航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油發(fā)展淺析

■ 陳捷 / 殼牌公司

為保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠、安全、高效運(yùn)行，同時(shí)降低維護(hù)成本，發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)及潤(rùn)滑油也在應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)的過(guò)程中得到長(zhǎng)足發(fā)展。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)及潤(rùn)滑油主要為發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承、附件齒輪箱等部件提供潤(rùn)滑、散熱、清潔、防腐保護(hù)作用，同時(shí)還能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)起到阻尼作用。發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承支承著壓氣機(jī)、渦輪，附件齒輪箱驅(qū)動(dòng)液壓泵、燃油泵、起動(dòng)發(fā)電機(jī)，都是對(duì)飛機(jī)非常重要的系統(tǒng)，可見(jiàn)潤(rùn)滑油對(duì)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的重要性。

發(fā)展歷史

潤(rùn)滑油一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)不可或缺的組成部分。

由于早期發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)工作溫度和載荷的要求相對(duì)較低，對(duì)潤(rùn)滑油主要要求的是低溫起動(dòng)性能， 因此，當(dāng)時(shí)的潤(rùn)滑油以運(yùn)動(dòng)黏度低（2～9 mm2/s，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)用潤(rùn)滑油普遍為20～25 mm2/s）且易于煉制的礦物油最為普遍。

20世紀(jì)50年代，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)迅猛發(fā)展，更大推力、更高涵道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始進(jìn)入應(yīng)用階段。基于礦物基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑油暴露出在較高的溫度下易揮發(fā)和熱降解的問(wèn)題，因此天然有機(jī)物合成的潤(rùn)滑油得到應(yīng)用。合成油表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，非常適合作為基礎(chǔ)油，但其黏度一般只有3 mm2/s，缺乏足夠的承載能力。合成油在添加了增稠劑（復(fù)合酯）之后，可在100℃下將黏度提高到約7.5 mm2/s，從而提供了所需的承載能力。另外，與礦物油不同，合成油必須依靠添加劑來(lái)提高抗氧化性和抗熱降解性，這對(duì)于保證發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行后的清潔度有至關(guān)重要的作用。與此同時(shí)，美國(guó)軍標(biāo)MIL-L-7808（后改為MILPRF-7808）和英國(guó)國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)DERD 2487 （后改為DEF STAN 91-98）應(yīng)運(yùn)而生，分別對(duì)應(yīng)3mm2/s和7.5mm2/s這兩種當(dāng)時(shí)主流的黏度要求潤(rùn)滑油。其中，3 mm2/s的黏度標(biāo)準(zhǔn)至今仍有應(yīng)用，如波音787的輔助動(dòng)力裝置（APU）僅批準(zhǔn)使用3 mm2/s的潤(rùn)滑油，因?yàn)? mm2/s潤(rùn)滑油具有低溫流動(dòng)特性，有助于A(yíng)PU在低溫情況下的起動(dòng)。

20世紀(jì)60年代，發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和功率輸出的不斷增加，對(duì)潤(rùn)滑油的熱穩(wěn)定性和高承載能力提出了需求，美國(guó)針對(duì)以 “受阻酯”為基礎(chǔ)、黏度為5mm2/s的第二代潤(rùn)滑油制定了美國(guó)軍標(biāo)MIL-L-23699（后改為MILPRF-23699）。第二代潤(rùn)滑油在美國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)中率先使用，隨后在英國(guó)、加拿大和法國(guó)得發(fā)動(dòng)機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。

此后，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高（更低的油耗、更高的工作溫度和壓力），維護(hù)方式不斷進(jìn)步（更長(zhǎng)的大修間隔），客觀(guān)造成潤(rùn)滑油工作條件更加嚴(yán)苛，第二代潤(rùn)滑油已無(wú)法滿(mǎn)足要求，取而代之的是熱穩(wěn)定性更好的 “第三代” 或 “高熱穩(wěn)定性型”（HTS）的潤(rùn)滑油。

盡管美國(guó)軍標(biāo)MIL-PRF-23699自20世紀(jì)60年代以來(lái)一直被發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置（APU）廠(chǎng)家所遵循，作為其批準(zhǔn)使用的前提條件，但是隨著民用發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推進(jìn)效率和更長(zhǎng)的大修間隔的進(jìn)一步追求，其已不足以定義現(xiàn)代商用發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的潤(rùn)滑油類(lèi)型。因此，美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)（SAE）E-34發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油委員會(huì)應(yīng)運(yùn)而生，制定了應(yīng)用于民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)得潤(rùn)滑油規(guī)范，并于2000年發(fā)布了SAE AS5780。在軍標(biāo)方面，美國(guó)2014年發(fā)布的MILPRF-23699的G版本加入了增強(qiáng)酯級(jí)別（Enhanced Ester Class）要求，反映美軍對(duì)潤(rùn)滑油更好的彈性密封件兼容性和負(fù)載能力的需求（主要針對(duì)F-35飛機(jī)）。

工作特點(diǎn)

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的工作過(guò)程如圖1所示。潤(rùn)滑油貯存在滑油箱中，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，滑油泵提供持續(xù)壓力，將潤(rùn)滑油通過(guò)供油管路泵至各軸承腔和附件齒輪箱及其傳動(dòng)裝置中。中大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用氣動(dòng)封嚴(yán)來(lái)密封軸承腔，因此從軸承腔的回油管排出的通常是潤(rùn)滑油和空氣的霧狀混合物。燃燒室前的轉(zhuǎn)子軸承溫度（壓氣機(jī)部分）比燃燒室之后的轉(zhuǎn)子軸承（渦輪部分）溫度低，因此潤(rùn)滑油在這些軸承腔里的工作溫度差異最高可達(dá)100℃。完成潤(rùn)滑任務(wù)之后的油氣混合物和從附件齒輪箱排出的潤(rùn)滑油被泵至熱交換設(shè)備冷卻，然后進(jìn)行油氣分離，最后回到滑油箱，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。潤(rùn)滑油系統(tǒng)每分鐘最多可完成3次循環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)后，滑油泵停止工作，潤(rùn)滑油中的熱量不能主動(dòng)散發(fā)，而是要經(jīng)過(guò)自然冷卻的過(guò)程，從而增加了氧化和炭化的可能性。

圖1 典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)示意

由上可以看到航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的工作具有以下特點(diǎn)： 潤(rùn)滑不同溫度的不同類(lèi)型的部件（既有軸承，也有齒輪）；在管路循環(huán)中潤(rùn)滑油溫度不斷變化；大部分時(shí)間與熱空氣并存；接觸不同類(lèi)型的材質(zhì)（包括金屬和彈性密封件等）。這些特點(diǎn)對(duì)潤(rùn)滑油熱穩(wěn)定性、抗氧化能力、相容性和負(fù)載能力都有比較高的要求。

發(fā)展方向

為了使飛機(jī)能夠不間斷飛行的時(shí)間更長(zhǎng)、距離更遠(yuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率和熱效率必須提高，這就導(dǎo)致現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)比20世紀(jì)60年代的運(yùn)行溫度高得多。除了在更高溫度下工作外，潤(rùn)滑油在發(fā)動(dòng)機(jī)大修之前一般不會(huì)徹底更換，而目前發(fā)動(dòng)機(jī)在翼時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，這意味著潤(rùn)滑油需要在更長(zhǎng)的大修間隔時(shí)間內(nèi)保持正常工作。因此，避免潤(rùn)滑油結(jié)焦和提高與彈性密封件的相容性的重要性就更加凸顯。

避免結(jié)焦

結(jié)焦是指發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中不必要的積炭。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油暴露于高溫環(huán)境中時(shí)，積炭就會(huì)逐漸形成。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后，常見(jiàn)的幾種結(jié)焦現(xiàn)象（如圖2所示）：一是薄膜狀結(jié)焦，積炭層附著在光滑的金屬表面，會(huì)卷曲或脫落，此類(lèi)結(jié)焦通常發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過(guò)程中；二是氣相結(jié)焦，可見(jiàn)于在發(fā)動(dòng)機(jī)較熱部位的余油口或通風(fēng)口，這些部位通常是光滑的啞光表面，加之空氣與滑油混合比高，結(jié)焦之后表面會(huì)看起來(lái)粗糙；三是結(jié)塊或坑狀積炭，可見(jiàn)于潤(rùn)滑油聚集的地方，積炭會(huì)形成厚團(tuán)塊，此類(lèi)結(jié)焦可能與發(fā)動(dòng)機(jī)正常停車(chē)有關(guān)，停車(chē)時(shí)滑油停止流動(dòng)，滑油無(wú)法通過(guò)熱交換器散熱，熱量反而被滑油吸收造成氧化；四是動(dòng)態(tài)結(jié)焦，積炭在滑油管路內(nèi)形成不規(guī)則流動(dòng)區(qū)域，此類(lèi)結(jié)焦是導(dǎo)致供油管和回油管的阻塞的可能機(jī)理之一。

目前仍有飛機(jī)運(yùn)營(yíng)商認(rèn)為，結(jié)焦是發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油在高溫環(huán)境工作的正?，F(xiàn)象。但如果對(duì)潤(rùn)滑油結(jié)焦的現(xiàn)象不采取預(yù)防措施，會(huì)造成額外的發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)成本以及潛在的安全影響。例如，結(jié)焦會(huì)堵塞滑油油濾和潤(rùn)滑油系統(tǒng)回油管、排氣管和供油管，從而造成潤(rùn)滑油流量和壓力不足，或迫使?jié)櫥瓦M(jìn)入不應(yīng)該進(jìn)入的發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)域，更甚者會(huì)導(dǎo)致軸承故障，或可能發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)起火。實(shí)際上，使用熱穩(wěn)定性更強(qiáng)的潤(rùn)滑油可以改善結(jié)焦?fàn)顩r、有效減少或避免發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)清潔積炭或更換污染的發(fā)動(dòng)機(jī)部件的額外工作，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)效率、降低維護(hù)成本和提升安全的有效途徑之一。例如，普惠加拿大公司生產(chǎn)的PT6A-66D發(fā)動(dòng)機(jī)，在使用了1種高熱穩(wěn)定性型潤(rùn)滑油的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商允許的發(fā)動(dòng)機(jī)大修間隔（TBO）從3000h延長(zhǎng)到3500h（增加17%）。

提高與彈性密封件的相容性

發(fā)動(dòng)機(jī)及其部件里常用的密封件的材料為氟橡膠A/B/E，為了使密封有效，密封件會(huì)吸收一部分潤(rùn)滑油使其膨脹，從而起到密封作用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最佳的潤(rùn)滑油吸收量應(yīng)使密封件產(chǎn)生12%～20%的膨脹。如果潤(rùn)滑油與密封件之間的相容性不理想，則會(huì)造成密封件劣化，導(dǎo)致密封件過(guò)度膨脹或收縮開(kāi)裂，進(jìn)而造成潤(rùn)滑油滲漏或其他外來(lái)物污染潤(rùn)滑油系統(tǒng)。

通常發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油主要采用以醇和脂肪酸為基本原料的合成多元醇酯作為基礎(chǔ)油，而非礦物的基礎(chǔ)油，與礦物基礎(chǔ)油相比，酯對(duì)彈性密封件更具攻擊性。潤(rùn)滑油的其他成分主要是提供所需性能要求的添加劑成分，包括保持發(fā)動(dòng)機(jī)清潔的分散劑、減少金屬和金屬接觸磨損的表面活性添加劑（包含耐磨成分）、緩蝕劑，以及有助于保護(hù)基礎(chǔ)油免受熱降解和結(jié)焦的抗氧化劑，但部分高熱穩(wěn)定性型潤(rùn)滑油中的抗氧化劑會(huì)導(dǎo)致彈性密封件劣化，造成故障性漏油。例如，CFM國(guó)際公司的CFM56和GE公司的CF34發(fā)動(dòng)機(jī)均曾出現(xiàn)過(guò)使用添加不當(dāng)抗氧化劑的高熱穩(wěn)定性型潤(rùn)滑油導(dǎo)致彈性密封件劣化的情況，迫使航空公司進(jìn)行額外的定期檢查或不得不改裝相應(yīng)的密封件來(lái)避免漏油。

如何在保持高熱穩(wěn)定性的同時(shí)，使?jié)櫥团c彈性密封件更相容，從而節(jié)省成本和提高安全裕度，是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油發(fā)展的重要方向。

圖3 幾種潤(rùn)滑油結(jié)焦形態(tài)

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展和積累，以美國(guó)軍標(biāo)MIL-PRF-23699G和SAE AS5780D為代表的高熱穩(wěn)定性規(guī)范和高性能等級(jí)規(guī)范，以應(yīng)對(duì)潤(rùn)滑油結(jié)焦和提高彈性密封件相容性。通過(guò)提高發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的以上兩種能力，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠更加安全、高效地運(yùn)行，避免不必要的維護(hù)，降低運(yùn)營(yíng)成本，因此，用戶(hù)轉(zhuǎn)向高熱穩(wěn)定性型或高性能等級(jí)的潤(rùn)滑油無(wú)疑是未來(lái)的必然趨勢(shì)。