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

發(fā)展歷史

潤滑油一直是航空發(fā)動機(jī)不可或缺的組成部分。

由于早期發(fā)動機(jī)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(dāng)時的潤滑油以運(yùn)動黏度低（2~9 mm2/s，活塞式發(fā)動機(jī)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(jì)50年代，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)迅猛發(fā)展，更大推力、更高涵道比的渦扇發(fā)動機(jī)開始進(jìn)入應(yīng)用階段?；诘V物基礎(chǔ)油的潤滑油暴露出在較高的溫度下易揮發(fā)和熱降解的問題，因此天然有機(jī)物合成的潤滑油得到應(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提高抗氧化性和抗熱降解性，這對于保證發(fā)動機(jī)長期運(yùn)行后的清潔度有至關(guān)重要的作用。與此同時，美國軍標(biāo)MIL-L-7808（后改為MIL-PRF-7808）和英國國防部標(biāo)準(zhǔn)DERD 2487 （后改為DEF STAN 91-98）應(yīng)運(yùn)而生，分別對應(yīng)3mm2/s和7.5mm2/s這兩種當(dāng)時主流的黏度要求潤滑油。其中，3 mm2/s的黏度標(biāo)準(zhǔn)至今仍有應(yīng)用，如波音787的輔助動力裝置（APU）僅批準(zhǔn)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(jì)60年代，發(fā)動機(jī)尺寸和功率輸出的不斷增加，對潤滑油的熱穩(wěn)定性和高承載能力提出了需求，美國針對以 “受阻酯”為基礎(chǔ)、黏度為5mm2/s的第二代潤滑油制定了美國軍標(biāo)MIL-L-23699（后改為MIL-PRF-23699）。第二代潤滑油在美國發(fā)動機(jī)中率先使用，隨后在英國、加拿大和法國得發(fā)動機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。

此后，隨著發(fā)動機(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（更長的大修間隔），客觀造成潤滑油工作條件更加嚴(yán)苛，第二代潤滑油已無法滿足要求，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）的潤滑油。

盡管美國軍標(biāo)MIL-PRF-23699自20世紀(jì)60年代以來一直被發(fā)動機(jī)和輔助動力裝置（APU）廠家所遵循，作為其批準(zhǔn)使用的前提條件，但是隨著民用發(fā)動機(jī)對推進(jìn)效率和更長的大修間隔的進(jìn)一步追求，其已不足以定義現(xiàn)代商用發(fā)動機(jī)所需要的潤滑油類型。因此，美國汽車工程師學(xué)會（SAE）E-34發(fā)動機(jī)潤滑油委員會應(yīng)運(yùn)而生，制定了應(yīng)用于民用航空發(fā)動機(jī)得潤滑油規(guī)范，并于2000年發(fā)布了SAE AS5780。在軍標(biāo)方面，美國2014年發(fā)布的MIL-PRF-23699的G版本加入了增強(qiáng)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(fù)載能力的需求（主要針對F-35飛機(jī)）。

工作特點(diǎn)

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)潤滑油系統(tǒng)的工作過程如圖1所示。潤滑油貯存在滑油箱中，在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，滑油泵提供持續(xù)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(fā)動機(jī)通常采用氣動封嚴(yán)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(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℃。完成潤滑任務(wù)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(shè)備冷卻，然后進(jìn)行油氣分離，最后回到滑油箱，進(jìn)入下一個循環(huán)。潤滑油系統(tǒng)每分鐘最多可完成3次循環(huán)。發(fā)動機(jī)停車后，滑油泵停止工作，潤滑油中的熱量不能主動散發(fā)，而是要經(jīng)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(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)示意

由上可以看到航空發(fā)動機(jī)潤滑油的工作具有以下特點(diǎn)： 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(huán)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(zhì)（包括金屬和彈性密封件等）。這些特點(diǎn)對潤滑油熱穩(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間更長、距離更遠(yuǎn)，發(fā)動機(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，潤滑油在發(fā)動機(jī)大修之前一般不會徹底更換，而目前發(fā)動機(jī)在翼時間進(jìn)一步延長，這意味著潤滑油需要在更長的大修間隔時間內(nèi)保持正常工作。因此，避免潤滑油結(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)動機(jī)運(yùn)行中不必要的積炭。當(dāng)發(fā)動機(jī)潤滑油暴露于高溫環(huán)境中時，積炭就會逐漸形成。發(fā)動機(jī)在運(yùn)行一段時間后，常見的幾種結(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，會卷曲或脫落，此類結(jié)焦通常發(fā)生在發(fā)動機(jī)循環(huán)過程中；二是氣相結(jié)焦，可見于在發(fā)動機(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)焦之后表面會看起來粗糙；三是結(jié)塊或坑狀積炭，可見于潤滑油聚集的地方，積炭會形成厚團(tuán)塊，此類結(jié)焦可能與發(fā)動機(jī)正常停車有關(guān)，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(tài)結(jié)焦，積炭在滑油管路內(nèi)形成不規(guī)則流動區(qū)域，此類結(jié)焦是導(dǎo)致供油管和回油管的阻塞的可能機(jī)理之一。

圖2 幾種潤滑油結(jié)焦形態(tài)

目前仍有飛機(jī)運(yùn)營商認(rèn)為，結(jié)焦是發(fā)動機(jī)潤滑油在高溫環(huán)境工作的正?，F(xiàn)象。但如果對潤滑油結(jié)焦的現(xiàn)象不采取預(yù)防措施，會造成額外的發(fā)動機(jī)維護(hù)成本以及潛在的安全影響。例如，結(jié)焦會堵塞滑油油濾和潤滑油系統(tǒng)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?jié)櫥瓦M(jìn)入不應(yīng)該進(jìn)入的發(fā)動機(jī)區(qū)域，更甚者會導(dǎo)致軸承故障，或可能發(fā)生發(fā)動機(jī)起火。實際上，使用熱穩(wěn)定性更強(qiáng)的潤滑油可以改善結(jié)焦?fàn)顩r、有效減少或避免發(fā)動機(jī)大修時清潔積炭或更換污染的發(fā)動機(jī)部件的額外工作，是提高發(fā)動機(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)動機(jī)，在使用了1種高熱穩(wěn)定性型潤滑油的情況下，發(fā)動機(jī)制造商允許的發(fā)動機(jī)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(fā)動機(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，密封件會吸收一部分潤滑油使其膨脹，從而起到密封作用。根據(jù)經(jīng)驗，最佳的潤滑油吸收量應(yīng)使密封件產(chǎn)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(dǎo)致密封件過度膨脹或收縮開裂，進(jìn)而造成潤滑油滲漏或其他外來物污染潤滑油系統(tǒng)。

通常發(fā)動機(jī)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(chǔ)油，而非礦物的基礎(chǔ)油，與礦物基礎(chǔ)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(fā)動機(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)定性型潤滑油中的抗氧化劑會導(dǎo)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(fā)動機(jī)均曾出現(xiàn)過使用添加不當(dāng)抗氧化劑的高熱穩(wěn)定性型潤滑油導(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)的密封件來避免漏油。

如何在保持高熱穩(wěn)定性的同時，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)動機(jī)潤滑油發(fā)展的重要方向。

結(jié)束語

經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展和積累，以美國軍標(biāo)MIL-PRF-23699G和SAE AS5780D為代表的高熱穩(wěn)定性規(guī)范和高性能等級規(guī)范，以應(yīng)對潤滑油結(jié)焦和提高彈性密封件相容性。通過提高發(fā)動機(jī)潤滑油的以上兩種能力，發(fā)動機(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)營成本，因此，用戶轉(zhuǎn)向高熱穩(wěn)定性型或高性能等級的潤滑油無疑是未來的必然趨勢。

（陳捷，殼牌公司航空潤滑事業(yè)部，亞太及中東地區(qū)OEM和行業(yè)經(jīng)理，從事航空潤滑產(chǎn)品研究及業(yè)務(wù)發(fā)展與合作交流）

原文刊載于《航空動力》2021年 第6期

責(zé)任編輯：沙紹智

美術(shù)編輯：陳健

（陳捷 航空動力 期刊）

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