潜心研发14年，中国“争气机”背后有着怎样的故事？
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潜心研发14年，中国“争气机”背后有着怎样的故事？
发布时间：2023.04.04 新闻来源：
大国重器一定要掌握在自己手里。近年来，中国空间站全面建成、时速600公里的高速磁浮试验样车成功试跑、白鹤滩水电站全部投产、我国西部地区首台“华龙一号”投产发电……这些“国之重器”彰显着自主创新的“中国方案”“中国智慧”和“中国力量”。本报特推出“大国重器背后的知识产权故事”专栏，讲述“国之重器”的攻坚克难历程，关键核心技术突破以及自主知识产权的“硬核”力量。 “成了成了！”今年3月8日，在广东华电清远华侨园燃气分布式能源站，随着屏幕上功率曲线不断攀升，国内首台F级50兆瓦重型燃气轮机（下称G50燃机）成功完成72+24小时试运行，由此拉开了商业化的序幕。这一刻，在场守候多时的G50燃机研发团队，迎来期待已久的掌声！ “自主知识产权G50燃机来之不易。”在接受中国知识产权报采访时，东方电气集团东方汽轮机有限公司（下称东方汽轮机）G50发展中心副主任田晓晶感慨地说，14年的潜心研发，终于啃下了重型燃气轮机国产化这块“硬骨头”，填补了自主燃气轮机应用领域的空白，增添了近50件核心专利。至此，G50燃机也被业界誉为中国的“争气机”。 越挫越勇终破技术封锁 2022年12月30日，田晓晶神采奕奕走进办公室，“同志们，告诉大家一个好消息，G50燃机再度被评为‘央企十大国之重器’啦！”话音刚落，大家发出了热烈的欢呼声，连续两年获此殊荣，印证了他们坚持自主创新、突破国外技术重重封锁的艰难历程…… 重型燃气轮机是一国工业生产能力和制造业水平的重要体现。然而，就是这样一套装备，其核心专利在G50燃机研制出来之前一直被外企“卡脖子”。田晓晶说，我国启动重型燃气轮机项目研发时，国外几大巨头几乎垄断了全球市场。由于外企布局了大量的专利，构筑起严密的技术壁垒，因此国内外用户不得不付出高额的设备运维费用。 其中，最容易被“卡脖子”的核心技术，正是重型燃气轮机的“心脏”——燃烧室。而旋流器则是燃烧室的核心零部件之一，可产生旋涡流动形成回流以稳定火焰，同时促进燃料与空气的混合、保证能量排放要求。在研发之初，工程师就深谙，这些核心技术是要不来、买不来、讨不来的！核心技术受制于人是最大的隐患，必须把知识产权掌握在自己手里。 首款G50燃机的燃烧室在顺利运行之前，一切都是未知数。“是骡子是马，拉出来遛遛。”田晓晶说，在燃烧室的单筒点火试验按钮按下的一瞬间，屏幕上的火焰强度信号“唰”地冲了上去，点火成功啦！燃烧的火焰也点亮了田晓晶团队后续的研发之路。 单筒点火试验只是成功的第一步，燃烧室还需要经历从点火“走到”满负荷的重重考验。“在开展燃烧器部件试验时，我们遇到了约3000赫兹的高频振荡。当刺耳的声音穿透层层隔音防护传至集控室时，大家意识到这就是传说中的‘热声振荡尖叫’。”田晓晶回忆说，当时试验后，许多设备部件受损，出现了裂纹，试验一度陷入低谷。 面对前所未有的难题，团队没有气馁，而是越挫越勇，重拾信心查阅包括专利文献在内的资料，从原理入手，不断尝试匹配不同的燃料与空气比例。经过数天的调试，他们终于找到了最佳燃料与空气匹配比例，成功实现了预期试验目标。 “这一系列的技术突破来之不易，所以在G50燃机走上市场的前夕，拥有旋流器技术的专利权，对于我们而言，是避免涉及侵权纠纷的重要一环。”东方汽轮机副总经理、全国重点实验室主任方宇说，在2018年上半年，部门对燃烧室的核心专利技术展开布局，当时围绕燃烧室旋流器提交了2件发明专利申请，分别为“一种燃气轮机燃烧器双级径向旋流器”和“一种燃气轮机燃烧室旋流器及组件”，前者于2021年1月获得发明专利授权，而后者最终以“不具备创造性”被驳回。 “从这件事中，我们也得到启发：布局专利要趁早，同时也要练好专利‘真功夫’。”方宇深有感触地说，幸运的是，双级径向旋流器相关发明专利申请获得授权，没有影响到燃机的商业化。与此同时，部门对燃烧室的喷嘴结构、尾筒结构等提交了发明专利申请，较好地保护了自主知识产权。 久久为功产业加速发展 历经4000多个日日夜夜，研发团队不仅啃下了燃烧室这块“硬骨头”，同时也突破了另一个核心部件——压气机的技术瓶颈。压气机研发团队成员王欢乐介绍，燃气轮机98%的工作介质都由压气机提供，因此压气机本身的“肺活量”必须得到保障。 其中，准确测量超大流量一直是业内公认的难题，而进气流量“肺活量”则是分析一切问题的基础。囿于当时科技水平，市面上又很难找到适用的流量计，导致压气机试验进程一度停滞数月。 关键时刻，压气机团队负责人胡胜波站了出来，“买不到，就自己设计！”通过认真研习各类流量计文献，工程师完成了进气流量计的设计与实流标定试验，并成功应用于压气机试验当中，解决了压气机试验的又一难题，并在相关领域提交了“一种气动试验用空气流量测量装置”等专利申请。 2009年开始50兆瓦重型燃气轮机的自主研发、2013年完成总体结构设计、2014年建成国内首批压气机实验平台、2018年建成国内最大功率燃气轮机整试验台……14年来，东方汽轮机创造性地发展了具有自身技术特点的设计结构、工艺方法，共提交100余件专利申请，其中授权专利近50件，全面覆盖了燃气轮机三大部件——压气机、燃烧室、透平的结构及制造工艺。 “从专利检索数据看，东方电气在G50燃机的研制方面，每攻克一项技术难题便积极提交相关专利申请，可谓非常注重核心专利布局。”国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心机械部动力机械室审查员周红叶对记者表示，从核心专利布局看，其专利申请量最多的是涉及透平叶片制造，2013年开始就提交了多件涉及高温合金叶片制造的发明专利申请；2014年至2017年，东方汽轮机提交了多件涉及精密铸造方法的发明专利申请，这些专利创造有效解决了高温部件透平叶片制造过程中遇到的各种问题。 专利创造之路上从来没有坦途和捷径，只有不避艰险、不怕困难，敢于面对挫折和失败，才能勇攀技术高峰。在自身发展的同时，东方电气集团培养和带动燃气轮机相关产业链上下游创新型企业300多家，实现了2万多个零部件全部国产化，保障了产业链的自主可控。 “未来，我们将继续不遗余力地走自主创新之路，为常规发电、动力、热电联产和分布式能源等不同应用场景，提供性能优异的动力源泉，提高国产燃机技术先进性，助力国产燃机取得更大的辉煌。”田晓晶说。（本报记者 陈景秋 实习记者 刘弘一） 附：重型燃气轮机的专利布局 
国内主要申请人专利申请情况 重型燃气轮机是发电和驱动领域的核心设备，其设计、制造难度极大，被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”。在新时期科技强国战略指引下，我国重型燃气轮机行业进入了自主研制、创新发展、战略转型的阶段，与此相关的知识产权保护也越来越受到重视。 燃气轮机包括压气机、燃烧器和透平三大部分，其设计研发、制造及试验等环节均存在诸多难点，自主研制重型燃气轮机必须掌握各环节的关键技术。通用电气公司、三菱重工业株式会社和西门子股份公司占有国际市场上大部分市场份额，均具有完备的自主研制重型燃气轮机的能力，在世界上很多国家进行了专利布局。笔者通过中国专利全文数据库检索燃气轮机相关专利发现，通用电气公司、三菱重工业株式会社和西门子股份公司的相关专利申请量较大，国外企业对热部件制造等核心技术严密封锁。可见，我国在研制重型燃气轮机的过程中必须自主攻克高温部件的制造技术难关。 如图所示，当前，我国的重型燃气轮机企业主要有东方电气集团（下称东方电气）、上海电气集团（包括上海电气燃气轮机、上海电气电站设备）、哈尔滨电气集团（下称哈尔滨电气）、中国联合重型燃气轮机技术有限公司（下称中国重燃）。东方电气的相关专利申请主要分布在IPC分类号B22C、G01M等，其在制造、试验和设计研发三方面均进行了专利布局；哈尔滨电气的相关专利申请主要分布在F01D、G01M、F01K、F02C等，其主要涉及试验和设计研发两个方面；上海电气集团的专利申请主要分布在F02C、F01D等，其主要涉及设计研发方面；中国重燃的专利申请主要分布在F23R、F02C等，其主要涉及设计研发和高温合金材料方面。 东方电气自2009年启动G50重型燃气轮机项目后，在整个研制过程中，提交了相关的专利申请，申请量最多的是涉及透平叶片制造，2013年就提交了多件涉及高温合金叶片制造的发明专利申请（公告号：CN103143678B），2014年至2017年提交了多件涉及精密铸造方法的发明专利申请（公告号：CN105945220B），其从叶片的加工制造工艺、模具的制作等多个方面进行了专利布局。上海电气电站设备涉及汽轮机相关技术的专利申请较多，如其2013年提交了“一种联合循环的热电联供系统”专利申请（公告号：CN103452611B），涉及燃气-蒸汽联合循环，上海电气燃气轮机涉及燃烧器相关的技术较多，其2016年至2021年先后提交了多件专利申请，涉及燃烧器结构和燃烧的控制（公告号：CN105588144B）；哈尔滨电气提交了涉及叶片设计和试验的专利申请，如2018年提交的“一种新型燃机透平第一级动叶”（公告号：CN208106503U）和“一种用于叶片热机械疲劳-蠕变的试验装置”（公告号：CN208254797U）专利申请；中国重燃自2017年起提交了很多涉及燃烧器技术的发明专利申请，如“燃烧器和无焰燃烧控制方法”（公告号：CN107575893B）和“喷嘴、燃烧室和燃气轮机”（公告号：CN113983496B）。 从国内专利布局来看，企业技术各有优势，但国内企业关于整机的布局设计方面的专利申请量较少。随着我国自主研制的首台重型燃气轮机机组的成功商用，我国重型燃气轮机技术将快速提升，为避免知识产权纠纷，建议我国的相关企业在自主研发的过程中根据目标市场提前进行相关专利布局。（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心 周红叶）
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