航空潤(rùn)滑油規(guī)格發(fā)展概述

張丙伍,孫丁偉,謝驚春,楊俊杰

(1.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心,甘肅蘭州 730060; 2.中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司,北京 100101)

航空潤(rùn)滑油規(guī)格發(fā)展概述

張丙伍1,孫丁偉1,謝驚春1,楊俊杰2

(1.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心,甘肅蘭州 730060; 2.中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司,北京 100101)

以礦物油為基礎(chǔ)油的M IL-L-6081規(guī)格不能滿足要求,1951年美國(guó)空軍制訂Ⅰ型以雙酯為基礎(chǔ)油的M IL-L-7808規(guī)格,1997年發(fā)展為M IL-PRF-7808 L。為解決M IL-L-7808規(guī)格潤(rùn)滑油使用中出現(xiàn)淤渣,造成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的磨損,需要進(jìn)一步提高航空潤(rùn)滑油熱安定性,1963年美國(guó)海軍制訂了以熱氧化安定性好的Ⅱ型多元醇酯為基礎(chǔ)油的M IL-L-23699規(guī)格, 1997年該規(guī)格升級(jí)為 M IL-PRF-23699 F;2007年美國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)把M IL-PRF-23699 F發(fā)展成最新 SAE AS 5780規(guī)格。文中重點(diǎn)闡述了規(guī)范M IL-PRF-7808 L和 SAE AS 5780發(fā)展動(dòng)力和性能要求。隨著飛機(jī)向高速、高性能方向發(fā)展,具有優(yōu)異的熱氧化安定性如全氟聚醚等化合物有望滿足未來(lái)航空潤(rùn)滑油規(guī)格要求。

航空潤(rùn)滑油;規(guī)格;航空發(fā)動(dòng)機(jī)

Abstract:M IL-L-6081 specification for the oil using m ineraloil as base oil could not m eet the requirem ent.US Air Force setM IL-L-7808 specification for the oil takingⅠtype diol ester base stocks as base o il in 1951,and evolved it to M ILPRF-7808 L in 1997.Along w ith the developm ent of air engine′s thrustw eight ratio to high level,the aviation lubricating oil num bered M IL-L-7808 specification occurred sludge during use,w hich caused the friction and w ear of engine components.So the aviat ion engine oilneeded to further improve its therm al stability.US navy preparedM IL-L-23699 specification for the oilw hich w as typ ically m ade w ith polyol ester base stocks in 1963.It w as upgraded to M IL-PRF-23699 F in 1997.SAE developed M IL-PRF-23699 F to the latest SAE AS 5780 specification in 2007.In this paper,the driving force and perform ance requirem ent forM IL-PRF-7808 L and SAEAS 5780 w ere p resented m ainly.W ith the developm ent of the airplane to high speed and high perform ance,the compound w ith excellent therm al and oxidational stability,such as perfluoropolyether etc.,m aybe m eet the specification requirem ents of future aviation lubricating oil.

Key words:aviation lubricating oil;specificat ion;aero-engine

0 引言

2008年 6月新舟 600飛機(jī)總裝下線,2008年 11月我國(guó)首架擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ARJ 21-700新型渦扇支線飛機(jī)在上海成功首飛及 2009年 6月空中客車天津總裝廠首架A 320飛機(jī)交付使用,都為我國(guó)的大飛機(jī)研制打下很好的基礎(chǔ),是我國(guó)航空發(fā)展史上重要里程碑。航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為大型飛機(jī)的核心組件之一,是高科技的象征。二戰(zhàn)前,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)均為四沖程點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī),飛機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是在二戰(zhàn)末期才正式進(jìn)入開發(fā)階段的,航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)世后在技術(shù)上不斷地更新,發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比從2提高到 7～9;現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展,主要以發(fā)動(dòng)機(jī)推重比提高為標(biāo)志,推重比的提高主要是提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前的溫度[1]。渦輪前溫度的提高,直接影響附近的主軸承溫度,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度也隨之提高,因此應(yīng)有與之相匹配的燃?xì)鉁u輪航空潤(rùn)滑油[2]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)油作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的血液,在航空中非常重要,為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸承提供潤(rùn)滑和冷卻。世界各國(guó)民航管理部門均將潤(rùn)滑油作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要部件進(jìn)行適航管理,要求航空潤(rùn)滑油具有高可靠性。航空潤(rùn)滑油規(guī)格隨著發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展、OEMS要求等因素發(fā)展而發(fā)展,現(xiàn)就國(guó)際通用兩大航空潤(rùn)滑油規(guī)格做一概述。

1 M I L-L-7808規(guī)格發(fā)展

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)取代了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī),開創(chuàng)了噴氣時(shí)代居航空動(dòng)力的主導(dǎo)地位。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在最初應(yīng)用時(shí),飛機(jī)的速度不高 (204 m/ s),燃?xì)鉁u輪前溫度低,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率小,潤(rùn)滑油系統(tǒng)溫度在 70℃左右,一般的礦物潤(rùn)滑油即可滿足要求,為此美國(guó)制訂了M IL-L-6081規(guī)格。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)向高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速發(fā)展,必然導(dǎo)致軸承工作溫度升高,負(fù)荷較大時(shí),滾子產(chǎn)生彈性變形,滾子與軌道的接觸面變大,出現(xiàn)了滑動(dòng)摩擦,摩擦熱損失增加,轉(zhuǎn)速高時(shí),單位時(shí)間內(nèi)摩擦產(chǎn)生熱量也增加。負(fù)荷、轉(zhuǎn)速的增大都會(huì)使軸承溫度升高。同時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)工作發(fā)出的熱量也會(huì)傳給軸承,特別是渦輪軸承受到渦輪傳來(lái)的熱,溫度比其他軸承都高,引起潤(rùn)滑油溫度升高[3],導(dǎo)致潤(rùn)滑油迅速分解,產(chǎn)生大量淤渣,礦物基的航空潤(rùn)滑油規(guī)格M IL-L-6081已不能滿足使用要求。1951年美國(guó)空軍制訂了M IL-L -7808規(guī)格,該規(guī)格以雙酯為基礎(chǔ)油,即Ⅰ型合成潤(rùn)滑油(使用溫度范圍為 -54～175℃)規(guī)格,該規(guī)格潤(rùn)滑油不僅用于軍用飛機(jī),也用于民用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī),后來(lái),廣泛應(yīng)用于噴氣式客機(jī)[4]。M IL -L-7808規(guī)格潤(rùn)滑油具有較高熱穩(wěn)定性的雙酯與抗氧劑、極壓抗磨劑、腐蝕抑制劑等添加劑調(diào)配而成。以后航空燃?xì)鉁u輪向高速方向發(fā)展,燃燒室溫度升高,對(duì)航空潤(rùn)滑油的氧化安定性提出更高要求, 1982年頒布的M IL-L-7808 J把潤(rùn)滑油的性能提高了一步,具體是把 200℃的氧化試驗(yàn)時(shí)間從 48 h增加到 96 h,基礎(chǔ)油也由雙酯改為多元醇酯[5]。為了滿足先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展計(jì)劃 (ATF)[6],美國(guó)空軍進(jìn)一步改善M IL-L-7808 J高溫性能,另外美國(guó)空軍不愿放棄 -54℃而接受M IL-L-27502規(guī)范(該規(guī)范潤(rùn)滑油使用過(guò)程中隨著時(shí)間推移,一種關(guān)鍵添加劑析出)-40℃的要求,1984年美國(guó)空軍停用了M IL-L-27502規(guī)范,開始 4 mm2/s酯類潤(rùn)滑油研制計(jì)劃,其高溫性能明顯優(yōu)于M IL-L-7808 J,同時(shí)在 -51℃還能保持良好的泵送性能,溫度范圍為 -51～205℃,基礎(chǔ)油用 5.5 mm2/s的多元醇酯/雙多元醇酯和生產(chǎn)M IL-L-7808 J的 3 mm2/s基礎(chǔ)油調(diào)合而成,添加劑主要有二芳胺、消泡劑以及雜環(huán)胺金屬腐蝕抑制劑等。

1994年公布的 M IL-L-7808 L規(guī)格包含 3 mm2/s和 4 mm2/s兩個(gè)等級(jí),該規(guī)格 1997年升級(jí)為M IL-PRF-7808 L[7],部分性能見表 1,L版與 K版無(wú)明顯差別。

表 1 M I L-PRF-7808 L規(guī)格部分性能指標(biāo)

續(xù)表

2 M I L-L-23699規(guī)格發(fā)展

為了解決最初使用M IL-L-7808航空潤(rùn)滑油帶來(lái)的潤(rùn)滑系統(tǒng)出現(xiàn)淤渣,存在焦化物和沉淀,需要頻繁換油,否則會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)部件損傷,金屬腐蝕和密封部件泄露等問(wèn)題,美國(guó)海軍于 1963年頒布了自己的航空潤(rùn)滑油M IL-L-23699規(guī)范,該規(guī)格的潤(rùn)滑油稱為Ⅱ型合成油,基礎(chǔ)油采用熱氧化安定性更好的新戊基多元醇酯受阻酯,蒸發(fā)損失比Ⅰ型潤(rùn)滑油減少70%,其 100℃運(yùn)動(dòng)粘度為 5 mm2/s,使用溫度范圍是-40～200℃,對(duì)低溫啟動(dòng)性能規(guī)定沒(méi)有M IL-L-7808嚴(yán)格,這是由于海軍和空軍所處環(huán)境不同。該規(guī)范潤(rùn)滑油被美國(guó)海軍的大量渦輪螺旋槳飛機(jī)和渦輪直升機(jī)采用,同時(shí)也很快應(yīng)用在民航飛機(jī)上。20世紀(jì)80年代,航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)要求潔凈度較高,潤(rùn)滑油降解水平較低,美國(guó)海軍把M IL-L-23699發(fā)展成M IL-L-23699 C。1990年,美國(guó)海軍將規(guī)范修訂為M IL-L-23699 D,氧化腐蝕試驗(yàn)條件更苛刻,提高了潤(rùn)滑油潔凈度和熱氧化安定性要求。

與陸基飛機(jī)相比,海上飛機(jī)有著明顯不同的使用環(huán)境:海上氣候十分惡劣,如大風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、海霧和潮汐等海洋上空濕度大、鹽霧濃、霉菌多,環(huán)境相當(dāng)惡劣,濕度大會(huì)加速金屬的腐蝕和非金屬涂層的破壞,加速產(chǎn)品表面的化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)。有數(shù)據(jù)表明,海上空氣中的鹽霧濃度是內(nèi)陸的 50～100倍。鹽霧會(huì)形成電解質(zhì),對(duì)飛機(jī)上許多金屬和非金屬材料形成腐蝕,如鹽霧形成的強(qiáng)電解質(zhì)會(huì)促進(jìn)電化學(xué)腐蝕,使飛機(jī)金屬表面鈍化膜因破壞而失去防護(hù)作用。霉菌則會(huì)分解有機(jī)材料,破壞材料的性能和結(jié)構(gòu),同時(shí)還分泌各種酸類物質(zhì),對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕。為了解決海上腐蝕這一問(wèn)題,美國(guó)海軍制訂了一項(xiàng)研制渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)防腐蝕潤(rùn)滑油計(jì)劃,要求潤(rùn)滑油在具備防腐蝕性能的同時(shí),還能長(zhǎng)期使用,1994年美國(guó)海軍頒布了M IL-L-23699 E規(guī)范,該規(guī)范基礎(chǔ)油為新戊基多元醇酯,包括標(biāo)準(zhǔn)油 (STD)和防腐蝕油 (C/I),酸值由原來(lái)的 0.5 mgKOH/g增為 1.0 mgKOH/g,其他理化性能要求同M IL-L-23699 D,但增加了防腐油軸承腐蝕試驗(yàn)。1997年,該規(guī)格升級(jí)為M ILPRF-23699 F,包括三個(gè)等級(jí)的潤(rùn)滑油,除標(biāo)準(zhǔn)油和防腐油外,增加了高熱安定性油(HTS),對(duì)航空潤(rùn)滑油熱氧化安定性提出更高的要求,目前世界上飛機(jī)使用潤(rùn)滑油 95%滿足此規(guī)格。2007年,為滿足所有的民用和商用飛機(jī)潤(rùn)滑油使用時(shí)間高達(dá) 30000 h需求,附件設(shè)備需求,考慮到所有發(fā)動(dòng)機(jī)制造商要求,對(duì)油料批量生產(chǎn)質(zhì)量控制需求,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的改變監(jiān)控需求,美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì) (SAE)把M ILPRF-23699 F發(fā)展成 SAE AS 5780[8],見表 2。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展,渦輪前溫度提高,據(jù) SAE航空潤(rùn)滑油推進(jìn)委員會(huì)(SAE E-34)預(yù)測(cè)M IL-PRF-23699 F有望在 2011年被升級(jí)為M IL-PRF-23699 G,基礎(chǔ)油選擇可能是增強(qiáng)的多元醇酯。

表 2 SAE AS 5780規(guī)格部分性能指標(biāo)

3 未來(lái)航空潤(rùn)滑油規(guī)格發(fā)展預(yù)測(cè)

未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展主要表現(xiàn)在提高推重比,降低涵道比,提高總增壓比,采用矩形截面的二元推力轉(zhuǎn)向噴管,提高渦輪的進(jìn)口溫度。美軍先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)所用推重比為 10的 F 119發(fā)動(dòng)機(jī),渦輪前溫度已達(dá)到 1770℃。美國(guó)制定的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(IHPTET)計(jì)劃中,渦輪前溫度最終要求為接近化學(xué)計(jì)算溫度,渦輪前溫度的提高,直接影響附近的主軸承溫度,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度也隨著提高,對(duì)航空潤(rùn)滑油提出更高要求[9],見表 3。多元醇酯一般分解溫度為 320℃左右,未來(lái)航空潤(rùn)滑油氧化溫度性能要求超出多元醇酯工作溫度范圍,而全氟聚醚,氟醚三嗪等化合物具有優(yōu)異的熱氧化安定性,有望滿足未來(lái)航空潤(rùn)滑油規(guī)范要求。

表3 未來(lái)航空潤(rùn)滑油部分性能要求

4 結(jié)束語(yǔ)

航空潤(rùn)滑油規(guī)格和發(fā)展趨勢(shì)為研究開發(fā)帶來(lái)啟示,也指明了方向。航空潤(rùn)滑油規(guī)格發(fā)展總是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)和實(shí)際使用需要發(fā)展而發(fā)展,隨著飛機(jī)向高速、高性能方向發(fā)展,未來(lái)航空潤(rùn)滑油規(guī)格對(duì)航空潤(rùn)滑油提出了更高要求。

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R eview of A via tion L ub rica ting O il Sp ecifica tion

ZHANG B ing-w u1,SUN D ing-w e i1,X I E J ing-chun1,YANG Jun-jie2
(1.PetroChina Lanzhou Lubricating O ilR&D Institute,Lanzhou 730060,China; 2.PetroChina Lubricant Company,Beijing 100101,China)

TE626.34

A

2009-11-06。

張丙伍 (1981-),男,助理工程師,2007年畢業(yè)于蘭州大學(xué)物理化學(xué)專業(yè),現(xiàn)從事航空潤(rùn)滑油和汽油機(jī)油研究工作,已公開發(fā)表論文數(shù)篇。

1002-3119(2010)05-0001-05