燃氣渦輪航空發(fā)動機與發(fā)動機油規(guī)格

王 平

摘要:概述了航空發(fā)動機發(fā)展歷程與現(xiàn)代航空發(fā)動機的發(fā)展現(xiàn)狀。介紹了現(xiàn)代航空發(fā)動機油的規(guī)格發(fā)展,以及對航空發(fā)動機潤滑油性能的主要要求。通過分析,指出了目前國際上主要的航空發(fā)動機油規(guī)格仍然以美國軍標規(guī)格為主導;提出了我國自主研究開發(fā)航空發(fā)動機油,需要重點考慮油品在高低溫條件下的貯存穩(wěn)定性、氧化安定性和腐蝕性,同時需要同步研制開發(fā)滿足現(xiàn)代航空發(fā)動機油所需求的新戊基多元醇酯型合成基礎油。

關鍵詞:航空;發(fā)動機;發(fā)動機油;規(guī)格

中圖分類號:TE626.34 文獻標識碼:A

Aircraft Turbine Engine and the Specification of Engine Oil

WANG Ping

(SINOPEC Lubricant Company, Beijing 100085, China)

Abstract:The developed course of aircraft engine and the developing actuality of modern aircraft engine are summarized. The development of modern aircraft engine oil specification and the main demands on the properties of aircraft engine oil are introduced. By analysis, it is pointed out that MIL specification is still now the dominant of aircraft engine oil specification internationally. Moreover, for the independent R&D of aircraft engine oil in China, it is necessary to consider mainly the storage stability at high & low temperature, oxidation stability and corrosiveness; At the same time, the R&D of neopentyl polyol ester type synthetic base oil to meet modern aircraft engine oil is also needed.

Key words:aircraft; engine; engine oil; specification

0 前言

2008年5月11日,國家控股的大型客機公司——中國商用飛機有限責任公司在上海成立,標志著中國大飛機項目已經(jīng)正式啟動。航空發(fā)動機作為大型飛機的核心組件之一,是高科技的象征。萊克兄弟于1903年首次進行的動力飛行,開啟了人類航空的歷史,最初作為飛機動力的航空發(fā)動機是活塞式的,在經(jīng)歷二次大戰(zhàn)的洗禮后,這種活塞式發(fā)動機技術(shù)發(fā)展到了頂峰;伴隨世界范圍內(nèi)的經(jīng)濟增長,這種活塞式發(fā)動機已經(jīng)不能適應高速、高續(xù)航能力、低耗能的大型飛機,如運輸機、客機的需要,并隨著航空渦輪發(fā)動機的出現(xiàn),逐步退出航空運輸領域。由此人類航空開始進入噴氣時代。經(jīng)過約60年的技術(shù)進步,渦輪發(fā)動機已經(jīng)從渦輪噴氣發(fā)動機發(fā)展到渦輪風扇發(fā)動機,大大提高了飛機的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

隨著航空發(fā)動機技術(shù)發(fā)展、進步和性能提高,處于工作狀態(tài)下發(fā)動機苛刻度也不斷提高,如現(xiàn)代渦輪風扇發(fā)動機局部部件需要在約1200~1500 ℃下穩(wěn)定可靠的工作,要求的航空發(fā)動機潤滑油質(zhì)量水平也隨之提高。為滿足這種航空發(fā)動機對潤滑油的可靠要求,航空發(fā)動機油標準也應運而生。

航空發(fā)動機油作為航空發(fā)動機的血液,一種性能優(yōu)良的航空發(fā)動機潤滑油,不但要為航空發(fā)動機各運動部件提供充分潤滑,而且還要提供足夠的密封、散熱作用,從而保障飛機發(fā)動機在高速高溫條件下安全、穩(wěn)定的長時間續(xù)航能力。本文就航空發(fā)動機的基本構(gòu)成和航空發(fā)動機油標準作一闡述。

1 航空發(fā)動機基本構(gòu)成

1.1 航空渦輪噴氣發(fā)動機

1936年前后一些國家開始研制渦輪噴氣發(fā)動機,20世紀40年代末英國、美國和前蘇聯(lián)開始將渦輪發(fā)動機用于飛機上,并首先裝備在戰(zhàn)斗機上。1952年世界上第一種噴氣式旅客機英國的“彗星”投入使用。1958年前后,美國的B707、前蘇聯(lián)的圖-104大型噴氣式旅客機投入使用,標志大型旅客機進入了噴氣式時代。

噴氣發(fā)動機使飛行速度大大提高,發(fā)動機工作溫度也大大提高了。要求潤滑油的性能也要相應地提高,渦輪噴氣發(fā)動機所需的潤滑油與活塞發(fā)動機有很大的區(qū)別,一個顯著的特點是耐高溫氧化性能提高了。

現(xiàn)代航空渦輪噴氣發(fā)動機的基本構(gòu)成如圖1所示。有下列幾個基本構(gòu)成單元:①壓氣機,起加功增壓作用,即對氣體加入機械能以提高氣體的壓力;②燃燒室,是向流入燃燒室的空氣噴入燃油進行燃燒,將燃油所含的化學能釋放出來,使燃氣溫度提高;③渦輪,是將燃燒室出口高壓燃氣的熱焓轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功,是帶動壓氣機轉(zhuǎn)動的動力;④尾噴管,是使渦輪出口的高溫燃氣進一步膨脹,將燃氣的焓轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?使燃氣以高速排出噴口。

氣流由進氣道進入發(fā)動機,壓氣機使氣流增壓,在燃燒室噴入燃料燃燒,所產(chǎn)生的熱能使氣流溫度提高。燃燒室出口的高溫高壓燃氣具有很大的作功能力,在渦輪和噴管中膨脹做功。對于渦輪噴氣發(fā)動機,渦輪膨脹功只用于驅(qū)動壓氣機工作,燃氣在噴管中的膨脹功使氣流的動能增大,以高速噴出。

1.2 渦輪風扇發(fā)動機

渦輪風扇發(fā)動機是在為解決渦輪噴氣發(fā)動機經(jīng)濟性差的基礎上研制的,耗油率一般只有渦輪噴氣發(fā)動機的1/3。渦輪風扇發(fā)動機是一種能產(chǎn)生大的推力、而排氣速度較低的發(fā)動機。渦輪風扇發(fā)動機于1960年問世,并在波音公司首先得到應用。隨后為滿足大型遠程飛機的發(fā)展需要,研制出高涵道比渦輪風扇發(fā)動機。并且在上世紀70年代初開始在美國裝配在大型客機上,如B747、DC-10、L1011等。此后發(fā)展了各種推力檔次的渦扇發(fā)動機以滿足各種型號旅客機的要求。1990年以后,為滿足高載荷、高安全、低燃耗的大型客機,如B777的需要,開始發(fā)展高性能即高涵道比渦輪風扇發(fā)動機,如GE90、PW4084、瑞達800、瑞達900。目前大型客機主要使用的高涵道比渦扇發(fā)動機有CFM56、V2500、RB211、PW4000。圖2 是CFM56-3型渦扇發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)簡圖。

2 航空發(fā)動機油規(guī)格與主要性能

2.1 發(fā)動機潤滑油系統(tǒng)

為保障航空發(fā)動機安全、穩(wěn)定的工作,需要借助潤滑系統(tǒng)向發(fā)動機的各個潤滑部位提供穩(wěn)定流量的潤滑油。潤滑系統(tǒng)的設計可以分為兩個階段,20世紀80年代之前投用的發(fā)動機基本上均采用傳統(tǒng)的潤滑系統(tǒng),如圖3所示。而新一代的航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng)是在傳統(tǒng)潤滑系統(tǒng)的基礎上,得到進一步改進,使之更加安全、可靠的工作,以保障潤滑油的正常供應。如圖4所示是V2500的潤滑系統(tǒng)的示意圖,反映了新一代潤滑系統(tǒng)的主要特點。

圖3所示的這種傳統(tǒng)的潤滑系統(tǒng),在它的進油路增壓泵后面設有調(diào)壓活門,保證油壓在發(fā)動機各種工作狀態(tài)下(慢車狀態(tài)除外)維持0.294~0.353 MPa油壓,調(diào)壓后的潤滑油進入細油濾,其過濾精度一般為50~80 μm。油濾通常稱為高壓油濾,設有旁路活門,當油濾堵塞時,它的進口和出口之間的壓降增大;當達到一定值后,旁路活門自動打開,而潤滑油部分或全部饒過油濾經(jīng)旁路活門流出,保證發(fā)動機始終有潤滑油供給。

在回油分系統(tǒng)中,各油腔的潤滑油由各自的回油泵抽回,經(jīng)回油總管、油氣分離器和潤滑油散熱器流回油箱。

圖4所示的這種新一代航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng),在進油系統(tǒng)中的細油濾不帶安全活門,但有堵塞指示燈(△P>0.8×10⁵Pa時燈亮),過濾精度為125 μm?；赜涂偣苤械募氂蜑V帶安全活門(△P>1.35×10⁵Pa時打開)及堵塞指示燈傳感器(△P>0.8×10⁵Pa時燈亮)。

發(fā)動機正常工作時,流向軸承等處的潤滑油中的污粒尺寸大于30 μm(由回油濾保證)?；赜蜑V開始堵塞,即0.8×10⁵Pa時,指示油濾堵塞的琥珀色燈發(fā)亮,而此時潤滑油仍然通過油濾;當油濾堵塞加重,即△P>1.35×10⁵Pa時,旁路安全活門自動打開,潤滑油不通過油濾而經(jīng)旁路流回油箱。此時,流向軸承等處的潤滑油由進油管油濾過濾。其污粒度不大于125 μm。當進油濾也被堵塞,即△P>0.8×10⁵Pa時,該油濾指示燈發(fā)亮。堵塞繼續(xù)加劇時,由于無安全活門,潤滑油中污粒尺寸仍小于125 μm,當供油壓力不斷下降,直到最低壓力警告燈發(fā)亮為止。由此可以看出,在V2500的潤滑系統(tǒng)中,正常情況下油中污粒的尺寸不大于30 μm,而在嚴重污染情況下污粒的尺寸也不大于125 μm,因此能保證軸承、齒輪等不會受到損傷。在傳統(tǒng)的潤滑系統(tǒng)中,正常情況下油中污粒的尺寸小于50~80 μm,而嚴重堵塞時油濾旁路安全活門打開,潤滑油直接通過旁路流向軸承等處。此時雖然發(fā)動機能繼續(xù)工作,但軸承、齒輪等易受到過大尺寸污粒的損傷。

2.2 航空發(fā)動機油規(guī)格

如上所述,航空發(fā)動機潤滑油通過潤滑系統(tǒng)對發(fā)動機的潤滑部位進行有效潤滑的同時,帶走大量的被潤滑部件所吸收的因燃燒燃油產(chǎn)生大量熱量,使發(fā)動機保持在一定的工作溫度下穩(wěn)定工作。因此,潤滑油在循環(huán)過程中,需要經(jīng)歷吸熱、升溫、氧化、冷卻不斷循環(huán)往復的過程。在這一過程中,油品就產(chǎn)生了蒸發(fā)、結(jié)焦、腐蝕等反應傾向。這就對航空發(fā)動機潤滑油提出了非?？量痰囊?。衡量一種潤滑油能否滿足航空發(fā)動機的基本要求,主要由規(guī)格標準加以限定。

航空發(fā)動機油規(guī)格的發(fā)展變化,是與航空發(fā)動機技術(shù)發(fā)展相適應的。不同的航空發(fā)動機制造商分別推出并發(fā)展了各自航空發(fā)動機油規(guī)格要求,如Pratt & Whitney 公司的PWA521規(guī)格、GE公司的D50TF1規(guī)格,以及Allison公司的EMS53規(guī)格等,SAE E34組織也制訂了一個航空燃氣透平機的核心技術(shù)規(guī)范SAE AS5780,該規(guī)范規(guī)定了適用于渦輪發(fā)動機或渦輪驅(qū)動的船舶及工業(yè)裝備的粘度等級為5 mm²/s的燃氣透平機油的基本物理、化學等性能。但總體而言,都是以美軍標準為基礎的,要求的基礎油也從最初的礦油型、半合成型逐漸發(fā)展到雙酯型合成油,直到目前的新戊基多元醇酯合成油。美軍航空發(fā)動機油標準根據(jù)油品100 ℃粘度劃分為兩種規(guī)格。一是MIL-L-7808規(guī)格,規(guī)定了3 mm²/s和4 mm²/s兩個粘度等級,前者應用于一般場合,后者應用于具有更高熱穩(wěn)定性要求的場合,該規(guī)格1951年發(fā)布,至今已經(jīng)修訂過多次;二是MIL-L-23699規(guī)格,規(guī)定了5 mm²/s一個粘度等級,該規(guī)格1963年發(fā)布,至今也出過多個版本,并得到了逐步的完善,規(guī)定的油品包括了標準型(STD)、防銹型(C/I)和高溫穩(wěn)定型(HTS)三種。目前使用的這兩個規(guī)格是1997年5月發(fā)布的MIL-PRF-7808L規(guī)格和MIL-PRF -23699F規(guī)格。表1、表2分別列出了這兩個規(guī)格的部分技術(shù)要求。

由表1、表2可見,無論是MIL-PRF-7808L規(guī)格,還是MIL-PRF -23699F規(guī)格,對航空發(fā)動機油的性能要求具有如下特點:

(1)運動粘度與蒸發(fā)損失

航空發(fā)動機油的重要作用就是在循環(huán)過程中提供足夠的工作溫度下所需的油膜,保證正常潤滑,同時又將大量的熱量帶走,又不會在摩擦部件表面因高溫而產(chǎn)生結(jié)焦,因此在MIL-PRF-7808L規(guī)格和MIL-PRF -23699F規(guī)格中均規(guī)定了高溫100 ℃溫度下的粘度和最高蒸發(fā)量的限制。測定油品的粘度和蒸發(fā)損失的方法與一般工業(yè)潤滑油相同,分別采用ASTM D445和ASTM D972測定方法。

(2)相容性

相容性是航空發(fā)動機油的重要指標要求,測定一種新的航空發(fā)動機油相容性的標準實驗方法由FED-STD-791的3403法所規(guī)定。是將待測的航空發(fā)動機油新油品與選定的滿足MIL-PRF-7808L規(guī)格和MIL-PRF -23699F規(guī)格的常用的一種油品按一定比例進行混合并裝在帶有規(guī)定刻度的離心管中,在一定溫度下保持168 h后,觀察外觀及沉淀量,然后再置于室溫避光環(huán)境下貯存21天后,觀察油品外觀,并離心分離測量沉淀物量。

(3)熱穩(wěn)定性和腐蝕性

熱穩(wěn)定性和腐蝕性是對航空發(fā)動機油的主要化學性能要求。測定航空發(fā)動機油熱穩(wěn)定性和腐蝕性的標準實驗方法由FED-STD-791的3411法所規(guī)定。MIL-PRF-7808L規(guī)格和MIL-PRF -23699F規(guī)格均對各粘度等級的航空發(fā)動機油提出了苛刻的要求,要求滿足規(guī)格的航空發(fā)動機油必須在274 ℃高溫下通過試驗。測定被測油品的40 ℃粘度變化率、總酸值變化和金屬試片的質(zhì)量變化。

(4)貯存穩(wěn)定性

貯存穩(wěn)定性是衡量航空發(fā)動機油能否在正常環(huán)境下長期穩(wěn)定,油品不產(chǎn)生物理和化學變化,從而能夠保證貯存后的油品性能如新油一樣。MIL-PRF -7808L規(guī)格和MIL-PRF -23699F規(guī)格都對油品貯存穩(wěn)定性提出具體要求,如表3所示。

(5)腐蝕和氧化安定性

氧化安定性和腐蝕性是航空發(fā)動機油最主要化學性能指標,MIL-PRF-7808L規(guī)格和 MIL-PRF -23699F規(guī)格分別對油品的腐蝕和氧化安定性都提出了苛刻的要求。測定3 mm²/s和4 mm²/s油品的這一性能的標準測定方法是ASTM D4636,而測定5 mm²/s航空發(fā)動機油這一性能的標準方法由FED-STD-7915308法所規(guī)定。油品要在金屬試片存在下,分別于規(guī)定的實驗溫度下通過規(guī)定的小時數(shù)的試驗。測定被測油品的40 ℃粘度變化率、總酸值變化和油泥量,以及以金屬試片失重量表示的油品對金屬的腐蝕性,如表4、表5所示。

(6)模擬性能

模擬性能是航空發(fā)動機油重要性能要求。MIL-PRF-7808L規(guī)格和MIL-PRF-23699F規(guī)格對油品模擬性能要求如表6所示。

齒輪載荷試驗是測定航空發(fā)動機油潤滑性能的模擬試驗方法。MIL-PRF-7808L規(guī)格要求使用ASTM D1947法和ASTM D5182法測定油品的潤滑性能;MIL-PRF-23699F規(guī)格則要求使用FED-STD-791 6508法測定。

在MIL-PRF-23699F規(guī)格中,還要求進行軸承試驗。測定經(jīng)高溫實驗后油品的沉積物量和以總酸值變化、粘度變化為特征的油品的變質(zhì)狀況。對于防腐型(C/I)油品,還增加了軸承腐蝕試驗一項。油品腐蝕試驗有兩種標準參考油,一種是通過油,另一種是未通過油。

3 結(jié)論

(1)航空發(fā)動機的發(fā)展,在經(jīng)歷了二次世界大戰(zhàn)后,為滿足大運輸量、高速、低能耗的要求,發(fā)展了噴氣渦輪、噴氣渦扇發(fā)動機,極大地提高了發(fā)動機的工作苛刻度。由此對航空發(fā)動機油的要求也從二戰(zhàn)前的礦物潤滑油,發(fā)展到以新戊基多元醇酯為基礎油的合成型航空發(fā)動機油。

(2)航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的設計也從傳統(tǒng)的潤滑油系統(tǒng)向更加安全,更加可靠的新一代潤滑系統(tǒng)發(fā)展。

(3)航空發(fā)動機油以油品100 ℃粘度進行劃分,其中MIL-PRF-7808L規(guī)格包含兩個粘度等級(3 mm²/s、4 mm²/s);MIL-PRF-23699F規(guī)格僅有一個粘度等級(5 mm²/s),但包括了三種類型的油品:標準型(STD)、防腐型(C/I)和高溫型(HTS)。

(4)MIL-PRF-7808L規(guī)格和MIL-PRF-23699F規(guī)格對航空發(fā)動機油的貯存穩(wěn)定性都提出了非?？量痰囊?不但要求貯存后的油品外觀目測必須合格,同時要求各項指標必須滿足規(guī)格要求。

(5)腐蝕與氧化安定性是航空發(fā)動機油的關鍵和最主要的性能指標。MIL-PRF-7808L規(guī)格和MIL-PRF-23699F規(guī)格都對航空發(fā)動機油的腐蝕和氧化安定性提出了非常具體的要求。

(6)航空發(fā)動機油的模擬試驗包括了齒輪載荷試驗和軸承試驗。重點考慮了油品的潤滑性能。

(7)我國自主開發(fā)航空發(fā)動機油應該以MIL-FRP-7808L規(guī)格和MIL-PRF-23699F規(guī)格為依據(jù),并兼顧SAE AS 5780規(guī)格需求,研制并生產(chǎn)新戊基多元醇酯合成基礎油。同時開發(fā)滿足高溫型抗氧防腐添加劑,并系統(tǒng)研究這種添加劑與合成基礎油在長期貯存條件下以及高溫條件下相互作用的穩(wěn)定性。

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收稿日期:2009-03-02。

作者簡介:王平(1961-),男,碩士,高級工程師,2000年畢業(yè)于華東理工大學化學工程專業(yè),現(xiàn)從事科技研究與管理,曾獲全國青年科技標兵,完成國家科技開發(fā)項目2項,完成省部級科技開發(fā)課題5項,國家發(fā)明3項,部級科技進步三等獎2項,已公開發(fā)表論文30余篇。