彭顯才++費(fèi)逸偉++姚婷++楊宏偉++卞森

摘要：對(duì)比分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)和潤滑油的工作特點(diǎn)和匹配性，并對(duì)導(dǎo)致航空潤滑油性能衰變的因素做了簡要梳理，最后對(duì)未來航空潤滑油的性能提出了要求。

關(guān)鍵詞：航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)；潤滑系統(tǒng)；潤滑油；工作特點(diǎn)；性能改變

中圖分類號(hào)：TE626.34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

對(duì)于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)裝置，加入潤滑油克服摩擦，可以使有效功率提升幾十至幾百倍[1]，除了潤滑，其作用還有冷卻、清潔、密封、防銹、緩沖、防震和卸荷等。就現(xiàn)役三代機(jī)而言，由于在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、推重比參數(shù)、渦輪前溫度、壓力、增壓比和負(fù)荷等方面數(shù)值不斷升高，潤滑油需要在非?？量痰沫h(huán)境下工作，導(dǎo)致油品在使用中性能下降，嚴(yán)重威脅了發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這也促使航空潤滑油性能的不斷改善。

因此，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下保持潤滑油良好的工作性能，實(shí)現(xiàn)潤滑油與發(fā)動(dòng)機(jī)良好的匹配性是目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題[2]?；诖耍疚膹陌l(fā)動(dòng)機(jī)與潤滑油匹配性的角度做了簡要分析，為下一步利用諸如PDSC、ICP等分析手段或開辟新的油液監(jiān)測(cè)方法，從分子水平高效、精確地探究油品氧化衰變的特點(diǎn)和規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)合理改善油品性能和使?jié)櫥蛷慕?jīng)驗(yàn)性的定期更換向更加科學(xué)合理的視情更換的轉(zhuǎn)變提供理論支撐。

1航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與潤滑油匹配性分析

航空潤滑油的品質(zhì)保證是發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必然要求，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部不同部位以及不同的工況（溫度、壓力、氧氣、時(shí)間、金屬接觸、雜質(zhì)存在等）對(duì)潤滑油各方面性能的要求也不同，因此，必須保證工作中潤滑油與發(fā)動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的匹配性。目前，在用的合成航空潤滑油主要由基礎(chǔ)油和各類添加劑調(diào)合而成，通常具有一定的初始顏色，表現(xiàn)出較好的黏溫性、熱氧化安定性、低溫穩(wěn)定性、抗磨性、抗腐蝕性和儲(chǔ)存安定性等性能。

從實(shí)際情況來看，某些國產(chǎn)或者引進(jìn)的俄制航空發(fā)動(dòng)機(jī)，無論是使用以PAO為基礎(chǔ)油的潤滑油還是以酯類油為基礎(chǔ)油的潤滑油，在較為惡劣的工況條件下使用一段時(shí)間后，油品的質(zhì)量很難得到保證。通過化驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，主潤滑油容易出現(xiàn)顏色加深、酸值增大、物理性能（如黏度、蒸發(fā)性、表面張力和起泡性等）和潤滑性能變差等現(xiàn)象，給飛機(jī)飛行帶來了嚴(yán)重的安全隱患。

1.1航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)工作特點(diǎn)

航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)一般由潤滑油箱、潤滑油泵、潤滑油濾、油路、油氣分離器、泡沫消除器、潤滑油散熱器和噴油嘴等組成。潤滑油泵分增壓泵、回油泵和輔助油泵，潤滑油濾分為網(wǎng)孔為2500～3600目的低壓油濾和網(wǎng)孔為10000～12000目的高壓油濾。航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑系統(tǒng)可分為封閉循環(huán)式與開口式兩類，前者又分為帶散熱器和不帶散熱器兩種，大部分航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)都采用帶燃料冷卻散熱器的封閉循環(huán)式潤滑系統(tǒng)，表1為帶散熱器式發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)循環(huán)路線分類[3]。

1.1.1渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)工作特點(diǎn)

目前，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)常用于軍事航空領(lǐng)域，其潤滑油潤滑的主要部位是傳動(dòng)軸承、附件轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪和軸承，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子的工作條件最為苛刻，其負(fù)荷大（680～900 MPa）、轉(zhuǎn)速快（12000 r/min）、工作溫度也很高，故選用潤滑油時(shí)轉(zhuǎn)子軸承的潤滑要求是主要矛盾，一般來說，亞音速飛機(jī)的軸承溫度最高為150 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)出口的潤滑油溫度為120 ℃左右，而馬赫數(shù)大于3的超音速飛機(jī)，軸承的最高溫度則達(dá)260～300 ℃，為保證運(yùn)動(dòng)部位良好的潤滑[4]，潤滑油的黏度不應(yīng)小于2.5 mm2/s，但也不宜過大，黏度越大，潤滑油的循環(huán)散熱能力減弱，在100 ℃時(shí)保持其運(yùn)動(dòng)黏度為3 mm2/s為宜。

1.1.2渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)工作特點(diǎn)

民用航空飛機(jī)和運(yùn)輸機(jī)等常使用渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比而言，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)。一是潤滑機(jī)件多，除了潤滑渦輪壓縮機(jī)軸承與附件傳動(dòng)齒輪外，還要潤滑螺旋槳減速器齒輪，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)主要靠螺旋槳產(chǎn)生的拉力帶動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)，噴氣產(chǎn)生的推力很小，只占拉力的10%左右，而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速很高，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與螺旋槳之間必須裝有減速器，以便將轉(zhuǎn)速減至螺旋槳工作效率最高的范圍內(nèi)，由于減速器傳遞的功率比較大，使得減速器齒輪必須承受巨大的接觸負(fù)荷，故潤滑油需要承受的壓力更大；二是潤滑油操縱和控制的機(jī)件多，如操縱螺旋槳減速器、燃油控制器、扭矩測(cè)量器和反扭力自動(dòng)順槳等，故發(fā)動(dòng)機(jī)需要更大的供油壓力；三是潤滑系統(tǒng)的工作溫度相對(duì)不是太高，裝備渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)飛行速度一般都低于音速，潤滑油的工作溫度不會(huì)太高，其主要部位工作溫度如表2所示[5]。一般來說，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)使用對(duì)應(yīng)的某型合成航空潤滑油凝點(diǎn)都較低，可在我國通用。

1.1.3渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)工作特點(diǎn)

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于強(qiáng)機(jī)動(dòng)的軍事殲擊機(jī)領(lǐng)域，其潤滑系統(tǒng)基本上與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相同。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可以看作是由渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)加上外殼和風(fēng)扇組成，由于風(fēng)扇的加壓作用，該類發(fā)動(dòng)機(jī)一般都具有較高的渦輪進(jìn)氣溫度，使得潤滑系統(tǒng)的工作溫度要比渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)高得多，高溫成為該類潤滑系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。高溫能加速潤滑油的老化和熱分解，這也對(duì)潤滑油的熱氧化安定性提出了更高的要求，對(duì)于潤滑油黏度來講，其值越大，越有利于保證高溫下良好潤滑，但過高則會(huì)增加轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)阻力且不利于冷卻，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用在100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為5 mm2/s的酯類合成油型潤滑油。

總之，航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)的工作溫度都相對(duì)較高，潤滑油長期處于較高溫度的環(huán)境中，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停車后，由于停止吹風(fēng)和不再循環(huán)冷卻，潤滑油的溫度還會(huì)進(jìn)一步提高，這容易引起潤滑油揮發(fā)、熱分解和氧化變質(zhì)，產(chǎn)生積炭和生成腐蝕金屬的酸性化合物等物質(zhì)，可能引起潤滑系統(tǒng)故障，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

1.2航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的工作特點(diǎn)

航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油主要用于前、中、后軸承和傳動(dòng)裝置，對(duì)于渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)來說，還用于螺旋槳減速器。隨著航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能的不斷升高，在與內(nèi)部潤滑系統(tǒng)潤滑機(jī)件的接觸、作用下，對(duì)潤滑油各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。航空潤滑油的工作特點(diǎn)如表3所示[6]。

潤滑油工作中會(huì)接觸Fe、Cu、Cr、Al、Ag、Ti、Ni、Pb、Mo等金屬材料以及各種牌號(hào)的丁腈橡膠和硅橡膠等，潤滑油在高溫下易與其發(fā)生作用導(dǎo)致油品變質(zhì)易產(chǎn)生泡沫潤滑油工作時(shí)易于空氣混合，特別是在噴射潤滑油時(shí)，與空氣大面積接觸容易產(chǎn)生泡沫

除了上述特點(diǎn)以外，發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)不同部位在工作時(shí)對(duì)潤滑油性能要求側(cè)重點(diǎn)也不一樣，若初始潤滑油質(zhì)量不高或一段時(shí)間后氧化變質(zhì)都會(huì)使相應(yīng)部件出現(xiàn)故障的幾率迅速增加，潤滑油性能與發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)工作可靠性的關(guān)系如表4所示[7-8]。

1.3航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油在使用中性能變差的影響因素

針對(duì)航空潤滑油的工作特點(diǎn)，無論潤滑油是石油基油還是合成油，導(dǎo)致其性能變差的主要因素有溫度、氧氣、水分、運(yùn)行時(shí)間、灰塵等雜質(zhì)和金屬等，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部潤滑系統(tǒng)而言，潤滑油在循環(huán)過程中上述影響因素總是客觀存在的。

航空潤滑油溫度的升高與工作時(shí)間的延長將加速潤滑油的化學(xué)反應(yīng)，包括氧化反應(yīng)、分解反應(yīng)和催化反應(yīng)，在高溫、氧氣和金屬催化的作用下，航空潤滑油會(huì)發(fā)生氧化、分解，產(chǎn)生酸、醇等酸性小分子化合物，造成各項(xiàng)理化性能的衰減，從而加劇發(fā)動(dòng)機(jī)部件的磨損和腐蝕。另外，若潤滑油的熱氧化安定性不好，在使用過程中產(chǎn)生油泥、漆膜等非油溶性產(chǎn)物，對(duì)潤滑系統(tǒng)是潛在危險(xiǎn)，可能堵塞過濾器和噴嘴，在部件上產(chǎn)生沉積物，劣化供油，阻礙傳熱，造成發(fā)動(dòng)機(jī)故障，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作[9]。當(dāng)溫度每升高10 ℃，潤滑油分子運(yùn)動(dòng)速度就增加一倍，當(dāng)溫度超過某一臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)造成油品發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，在有氧氣存在下，氧氣與潤滑油中基礎(chǔ)油和添加劑分子發(fā)生反應(yīng)，一般來說這類反應(yīng)在超過204 ℃時(shí)就會(huì)加劇，雖然達(dá)不到熱分解的溫度，但潤滑油被氧化成各種化合物，這就使?jié)櫥偷睦砘阅馨l(fā)生了變化，導(dǎo)致油品質(zhì)量下降，表5為發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)在不同巡航速度下的近似溫度[10-12]。

由于溫度不同，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的各個(gè)階段對(duì)潤滑油的性能變化影響也不同。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)潤滑油的最高溫度往往出現(xiàn)在起飛或高速飛行后收油門返航和下滑階段。起飛時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)口的啟動(dòng)溫度、壓氣機(jī)溫度、渦輪出口的溫度以及軸承、密封裝置、齒輪所產(chǎn)生的溫度都很高；收油門返航時(shí)，由于燃油流量的減少，燃油帶走的熱量大大降低，從而使?jié)櫥蜏囟壬?，因此，飛機(jī)起落時(shí)的工作狀態(tài)對(duì)潤滑油的影響最大，起落次數(shù)越多，潤滑油的性能衰變?cè)娇?，換油周期也相應(yīng)縮短。

1.4航空潤滑油使用壽命的確定

正是由于航空潤滑油苛刻的用油環(huán)境，為保證其性能指標(biāo)能與發(fā)動(dòng)機(jī)相適應(yīng)，確保潤滑油質(zhì)量優(yōu)良，結(jié)合軍事和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)每種發(fā)動(dòng)機(jī)主潤滑油都要求有固定的換油期，一旦相應(yīng)潤滑油換油期滿，表示該油品使用壽命結(jié)束，將作為廢油回收處理。目前，一些航空潤滑油的換油周期從幾百小時(shí)到一年不等。但由于飛機(jī)飛行時(shí)長、飛行科目等因素各異，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況不盡相同，這就可能造成如下結(jié)果：一是油品質(zhì)量尚好，換油造成油料的浪費(fèi)；二是未到換油期，由于油品已經(jīng)變質(zhì)，理化性能衰變，可能加重發(fā)動(dòng)機(jī)部件的損傷。目前來看，4050合成航空潤滑油的其使用壽命基本上與所匹配發(fā)動(dòng)機(jī)相同，可以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)大修期間不換油的目的[8]，是較為理想的潤滑油之一。

對(duì)于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油而言，影響發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的主要性能指標(biāo)有潤滑性、熱氧化安定性、低溫流動(dòng)性和腐蝕性。實(shí)驗(yàn)室通過臺(tái)架試驗(yàn)預(yù)測(cè)潤滑油壽命，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，確定航空潤滑油使用壽命的油品性能，其一是熱氧化安定性，體現(xiàn)在低溫（-40 ℃）黏度和異辛烷不溶物的含量的極限值限制了潤滑油的繼續(xù)使用；其二是油品中添加劑含量的變化，決定了潤滑油的極限使用期。

1.5未來航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的性能要求

目前，航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)基本上都是按照美國MIL-L-7808J和MIL-L-23699C這兩種標(biāo)準(zhǔn)的酯類潤滑油而設(shè)計(jì)的，即將投產(chǎn)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)也是按照上述的兩種標(biāo)準(zhǔn)油而設(shè)計(jì)的。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的更新?lián)Q代伴隨著渦輪溫度的提高和冷卻空氣量的降低，這使得潤滑油更容易出現(xiàn)局部結(jié)焦和嚴(yán)重的熱氧化降解，另外，由于軸承艙密封性逐漸改進(jìn)，使得潤滑油的工作消耗幾乎降為零，因?yàn)闈櫥烷L時(shí)間不需要補(bǔ)加，也就不存在經(jīng)常性的更換問題，那么添加劑（尤其是抗氧劑）將會(huì)逐漸被消耗掉，最終會(huì)導(dǎo)致潤滑油的屢次老化，因此，未來渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)潤滑油的高溫性能要求更加嚴(yán)格[13]。

（1）提升潤滑油的主體氧化安定溫度。下一代航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的主體溫度（指發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)出口的回油溫度）將超過300 ℃，要求潤滑油必須保持在300 ℃以上某個(gè)區(qū)間能長期工作，在換油期內(nèi)沒有明顯的氧化降解。

（2）提高潤滑油熱點(diǎn)溫度承受力。潤滑油在熱點(diǎn)區(qū)域容易產(chǎn)生極度的沉積，因?yàn)檩S承艙密封件上的潤滑油工作溫度要比潤滑油回油溫度高得多，因此要求潤滑油在一段時(shí)間內(nèi)夾帶空氣的條件下不出現(xiàn)明顯的腐蝕和沉積，且必須滿足瞬時(shí)接觸最高溫度的熱點(diǎn)表面不生成腐蝕性產(chǎn)物。

（3）提升潤滑油的自燃點(diǎn)。在有氧氣但無火源條件下，酯類潤滑油的自燃點(diǎn)相對(duì)較低，新一代發(fā)動(dòng)機(jī)用于防止軸承艙著火的緩沖空氣，壓力較高，對(duì)潤滑油自燃點(diǎn)要求較高。

（4）保持潤滑油適宜的低溫黏度。軍事任務(wù)的復(fù)雜化和多樣化，要求發(fā)動(dòng)機(jī)在典型地方的寒冷季節(jié)都能在低溫下迅速啟動(dòng)和在同溫層正常再啟動(dòng)，潤滑油能正常泵送。

（5）降低潤滑油的蒸汽壓。隨著潤滑油主體工作溫度的上升，潤滑油蒸汽壓增大，耗油量升高，隨著油蒸汽的增加，潤滑油箱中的泡沫增多，且油泵容易發(fā)生氣阻，為冷凝油蒸汽，油箱的體積必須隨之增大，從而影響戰(zhàn)機(jī)整體設(shè)計(jì)。

2結(jié)束語

航空潤滑油作為“飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的血液”，潤滑系統(tǒng)中不同部件對(duì)其的性能要求也不同，潤滑油的性能與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配性直接關(guān)系到機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和使用壽命。本文通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)以及潤滑油的工作特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在影響潤滑油性能變化的因素中，環(huán)境溫度的升高、運(yùn)行時(shí)間的延長、氧氣的加速氧化、金屬的催化氧化占主要地位，油品存在的主要問題就是氧化變質(zhì)。

為保證潤滑油質(zhì)量，通常通過實(shí)驗(yàn)給潤滑油制定對(duì)應(yīng)的換油期，但由于實(shí)際工況不盡相同，這就可能造成油料的浪費(fèi)或發(fā)動(dòng)機(jī)的損傷。所以，為保證航空潤滑油與發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，可以利用多種現(xiàn)代分析手段，如HPLC、GC/MS、ICP、PDSC、TGA、FTIR等分析技術(shù)，或開辟新的航空潤滑油監(jiān)控方法和途徑，高效、精確地從微觀分子水平研究油品高溫氧化情況、氧化后的結(jié)構(gòu)組成、雜質(zhì)元素含量等問題，從而準(zhǔn)確反饋出潤滑油與發(fā)動(dòng)機(jī)的不適應(yīng)點(diǎn)，后期通過分析油品性能變化規(guī)律，合理改善油品質(zhì)量，并從軍事、經(jīng)濟(jì)等多角度出發(fā)，滿足三代戰(zhàn)機(jī)遂行多樣化任務(wù)的需求，實(shí)現(xiàn)潤滑油從經(jīng)驗(yàn)性的定期更換向更加科學(xué)合理的視情更換的轉(zhuǎn)變，對(duì)保障飛行來講意義重大。

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