國內(nèi)外軍用航空發(fā)動機(jī)油技術(shù)規(guī)范發(fā)展概述

戴振華，張崢

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

0 引言

作為航空發(fā)動機(jī)的血液，航空發(fā)動機(jī)潤滑油的作用至關(guān)重要，它可為發(fā)動機(jī)提供高低溫潤滑保護(hù)、清洗、冷卻、防銹以及密封作用等[1-3]。隨著航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，航空發(fā)動機(jī)潤滑油在日益更新與發(fā)展，同時作為規(guī)范航空發(fā)動機(jī)潤滑油品質(zhì)和性能，甚至是作為航空發(fā)動機(jī)型號設(shè)計的一部分技術(shù)類文件，航空發(fā)動機(jī)技術(shù)規(guī)范也都在不斷進(jìn)步與發(fā)展。

發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，從1903年到二戰(zhàn)末期，飛機(jī)絕大多數(shù)采用活塞式發(fā)動機(jī)，直到二戰(zhàn)末期航空渦輪發(fā)動機(jī)才正式進(jìn)入開發(fā)階段，并因為其能夠滿足飛機(jī)高速行駛等要求，能更好地保障運輸和作戰(zhàn)動力，迅速占領(lǐng)了航空發(fā)動機(jī)主導(dǎo)地位并快速發(fā)展[4-6]。航空發(fā)動機(jī)潤滑油技術(shù)規(guī)范最初為軍隊制定，由于其具有優(yōu)良的發(fā)動機(jī)保護(hù)性能，后來逐漸被民航領(lǐng)域采用并改進(jìn)，進(jìn)而演變成了民用航空的技術(shù)規(guī)范。航空潤滑油技術(shù)規(guī)范作為航空油料質(zhì)量綜合鑒定體系中的一部分，規(guī)定了發(fā)動機(jī)潤滑油的質(zhì)量指標(biāo)，例如理化性指標(biāo)、使用性能測試、模擬臺架評定、全尺寸臺架評定和最終的飛行測試等指標(biāo)要求[7-8]。文章對國內(nèi)外軍用航空發(fā)動機(jī)潤滑油技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了綜述。

1 國外軍用航空發(fā)動機(jī)潤滑油技術(shù)規(guī)范發(fā)展

目前國際上航空發(fā)動機(jī)潤滑油技術(shù)規(guī)范主要是根據(jù)美國和前蘇聯(lián)的航空發(fā)動機(jī)潤滑油規(guī)范加以演變和發(fā)展。

1.1 美國軍用航空發(fā)動機(jī)潤滑油規(guī)范發(fā)展

早期的美國軍用航空發(fā)動機(jī)為活塞式發(fā)動機(jī)，其均使用航空活塞式發(fā)動機(jī)潤滑油，此類潤滑油分為兩種規(guī)格，一種為MIL-L-6082，不含清凈分散劑航空活塞發(fā)動機(jī)潤滑油；一種為MIL-L-22581，含無灰分散劑航空活塞發(fā)動機(jī)潤滑油。其中MIL-L-6082技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中包括兩種潤滑油品種，分別為1065和1100，北約代號分別為О-113和О-117。MIL-L-22851技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中包括了三種潤滑油品種，分別為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。雖然兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在1990年采用SAE等級進(jìn)行了修訂，但隨后在1995年分別被SAE制定的SAE J1966和SAE J1899技術(shù)規(guī)范所取代，均適用于四沖程往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī)潤滑油。

美國渦輪發(fā)動機(jī)發(fā)展初期，發(fā)動機(jī)對潤滑油性能要求較低，所以早期是將航空活塞發(fā)動機(jī)潤滑油應(yīng)用在渦輪發(fā)動機(jī)上。根據(jù)當(dāng)時實際情況，如飛行速度低，輸出功率小，整個潤滑系統(tǒng)溫度低等，1950年頒布了MIL-L-6081技術(shù)規(guī)范，并研制了符合規(guī)范的黏度礦物型航空潤滑油。它包括了兩個品種，分別為1005和1010。目前最新版本為MIL-PRF-6081D(期間將特征性標(biāo)識如“L”改為了統(tǒng)一性標(biāo)識“PRF”)。但由于航空發(fā)動機(jī)向高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展，必會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作溫度尤其是渦輪軸承溫度升高[9]，這就要求潤滑油必須能夠承受高溫工況，反之定會迅速分解并產(chǎn)生積炭，所以礦物型潤滑油已不能滿足當(dāng)前要求，換言之，MIL-L-6081規(guī)范產(chǎn)品不能滿足當(dāng)前要求，因此1951年由美國空軍制定了MIL-L-7808技術(shù)規(guī)范，也就是今天美國兩大航空發(fā)動機(jī)潤滑油標(biāo)準(zhǔn)之一。

MIL-L-7808技術(shù)規(guī)范中規(guī)定了Ⅰ型合成潤滑油標(biāo)準(zhǔn)，Ⅰ型合成潤滑油是以雙酯為基礎(chǔ)油，并且添加了高溫抗氧劑、極壓抗磨劑和金屬腐蝕抑制劑等，其使用溫度在-54～175 ℃，該潤滑油不僅能用于軍用航空，也能用于民用航空，并廣泛應(yīng)用于渦輪噴氣發(fā)動機(jī)[10]。隨著渦輪發(fā)動機(jī)高速發(fā)展，1982年美軍頒布了MIL-L-7808J技術(shù)規(guī)范，進(jìn)一步對發(fā)動機(jī)潤滑油性能進(jìn)行了提升，將雙酯基礎(chǔ)油更換為多元醇酯，更換可增加發(fā)動機(jī)潤滑油的氧化時間[11]；1994年頒布了MIL-L-7808K規(guī)范，該版本包括了兩個黏度級別分別為3 mm2/s和4 mm2/s，并且規(guī)定從該規(guī)范開始，針對規(guī)范中的齒輪試驗可以平行使用ASTM D1947中的Rydef法和ASTM D5182中的FZG法。目前該系列技術(shù)規(guī)范經(jīng)過16次修訂，最新版本為1997年頒布的MIL-PRF-7808L版。

由于美國海軍飛機(jī)對低溫啟動沒有嚴(yán)格要求，為確保高溫性能，防止?jié)櫥到y(tǒng)中出現(xiàn)結(jié)焦和沉淀等情況發(fā)生，從而損傷發(fā)動機(jī)零部件，影響密封性等，1963年美國海軍頒布了MIL-L-23699航空渦輪發(fā)動機(jī)合成潤滑油性能技術(shù)規(guī)范。規(guī)范中規(guī)定的為Ⅱ型中黏度合成油，100 ℃運動黏度為5 mm2/s。該油采用的是新戊基多元醇酯基礎(chǔ)油，該基礎(chǔ)油具有更好的熱氧化安定性，適用范圍是-40～200 ℃，該油被美國海軍應(yīng)用在渦輪螺旋槳式飛機(jī)中，同時也應(yīng)用在渦輪式直升飛機(jī)中，隨后也迅速在民用航空飛機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。

為了強化臺架、固體顆粒、油泥和高溫腐蝕試驗等項目指標(biāo)，1969年美國海軍完善了該技術(shù)規(guī)范，并頒布了MIL-L-23699B版本；為了對新油中的12種元素進(jìn)行控制，20世紀(jì)80年代確立了MIL-L-23699C技術(shù)規(guī)范；由于海上飛行環(huán)境惡劣，鹽霧濃度較高，易造成多金屬和非金屬材料的腐蝕，1994年海軍頒布MIL-L-23699E版本，主要增加了軸承腐蝕試驗；1997年升級為MIL-PRF-23699F版本，在標(biāo)準(zhǔn)型(STD)和防銹型(C/I)基礎(chǔ)上增加了高溫型(HTS)產(chǎn)品規(guī)范，并且將SAE標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展成為了SAE AS 5780技術(shù)規(guī)范，供民用和商用飛機(jī)使用。該技術(shù)規(guī)范系列從首版經(jīng)過11次的修訂，2014年頒布了MIL-PRF-23699G版本，增強酯型(EE)的潤滑油產(chǎn)品，并對高溫和增強酯型產(chǎn)品增設(shè)了橡膠相容性指標(biāo)要求，該版本為目前最新版本，并且引領(lǐng)著航空發(fā)動機(jī)潤滑油發(fā)展與進(jìn)步。

1.2 俄羅斯(前蘇聯(lián))軍用航空發(fā)動機(jī)潤滑油規(guī)范發(fā)展

俄羅斯(前蘇聯(lián))所用航空潤滑油與美國不同，這是因為兩者航空體系不同導(dǎo)致。1941年俄羅斯(前蘇聯(lián))頒布ГОСТ 1013-41技術(shù)規(guī)范，隨后又在1949年前發(fā)布了ГОСТ 1013-49國家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了四種航空活塞發(fā)動機(jī)潤滑油(通常稱為20號油)，分別為МС-14、МС-20、МК-22和МС-24。60年代研制出含硫的МС-20C潤滑油后制定了ГОСТ 9320-60技術(shù)規(guī)范，不過隨著在1976年ГОСТ 21743-76技術(shù)規(guī)范的頒布，將其合并。目前ГОСТ 21743-76為現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范，規(guī)范中只包括МС-14和МС-20潤滑油。

俄羅斯(前蘇聯(lián))早期的航空渦輪發(fā)動機(jī)油采用其他機(jī)械用油，例如變壓器油、錠子油、航空活塞式發(fā)動機(jī)潤滑油以及混合油等。由于種類多，并且不同潤滑油的性能指標(biāo)各不相同，在實際使用中遇到很多困難，因此1953年研制出МК-8潤滑油(通常稱為8號油)，工作范圍為-25～120 ℃，并制定了ГОСТ 6457-53技術(shù)規(guī)范。為改善МК-8潤滑油的熱氧化安定性，向其中加入抗氧劑，并將此油定名為МК-8Л，同時制定了ГОСТ 6457-66技術(shù)規(guī)范。由于МК-8潤滑油低溫性差等原因，并且煉制其基礎(chǔ)油所用的原油產(chǎn)量下降，故改用含硫原油煉制并研發(fā)出МС-8潤滑油，并制定了МРТУ 38-1-163-65技術(shù)規(guī)范，同時在該油中加入抗氧劑研制出МС-8Л，并制定了ОТС 38.01163-78技術(shù)規(guī)范，該油主要應(yīng)用在亞、超音速渦輪發(fā)動機(jī)當(dāng)中。

目前俄羅斯(前蘇聯(lián))所使用的航空渦輪發(fā)動機(jī)有3 mm2/s和5 mm2/s兩種級別，其中3 mm2/s航空潤滑油主要包括ИПМ-10、50-1-4Ф和50-1-4У。ИПМ-10(ТУ 38.1011299-90)由合成烴、癸二酸雙酯和抗氧劑調(diào)配而成，工作溫度為-50～200 ℃；50-1-4Ф(ГОСТ 13076-86)和50-1-4У(ТУ 38.4015812-85)由癸二酸二異辛酯為基礎(chǔ)油添加抗氧劑和抗磨劑等研制而成，其中50-1-4У油添加劑較50-1-4Ф油得到改進(jìn)，提高了熱氧化安定性，最高使用溫度高達(dá)175～200 ℃。而3 mm2/s航空潤滑油主要包括Б-3В、Л3-240和ПТС-225。其中Б-3В油由季戊四醇酯為基礎(chǔ)油并添加抗磨劑和抗氧劑調(diào)配而成，并在1985年制定ТУ 38.101295-85技術(shù)規(guī)范；Л3-240油由季戊四醇酯為基礎(chǔ)油并添加抗磨劑、抗氧劑和腐蝕抑制劑調(diào)配而成，該油熱氧化安定性優(yōu)于Б-3В油，并將其替代，同時在1986年制定ТУ 38.401579-86技術(shù)規(guī)范；ПТС-225應(yīng)用于大功率航空發(fā)動機(jī)，符合ТУ38.401337-81技術(shù)規(guī)范，并在后來修訂為ТУ38.401-58-1-84。

2 國內(nèi)軍用航空發(fā)動機(jī)潤滑油規(guī)范發(fā)展

由于歷史原因，我國早期航空發(fā)動機(jī)潤滑油技術(shù)規(guī)范多參照俄羅斯(前蘇聯(lián))制定。同樣由早期的礦物油到后期對合成酯類油轉(zhuǎn)變，與此同時研制出了很多品種的航空發(fā)動機(jī)潤滑油。20世紀(jì)50年代末參照俄羅斯(前蘇聯(lián))標(biāo)準(zhǔn)，我國采用大慶、玉門或混合原油煉制，研制出20號航空潤滑油，簡稱20號航滑(代號HH-20A)，質(zhì)量水平與МС-20相當(dāng)，性能與MIL-L-6082D標(biāo)準(zhǔn)接近，應(yīng)用于活塞5、活塞6、運5和初教6等發(fā)動機(jī)上，并于1964年頒布了GB 440-1964技術(shù)規(guī)范，最新版本為GB 440-1977(1988)《20號航空潤滑油》。由于20號航滑凝點較高(-20 ℃左右)，在-5 ℃環(huán)境中就需要用燃油沖稀使用，為改善低溫性能，并保證其能在北方的使用效率，1969年由撫順一廠對其煉制工藝進(jìn)行改進(jìn)，研制出了20號合成烴潤滑油，凝點在-35～40 ℃，代號HH-20B。隨后在1980～2002年間又對其進(jìn)行了工藝和原料方面的改進(jìn)，研制出了新20合成烴航空潤滑油，俗稱20B。我國軍隊在1991年參照俄標(biāo)ГОСТ 21743-76發(fā)布了GJB 1219-1991《航空活塞式發(fā)動機(jī)潤滑油》技術(shù)規(guī)范。2004年由中國石化石油化工科學(xué)研究院和原空軍油料所聯(lián)合研制了清凈分散型航空活塞式發(fā)動機(jī)潤滑油，包括三種產(chǎn)品，分別為20、20-50和20-15W-50(又名4060)。并參照SAE J1899技術(shù)規(guī)范，解決了低溫啟動和積炭問題，并制定GJB 1219A-2009《航空活塞式發(fā)動機(jī)潤滑油規(guī)范》技術(shù)規(guī)范。

我國合成酯類航空潤滑油研究較晚，在研究初期，參照俄羅斯(前蘇聯(lián))ГОСТ 6457-66技術(shù)規(guī)范制定了GB 439-1990(2004)《航空噴氣機(jī)潤滑油》技術(shù)規(guī)范，其中涉及的8號航空潤滑油與МС-8Л水平相當(dāng)；1991年在美軍標(biāo)MIL-L-7808基礎(chǔ)上制定了GJB 135-1986《4109合成航空潤滑油》技術(shù)規(guī)范，并于1998年修訂成GJB 135A-1998《合成航空潤滑油規(guī)范》，并且規(guī)定4010和4109兩種產(chǎn)品要按照其規(guī)范檢驗，其中4109航空潤滑油質(zhì)量水平接近ИПМ-10和50-1-4Ф，性能接近美軍標(biāo)MIL-L-7808H技術(shù)規(guī)范。規(guī)定的工型合成潤滑油4010性能接近50-1-4У，與美軍標(biāo)MIL-L-7808J技術(shù)規(guī)范接近；參照美軍標(biāo)MIL-PRF-23699C技術(shù)規(guī)范制定了GJB 1263-1991《航空渦輪發(fā)動機(jī)用合成潤滑油》技術(shù)規(guī)范，4106和4050兩種產(chǎn)品按其進(jìn)行檢驗。

3 結(jié)束語

航空發(fā)動機(jī)潤滑油技術(shù)規(guī)范的發(fā)展與演變，反映了航空發(fā)動機(jī)對運行工況要求的日益提高，同時發(fā)動機(jī)的發(fā)展也促使著航空發(fā)動機(jī)潤滑油和潤滑油技術(shù)的完善與升級，從最初的礦物油到雙酯類油再到多元醇酯并繼續(xù)向前發(fā)展，但是目前軍用飛機(jī)對多元醇酯性能的要求已經(jīng)達(dá)到了極限，因此研制出具有更高溫度下的熱氧化安定性、低蒸發(fā)損失和高黏度指數(shù)的基礎(chǔ)油尤為關(guān)鍵。同時也可以看出美軍航空發(fā)動機(jī)潤滑油在世界上占據(jù)著主導(dǎo)地位，我國技術(shù)規(guī)范制定也由最初參照俄羅斯(前蘇聯(lián))技術(shù)規(guī)范轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛎儡娂夹g(shù)規(guī)范學(xué)習(xí)。但是我國要建立具有自主特色的航空潤滑油質(zhì)量規(guī)范評價體系，不僅要吸收國外特色檢測技術(shù)而且還要結(jié)合自身實際。為提升航空推進(jìn)系統(tǒng)，20世紀(jì)末期美國提出了ATR計劃和IHPTET計劃[12]，為發(fā)展高性能的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，中國也于2015年提出了《中國制造2025》[13]。軍用飛機(jī)戰(zhàn)斗能力的提升離不開發(fā)動機(jī)技術(shù)的提升，所以同時也應(yīng)該加快航空發(fā)動機(jī)潤滑油的質(zhì)量升級和通用化、標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量體系的建立。