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摘 要：本文简要介绍了燃气轮机进气管防冰技术，并给出了其发展历程以及包括的主要技术类型，还对燃气轮机进气管防冰全球和中国专利申请趋势以及全球和中国在该领域的主要申请人作了分析。
关键词：燃气轮机；进气管防冰；发展路线；申请趋势；申请人
引言
航空发动机进气道结冰是飞机结冰中最危险的情况，它不仅直接导致进气道气动外型的破坏，降低发动机推力，增大飞行负载，而且进气道内冰层一旦脱落，冰块将随气流进入发动机内部，不但会打伤具有很大转速的叶片，造成压气机的机械损伤，甚至对整台发动机造成破坏，直接引发飞行事故。因此，为了保证飞行安全，发动机防冰十分重要。
1技术发展路线
燃气轮机进气管防止结冰技术的关键在于加热进入进气管的空气，虽然到目前为止关于燃气轮机进气管防止结冰技术的国内外申请多达成百上千篇，各个申请会有这样或那样的差异，但按照不同的加热方式仍可以将其大体划分为四种不同的类型，分别为热气加热防冰技术、电加热防冰技术、微波加热防冰技术和导波能量加热防冰技术，其演进如下图1所示。
图1 燃气轮机进气管防止结冰技术演进图
1.1热气加热防冰技术
1986年5月SHORT BROTHERS PLC的专利技术EP0205283“热气管道”如图2所示，采用的技术手段是通过引气管道24从压气机级引入热空气，然后从与引气管道24相连的喷管13喷向唇缘，进而加热进气。
图2 SHORT BROTHERS PLC公司的热空气喷射直接加热唇缘式防冰技术
1.2电加热防冰技术
2008年3月埃爾塞乐公司的专利技术FR2928625“用于涡轮喷气发动机机舱的进气口唇缘”，如图3，采用的技术手段是，进气口4被分为两个部分，即一方面为进气口唇缘4a，该进气口唇缘适用于将需要供给涡轮喷气发动机的风扇和内部压缩机的空气朝向涡轮喷气发动机最佳地汇合，并且另一方面为下游结构4b，唇缘4a被安装在该下游结构上，并且设计用于将空气朝向风扇叶片进行适当引导。结构7包括壁10和电除冰装置11，壁10可以是金属的或由复合材料制成，电除冰装置11设置成与面向风扇入口的壁10的区域接触，并且设置有多个规则间隔的孔12，除冰装置11由板和电连接装置4组成，所述板包括由例如碳的导电性材料制成的蜂窝型多孔结构3，所述电连接装置被连接至多孔结构13。除冰装置11用来通过连接器（未示出）连接至下游结构4b的排气口（未示出），该连接器由电线连接至与多孔结构相接触的导电条21，22。
1.3微波加热防冰技术
1994年8月斯奈克玛公司申请的专利FR2723761A1“喷气发动机进气微波防冰系统”，如图4所示，采用的技术方案是，喷气发动机进口包括固定在外部环形结构10和中部结构20的放射状臂1，每个放射状臂通过副翼2垂直地延伸到喷气发动机轴，贯穿喷气发动机每个放射状臂1的气流被调节以用于喷气发动机的下游，外部环形波导11设置在由外部结构10和外部的内表面构成的外袖12的外表面上，波导11上有两排槽，其中外槽14处于放射状臂1之间，微波沿着波导11传导接着沿着放射状臂1传出，并在电磁能的作用下在覆盖于放射状臂1表面上的水滴或冰颗粒里面裂开，第一微波发生器15面对第一环形波导11，第二微波发生器25和横向波导26设置在中部结构里面。
图4 斯奈克玛公司的微波加热防冰技术
1.4导波能量加热防冰技术
通用电气公司2009年11月申请的专利US2011099970“利用导波能量用于防冰和/或防霜的系统”，如图5所示，采用的技术手段是，系统92包括位于空气流管道120中的多个波导通路142，该波导通路142将空气流管道120分割成许多较小的部分。在矩形的空气流管道120的情况下，波导通路142可由在空气流管道120的侧面之间延伸或延伸穿过空气流管道120的许多水平板件144形成。筛网160在空气过滤器130的前方，结合微波能量源150，筛网160，162产生受引导的、驻波微波能170，该微波能170大体上防止在空气过滤器130上形成冰和/或霜。
图5 通用电气公司的利用导波能量加热防冰技术
2专利申请趋势及重要申请人分析
燃气轮机进气管防止结冰领域全球专利申请量总体呈增长态势。最早的燃气轮机进气管防止结冰专利为1972年斯奈克玛公司申请的FR1972002693，该专利至今仍被视为燃气轮机进气管防止结冰技术的原理。此后的30年里，专利申请量缓慢，从21世纪开始申请量大幅攀升，其中2000年以后进入快速增长期，2006-2009年出现稳步波动，进入调整期，2010年以后再次进入快速增长期。申请人数量的发展趋势与申请量变化趋势基本一致（参见图6）。
在燃气轮机进气管防止结冰领域所有全球专利申请中，主要的申请人有通用电气、劳斯莱斯、空中巴士法国、联合工艺、斯奈克玛、空客和三菱株式会社等，这几个申请人的申请数量有205件，占所有申请的50.9%。其中又以通用电气公司的申请量最多，达到73件，占所有申请的18.1%，同时其申请涉及的技术类型广泛，包括热气加热防冰技术、电加热防冰技术等，同时还最先提出了利用导波能量加热防冰技术。
图6 燃气轮机进气管防冰技术全球专利申请趋势
图7 燃气轮机进气管防冰技术中国专利申请趋势
中国燃气轮机进气管防止结冰技术起步很晚，从2011年开始才有相关申请，比外国同类技术晚了接近40年（参见图7），这与我国燃气轮机技术整体发展落后与外国以及我国专利制度建立较晚都有关系。但是在11年附近申请量快速增长，从12年开始申请量又快速下降。中国燃气轮机进气管防止结冰技术主要涉及热气加热防冰和电加热防冰两类技术，主要是对已有的专利技术应用在特定发动机上的改进。
3小结
燃气轮机进气管防冰技术手段的发展趋势，从原来单一的利用热能到现在包括利用电能、电能、微波能和导波能等多技术手段，防冰效果、能量利用效率和对发动机寿命的提高不断进步，其研究和实际应用价值巨大。
尽管，我国已经重视并开始在燃气轮机进气管防冰等核心领域的研究和应用，但是现阶段国内申请人关于燃气轮机进气管防冰技术存在手段单一、防冰效果差和效率低的问题，与国外研发和应用实力差距较大是不争的事实。
参考文献
[1] 金栋. 科技致富向导[J]. 9F燃机进气加热系统研究，2011（17）：203.
[2] 李小煜，赵占峰，高帅. 燃气轮机发电技术[J]. 燃气轮机压气机防冰冻系统控制改进方案，2012（3/4）：192-194.
作者简介：胡洋洋，男，1988-，国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心审查员，主要从事燃气轮机领域的发明专利实质审查工作。
关键词：燃气轮机；进气管防冰；发展路线；申请趋势；申请人
引言
航空发动机进气道结冰是飞机结冰中最危险的情况，它不仅直接导致进气道气动外型的破坏，降低发动机推力，增大飞行负载，而且进气道内冰层一旦脱落，冰块将随气流进入发动机内部，不但会打伤具有很大转速的叶片，造成压气机的机械损伤，甚至对整台发动机造成破坏，直接引发飞行事故。因此，为了保证飞行安全，发动机防冰十分重要。
1技术发展路线
燃气轮机进气管防止结冰技术的关键在于加热进入进气管的空气，虽然到目前为止关于燃气轮机进气管防止结冰技术的国内外申请多达成百上千篇，各个申请会有这样或那样的差异，但按照不同的加热方式仍可以将其大体划分为四种不同的类型，分别为热气加热防冰技术、电加热防冰技术、微波加热防冰技术和导波能量加热防冰技术，其演进如下图1所示。
图1 燃气轮机进气管防止结冰技术演进图
1.1热气加热防冰技术
1986年5月SHORT BROTHERS PLC的专利技术EP0205283“热气管道”如图2所示，采用的技术手段是通过引气管道24从压气机级引入热空气，然后从与引气管道24相连的喷管13喷向唇缘，进而加热进气。
图2 SHORT BROTHERS PLC公司的热空气喷射直接加热唇缘式防冰技术
1.2电加热防冰技术
2008年3月埃爾塞乐公司的专利技术FR2928625“用于涡轮喷气发动机机舱的进气口唇缘”，如图3，采用的技术手段是，进气口4被分为两个部分，即一方面为进气口唇缘4a，该进气口唇缘适用于将需要供给涡轮喷气发动机的风扇和内部压缩机的空气朝向涡轮喷气发动机最佳地汇合，并且另一方面为下游结构4b，唇缘4a被安装在该下游结构上，并且设计用于将空气朝向风扇叶片进行适当引导。结构7包括壁10和电除冰装置11，壁10可以是金属的或由复合材料制成，电除冰装置11设置成与面向风扇入口的壁10的区域接触，并且设置有多个规则间隔的孔12，除冰装置11由板和电连接装置4组成，所述板包括由例如碳的导电性材料制成的蜂窝型多孔结构3，所述电连接装置被连接至多孔结构13。除冰装置11用来通过连接器（未示出）连接至下游结构4b的排气口（未示出），该连接器由电线连接至与多孔结构相接触的导电条21，22。
1.3微波加热防冰技术
1994年8月斯奈克玛公司申请的专利FR2723761A1“喷气发动机进气微波防冰系统”，如图4所示，采用的技术方案是，喷气发动机进口包括固定在外部环形结构10和中部结构20的放射状臂1，每个放射状臂通过副翼2垂直地延伸到喷气发动机轴，贯穿喷气发动机每个放射状臂1的气流被调节以用于喷气发动机的下游，外部环形波导11设置在由外部结构10和外部的内表面构成的外袖12的外表面上，波导11上有两排槽，其中外槽14处于放射状臂1之间，微波沿着波导11传导接着沿着放射状臂1传出，并在电磁能的作用下在覆盖于放射状臂1表面上的水滴或冰颗粒里面裂开，第一微波发生器15面对第一环形波导11，第二微波发生器25和横向波导26设置在中部结构里面。
图4 斯奈克玛公司的微波加热防冰技术
1.4导波能量加热防冰技术
通用电气公司2009年11月申请的专利US2011099970“利用导波能量用于防冰和/或防霜的系统”，如图5所示，采用的技术手段是，系统92包括位于空气流管道120中的多个波导通路142，该波导通路142将空气流管道120分割成许多较小的部分。在矩形的空气流管道120的情况下，波导通路142可由在空气流管道120的侧面之间延伸或延伸穿过空气流管道120的许多水平板件144形成。筛网160在空气过滤器130的前方，结合微波能量源150，筛网160，162产生受引导的、驻波微波能170，该微波能170大体上防止在空气过滤器130上形成冰和/或霜。
图5 通用电气公司的利用导波能量加热防冰技术
2专利申请趋势及重要申请人分析
燃气轮机进气管防止结冰领域全球专利申请量总体呈增长态势。最早的燃气轮机进气管防止结冰专利为1972年斯奈克玛公司申请的FR1972002693，该专利至今仍被视为燃气轮机进气管防止结冰技术的原理。此后的30年里，专利申请量缓慢，从21世纪开始申请量大幅攀升，其中2000年以后进入快速增长期，2006-2009年出现稳步波动，进入调整期，2010年以后再次进入快速增长期。申请人数量的发展趋势与申请量变化趋势基本一致（参见图6）。
在燃气轮机进气管防止结冰领域所有全球专利申请中，主要的申请人有通用电气、劳斯莱斯、空中巴士法国、联合工艺、斯奈克玛、空客和三菱株式会社等，这几个申请人的申请数量有205件，占所有申请的50.9%。其中又以通用电气公司的申请量最多，达到73件，占所有申请的18.1%，同时其申请涉及的技术类型广泛，包括热气加热防冰技术、电加热防冰技术等，同时还最先提出了利用导波能量加热防冰技术。
图6 燃气轮机进气管防冰技术全球专利申请趋势
图7 燃气轮机进气管防冰技术中国专利申请趋势
中国燃气轮机进气管防止结冰技术起步很晚，从2011年开始才有相关申请，比外国同类技术晚了接近40年（参见图7），这与我国燃气轮机技术整体发展落后与外国以及我国专利制度建立较晚都有关系。但是在11年附近申请量快速增长，从12年开始申请量又快速下降。中国燃气轮机进气管防止结冰技术主要涉及热气加热防冰和电加热防冰两类技术，主要是对已有的专利技术应用在特定发动机上的改进。
3小结
燃气轮机进气管防冰技术手段的发展趋势，从原来单一的利用热能到现在包括利用电能、电能、微波能和导波能等多技术手段，防冰效果、能量利用效率和对发动机寿命的提高不断进步，其研究和实际应用价值巨大。
尽管，我国已经重视并开始在燃气轮机进气管防冰等核心领域的研究和应用，但是现阶段国内申请人关于燃气轮机进气管防冰技术存在手段单一、防冰效果差和效率低的问题，与国外研发和应用实力差距较大是不争的事实。
参考文献
[1] 金栋. 科技致富向导[J]. 9F燃机进气加热系统研究，2011（17）：203.
[2] 李小煜，赵占峰，高帅. 燃气轮机发电技术[J]. 燃气轮机压气机防冰冻系统控制改进方案，2012（3/4）：192-194.
作者简介：胡洋洋，男，1988-，国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心审查员，主要从事燃气轮机领域的发明专利实质审查工作。