燃气涡轮航空发动机与发动机油规格

王 平

摘要:概述了航空发动机发展历程与现代航空发动机的发展现状。介绍了现代航空发动机油的规格发展,以及对航空发动机润滑油性能的主要要求。通过分析,指出了目前国际上主要的航空发动机油规格仍然以美国军标规格为主导;提出了我国自主研究开发航空发动机油,需要重点考虑油品在高低温条件下的贮存稳定性、氧化安定性和腐蚀性,同时需要同步研制开发满足现代航空发动机油所需求的新戊基多元醇酯型合成基础油。

关键词:航空;发动机;发动机油;规格

中图分类号:TE626.34 文献标识码:A

Aircraft Turbine Engine and the Specification of Engine Oil

WANG Ping

(SINOPEC Lubricant Company, Beijing 100085, China)

Abstract:The developed course of aircraft engine and the developing actuality of modern aircraft engine are summarized. The development of modern aircraft engine oil specification and the main demands on the properties of aircraft engine oil are introduced. By analysis, it is pointed out that MIL specification is still now the dominant of aircraft engine oil specification internationally. Moreover, for the independent R&D of aircraft engine oil in China, it is necessary to consider mainly the storage stability at high & low temperature, oxidation stability and corrosiveness; At the same time, the R&D of neopentyl polyol ester type synthetic base oil to meet modern aircraft engine oil is also needed.

Key words:aircraft; engine; engine oil; specification

0 前言

2008年5月11日,国家控股的大型客机公司——中国商用飞机有限责任公司在上海成立,标志着中国大飞机项目已经正式启动。航空发动机作为大型飞机的核心组件之一,是高科技的象征。莱克兄弟于1903年首次进行的动力飞行,开启了人类航空的历史,最初作为飞机动力的航空发动机是活塞式的,在经历二次大战的洗礼后,这种活塞式发动机技术发展到了顶峰;伴随世界范围内的经济增长,这种活塞式发动机已经不能适应高速、高续航能力、低耗能的大型飞机,如运输机、客机的需要,并随着航空涡轮发动机的出现,逐步退出航空运输领域。由此人类航空开始进入喷气时代。经过约60年的技术进步,涡轮发动机已经从涡轮喷气发动机发展到涡轮风扇发动机,大大提高了飞机的安全性、稳定性和经济性。

随着航空发动机技术发展、进步和性能提高,处于工作状态下发动机苛刻度也不断提高,如现代涡轮风扇发动机局部部件需要在约1200~1500 ℃下稳定可靠的工作,要求的航空发动机润滑油质量水平也随之提高。为满足这种航空发动机对润滑油的可靠要求,航空发动机油标准也应运而生。

航空发动机油作为航空发动机的血液,一种性能优良的航空发动机润滑油,不但要为航空发动机各运动部件提供充分润滑,而且还要提供足够的密封、散热作用,从而保障飞机发动机在高速高温条件下安全、稳定的长时间续航能力。本文就航空发动机的基本构成和航空发动机油标准作一阐述。

1 航空发动机基本构成

1.1 航空涡轮喷气发动机

1936年前后一些国家开始研制涡轮喷气发动机,20世纪40年代末英国、美国和前苏联开始将涡轮发动机用于飞机上,并首先装备在战斗机上。1952年世界上第一种喷气式旅客机英国的“彗星”投入使用。1958年前后,美国的B707、前苏联的图-104大型喷气式旅客机投入使用,标志大型旅客机进入了喷气式时代。

喷气发动机使飞行速度大大提高,发动机工作温度也大大提高了。要求润滑油的性能也要相应地提高,涡轮喷气发动机所需的润滑油与活塞发动机有很大的区别,一个显著的特点是耐高温氧化性能提高了。

现代航空涡轮喷气发动机的基本构成如图1所示。有下列几个基本构成单元:①压气机,起加功增压作用,即对气体加入机械能以提高气体的压力;②燃烧室,是向流入燃烧室的空气喷入燃油进行燃烧,将燃油所含的化学能释放出来,使燃气温度提高;③涡轮,是将燃烧室出口高压燃气的热焓转变为机械功,是带动压气机转动的动力;④尾喷管,是使涡轮出口的高温燃气进一步膨胀,将燃气的焓转变为动能,使燃气以高速排出喷口。

气流由进气道进入发动机,压气机使气流增压,在燃烧室喷入燃料燃烧,所产生的热能使气流温度提高。燃烧室出口的高温高压燃气具有很大的作功能力,在涡轮和喷管中膨胀做功。对于涡轮喷气发动机,涡轮膨胀功只用于驱动压气机工作,燃气在喷管中的膨胀功使气流的动能增大,以高速喷出。

1.2 涡轮风扇发动机

涡轮风扇发动机是在为解决涡轮喷气发动机经济性差的基础上研制的,耗油率一般只有涡轮喷气发动机的1/3。涡轮风扇发动机是一种能产生大的推力、而排气速度较低的发动机。涡轮风扇发动机于1960年问世,并在波音公司首先得到应用。随后为满足大型远程飞机的发展需要,研制出高涵道比涡轮风扇发动机。并且在上世纪70年代初开始在美国装配在大型客机上,如B747、DC-10、L1011等。此后发展了各种推力档次的涡扇发动机以满足各种型号旅客机的要求。1990年以后,为满足高载荷、高安全、低燃耗的大型客机,如B777的需要,开始发展高性能即高涵道比涡轮风扇发动机,如GE90、PW4084、瑞达800、瑞达900。目前大型客机主要使用的高涵道比涡扇发动机有CFM56、V2500、RB211、PW4000。图2 是CFM56-3型涡扇发动机的基本结构简图。

2 航空发动机油规格与主要性能

2.1 发动机润滑油系统

为保障航空发动机安全、稳定的工作,需要借助润滑系统向发动机的各个润滑部位提供稳定流量的润滑油。润滑系统的设计可以分为两个阶段,20世纪80年代之前投用的发动机基本上均采用传统的润滑系统,如图3所示。而新一代的航空发动机润滑系统是在传统润滑系统的基础上,得到进一步改进,使之更加安全、可靠的工作,以保障润滑油的正常供应。如图4所示是V2500的润滑系统的示意图,反映了新一代润滑系统的主要特点。

图3所示的这种传统的润滑系统,在它的进油路增压泵后面设有调压活门,保证油压在发动机各种工作状态下(慢车状态除外)维持0.294~0.353 MPa油压,调压后的润滑油进入细油滤,其过滤精度一般为50~80 μm。油滤通常称为高压油滤,设有旁路活门,当油滤堵塞时,它的进口和出口之间的压降增大;当达到一定值后,旁路活门自动打开,而润滑油部分或全部饶过油滤经旁路活门流出,保证发动机始终有润滑油供给。

在回油分系统中,各油腔的润滑油由各自的回油泵抽回,经回油总管、油气分离器和润滑油散热器流回油箱。

图4所示的这种新一代航空发动机润滑系统,在进油系统中的细油滤不带安全活门,但有堵塞指示灯(△P>0.8×10⁵Pa时灯亮),过滤精度为125 μm。回油总管中的细油滤带安全活门(△P>1.35×10⁵Pa时打开)及堵塞指示灯传感器(△P>0.8×10⁵Pa时灯亮)。

发动机正常工作时,流向轴承等处的润滑油中的污粒尺寸大于30 μm(由回油滤保证)。回油滤开始堵塞,即0.8×10⁵Pa时,指示油滤堵塞的琥珀色灯发亮,而此时润滑油仍然通过油滤;当油滤堵塞加重,即△P>1.35×10⁵Pa时,旁路安全活门自动打开,润滑油不通过油滤而经旁路流回油箱。此时,流向轴承等处的润滑油由进油管油滤过滤。其污粒度不大于125 μm。当进油滤也被堵塞,即△P>0.8×10⁵Pa时,该油滤指示灯发亮。堵塞继续加剧时,由于无安全活门,润滑油中污粒尺寸仍小于125 μm,当供油压力不断下降,直到最低压力警告灯发亮为止。由此可以看出,在V2500的润滑系统中,正常情况下油中污粒的尺寸不大于30 μm,而在严重污染情况下污粒的尺寸也不大于125 μm,因此能保证轴承、齿轮等不会受到损伤。在传统的润滑系统中,正常情况下油中污粒的尺寸小于50~80 μm,而严重堵塞时油滤旁路安全活门打开,润滑油直接通过旁路流向轴承等处。此时虽然发动机能继续工作,但轴承、齿轮等易受到过大尺寸污粒的损伤。

2.2 航空发动机油规格

如上所述,航空发动机润滑油通过润滑系统对发动机的润滑部位进行有效润滑的同时,带走大量的被润滑部件所吸收的因燃烧燃油产生大量热量,使发动机保持在一定的工作温度下稳定工作。因此,润滑油在循环过程中,需要经历吸热、升温、氧化、冷却不断循环往复的过程。在这一过程中,油品就产生了蒸发、结焦、腐蚀等反应倾向。这就对航空发动机润滑油提出了非常苛刻的要求。衡量一种润滑油能否满足航空发动机的基本要求,主要由规格标准加以限定。

航空发动机油规格的发展变化,是与航空发动机技术发展相适应的。不同的航空发动机制造商分别推出并发展了各自航空发动机油规格要求,如Pratt & Whitney 公司的PWA521规格、GE公司的D50TF1规格,以及Allison公司的EMS53规格等,SAE E34组织也制订了一个航空燃气透平机的核心技术规范SAE AS5780,该规范规定了适用于涡轮发动机或涡轮驱动的船舶及工业装备的粘度等级为5 mm²/s的燃气透平机油的基本物理、化学等性能。但总体而言,都是以美军标准为基础的,要求的基础油也从最初的矿油型、半合成型逐渐发展到双酯型合成油,直到目前的新戊基多元醇酯合成油。美军航空发动机油标准根据油品100 ℃粘度划分为两种规格。一是MIL-L-7808规格,规定了3 mm²/s和4 mm²/s两个粘度等级,前者应用于一般场合,后者应用于具有更高热稳定性要求的场合,该规格1951年发布,至今已经修订过多次;二是MIL-L-23699规格,规定了5 mm²/s一个粘度等级,该规格1963年发布,至今也出过多个版本,并得到了逐步的完善,规定的油品包括了标准型(STD)、防锈型(C/I)和高温稳定型(HTS)三种。目前使用的这两个规格是1997年5月发布的MIL-PRF-7808L规格和MIL-PRF -23699F规格。表1、表2分别列出了这两个规格的部分技术要求。

由表1、表2可见,无论是MIL-PRF-7808L规格,还是MIL-PRF -23699F规格,对航空发动机油的性能要求具有如下特点:

(1)运动粘度与蒸发损失

航空发动机油的重要作用就是在循环过程中提供足够的工作温度下所需的油膜,保证正常润滑,同时又将大量的热量带走,又不会在摩擦部件表面因高温而产生结焦,因此在MIL-PRF-7808L规格和MIL-PRF -23699F规格中均规定了高温100 ℃温度下的粘度和最高蒸发量的限制。测定油品的粘度和蒸发损失的方法与一般工业润滑油相同,分别采用ASTM D445和ASTM D972测定方法。

(2)相容性

相容性是航空发动机油的重要指标要求,测定一种新的航空发动机油相容性的标准实验方法由FED-STD-791的3403法所规定。是将待测的航空发动机油新油品与选定的满足MIL-PRF-7808L规格和MIL-PRF -23699F规格的常用的一种油品按一定比例进行混合并装在带有规定刻度的离心管中,在一定温度下保持168 h后,观察外观及沉淀量,然后再置于室温避光环境下贮存21天后,观察油品外观,并离心分离测量沉淀物量。

(3)热稳定性和腐蚀性

热稳定性和腐蚀性是对航空发动机油的主要化学性能要求。测定航空发动机油热稳定性和腐蚀性的标准实验方法由FED-STD-791的3411法所规定。MIL-PRF-7808L规格和MIL-PRF -23699F规格均对各粘度等级的航空发动机油提出了苛刻的要求,要求满足规格的航空发动机油必须在274 ℃高温下通过试验。测定被测油品的40 ℃粘度变化率、总酸值变化和金属试片的质量变化。

(4)贮存稳定性

贮存稳定性是衡量航空发动机油能否在正常环境下长期稳定,油品不产生物理和化学变化,从而能够保证贮存后的油品性能如新油一样。MIL-PRF -7808L规格和MIL-PRF -23699F规格都对油品贮存稳定性提出具体要求,如表3所示。

(5)腐蚀和氧化安定性

氧化安定性和腐蚀性是航空发动机油最主要化学性能指标,MIL-PRF-7808L规格和 MIL-PRF -23699F规格分别对油品的腐蚀和氧化安定性都提出了苛刻的要求。测定3 mm²/s和4 mm²/s油品的这一性能的标准测定方法是ASTM D4636,而测定5 mm²/s航空发动机油这一性能的标准方法由FED-STD-7915308法所规定。油品要在金属试片存在下,分别于规定的实验温度下通过规定的小时数的试验。测定被测油品的40 ℃粘度变化率、总酸值变化和油泥量,以及以金属试片失重量表示的油品对金属的腐蚀性,如表4、表5所示。

(6)模拟性能

模拟性能是航空发动机油重要性能要求。MIL-PRF-7808L规格和MIL-PRF-23699F规格对油品模拟性能要求如表6所示。

齿轮载荷试验是测定航空发动机油润滑性能的模拟试验方法。MIL-PRF-7808L规格要求使用ASTM D1947法和ASTM D5182法测定油品的润滑性能;MIL-PRF-23699F规格则要求使用FED-STD-791 6508法测定。

在MIL-PRF-23699F规格中,还要求进行轴承试验。测定经高温实验后油品的沉积物量和以总酸值变化、粘度变化为特征的油品的变质状况。对于防腐型(C/I)油品,还增加了轴承腐蚀试验一项。油品腐蚀试验有两种标准参考油,一种是通过油,另一种是未通过油。

3 结论

(1)航空发动机的发展,在经历了二次世界大战后,为满足大运输量、高速、低能耗的要求,发展了喷气涡轮、喷气涡扇发动机,极大地提高了发动机的工作苛刻度。由此对航空发动机油的要求也从二战前的矿物润滑油,发展到以新戊基多元醇酯为基础油的合成型航空发动机油。

(2)航空发动机润滑系统的设计也从传统的润滑油系统向更加安全,更加可靠的新一代润滑系统发展。

(3)航空发动机油以油品100 ℃粘度进行划分,其中MIL-PRF-7808L规格包含两个粘度等级(3 mm²/s、4 mm²/s);MIL-PRF-23699F规格仅有一个粘度等级(5 mm²/s),但包括了三种类型的油品:标准型(STD)、防腐型(C/I)和高温型(HTS)。

(4)MIL-PRF-7808L规格和MIL-PRF-23699F规格对航空发动机油的贮存稳定性都提出了非常苛刻的要求,不但要求贮存后的油品外观目测必须合格,同时要求各项指标必须满足规格要求。

(5)腐蚀与氧化安定性是航空发动机油的关键和最主要的性能指标。MIL-PRF-7808L规格和MIL-PRF-23699F规格都对航空发动机油的腐蚀和氧化安定性提出了非常具体的要求。

(6)航空发动机油的模拟试验包括了齿轮载荷试验和轴承试验。重点考虑了油品的润滑性能。

(7)我国自主开发航空发动机油应该以MIL-FRP-7808L规格和MIL-PRF-23699F规格为依据,并兼顾SAE AS 5780规格需求,研制并生产新戊基多元醇酯合成基础油。同时开发满足高温型抗氧防腐添加剂,并系统研究这种添加剂与合成基础油在长期贮存条件下以及高温条件下相互作用的稳定性。

参考文献:

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[2] 张宝诚.航空发动机试验和测试技术[M].北京:北京航空航天大学出版社.

[3] MIL-PRF-7808L-1997 Performance Speification Lubricating Oil,Aircraft Turbine Engine, Synthetic Base[S].

[4] MIL-PRF-23699F-1997 Performance Specification Lubricating Oil, Aircraft Turbine Engine, Synthetic Base, Nato Code Number O-156[S].

收稿日期:2009-03-02。

作者简介:王平(1961-),男,硕士,高级工程师,2000年毕业于华东理工大学化学工程专业,现从事科技研究与管理,曾获全国青年科技标兵,完成国家科技开发项目2项,完成省部级科技开发课题5项,国家发明3项,部级科技进步三等奖2项,已公开发表论文30余篇。