滑油密封兼容性对航空发动机的影响分析

严国鑫 皮 骏 /

(1. 深圳市润贝化工有限公司，广东深圳 518108； 2. 中国民航大学 中欧航空工程师学院，天津 300300)

0 引言

航空发动机的密封件具有防止漏油、缓冲减振的作用，是保护发动机结构受损和阻止滑油泄漏的重要部件，若密封件受到滑油的腐蚀和膨胀将会使密封失效，导致发动机受到污染和漏油，影响了发动机的维护和使用寿命。

随着航空燃气涡轮风扇发动机的可靠性越来越高，发动机拆换间隔平均时间(Mean Time Between Removal，简称MTBR)可达10 000 h～15 000 h，最长的在翼时间为CFM56-7B创造的50 000 h。随着推重比的增大，发动机的排气温度EGT也在增大，超过1 000 ℃的EGT影响了滑油系统的温度。发动机滑油系统温度的增加和MTBR的增长对发动机密封部件提出了更高的长时间抗高温要求，对滑油也提出了更强的密封兼容性要求。

1 航空滑油性能

1963年，美国海军制定了第一版合成型滑油标准MIL-L-23699。为了弥补标准油-STD(Standard Grade)在JT8D发动机高温区域积碳和氧化问题的不足，在1997年，美海军将滑油标准升级为MIL-PRF-23699F，添加了新滑油分类高温油-HTS(High Thermal Stability Grade)，以解决发动机高温区域滑油积碳和氧化问题。2000年，美国汽车工程协会在MIL-PRF-23699F标准之上，制定了更为严格的SAE-AS-5780标准，加入了高性能油-HPC(High Performance Class)的分类。航空滑油分类详见表1。

表1 航空滑油分类

一般，滑油性能指标分为密封件兼容性、氧化稳定性、沉淀物控制、低温流动性、气相炼焦和抗磨损性能，标准油-STD/SPC、高温油-HTS、高性能油-HPC三种滑油性能差异如图1所示。

从图1可知，标准油在密封兼容性、抗磨损性能和低温流动性上优于高温油，而高温油在沉淀物控制、气相炼焦和氧化稳定性方面比标准油更佳，高性能油是SAE-AS-5780划分的最新滑油分类，各项性能均衡，是未来航空发动机应用的方向。

图1 滑油性能差异

2013年，美国汽车工程协会又出版了SAE-AS-5780B，加入了长时间弹性体相容性测试，即将航空滑油长时间下滑油对航空发动机内的密封件的腐蚀提出了更高的要求，来符合未来航空发动机更佳的可靠性和在翼寿命。

2 密封兼容性分析

将航空发动机密封件Viton A浸泡在标准油、高温油和高性能油中，设置不同温度，得到的结果如图2所示。当温度为100 ℃，可模拟发动机低温区域，三种润滑油中的Viton A无太大差别；当温度为120 ℃，高温油下的密封件在200 h以后出现过度膨胀和软化现象；当温度继续升至140 ℃，且在超过1 800 h以后，高温油下的密封件不仅过度膨胀，还出现硬度回落现象，说明密封件出现降解；当升至160 ℃，高温油下的密封件出现溶解现象，硬度为零，密封件完全失效。

a) 100 ℃ 膨胀和硬度对比

b) 120 ℃ 膨胀和硬度对比

c) 140 ℃ 膨胀和硬度对比

d) 160 ℃ 膨胀和硬度对比

3 CFM56-5B/-7B故障实例

3.1 故障背景

CFM56-5B/-7B发动机因高滑油消耗率，共发生了数十起非计划拆除、空停事件，事件的原因是发动机大量漏滑油，且在滤网中发现了3号轴承前封严内的碎片。

CFM56轴承腔采用篦齿空气封严形式[1]，从高压压气机引出的增压空气给轴承腔冷却的同时还起到滑油封严作用[2]，防止滑油泄漏，如图3所示。

图3 CFM56轴承分布结构

3.2 故障机理

3号轴承座前封严内含有一种特氟龙材料(PTFE)[3]，当PTFE的粘结胶被滑油腐蚀产生碎片甚至脱落，脱落后的碎片进入前集油槽，导致前集油槽的空气压力升高，空气回流至1号前封严和3号后封严齿间隙，篦齿封严失效，最终导致前集油槽大量漏油。篦齿封严漏油原理如图4所示。

图4 篦齿封严失效漏油原理

3.3 故障分析

图5 3号轴承前封严PTFE脱落

图6 平均滑油消耗量变化曲线

某航空公司CFM56发动机3号轴承前封严脱落的PTFE实物如图5所示，从图中可以看出，PTFE已脱离轴承结构。图6为CFM发动机12个月滑油平均消耗曲线，红线为故障发动机滑油消耗曲线，蓝线为正常滑油消耗曲线，发生此故障后，平均油耗增至0.4 UKqt/h，必须进场换发处理。经GE统计，使用高温油的CFM56-5B/-7B发动机发生此故障的循环数低至6 000[4]，而使用标准油的CFM56-5B/-7B发动机发生此故障的循环数远高于6 000。从前述知，对于特定的粘结胶和橡胶弹性体，高温油加快腐蚀是导致此CFM56发动机3号轴承前封严脱胶的重要原因之一。

4 结论

本文通过对II型合成滑油标准及实验、CFM56-5B/-7B发动机3号轴承前封严脱胶故障的分析，得到了以下一些结论：

1)II型合成滑油划分的标准油在密封兼容性、低温流动性和抗磨损性能上比高温油好，高温油在抗积碳、气相炼焦和抗氧化性上比标准油要出色，高性能油各项性能均衡，总体性能比标准油和高温油都要优秀。

2)航空发动机密封件的滑油测试中，密封件在高温油中在超过120 ℃、1 800 h后出现过度膨胀和软化，说明了标准油和高性能油在密封兼容性上优于高温油。

3)CFM56-5B/-7B发动机的3号轴承前封严内的PTFE脱落跟发动机使用的高温油有关系。

参考文献:

[1] 刘长福，邓明. 航空发动机结构分析[M]. 西安:西北工业大学出版社，2006：232-284.

[2] 许春生. 燃气涡轮发动机[M]. 北京:兵器工业出版社， 2006：109-110.

[3] FAA. Aviation Maintenance Technician Handbook-Powerplant, Volume 2[M]. Aviation Supplies & Academics， 2012.

[4] CFM. CFM56-5B/-7B-No.3 forward stationary seal PTFE disbond [R]. US and French:CFM International，2016.