航空涡轮发动机润滑油与发动机匹配性分析

彭显才++费逸伟++姚婷++杨宏伟++卞森

摘要：对比分析了航空发动机润滑系统和润滑油的工作特点和匹配性，并对导致航空润滑油性能衰变的因素做了简要梳理，最后对未来航空润滑油的性能提出了要求。

关键词：航空涡轮发动机；润滑系统；润滑油；工作特点；性能改变

中图分类号：TE626.34文献标识码：A

0引言

对于航空涡轮发动机及传动装置，加入润滑油克服摩擦，可以使有效功率提升几十至几百倍[1]，除了润滑，其作用还有冷却、清洁、密封、防锈、缓冲、防震和卸荷等。就现役三代机而言，由于在发动机转速、功率、推重比参数、涡轮前温度、压力、增压比和负荷等方面数值不断升高，润滑油需要在非常苛刻的环境下工作，导致油品在使用中性能下降，严重威胁了发动机的正常运转，这也促使航空润滑油性能的不断改善。

因此，在航空发动机运行工况下保持润滑油良好的工作性能，实现润滑油与发动机良好的匹配性是目前研究的重点和难点问题[2]。基于此，本文从发动机与润滑油匹配性的角度做了简要分析，为下一步利用诸如PDSC、ICP等分析手段或开辟新的油液监测方法，从分子水平高效、精确地探究油品氧化衰变的特点和规律，从而实现合理改善油品性能和使润滑油从经验性的定期更换向更加科学合理的视情更换的转变提供理论支撑。

1航空涡轮发动机与润滑油匹配性分析

航空润滑油的品质保证是发动机正常运转的必然要求，发动机内部不同部位以及不同的工况（温度、压力、氧气、时间、金属接触、杂质存在等）对润滑油各方面性能的要求也不同，因此，必须保证工作中润滑油与发动机具有优良的匹配性。目前，在用的合成航空润滑油主要由基础油和各类添加剂调合而成，通常具有一定的初始颜色，表现出较好的黏温性、热氧化安定性、低温稳定性、抗磨性、抗腐蚀性和储存安定性等性能。

从实际情况来看，某些国产或者引进的俄制航空发动机，无论是使用以PAO为基础油的润滑油还是以酯类油为基础油的润滑油，在较为恶劣的工况条件下使用一段时间后，油品的质量很难得到保证。通过化验发现，主润滑油容易出现颜色加深、酸值增大、物理性能（如黏度、蒸发性、表面张力和起泡性等）和润滑性能变差等现象，给飞机飞行带来了严重的安全隐患。

1.1航空涡轮发动机润滑系统工作特点

航空涡轮发动机润滑系统一般由润滑油箱、润滑油泵、润滑油滤、油路、油气分离器、泡沫消除器、润滑油散热器和喷油嘴等组成。润滑油泵分增压泵、回油泵和辅助油泵，润滑油滤分为网孔为2500～3600目的低压油滤和网孔为10000～12000目的高压油滤。航空涡轮发动机的润滑系统可分为封闭循环式与开口式两类，前者又分为带散热器和不带散热器两种，大部分航空涡轮发动机都采用带燃料冷却散热器的封闭循环式润滑系统，表1为带散热器式发动机润滑系统循环路线分类[3]。

1.1.1涡轮喷气发动机润滑系统工作特点

目前，涡喷发动机常用于军事航空领域，其润滑油润滑的主要部位是传动轴承、附件转动齿轮和轴承，发动机涡轮转子的工作条件最为苛刻，其负荷大（680～900 MPa）、转速快（12000 r/min）、工作温度也很高，故选用润滑油时转子轴承的润滑要求是主要矛盾，一般来说，亚音速飞机的轴承温度最高为150 ℃，发动机出口的润滑油温度为120 ℃左右，而马赫数大于3的超音速飞机，轴承的最高温度则达260～300 ℃，为保证运动部位良好的润滑[4]，润滑油的黏度不应小于2.5 mm2/s，但也不宜过大，黏度越大，润滑油的循环散热能力减弱，在100 ℃时保持其运动黏度为3 mm2/s为宜。

1.1.2涡轮螺旋桨发动机润滑系统工作特点

民用航空飞机和运输机等常使用涡桨发动机作为动力，与涡喷发动机相比而言，涡桨发动机有如下特点。一是润滑机件多，除了润滑涡轮压缩机轴承与附件传动齿轮外，还要润滑螺旋桨减速器齿轮，涡桨发动机主要靠螺旋桨产生的拉力带动飞机前进，喷气产生的推力很小，只占拉力的10%左右，而发动机转子的转速很高，因此发动机的转子与螺旋桨之间必须装有减速器，以便将转速减至螺旋桨工作效率最高的范围内，由于减速器传递的功率比较大，使得减速器齿轮必须承受巨大的接触负荷，故润滑油需要承受的压力更大；二是润滑油操纵和控制的机件多，如操纵螺旋桨减速器、燃油控制器、扭矩测量器和反扭力自动顺桨等，故发动机需要更大的供油压力；三是润滑系统的工作温度相对不是太高，装备涡桨发动机的飞机飞行速度一般都低于音速，润滑油的工作温度不会太高，其主要部位工作温度如表2所示[5]。一般来说，涡桨发动机使用对应的某型合成航空润滑油凝点都较低，可在我国通用。

1.1.3涡轮风扇发动机润滑系统工作特点

涡扇发动机主要用于强机动的军事歼击机领域，其润滑系统基本上与涡喷发动机相同。涡扇发动机可以看作是由涡喷发动机加上外壳和风扇组成，由于风扇的加压作用，该类发动机一般都具有较高的涡轮进气温度，使得润滑系统的工作温度要比涡喷发动机高得多，高温成为该类润滑系统的主要特点。高温能加速润滑油的老化和热分解，这也对润滑油的热氧化安定性提出了更高的要求，对于润滑油黏度来讲，其值越大，越有利于保证高温下良好润滑，但过高则会增加转子运动阻力且不利于冷却，涡扇发动机一般采用在100 ℃运动黏度为5 mm2/s的酯类合成油型润滑油。

总之，航空涡轮发动机润滑系统的工作温度都相对较高，润滑油长期处于较高温度的环境中，而当发动机停车后，由于停止吹风和不再循环冷却，润滑油的温度还会进一步提高，这容易引起润滑油挥发、热分解和氧化变质，产生积炭和生成腐蚀金属的酸性化合物等物质，可能引起润滑系统故障，从而影响发动机运行。

1.2航空涡轮发动机润滑油的工作特点

航空涡轮发动机润滑油主要用于前、中、后轴承和传动装置，对于涡轮螺旋桨发动机来说，还用于螺旋桨减速器。随着航空涡轮发动机各项性能的不断升高，在与内部润滑系统润滑机件的接触、作用下，对润滑油各项质量指标提出了严峻的挑战。航空润滑油的工作特点如表3所示[6]。

润滑油工作中会接触Fe、Cu、Cr、Al、Ag、Ti、Ni、Pb、Mo等金属材料以及各种牌号的丁腈橡胶和硅橡胶等，润滑油在高温下易与其发生作用导致油品变质易产生泡沫润滑油工作时易于空气混合，特别是在喷射润滑油时，与空气大面积接触容易产生泡沫

除了上述特点以外，发动机润滑系统不同部位在工作时对润滑油性能要求侧重点也不一样，若初始润滑油质量不高或一段时间后氧化变质都会使相应部件出现故障的几率迅速增加，润滑油性能与发动机润滑系统工作可靠性的关系如表4所示[7-8]。

1.3航空发动机润滑油在使用中性能变差的影响因素

针对航空润滑油的工作特点，无论润滑油是石油基油还是合成油，导致其性能变差的主要因素有温度、氧气、水分、运行时间、灰尘等杂质和金属等，对于发动机内部润滑系统而言，润滑油在循环过程中上述影响因素总是客观存在的。

航空润滑油温度的升高与工作时间的延长将加速润滑油的化学反应，包括氧化反应、分解反应和催化反应，在高温、氧气和金属催化的作用下，航空润滑油会发生氧化、分解，产生酸、醇等酸性小分子化合物，造成各项理化性能的衰减，从而加剧发动机部件的磨损和腐蚀。另外，若润滑油的热氧化安定性不好，在使用过程中产生油泥、漆膜等非油溶性产物，对润滑系统是潜在危险，可能堵塞过滤器和喷嘴，在部件上产生沉积物，劣化供油，阻碍传热，造成发动机故障，影响发动机的正常工作[9]。当温度每升高10 ℃，润滑油分子运动速度就增加一倍，当温度超过某一临界点时，就会造成油品发生剧烈的化学反应，在有氧气存在下，氧气与润滑油中基础油和添加剂分子发生反应，一般来说这类反应在超过204 ℃时就会加剧，虽然达不到热分解的温度，但润滑油被氧化成各种化合物，这就使润滑油的理化性能发生了变化，导致油品质量下降，表5为发动机润滑系统在不同巡航速度下的近似温度[10-12]。

由于温度不同，发动机运转的各个阶段对润滑油的性能变化影响也不同。发动机运行时润滑油的最高温度往往出现在起飞或高速飞行后收油门返航和下滑阶段。起飞时，压气机进口的启动温度、压气机温度、涡轮出口的温度以及轴承、密封装置、齿轮所产生的温度都很高；收油门返航时，由于燃油流量的减少，燃油带走的热量大大降低，从而使润滑油温度升高，因此，飞机起落时的工作状态对润滑油的影响最大，起落次数越多，润滑油的性能衰变越快，换油周期也相应缩短。

1.4航空润滑油使用寿命的确定

正是由于航空润滑油苛刻的用油环境，为保证其性能指标能与发动机相适应，确保润滑油质量优良，结合军事和经济效益，对每种发动机主润滑油都要求有固定的换油期，一旦相应润滑油换油期满，表示该油品使用寿命结束，将作为废油回收处理。目前，一些航空润滑油的换油周期从几百小时到一年不等。但由于飞机飞行时长、飞行科目等因素各异，导致发动机实际运行工况不尽相同，这就可能造成如下结果：一是油品质量尚好，换油造成油料的浪费；二是未到换油期，由于油品已经变质，理化性能衰变，可能加重发动机部件的损伤。目前来看，4050合成航空润滑油的其使用寿命基本上与所匹配发动机相同，可以达到发动机大修期间不换油的目的[8]，是较为理想的润滑油之一。

对于航空涡轮发动机润滑油而言，影响发动机可靠性的主要性能指标有润滑性、热氧化安定性、低温流动性和腐蚀性。实验室通过台架试验预测润滑油寿命，学者们发现，确定航空润滑油使用寿命的油品性能，其一是热氧化安定性，体现在低温（-40 ℃）黏度和异辛烷不溶物的含量的极限值限制了润滑油的继续使用；其二是油品中添加剂含量的变化，决定了润滑油的极限使用期。

1.5未来航空涡轮发动机润滑油的性能要求

目前，航空涡轮发动机基本上都是按照美国MIL-L-7808J和MIL-L-23699C这两种标准的酯类润滑油而设计的，即将投产的新型发动机也是按照上述的两种标准油而设计的。随着发动机的更新换代伴随着涡轮温度的提高和冷却空气量的降低，这使得润滑油更容易出现局部结焦和严重的热氧化降解，另外，由于轴承舱密封性逐渐改进，使得润滑油的工作消耗几乎降为零，因为润滑油长时间不需要补加，也就不存在经常性的更换问题，那么添加剂（尤其是抗氧剂）将会逐渐被消耗掉，最终会导致润滑油的屡次老化，因此，未来涡轮发动机对润滑油的高温性能要求更加严格[13]。

（1）提升润滑油的主体氧化安定温度。下一代航空涡轮发动机润滑油的主体温度（指发动机润滑系统出口的回油温度）将超过300 ℃，要求润滑油必须保持在300 ℃以上某个区间能长期工作，在换油期内没有明显的氧化降解。

（2）提高润滑油热点温度承受力。润滑油在热点区域容易产生极度的沉积，因为轴承舱密封件上的润滑油工作温度要比润滑油回油温度高得多，因此要求润滑油在一段时间内夹带空气的条件下不出现明显的腐蚀和沉积，且必须满足瞬时接触最高温度的热点表面不生成腐蚀性产物。

（3）提升润滑油的自燃点。在有氧气但无火源条件下，酯类润滑油的自燃点相对较低，新一代发动机用于防止轴承舱着火的缓冲空气，压力较高，对润滑油自燃点要求较高。

（4）保持润滑油适宜的低温黏度。军事任务的复杂化和多样化，要求发动机在典型地方的寒冷季节都能在低温下迅速启动和在同温层正常再启动，润滑油能正常泵送。

（5）降低润滑油的蒸汽压。随着润滑油主体工作温度的上升，润滑油蒸汽压增大，耗油量升高，随着油蒸汽的增加，润滑油箱中的泡沫增多，且油泵容易发生气阻，为冷凝油蒸汽，油箱的体积必须随之增大，从而影响战机整体设计。

2结束语

航空润滑油作为“飞机发动机运转的血液”，润滑系统中不同部件对其的性能要求也不同，润滑油的性能与发动机的匹配性直接关系到机械设备的正常运转和使用寿命。本文通过分析发动机润滑系统以及润滑油的工作特点，发现在影响润滑油性能变化的因素中，环境温度的升高、运行时间的延长、氧气的加速氧化、金属的催化氧化占主要地位，油品存在的主要问题就是氧化变质。

为保证润滑油质量，通常通过实验给润滑油制定对应的换油期，但由于实际工况不尽相同，这就可能造成油料的浪费或发动机的损伤。所以，为保证航空润滑油与发动机的可靠性，可以利用多种现代分析手段，如HPLC、GC/MS、ICP、PDSC、TGA、FTIR等分析技术，或开辟新的航空润滑油监控方法和途径，高效、精确地从微观分子水平研究油品高温氧化情况、氧化后的结构组成、杂质元素含量等问题，从而准确反馈出润滑油与发动机的不适应点，后期通过分析油品性能变化规律，合理改善油品质量，并从军事、经济等多角度出发，满足三代战机遂行多样化任务的需求，实现润滑油从经验性的定期更换向更加科学合理的视情更换的转变，对保障飞行来讲意义重大。

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