開欄的話：大國重器一定要掌握在自己手里。近年來，中國空間站全面建成、時速600公里的高速磁浮試驗樣車成功試跑、白鶴灘水電站全部投產、我國西部地區首臺“華龍一號”投產發電……這些“國之重器”彰顯著自主創新的“中國方案”“中國智慧”和“中國力量”。本報特推出“大國重器背后的知識產權故事”專欄，講述“國之重器”的攻堅克難歷程，關鍵核心技術突破以及自主知識產權的“硬核”力量。
“成了成了！”今年3月8日，在廣東華電清遠華僑園燃氣分布式能源站，隨著屏幕上功率曲線不斷攀升，國內首臺F級50兆瓦重型燃氣輪機（下稱G50燃機）成功完成72+24小時試運行，由此拉開了商業化的序幕。這一刻，在場守候多時的G50燃機研發團隊，迎來期待已久的掌聲！
“自主知識產權G50燃機來之不易。”在接受中國知識產權報采訪時，東方電氣集團東方汽輪機有限公司（下稱東方汽輪機）G50發展中心副主任田曉晶感慨地說，14年的潛心研發，終于啃下了重型燃氣輪機國產化這塊“硬骨頭”，填補了自主燃氣輪機應用領域的空白，增添了近50件核心專利。至此，G50燃機也被業界譽為中國的“爭氣機”。
越挫越勇終破技術封鎖
2022年12月30日，田曉晶神采奕奕走進辦公室，“同志們，告訴大家一個好消息，G50燃機再度被評為‘央企十大國之重器’啦！”話音剛落，大家發出了熱烈的歡呼聲，連續兩年獲此殊榮，印證了他們堅持自主創新、突破國外技術重重封鎖的艱難歷程……
重型燃氣輪機是一國工業生產能力和制造業水平的重要體現。然而，就是這樣一套裝備，其核心專利在G50燃機研制出來之前一直被外企“卡脖子”。田曉晶說，我國啟動重型燃氣輪機項目研發時，國外幾大巨頭幾乎壟斷了全球市場。由于外企布局了大量的專利，構筑起嚴密的技術壁壘，因此國內外用戶不得不付出高額的設備運維費用。
其中，最容易被“卡脖子”的核心技術，正是重型燃氣輪機的“心臟”——燃燒室。而旋流器則是燃燒室的核心零部件之一，可產生旋渦流動形成回流以穩定火焰，同時促進燃料與空氣的混合、保證能量排放要求。在研發之初，工程師就深諳，這些核心技術是要不來、買不來、討不來的！核心技術受制于人是最大的隱患，必須把知識產權掌握在自己手里。
首款G50燃機的燃燒室在順利運行之前，一切都是未知數。“是騾子是馬，拉出來遛遛。”田曉晶說，在燃燒室的單筒點火試驗按鈕按下的一瞬間，屏幕上的火焰強度信號“唰”地沖了上去，點火成功啦！燃燒的火焰也點亮了田曉晶團隊后續的研發之路。
單筒點火試驗只是成功的第一步，燃燒室還需要經歷從點火“走到”滿負荷的重重考驗。“在開展燃燒器部件試驗時，我們遇到了約3000赫茲的高頻振蕩。當刺耳的聲音穿透層層隔音防護傳至集控室時，大家意識到這就是傳說中的‘熱聲振蕩尖叫’。”田曉晶回憶說，當時試驗后，許多設備部件受損，出現了裂紋，試驗一度陷入低谷。
面對前所未有的難題，團隊沒有氣餒，而是越挫越勇，重拾信心查閱包括專利文獻在內的資料，從原理入手，不斷嘗試匹配不同的燃料與空氣比例。經過數天的調試，他們終于找到了最佳燃料與空氣匹配比例，成功實現了預期試驗目標。
“這一系列的技術突破來之不易，所以在G50燃機走上市場的前夕，擁有旋流器技術的專利權，對于我們而言，是避免涉及侵權糾紛的重要一環。”東方汽輪機副總經理、全國重點實驗室主任方宇說，在2018年上半年，部門對燃燒室的核心專利技術展開布局，當時圍繞燃燒室旋流器提交了2件發明專利申請，分別為“一種燃氣輪機燃燒器雙級徑向旋流器”和“一種燃氣輪機燃燒室旋流器及組件”，前者于2021年1月獲得發明專利授權，而后者最終以“不具備創造性”被駁回。
“從這件事中，我們也得到啟發：布局專利要趁早，同時也要練好專利‘真功夫’。”方宇深有感觸地說，幸運的是，雙級徑向旋流器相關發明專利申請獲得授權，沒有影響到燃機的商業化。與此同時，部門對燃燒室的噴嘴結構、尾筒結構等提交了發明專利申請，較好地保護了自主知識產權。
久久為功產業加速發展
歷經4000多個日日夜夜，研發團隊不僅啃下了燃燒室這塊“硬骨頭”，同時也突破了另一個核心部件——壓氣機的技術瓶頸。壓氣機研發團隊成員王歡樂介紹，燃氣輪機98%的工作介質都由壓氣機提供，因此壓氣機本身的“肺活量”必須得到保障。
其中，準確測量超大流量一直是業內公認的難題，而進氣流量“肺活量”則是分析一切問題的基礎。囿于當時科技水平，市面上又很難找到適用的流量計，導致壓氣機試驗進程一度停滯數月。
關鍵時刻，壓氣機團隊負責人胡勝波站了出來，“買不到，就自己設計！”通過認真研習各類流量計文獻，工程師完成了進氣流量計的設計與實流標定試驗，并成功應用于壓氣機試驗當中，解決了壓氣機試驗的又一難題，并在相關領域提交了“一種氣動試驗用空氣流量測量裝置”等專利申請。
2009年開始50兆瓦重型燃氣輪機的自主研發、2013年完成總體結構設計、2014年建成國內首批壓氣機實驗平臺、2018年建成國內最大功率燃氣輪機整試驗臺……14年來，東方汽輪機創造性地發展了具有自身技術特點的設計結構、工藝方法，共提交100余件專利申請，其中授權專利近50件，全面覆蓋了燃氣輪機三大部件——壓氣機、燃燒室、透平的結構及制造工藝。
“從專利檢索數據看，東方電氣在G50燃機的研制方面，每攻克一項技術難題便積極提交相關專利申請，可謂非常注重核心專利布局。”國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心機械部動力機械室審查員周紅葉對記者表示，從核心專利布局看，其專利申請量最多的是涉及透平葉片制造，2013年開始就提交了多件涉及高溫合金葉片制造的發明專利申請；2014年至2017年，東方汽輪機提交了多件涉及精密鑄造方法的發明專利申請，這些專利創造有效解決了高溫部件透平葉片制造過程中遇到的各種問題。
專利創造之路上從來沒有坦途和捷徑，只有不避艱險、不怕困難，敢于面對挫折和失敗，才能勇攀技術高峰。在自身發展的同時，東方電氣集團培養和帶動燃氣輪機相關產業鏈上下游創新型企業300多家，實現了2萬多個零部件全部國產化，保障了產業鏈的自主可控。
“未來，我們將繼續不遺余力地走自主創新之路，為常規發電、動力、熱電聯產和分布式能源等不同應用場景，提供性能優異的動力源泉，提高國產燃機技術先進性，助力國產燃機取得更大的輝煌。”田曉晶說。（本報記者 陳景秋 實習記者 劉弘一）
附：重型燃氣輪機的專利布局
國內主要申請人專利申請情況
重型燃氣輪機是發電和驅動領域的核心設備，其設計、制造難度極大，被譽為裝備制造業“皇冠上的明珠”。在新時期科技強國戰略指引下，我國重型燃氣輪機行業進入了自主研制、創新發展、戰略轉型的階段，與此相關的知識產權保護也越來越受到重視。
燃氣輪機包括壓氣機、燃燒器和透平三大部分，其設計研發、制造及試驗等環節均存在諸多難點，自主研制重型燃氣輪機必須掌握各環節的關鍵技術。通用電氣公司、三菱重工業株式會社和西門子股份公司占有國際市場上大部分市場份額，均具有完備的自主研制重型燃氣輪機的能力，在世界上很多國家進行了專利布局。筆者通過中國專利全文數據庫檢索燃氣輪機相關專利發現，通用電氣公司、三菱重工業株式會社和西門子股份公司的相關專利申請量較大，國外企業對熱部件制造等核心技術嚴密封鎖。可見，我國在研制重型燃氣輪機的過程中必須自主攻克高溫部件的制造技術難關。
如圖所示，當前，我國的重型燃氣輪機企業主要有東方電氣集團（下稱東方電氣）、上海電氣集團（包括上海電氣燃氣輪機、上海電氣電站設備）、哈爾濱電氣集團（下稱哈爾濱電氣）、中國聯合重型燃氣輪機技術有限公司（下稱中國重燃）。東方電氣的相關專利申請主要分布在IPC分類號B22C、G01M等，其在制造、試驗和設計研發三方面均進行了專利布局；哈爾濱電氣的相關專利申請主要分布在F01D、G01M、F01K、F02C等，其主要涉及試驗和設計研發兩個方面；上海電氣集團的專利申請主要分布在F02C、F01D等，其主要涉及設計研發方面；中國重燃的專利申請主要分布在F23R、F02C等，其主要涉及設計研發和高溫合金材料方面。
東方電氣自2009年啟動G50重型燃氣輪機項目后，在整個研制過程中，提交了相關的專利申請，申請量最多的是涉及透平葉片制造，2013年就提交了多件涉及高溫合金葉片制造的發明專利申請（公告號：CN103143678B），2014年至2017年提交了多件涉及精密鑄造方法的發明專利申請（公告號：CN105945220B），其從葉片的加工制造工藝、模具的制作等多個方面進行了專利布局。上海電氣電站設備涉及汽輪機相關技術的專利申請較多，如其2013年提交了“一種聯合循環的熱電聯供系統”專利申請（公告號：CN103452611B），涉及燃氣-蒸汽聯合循環，上海電氣燃氣輪機涉及燃燒器相關的技術較多，其2016年至2021年先后提交了多件專利申請，涉及燃燒器結構和燃燒的控制（公告號：CN105588144B）；哈爾濱電氣提交了涉及葉片設計和試驗的專利申請，如2018年提交的“一種新型燃機透平第一級動葉”（公告號：CN208106503U）和“一種用于葉片熱機械疲勞-蠕變的試驗裝置”（公告號：CN208254797U）專利申請；中國重燃自2017年起提交了很多涉及燃燒器技術的發明專利申請，如“燃燒器和無焰燃燒控制方法”（公告號：CN107575893B）和“噴嘴、燃燒室和燃氣輪機”（公告號：CN113983496B）。
從國內專利布局來看，企業技術各有優勢，但國內企業關于整機的布局設計方面的專利申請量較少。隨著我國自主研制的首臺重型燃氣輪機機組的成功商用，我國重型燃氣輪機技術將快速提升，為避免知識產權糾紛，建議我國的相關企業在自主研發的過程中根據目標市場提前進行相關專利布局。（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心 周紅葉）
