航空發動機潤滑油發展淺析

■ 陳捷 / 殼牌公司

為保障航空發動機的可靠、安全、高效運行，同時降低維護成本，發動機的潤滑系統及潤滑油也在應對各種挑戰的過程中得到長足發展。

航空發動機的潤滑系統及潤滑油主要為發動機的軸承、附件齒輪箱等部件提供潤滑、散熱、清潔、防腐保護作用，同時還能夠對發動機的振動起到阻尼作用。發動機的軸承支承著壓氣機、渦輪，附件齒輪箱驅動液壓泵、燃油泵、起動發電機，都是對飛機非常重要的系統，可見潤滑油對飛機和發動機的重要性。

發展歷史

潤滑油一直是航空發動機不可或缺的組成部分。

由于早期發動機對工作溫度和載荷的要求相對較低，對潤滑油主要要求的是低溫起動性能， 因此，當時的潤滑油以運動黏度低（2～9 mm2/s，活塞式發動機用潤滑油普遍為20～25 mm2/s）且易于煉制的礦物油最為普遍。

20世紀50年代，燃氣渦輪發動機迅猛發展，更大推力、更高涵道比的渦扇發動機開始進入應用階段。基于礦物基礎油的潤滑油暴露出在較高的溫度下易揮發和熱降解的問題，因此天然有機物合成的潤滑油得到應用。合成油表現出優異的性能，非常適合作為基礎油，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提高抗氧化性和抗熱降解性，這對于保證發動機長期運行后的清潔度有至關重要的作用。與此同時，美國軍標MIL-L-7808（后改為MILPRF-7808）和英國國防部標準DERD 2487 （后改為DEF STAN 91-98）應運而生，分別對應3mm2/s和7.5mm2/s這兩種當時主流的黏度要求潤滑油。其中，3 mm2/s的黏度標準至今仍有應用，如波音787的輔助動力裝置（APU）僅批準使用3 mm2/s的潤滑油，因為3 mm2/s潤滑油具有低溫流動特性，有助于APU在低溫情況下的起動。

20世紀60年代，發動機尺寸和功率輸出的不斷增加，對潤滑油的熱穩定性和高承載能力提出了需求，美國針對以 “受阻酯”為基礎、黏度為5mm2/s的第二代潤滑油制定了美國軍標MIL-L-23699（后改為MILPRF-23699）。第二代潤滑油在美國發動機中率先使用，隨后在英國、加拿大和法國得發動機中得到廣泛應用。

此后，隨著發動機性能不斷提高（更低的油耗、更高的工作溫度和壓力），維護方式不斷進步（更長的大修間隔），客觀造成潤滑油工作條件更加嚴苛，第二代潤滑油已無法滿足要求，取而代之的是熱穩定性更好的 “第三代” 或 “高熱穩定性型”（HTS）的潤滑油。

盡管美國軍標MIL-PRF-23699自20世紀60年代以來一直被發動機和輔助動力裝置（APU）廠家所遵循，作為其批準使用的前提條件，但是隨著民用發動機對推進效率和更長的大修間隔的進一步追求，其已不足以定義現代商用發動機所需要的潤滑油類型。因此，美國汽車工程師學會（SAE）E-34發動機潤滑油委員會應運而生，制定了應用于民用航空發動機得潤滑油規范，并于2000年發布了SAE AS5780。在軍標方面，美國2014年發布的MILPRF-23699的G版本加入了增強酯級別（Enhanced Ester Class）要求，反映美軍對潤滑油更好的彈性密封件兼容性和負載能力的需求（主要針對F-35飛機）。

工作特點

航空燃氣渦輪發動機潤滑油系統的工作過程如圖1所示。潤滑油貯存在滑油箱中，在發動機運轉過程中，滑油泵提供持續壓力，將潤滑油通過供油管路泵至各軸承腔和附件齒輪箱及其傳動裝置中。中大型航空發動機通常采用氣動封嚴來密封軸承腔，因此從軸承腔的回油管排出的通常是潤滑油和空氣的霧狀混合物。燃燒室前的轉子軸承溫度（壓氣機部分）比燃燒室之后的轉子軸承（渦輪部分）溫度低，因此潤滑油在這些軸承腔里的工作溫度差異最高可達100℃。完成潤滑任務之后的油氣混合物和從附件齒輪箱排出的潤滑油被泵至熱交換設備冷卻，然后進行油氣分離，最后回到滑油箱，進入下一個循環。潤滑油系統每分鐘最多可完成3次循環。發動機停車后，滑油泵停止工作，潤滑油中的熱量不能主動散發，而是要經過自然冷卻的過程，從而增加了氧化和炭化的可能性。

圖1 典型的航空發動機潤滑系統示意

由上可以看到航空發動機潤滑油的工作具有以下特點： 潤滑不同溫度的不同類型的部件（既有軸承，也有齒輪）；在管路循環中潤滑油溫度不斷變化；大部分時間與熱空氣并存；接觸不同類型的材質（包括金屬和彈性密封件等）。這些特點對潤滑油熱穩定性、抗氧化能力、相容性和負載能力都有比較高的要求。

發展方向

為了使飛機能夠不間斷飛行的時間更長、距離更遠，發動機的推進效率和熱效率必須提高，這就導致現在的發動機比20世紀60年代的運行溫度高得多。除了在更高溫度下工作外，潤滑油在發動機大修之前一般不會徹底更換，而目前發動機在翼時間進一步延長，這意味著潤滑油需要在更長的大修間隔時間內保持正常工作。因此，避免潤滑油結焦和提高與彈性密封件的相容性的重要性就更加凸顯。

避免結焦

結焦是指發動機運行中不必要的積炭。當發動機潤滑油暴露于高溫環境中時，積炭就會逐漸形成。發動機在運行一段時間后，常見的幾種結焦現象（如圖2所示）：一是薄膜狀結焦，積炭層附著在光滑的金屬表面，會卷曲或脫落，此類結焦通常發生在發動機循環過程中；二是氣相結焦，可見于在發動機較熱部位的余油口或通風口，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，結焦之后表面會看起來粗糙；三是結塊或坑狀積炭，可見于潤滑油聚集的地方，積炭會形成厚團塊，此類結焦可能與發動機正常停車有關，停車時滑油停止流動，滑油無法通過熱交換器散熱，熱量反而被滑油吸收造成氧化；四是動態結焦，積炭在滑油管路內形成不規則流動區域，此類結焦是導致供油管和回油管的阻塞的可能機理之一。

目前仍有飛機運營商認為，結焦是發動機潤滑油在高溫環境工作的正常現象。但如果對潤滑油結焦的現象不采取預防措施，會造成額外的發動機維護成本以及潛在的安全影響。例如，結焦會堵塞滑油油濾和潤滑油系統回油管、排氣管和供油管，從而造成潤滑油流量和壓力不足，或迫使潤滑油進入不應該進入的發動機區域，更甚者會導致軸承故障，或可能發生發動機起火。實際上，使用熱穩定性更強的潤滑油可以改善結焦狀況、有效減少或避免發動機大修時清潔積炭或更換污染的發動機部件的額外工作，是提高發動機維護效率、降低維護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的PT6A-66D發動機，在使用了1種高熱穩定性型潤滑油的情況下，發動機制造商允許的發動機大修間隔（TBO）從3000h延長到3500h（增加17%）。

提高與彈性密封件的相容性

發動機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，密封件會吸收一部分潤滑油使其膨脹，從而起到密封作用。根據經驗，最佳的潤滑油吸收量應使密封件產生12%～20%的膨脹。如果潤滑油與密封件之間的相容性不理想，則會造成密封件劣化，導致密封件過度膨脹或收縮開裂，進而造成潤滑油滲漏或其他外來物污染潤滑油系統。

通常發動機潤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油，而非礦物的基礎油，與礦物基礎油相比，酯對彈性密封件更具攻擊性。潤滑油的其他成分主要是提供所需性能要求的添加劑成分，包括保持發動機清潔的分散劑、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，以及有助于保護基礎油免受熱降解和結焦的抗氧化劑，但部分高熱穩定性型潤滑油中的抗氧化劑會導致彈性密封件劣化，造成故障性漏油。例如，CFM國際公司的CFM56和GE公司的CF34發動機均曾出現過使用添加不當抗氧化劑的高熱穩定性型潤滑油導致彈性密封件劣化的情況，迫使航空公司進行額外的定期檢查或不得不改裝相應的密封件來避免漏油。

如何在保持高熱穩定性的同時，使潤滑油與彈性密封件更相容，從而節省成本和提高安全裕度，是目前航空發動機潤滑油發展的重要方向。

圖3 幾種潤滑油結焦形態

結束語

經過數十年發展和積累，以美國軍標MIL-PRF-23699G和SAE AS5780D為代表的高熱穩定性規范和高性能等級規范，以應對潤滑油結焦和提高彈性密封件相容性。通過提高發動機潤滑油的以上兩種能力，發動機能夠更加安全、高效地運行，避免不必要的維護，降低運營成本，因此，用戶轉向高熱穩定性型或高性能等級的潤滑油無疑是未來的必然趨勢。