪機進氣管防止結冰技術起步很晚，從2011年開始才有相關申請，比外國同類技術晚了接近40年（參見圖7），這與我國燃氣輪機技術整體發(fā)展落后與外國以及我國專利制度建立較晚都有關系。但是在11年附近申請量快速增長，從12年開始申請量又快速下降。中國燃氣輪機進氣管防止結冰技術主要涉及熱氣加熱防冰和電加熱防冰兩類技術，主要是對已有的專利技術應用在特定發(fā)動機上的改進。

3小結

燃氣輪機進氣管防冰技術手段的發(fā)展趨勢，從原來單一的利用熱能到現(xiàn)在包括利用電能、電能、微波能和導波能等多技術手段，防冰效果、能量利用效率和對發(fā)動機壽命的提高不斷進步，其研究和實際應用價值巨大。

盡管，我國已經(jīng)重視并開始在燃氣輪機進氣管防冰等核心領域的研究和應用，但是現(xiàn)階段國內申請人關于燃氣輪機進氣管防冰技術存在手段單一、防冰效果差和效率低的問題，與國外研發(fā)和應用實力差距較大是不爭的事實。

參考文獻

[1] 金棟. 科技致富向導[J]. 9F燃機進氣加熱系統(tǒng)研究，2011（17）：203.

[2] 李小煜，趙占峰，高帥. 燃氣輪機發(fā)電技術[J]. 燃氣輪機壓氣機防冰凍系統(tǒng)控制改進方案，2012（3/4）：192-194.

作者簡介：胡洋洋，男，1988-，國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作湖北中心審查員，主要從事燃氣輪機領域的發(fā)明專利實質審查工作。