圆周密封座反向螺旋槽结构设计 相关专利状况分析报告.docx

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圆周密封座反向螺旋槽结构设计相关专利状况分析报告

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圆周密封座反向螺旋槽结构设计

相关专利状况分析报告

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2015年12月20日

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摘要

我国在民用航空发动机领域起步较晚，同国外成熟OEM企业相比，我国的航空发动机水平依然存在一定差距。

由于缺少积累，国产航空发动机的研制很大程度还需要借鉴现有成熟的产品和科研资料，因此在项目研制过程中，存在一定的知识产权风险。

此项课题的研究目的在于，以CJ-1000A前、后密封所采用的圆周密封座反向螺旋槽结构设计为研究主题，通过制定检索策略在专利库进行相关现有技术的专利检索，并针对检索结果进行了相关专利状况的分析，包括申请趋势、地域分布、主要申请人、技术分布等，最后通过专利状况的分析给出了研发创新和专利策略的相关建议，以使企业在后续的技术研发和专利申请中能够有所帮助和启发。

关键词：

航空发动机，圆周密封，螺旋槽，相关专利状况

目次

1概述

1.1技术简介

1.1.1圆周密封技术

随着航空发动机技术的发展，密封技术已成为影响发动机性能和寿命的重要因素。

自二十世纪八十年代中期以来，世界航空发动机技术领先国家纷纷将新型密封技术作为具有巨大潜力的领域，投入大量人力、物力进行深入研究，并相继开发出多种不同结构的新型密封技术。

发动机密封的工作条件除具有流体机械转子系统的典型特征外，还要承受高密封表面相对速度、高环境温度、高密封压差以及剧烈振动等各种因素引起的变形和位移。

基于此，近年来密封技术在发动机上的应用从通用的石墨圆周密封到各种新型的密封都有不同程度的发展。

[1]

圆周密封装置具有不易泄漏、质量轻、占据空间小、不受转/静子之间的轴向相对错移限制和易于装配等优点，在航空发动机主轴承腔密封上的应用已有数十年历史，而且还广泛应用于石油、化工等工业领域中。

按结构分类，圆周密封装置可分为单环、双环和多环形式。

其中，单环结构由于质量轻、摩擦发热小，更适合于航空发动机高速密封。

单环圆周密封装置是一种内径接触式密封装置，主要由密封壳体、防转销钉、圆周石墨密封件、周向拉伸弹簧、波形弹簧组件、弹性卡圈及挡板组成，如图1所示。

其中，圆周石墨密封件沿圆周均分为几段，由周向拉伸弹簧箍到旋转的密封跑道外径表面上，构成主密封界面来限制轴向滑油的泄漏；再通过波形弹簧，将石墨密封件推靠在经过研磨的密封壳体内伸凸边端面上，构成二次静密封界面来限制径向滑油的泄漏；壳体上有防转定位销钉，可以防止石墨密封件转动，并起到一定的径向浮动作用；为了限制分段环接头缝隙的泄漏，在端部设计成相互嵌入的斜接头搭接结构。

[2]

图1-1单环圆周密封装置

1.1.2圆周密封座反向螺旋槽结构设计

在发动机轴承腔中，轴承和轴上元件的滚动工作及密封跑道倒角的驱动力，可激起强烈的油气涡旋，引起局部压力增大；在封油压力不足时，会造成滑油泄漏。

为了消除或减少上述滑油泄漏，圆周密封座反向螺旋槽的设计成为了有效的解决方案之一：

在密封壳体内伸凸边端的内径表面上，设计宽齿槽和窄齿尖的粗牙反螺纹。

可以借助密封跑道工作面的搅风作用，利用旋转的惯性，使抛到螺旋槽中的油滴返回到油腔。

具体而言，由于跑道旋转，一方面使油腔内泄漏至跑道表面的滑油在离心力作用下进入反向螺旋槽中，同时也带动跑道与螺旋槽间隙内的气体同向旋转，而滑油在螺旋槽内受到的摩擦力与气体旋向相反。

通过设计反向螺旋槽的螺纹旋向，使螺摩擦力在螺纹线上的分力指向油腔，从而驱动滑油返回到油腔内。

体现这些设计特点的结构如图1-2所示。

图1-2圆周密封座反向螺旋槽结构设计

1.2技术现状与发展

1990年前，圆周密封座反向螺旋槽及其相关技术发展较为缓慢，专利申请量也较少。

1972年，美国KOPPERS公司开始在燃汽轮机上采用类似圆周密封座反向螺旋槽的结构；1977年，美国USAS公司开始改进密封环和转子结构，通过在转子和密封环上均形成便于存放润滑油的沟槽，同时将密封环的沟槽设置成令润滑油难以流出的迷宫结构，从而有效避免密封过热，同时避免了滑油泄漏。

阶段一（1991-2000年）：

技术发展主要通过改进密封结构来改善密封性能，具体涉及如下技术问题：

1）燃气轮机在启动和停止时，圆周密封难以提供较好的旋向气流来实现密封；2）圆周密封座反向螺旋槽的旋向气流会导致轴承侧的润滑油腔室的压力增大，甚至大于密封侧，反而会增加润滑油泄漏的可能；3）密封过热会引起密封组件（如密封环、转子等）的磨损和破裂等，影响密封效果，润滑油在过热的环境中还会发生结焦。

阶段二（2001-2010年）：

专利技术主要涉及以下三个方面的改进：

1）圆周密封座反向螺旋槽驱油结构的改进；2）密封组件表面驱油结构的改进；3）转子表面驱油结构的改进。

阶段三（2011年至今）：

专利技术的发展重点主要集中在以下两个方面：

1）密封座壳体与邻近空气壳体之间的分离件处的密封性；2）对密封组件或者转子进行保护性表面处理。

值得一提的是，中国的航空发动机密封技术在这一阶段也得到了极大的发展。

例如，中国航空动力机械研究所于2011年申请了一种发动机滑油腔密封结构相关的专利，其中为防止滑油腔中的滑油泄漏，在发动机中设置有两处密封结构，一是在高压空气腔内设置有石墨封严盒，石墨封严盒的周边存在的高压空气体经静子与转子之间的间隙流向滑油腔，利用高压空气的气压差对滑油腔内的滑油进行封严；二是当转子转动时，由于离心力的作用，将转子的凹槽和静子的螺纹槽内的高压空气搅动流向至滑油腔，利用高压空气的气压差防止滑油腔7内的滑油外流，从而达到对滑油腔的封严效果。

2015年，中国航空动力机械研究所还在其相关专利申请中提出了一种密封装置的设计：

在旋转轴转动时，将外界的气体通过进气孔引入密封壳体内，使得密封壳体内的压力要高于轴承腔内的压力，从而气体会经环形间隙泄漏到轴承腔内，形成气压流有效阻止轴承腔内的滑油泄漏。

1.3研究思路

1.3.1确定研究对象与内容

本课题主要研究对象是航空发动机的圆周密封座反向螺旋槽结构设计，课题的目的是为中航商用航空发动机有限责任公司提供上述主题的相关专利状况分析。

为达到研究目的，制定了针对性的检索策略，对涉及主题相关的领域进行大范围检索，基本掌握该主题下的国内外专利分布态势，了解国内外主要申请人的专利申请状况，并进行了以下方面的分析和研究：

专利发展趋势分析、专利保护地域分析、各国研发实力分析、主要申请人、发明人分析、技术分布分析、中国大陆专利状况分析、主要竞争对手专利布局分析等。

1.3.2制定检索策略

为顺利进行对研究主题的检索，尽量保证检索结果的全面和准确，制定如下检索策略。

1.3.2.1检索策略

总体上采取总分式策略，即对总体技术主题进行检索，再在总体技术主题的检索结果中进行分支的检索。

在此基础上，针对具体情况，结合采用钓鱼检索策略、引证追踪检索策略及补充检索策略等。

—钓鱼检索策略：

先找出一个简单检索要素进行检索，通过对检索结果的分析，发掘更多有效检索要素。

例如，“圆周密封”没有专门的分类号，检索时先采用“circumferentialseal”这一准确关键词进行检索，通过对检索结果的分析，提取相关分类号如F16J15/+、F01D11/+、F01D25/+等，进而继续检索。

—引证追踪检索策略：

在通过不同的检索策略得到相关的专利文献后，对其进行引证追踪检索，得到其引证与被引证文献，从中进一步寻找相关文献。

—补充检索策略：

是对检索结果的进一步补充，除了使用新引入的关键词、分类号等检索要素之外，更多地是从之前的检索结果中挖掘出重要申请人作为检索要素，以及进一步引入相关的CPC、UC等多体系分类号进行检索。

1.3.2.2检索过程简介

-初步检索

拟定一份初步的检索要素表，根据列举好的关键词、分类号以及相应的检索策略编制检索式、选定数据库，进行初步检索和浏览。

-完善检索要素及表达，修正检索式

分析初步检索的结果，从中提取更多有效的检索要素及表达，修正检索式再进行检索；之后，对检索结果进行查全率、查准率评估及去噪调整（具体方法下述）；如此反复修正检索式，以获得检索结果基本准确和全面的检索式。

查全率评估：

例如，在VEN中检索到X篇与航空发动机/燃机圆周密封技术主题相关的专利文献，用申请人入口“斯坦密封公司（STEI）”进行限定，获得相关的专利申请Y篇；在VEN中，用申请人入口“斯坦密封公司（STEI）”直接检索，然后采用与圆周密封、航空发动机/燃机相关的关键词进行限定，获得相关的专利申请Z篇，则查全率计为（Z/Y）*100%。

反复修正检索式至查全率大于90%，以期对相关专利基本没有遗漏。

查准率评估及去噪调整：

主要通过人工浏览检索结果的方式进行。

例如，从技术领域的角度，排除检索结果中非航空发动机/燃机领域的专利；从密封类型的角度，排除不属于环式密封结构的专利（刷式密封、指尖密封等）；从密封材料的角度，排除明显不适于高温、高压工况的材料（橡胶等柔性材料），进而判断检索结果基本与技术主题相关，实现查准率评估。

-完成检索，提取专利数据

运行最终修正的检索式，下载检索结果，形成专利分析原始样本和数据库，以供进一步使用。

1.3.2.3最终修正的检索式思路

选用的数据库为VEN（外文摘要库）、USTXT、WOTXT、EPTXT（外文全文库）、CNABS（中文摘要库）、CNTXT（中文全文库）。

以下以VEN为例，简述具体检索步骤：

①基于表1中各检索要素的英文表达，构造所有可能使用的检索要素块；

②采用表1所列的相关IC分类号结合圆周密封、螺旋槽相关的关键词进行检索，其中，对于圆周密封，由于相关文献的摘要及权利要求可能只记载密封结构或密封对象这两方面内容之一，因此检索时需分别从上述两方面来限定；类似地，对于螺旋槽，相关文献可能明确记载螺旋/螺纹结构，也可能仅记载槽或类似结构，因此检索时也要分别从两个方面来考虑。

③在上述第②步检索结果的基础上，视文献量多少来依次选择采用减少滑油泄漏技术效果、航空/燃烧发动机技术领域、石墨/碳密封材料等检索要素进行进一步限定，以将检索结果文献量缩减至可浏览的范围。

④补充检索，具体分为采用表1所列的相关CPC、UC分类号进行检索，以及对重要申请人进行针对性检索。

最后，就文献筛选标准而言，一方面要找出所有涉及待评议方案即圆周密封座反向螺旋槽结构的相关文献；另一方面，还包括与待评议方案相关的外围专利技术（属于航空/燃烧发动机圆周密封技术领域，不限于反向螺旋槽结构，但应当是从其他角度/采用其他技术手段解决滑油泄漏的技术问题，或具有消除或减少滑油泄漏的技术效果），以期为待评议方案后续可能的研发方向提供借鉴。

1.3.2.4专利数据库资源与专利数据的起止时间

选用的数据库为VEN（外文摘要库）、USTXT、WOTXT、EPTXT（外文全文库）、CNABS（中文摘要库）、CNTXT（中文全文库）。

课题组于2015年11月23日完成了检索，本文中统计的专利数量均为2015年11月23日之前公开的专利申请。

1.3.2.5检索要素确定与表达

表1检索要素表

1.4分析方法

为掌握国内外与课题主题相关的专利申请的整体情况，课题组在全面检索定量统计的基础上进行定性分析，以获得国内外对于课题主题研究和创新较为集中的技术点，从而帮助企业了解相关行业技术发展的动态、现有技术所处成长阶段、竞争最热的技术领域以及国内外主要竞争对手的重点研究方向，从而为企业目标选定和战略布局提供一定的依据和支持。

与此同时，针对企业需求对重点专利进行了深入分析，对所需求的关键技术的专利文献逐篇进行阅读，着重对核心专利按照其技术问题、技术手段等进行分类研究，以使得企业尽可能多地获得当前较为活跃的关键技术的专利情报，帮助研究人员获得最新的专利技术信息，调整研究方向，避免重复研究，同时以期有助于启发研究人员的创新思路，缩短研究开发时间并掌握竞争对手的技术发展状况，以提高企业自我创新能力。

1.4.1分析样本的不完全性

数据库部分数据收录不完整的说明：

本文统计的专利申请量少于实际申请量，原因是发明专利申请通常自申请日起满18个月才能公开（要求提前公开的除外）；PCT专利申请可能自申请日起30个月甚至更长时间之后才能进入国家阶段，导致与之相对应的国家公布更晚；实用新型专利申请在授权后才能获得公布，其公布日的滞后程度取决于审查周期的长短。

1.4.2分析样本的标引

下文所有技术的统计、分析只限于上述确定的数据范围中的专利文献。

课题组对这些专利文献进行了逐篇阅读，并按照申请号、申请日、公开号、公开日、优先权号、优先权日、国别、申请人、发明人、技术手段、技术问题、相关聚类、附图、法律状态等角度进行了标引。

2圆周密封座反向螺旋槽相关专利状况

2.1发展趋势分析

图2-1-1全球历年专利申请数量变化

图2-1-1是圆周密封座反向螺旋槽相关专利的全球历年专利申请数量变化图。

从图中可以看出，涉及圆周密封座反向螺旋槽结构及其相关设计的专利申请最早起于1951年，至1970年，相关专利申请量偏少，技术起步缓慢；自1970年之后约15年期间，相关专利申请量开始有所增长，但每年的专利申请量仍然较少，属于缓慢发展期；从1986年开始，相关专利申请开始出现大幅增长，并且在2007年前后达到申请高峰期，相关专利全球申请量达到40件，进入快速发展期；之后，申请量虽有所减少，但总体发展趋势趋于稳定。

2000年至2013年，专利申请量整体增长迅速，但分别于2004年前后和2009年前后出现了两次较大幅度的降低，这可能与当时发生的传染性非典型肺炎事件以及全球金融危机有关。

2014年后，申请量呈现降低态势，这与发明专利申请公开时间滞后有关，2014及2015年的大部分发明专利申请还处于未公开和未收录状态，故越接近检索截止日的年份，其统计数据受上述公开因素的影响程度越大，因此本文中相关数据统计所显示的2014、2015年申请数据并不准确。

2.2专利保护地域分析

2.2.1全球专利申请国家分布

图2-2-1全球专利申请国家分布

图2-2-1为圆周密封座反向螺旋槽结构及其相关设计的全球专利申请国家分布图。

从图中可以看出，相关专利申请分布最多的国家依次为美国（US）、欧洲（EP）、德国（DE）、日本（JP）、中国（CN）和加拿大（CA），这其中包括5个发达国家和1个发展中国家。

可以认为，这些国家也是航空发动机技术发展最为成熟或近年来发展最快的，这些国家对航空发动机技术领域的研发投入很大，尤其是美国，多家大型美国企业如通用、联合工艺、斯坦密封等均涉足该领域，此外欧洲亦有斯奈克玛、劳斯莱斯等发动机巨头，足以说明相关领域的主要技术仍被掌握在欧美申请人手中。

同时，全球各大申请人在这些国家和地区的专利申请和布局也最为密集，上述6个国家的专利申请量已占到了全球申请总量的80%，仅美国的专利申请量就占到了全球申请总量的31%，接下来包括中国在内的几个国家申请量接近，分别是：

中国6%，日本8%，德国9%以及加拿大6%，这亦体现出近年来欧美知名企业开始关注国际专利技术保护，相应地区如中国的专利申请甚至发生了从无到有的变化。

在占全球总量20%的其它国家中，英国占4%，法国和韩国各占2%，可见其它国家针对该领域的专利申请均有涉及，且数量相差不是很大。

2.2.2主要专利申请国家历年专利申请量分析

图2-2-2主要专利申请国家历年专利申请量

图2-2-2a加拿大历年专利申请量图2-2-2b中国历年专利申请量

图2-2-2c德国历年专利申请量图2-2-2d欧洲历年专利申请量

图2-2-2e日本历年专利申请量图2-2-2f美国历年专利申请量

图2-2-2是从图2-2-1的结果中选取申请量居于前列的国家，进一步绘制出的相关国家历年专利申请量图。

从图中可以看出，由于圆周密封座反向螺旋槽结构及其相关设计的技术点较为具体细微，在这方面做出改进的专利数量相对较少，如图2-2-2所示，申请量最多的6个国家中，只有美国的历年申请量达到两位数，除美国之外的其他国家的申请量均不多，这也与美国最先提出这方面的专利申请、技术发展领先有关；中国的专利申请起于2006年，明显滞后于其他发达国家，这可能与中国建立专利制度的时间较晚有关，随着欧美知名企业近年来对于在华专利技术保护的关注程度日益增加，在华申请量总体呈上升趋势；申请量起步较早的国家总体而言发展趋势较为稳定，没有太大的波动。

2.2.3全球专利技术分布

图2-2-3a全球专利技术分布（一级聚类）

在发动机中，由于润滑油从润滑油侧泄漏并进入高温煤气侧，会导致石油焦化或发动机起火。

具体来说，当飞机使用石油润滑剂时，石油与煤气混合可能会导致石油焦化，或使石油副产品被加热到高温状态，从而改变石油的化学成分，对燃气涡轮机造成不利。

石油焦化还会污染油封的表面，并阻止润滑舱内的轴承正常润滑，同时在圆周密封中密封环与转子之间的摩擦会产生热量，这些热量将会导致密封环的伤害，同时也会使油液在壁面上产生焦炭。

另外，热量还会导致密封环以及跑道上的凹槽和涂层破裂，导致润滑油的泄漏。

正是由于上述问题的存在，目前全球航空发动机圆周密封技术相关的专利申请的改进主要集中在冷却和增加密封性这两个方面。

其中，冷却方面的改进主要为在圆周密封环上开设槽供冷却气体通过，或在转子上开设冷却液通道等，按聚类可归纳为冷却回路设计；增加密封性方面的改进则主要包括以下三个方面：

一是通过改变密封环结构、增加辅助密封元件或更改安装方式的密封组件设计，二是以圆周密封座反向螺旋槽结构为代表的密封座设计，三是增加辅助润滑、协助排油结构的转子设计。

图2-2-3a为上述一级聚类专利技术分布图。

从图中可以看出，密封组件设计的专利申请最多，冷却回路设计的专利申请量最少，密封座设计和转子设计的专利申请数量相当。

可见，在圆周密封座反向螺旋槽结构及其相关设计的专利技术革新方面，密封结构的改进是研发重点，且涉及较多的是密封组件结构的改进，对于其他方面的改进还涉及密封装配的改进，整体上呈现出专利申请涉及面广的特点。

图2-2-3b全球专利技术分布（二级聚类）

图2-2-3b是二级聚类专利技术分布图，即在上述一级聚类的基础上，进一步将密封组件设计细化为安装方式、附加密封、元件结构的改进，以及将转子设计细化为辅助润滑与协助排油的改进。

其中，涉及元件结构方面的专利申请最多，而涉及安装方式、附加密封的专利申请数量大致相等，可见在密封组件设计中，主要的改进重点在于元件结构尤其指密封环结构的改进；对于转子设计方面的改进，协助排油方面的改进大于辅助润滑，这反映出该领域的主要研究方向在于减少滑油泄漏。

2.3各国研发实力分析

2.3.1原创国家/地区分布

图2-3-1原创国家分布

原创国家申请是申请优先权所在国家的申请，其不包含同族申请，图2-3-1为圆周密封座反向螺旋槽结构及其相关设计的原创国家分布图。

从图中可以看出，该领域的原创国家主要为美国、日本、英国、法国、欧洲、德国和中国，其中美国的技术产出最多，占总量的61.9%，可以说处于技术垄断地位，这与美国先进雄厚的航空发动机、燃气轮机技术实力是密不可分的。

2.3.2主要技术产出国家历年专利量分析

图2-3-2主要技术产出国家历年专利申请量

图2-3-2a中国历年专利申请量图2-3-2b德国历年专利申请量

图2-3-2c欧洲历年专利申请量图2-3-2d法国历年专利申请量

图2-3-2e英国历年专利申请量图2-3-2f日本历年专利申请量

图2-3-2g美国历年专利申请量

图2-3-2为圆周密封座反向螺旋槽结构及其相关设计的主要技术产出国家历年专利申请量图。

从图中可以看出，总体上看，上述主要技术产出国家专利申请量呈递增趋势，1990年后进入快速增长时期，相对地，美国的申请量和增长趋势明显强于其它国家和地区，显然这与美国先进雄厚的发动机、燃气轮机技术发展较早有关，英国、法国、欧洲、德国的专利申请发展也较早，但专利申请数量却不高，趋势较为平稳，中国的专利申请明显滞后于其他国家，在2006年申请量才有较大幅度上升。

2.3.3原创国家专利技术分布

图2-3-3a原创国家专利技术分布（一级聚类）

图2-3-3b原创国家专利技术分布（二级聚类）

图2-3-3a、图2-3-3b分别是主要原创国家的一、二级聚类技术分布图。

从图中可以看出，美国的技术发展相对全面，在冷却回路设计、密封组件设计、密封座设计与转子设计方面均有涉及的改进；中国的原创技术目前尚未发现针对冷却回路方面的设计。

整体来看，密封组件结构方面的改进，尤其是元件结构的改进仍然是研发热点。

对于以圆周密封座反向螺旋槽结构为代表的密封座设计改进方向，相关专利申请的重点主要在于协助排油的结构改进，即对于驱油效果增益的研究，其目的在于解决由空气压差不足导致的密封性不足、润滑油泄漏的问题。

2.4主要申请/专利权人分析

2.4.1申请/专利权人排名及相对技术实力分析

图2-4-1申请人/专利权人排名及技术实力分布

图2-4-1为圆周密封座反向螺旋槽结构及其相关设计的申请人/专利权人排名及技术实力分布。

从图中可以看出，各主要申请人均涉及密封组件的改进，且数量明显多于其他技术构成；斯坦密封公司、联合工艺公司的发明专利申请量明多于其他申请人，专利申请量排在第三名的是通用公司，以上三家美国企业占据榜首表明美国在圆周密封的专利技术方面领先于其他国家。

目前国内申请人以中国航空公司为主，其申请主要涉及密封组件和密封座的改进，中国专利申请量少于其他申请人，这是由于国外企业发展航空发动机技术较早，技术领先且先进技术的积累较为雄厚，而国内申请人起步晚，技术积累相对薄弱。

2.4.2主要申请/专利权人历年专利申请量分析

图2-4-2主要申请/专利权人历年专利申请量

图2-4-2为主要申请/专利权人斯奈克玛、劳斯莱斯、通用公司、斯坦密封、联合工艺公司、中国航空公司的历年专利申请量图。

总体申请量不大，仅有斯坦密封公司在2011年的申请量达到12件，其余每年的申请量都是个位数；从时间跨度上看，除中国航空公司之外，其他申请/专利权人的申请量分布相对平均。

通用公司从1954年开始申请涉及圆周密封技术的发明专利，时间最早；斯奈克玛、劳斯莱斯、斯坦密封、联合工艺公司则是从20世纪90