航空润滑油规格发展概述

张丙伍,孙丁伟,谢惊春,杨俊杰

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心,甘肃兰州 730060; 2.中国石油润滑油公司,北京 100101)

航空润滑油规格发展概述

张丙伍1,孙丁伟1,谢惊春1,杨俊杰2

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心,甘肃兰州 730060; 2.中国石油润滑油公司,北京 100101)

以矿物油为基础油的M IL-L-6081规格不能满足要求,1951年美国空军制订Ⅰ型以双酯为基础油的M IL-L-7808规格,1997年发展为M IL-PRF-7808 L。为解决M IL-L-7808规格润滑油使用中出现淤渣,造成对发动机部件的磨损,需要进一步提高航空润滑油热安定性,1963年美国海军制订了以热氧化安定性好的Ⅱ型多元醇酯为基础油的M IL-L-23699规格, 1997年该规格升级为 M IL-PRF-23699 F;2007年美国汽车工程学会把M IL-PRF-23699 F发展成最新 SAE AS 5780规格。文中重点阐述了规范M IL-PRF-7808 L和 SAE AS 5780发展动力和性能要求。随着飞机向高速、高性能方向发展,具有优异的热氧化安定性如全氟聚醚等化合物有望满足未来航空润滑油规格要求。

航空润滑油;规格;航空发动机

Abstract:M IL-L-6081 specification for the oil using m ineraloil as base oil could not m eet the requirem ent.US Air Force setM IL-L-7808 specification for the oil takingⅠtype diol ester base stocks as base o il in 1951,and evolved it to M ILPRF-7808 L in 1997.Along w ith the developm ent of air engine′s thrustw eight ratio to high level,the aviation lubricating oil num bered M IL-L-7808 specification occurred sludge during use,w hich caused the friction and w ear of engine components.So the aviat ion engine oilneeded to further improve its therm al stability.US navy preparedM IL-L-23699 specification for the oilw hich w as typ ically m ade w ith polyol ester base stocks in 1963.It w as upgraded to M IL-PRF-23699 F in 1997.SAE developed M IL-PRF-23699 F to the latest SAE AS 5780 specification in 2007.In this paper,the driving force and perform ance requirem ent forM IL-PRF-7808 L and SAEAS 5780 w ere p resented m ainly.W ith the developm ent of the airplane to high speed and high perform ance,the compound w ith excellent therm al and oxidational stability,such as perfluoropolyether etc.,m aybe m eet the specification requirem ents of future aviation lubricating oil.

Key words:aviation lubricating oil;specificat ion;aero-engine

0 引言

2008年 6月新舟 600飞机总装下线,2008年 11月我国首架拥有完全自主知识产权的ARJ 21-700新型涡扇支线飞机在上海成功首飞及 2009年 6月空中客车天津总装厂首架A 320飞机交付使用,都为我国的大飞机研制打下很好的基础,是我国航空发展史上重要里程碑。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。二战前,飞机发动机均为四冲程点火式发动机,飞机燃气涡轮发动机是在二战末期才正式进入开发阶段的,航空燃气涡轮发动机问世后在技术上不断地更新,发动机的推重比从2提高到 7～9;现代航空涡轮发动机的发展,主要以发动机推重比提高为标志,推重比的提高主要是提高发动机涡轮前的温度[1]。涡轮前温度的提高,直接影响附近的主轴承温度,导致发动机润滑系统温度也随之提高,因此应有与之相匹配的燃气涡轮航空润滑油[2]。

航空发动机油作为航空发动机的血液,在航空中非常重要,为发动机转子轴承提供润滑和冷却。世界各国民航管理部门均将润滑油作为航空发动机的一个重要部件进行适航管理,要求航空润滑油具有高可靠性。航空润滑油规格随着发动机发展、OEMS要求等因素发展而发展,现就国际通用两大航空润滑油规格做一概述。

1 M I L-L-7808规格发展

航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机,开创了喷气时代居航空动力的主导地位。航空燃气涡轮发动机在最初应用时,飞机的速度不高 (204 m/ s),燃气涡轮前温度低,飞机发动机输出功率小,润滑油系统温度在 70℃左右,一般的矿物润滑油即可满足要求,为此美国制订了M IL-L-6081规格。随着航空发动机向高负荷、高转速发展,必然导致轴承工作温度升高,负荷较大时,滚子产生弹性变形,滚子与轨道的接触面变大,出现了滑动摩擦,摩擦热损失增加,转速高时,单位时间内摩擦产生热量也增加。负荷、转速的增大都会使轴承温度升高。同时,发动机工作发出的热量也会传给轴承,特别是涡轮轴承受到涡轮传来的热,温度比其他轴承都高,引起润滑油温度升高[3],导致润滑油迅速分解,产生大量淤渣,矿物基的航空润滑油规格M IL-L-6081已不能满足使用要求。1951年美国空军制订了M IL-L -7808规格,该规格以双酯为基础油,即Ⅰ型合成润滑油(使用温度范围为 -54～175℃)规格,该规格润滑油不仅用于军用飞机,也用于民用航空燃气涡轮发动机,后来,广泛应用于喷气式客机[4]。M IL -L-7808规格润滑油具有较高热稳定性的双酯与抗氧剂、极压抗磨剂、腐蚀抑制剂等添加剂调配而成。以后航空燃气涡轮向高速方向发展,燃烧室温度升高,对航空润滑油的氧化安定性提出更高要求, 1982年颁布的M IL-L-7808 J把润滑油的性能提高了一步,具体是把 200℃的氧化试验时间从 48 h增加到 96 h,基础油也由双酯改为多元醇酯[5]。为了满足先进战术战斗机发展计划 (ATF)[6],美国空军进一步改善M IL-L-7808 J高温性能,另外美国空军不愿放弃 -54℃而接受M IL-L-27502规范(该规范润滑油使用过程中随着时间推移,一种关键添加剂析出)-40℃的要求,1984年美国空军停用了M IL-L-27502规范,开始 4 mm2/s酯类润滑油研制计划,其高温性能明显优于M IL-L-7808 J,同时在 -51℃还能保持良好的泵送性能,温度范围为 -51～205℃,基础油用 5.5 mm2/s的多元醇酯/双多元醇酯和生产M IL-L-7808 J的 3 mm2/s基础油调合而成,添加剂主要有二芳胺、消泡剂以及杂环胺金属腐蚀抑制剂等。

1994年公布的 M IL-L-7808 L规格包含 3 mm2/s和 4 mm2/s两个等级,该规格 1997年升级为M IL-PRF-7808 L[7],部分性能见表 1,L版与 K版无明显差别。

表 1 M I L-PRF-7808 L规格部分性能指标

续表

2 M I L-L-23699规格发展

为了解决最初使用M IL-L-7808航空润滑油带来的润滑系统出现淤渣,存在焦化物和沉淀,需要频繁换油,否则会造成发动机部件损伤,金属腐蚀和密封部件泄露等问题,美国海军于 1963年颁布了自己的航空润滑油M IL-L-23699规范,该规格的润滑油称为Ⅱ型合成油,基础油采用热氧化安定性更好的新戊基多元醇酯受阻酯,蒸发损失比Ⅰ型润滑油减少70%,其 100℃运动粘度为 5 mm2/s,使用温度范围是-40～200℃,对低温启动性能规定没有M IL-L-7808严格,这是由于海军和空军所处环境不同。该规范润滑油被美国海军的大量涡轮螺旋桨飞机和涡轮直升机采用,同时也很快应用在民航飞机上。20世纪80年代,航空发动机对润滑系统要求洁净度较高,润滑油降解水平较低,美国海军把M IL-L-23699发展成M IL-L-23699 C。1990年,美国海军将规范修订为M IL-L-23699 D,氧化腐蚀试验条件更苛刻,提高了润滑油洁净度和热氧化安定性要求。

与陆基飞机相比,海上飞机有着明显不同的使用环境:海上气候十分恶劣,如大风、台风、海雾和潮汐等海洋上空湿度大、盐雾浓、霉菌多,环境相当恶劣,湿度大会加速金属的腐蚀和非金属涂层的破坏,加速产品表面的化学和电化学反应。有数据表明,海上空气中的盐雾浓度是内陆的 50～100倍。盐雾会形成电解质,对飞机上许多金属和非金属材料形成腐蚀,如盐雾形成的强电解质会促进电化学腐蚀,使飞机金属表面钝化膜因破坏而失去防护作用。霉菌则会分解有机材料,破坏材料的性能和结构,同时还分泌各种酸类物质,对金属产生腐蚀。为了解决海上腐蚀这一问题,美国海军制订了一项研制涡轮发动机防腐蚀润滑油计划,要求润滑油在具备防腐蚀性能的同时,还能长期使用,1994年美国海军颁布了M IL-L-23699 E规范,该规范基础油为新戊基多元醇酯,包括标准油 (STD)和防腐蚀油 (C/I),酸值由原来的 0.5 mgKOH/g增为 1.0 mgKOH/g,其他理化性能要求同M IL-L-23699 D,但增加了防腐油轴承腐蚀试验。1997年,该规格升级为M ILPRF-23699 F,包括三个等级的润滑油,除标准油和防腐油外,增加了高热安定性油(HTS),对航空润滑油热氧化安定性提出更高的要求,目前世界上飞机使用润滑油 95%满足此规格。2007年,为满足所有的民用和商用飞机润滑油使用时间高达 30000 h需求,附件设备需求,考虑到所有发动机制造商要求,对油料批量生产质量控制需求,对生产过程中的改变监控需求,美国汽车工程协会 (SAE)把M ILPRF-23699 F发展成 SAE AS 5780[8],见表 2。随着发动机发展,涡轮前温度提高,据 SAE航空润滑油推进委员会(SAE E-34)预测M IL-PRF-23699 F有望在 2011年被升级为M IL-PRF-23699 G,基础油选择可能是增强的多元醇酯。

表 2 SAE AS 5780规格部分性能指标

3 未来航空润滑油规格发展预测

未来航空发动机发展主要表现在提高推重比,降低涵道比,提高总增压比,采用矩形截面的二元推力转向喷管,提高涡轮的进口温度。美军先进战术战斗机所用推重比为 10的 F 119发动机,涡轮前温度已达到 1770℃。美国制定的涡轮发动机技术(IHPTET)计划中,涡轮前温度最终要求为接近化学计算温度,涡轮前温度的提高,直接影响附近的主轴承温度,导致发动机润滑系统温度也随着提高,对航空润滑油提出更高要求[9],见表 3。多元醇酯一般分解温度为 320℃左右,未来航空润滑油氧化温度性能要求超出多元醇酯工作温度范围,而全氟聚醚,氟醚三嗪等化合物具有优异的热氧化安定性,有望满足未来航空润滑油规范要求。

表3 未来航空润滑油部分性能要求

4 结束语

航空润滑油规格和发展趋势为研究开发带来启示,也指明了方向。航空润滑油规格发展总是随着发动机和实际使用需要发展而发展,随着飞机向高速、高性能方向发展,未来航空润滑油规格对航空润滑油提出了更高要求。

[1]邓明.航空燃气涡轮发动机原理与构造[M].北京:国防工业出版社,2003:9.

[2]徐敏.航空涡轮润滑油应用[M].北京:石油工业出版社,1997:39.

[3]王德岩,褚建林.航空涡轮发动机润滑油概述 [J].合成润滑材料,2005,32(2):31-34.

[4]徐建平.航空燃气涡轮发动机油发展动态[J].合成润滑材料,2003,30(2):26-28.

[5]姜克娟,翟云世.美国军用航空涡轮发动机润滑油的发展[J].合成润滑材料,1999,26(3):12-17.

[6]王德岩.未来的航空发动机润滑油[J].合成润滑材料, 2005,32(4):26-28.

[7]US Air Force.M IL-PRF-7808L Performance Specification Lubticating Oil,Aircraft Turbine Engine,Synthetic Base,1997[S].

[8]SAE.SAE AS 5780 Specification for Aero and Aero-Derived Gas Turbine Engine Lubricants,2005[S].

[9]刘劲宋,蒲玉兴.航空材料及热处理[M].北京:国防工业出版社,2008:262.

R eview of A via tion L ub rica ting O il Sp ecifica tion

ZHANG B ing-w u1,SUN D ing-w e i1,X I E J ing-chun1,YANG Jun-jie2
(1.PetroChina Lanzhou Lubricating O ilR&D Institute,Lanzhou 730060,China; 2.PetroChina Lubricant Company,Beijing 100101,China)

TE626.34

A

2009-11-06。

张丙伍 (1981-),男,助理工程师,2007年毕业于兰州大学物理化学专业,现从事航空润滑油和汽油机油研究工作,已公开发表论文数篇。

1002-3119(2010)05-0001-05