合成酯航空渦輪發動機潤滑油規范發展

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摘要:介紹了歐美軍用航空渦輪發動機潤滑油規范、俄羅斯軍用航空渦輪發動機潤滑油規范、國外民用航空渦輪發動機潤滑油規范和國內軍用航空渦輪發動機潤滑油規范的發展現狀。探討了國際航空潤滑油的發展趨勢對我國軍用航空渦輪發動機潤滑油發展的影響，并在國內航空渦輪發動機潤滑油產品質量升級、規范更新和評價體系及適航審定等方面提出了相關發展建議。

關鍵詞:航空渦輪發動機潤滑油;民用航空渦輪發動機潤滑油;質量規范;適航認證;評價體系

0引言

現代航空燃氣渦輪發動機技術的發展推動了各國飛機對高推重比的要求，推重比的提高使得渦輪前溫度也隨之提高，直徑影響附近主軸承及軸承腔的溫度，導致發動機潤滑系統的熱負荷陡增，這就要求潤滑油在系統流動過程中帶走摩擦產生的熱量，維持軸承和傳動齒輪嚙合處等摩擦面的正常工作溫度等。航空潤滑油涉及到航空飛行安全的重要材料，因此國內外發達國家都制定了嚴格的航空潤滑油標準以滿足控制產品質量、保障飛行安全的需求，如前蘇聯的ГОСТ13076、法國的AIR3514和英國的DEFSTAN91－91/4等。美、英、俄等國家建立了科學、完整的航空油料質量綜合鑒定體系，并不斷進行完善，對航空油料的質量鑒定有嚴格的規定，對噴氣燃料、發動機潤滑油等都有明確的鑒定程序和需要進行的試驗項目，并有明確的質量指標，如理化性能測試、使用性能試驗、部件模擬臺架評定、發動機臺架評定和飛行試驗評定要求。

1歐美軍用航空潤滑油規范

歐美的現代航空渦輪發動機主要使用滿足MIL－PRF－7808和MIL－PRF－23699兩種規范的產品，石油基油主要用于發動機燃油系統內部封存，合成酯類油主要用于發動機潤滑系統。這些標準自制定起就經歷了一系列對潤滑油質量指標和試驗方法的從嚴變化。其中，最具代表性的是美國空軍制定的MIL－L－7808規范，不僅在北大西洋公約組織內有品種代號，3級油代號為0－148，4級油代號為0－163，在國際上也廣泛被采用。自1951年提出以來，經過數十次的修訂、補充和完善，可以說基本代表了國際上先進產品質量變化過程，同時也反映出國際上航空渦輪發動機發展過程。實際上美軍在標準實施過程中也遭遇無法兼顧的難題，例如酯類油在熱穩定性和低溫性能的兼顧方面，因此美軍提出了熱穩定性更強的4級油，同時取消了堅持多年的MIL－STD－210B關于美國空軍飛機必須在全球飛行中能適應使用時全球低溫限定－54℃的要求，改用了－51℃的低溫限定，同時低溫黏度從不大于17000mm2/s放寬至不大于20000mm2/s。MIL－PRF－7808L除了對常規性能(理化指標和使用性能)規定外，在臺架試驗方面要求通過美國聯邦試驗方法FED－STD－7913450Erdco軸承沉積試驗、ASTMD1947Ryder齒輪試驗和ASTMD5182FZG齒輪試驗測試齒輪載荷能力，同時要求進行足夠時間的渦軸發動機壽命全尺寸使用性能試驗。

后來，美軍提出了能適應更高溫度的100℃黏度為5cst航空潤滑油規范MIL－PRF－23699［1］，北約代號為0－156，期間對其進行了多次修訂，1994年頒布了MIL－PRF－23699E，將合成航空渦輪發動機潤滑油分為標準型(STD級)和防腐型(C/I級)兩個等級，1997年修訂為MIL－PRF－23699F，在原有基礎上增加了高溫穩定型(HTS級)。目前，美國海軍普遍使用的合成航空潤滑油是防腐型合成航空潤滑油，標準型只有在應急狀態下才使用，如境外加油等，高溫型主要用于特殊的工況條件［2］;除了對理化指標和使用性能規定外，在臺架試驗要求通過聯邦FEDSTD7916508Ryder齒輪試驗機的齒輪載荷能力試驗和FEDSTD7913140Erdco軸承沉積試驗(對高熱穩定型要求更高)，對海軍使用的腐蝕抑制型增加了SAEARP4249法的軸承腐蝕試驗，同時要求通過全尺寸渦輪軸發動機試驗，最后進入模擬發動機試驗評估和飛行試驗評定，國外20世紀90年代末已研究開發了防腐抑制型合成航空潤滑油，美國海軍已普遍使用該類型的航空潤滑油，國內早期開發的產品相當于MIL－L－23699C規范的產品，此后在配方技術上進行了調整改進，后來研發了高溫型和防腐型航空潤滑油，整體性能相當于MIL－L－23699F，部分性能甚至更優。

2俄羅斯軍用航空潤滑油規范

由于冷戰對抗，美蘇兩個完全不同的航空體系所要求的航空油料完全不同。前蘇聯從上世紀60年代開始進行航空潤滑油綜合鑒定法的研究，形成了完整的航空潤滑油綜合鑒定體系，在整個俄羅斯幾十年的武器裝備發展中發揮了重要的作用。俄羅斯石油資源相對豐富和其飛機特殊材質等原因，現代高熱強度渦輪發動機的潤滑系統一般都將熱氧化安定性較好的合成油ИПМ－10(У)作為主要推薦使用品種，合成酯類油ВНИИНП50－1－4Ф(У)僅作為備用油，老式渦輪發動機上使用的MC－8п礦物油用做燃油系統內部封存。俄羅斯航空潤滑油的技術指標包括研制過程內控指標和產品技術規格兩大部分，僅僅從技術規格上是不足以把握油品質量，一個標準只有一種產品。

俄羅斯潤滑油指標技術規范ГОСТ4．24－84《石油產品:潤滑油指標項目》，該規范將滑油技術指標按功能劃分為使用指標、儲存指標、人體工程指標、安全指標四類，共40個項目。對于航空渦輪發動機潤滑油，實驗室階段必須確定研制過程和生產過程中所有的理化指標和使用性能指標，允許對ГОСТ4．24－84有所取舍，也包括ГОСТ4．24－84所沒有的，而技術規格只能保證生產批次的質量一致性，不能完全反映出油品的實際使用質量。參照《各種燃油、滑油、滑脂和特種液鑒定試驗規則》，俄羅斯改進型航空潤滑油只需進行性能評定，而新研油料則必須通過國家鑒定驗收。改進油料的評定需要進行對產品的常規性能(理化指標和使用性能)和實驗室部件模擬項目進行評定。國家鑒定試驗包括實驗室模擬試驗、發動機臺架試驗、檢驗飛行試驗、飛行使用試驗或監控下使用等四個階段。實驗室模擬試驗主要利用標準試驗方法進行常規分析和綜合鑒定法進行的模擬評定試驗階段;發動機臺架試驗一般選用高熱強度和大負荷的燃氣渦輪發動機按照試驗程序進行持久疲勞試驗;檢驗飛行試驗按照標準程序時間一般不超過20～25h;飛行使用試驗或監控下使用一般需要在多種飛機上按照專門試驗程序進行，軍用航空裝備飛行使用試驗時間一般為發動機使用潤滑油的一個壽命期(500h)，民用航空裝備飛行使用時間則不確定，不同發動機、減速器等部件有不同的使用壽命。

俄羅斯航空裝備使用的潤滑油一般規定主油和備用油兩個牌號，此外還應指出和俄制潤滑油等同的國外潤滑油牌號。前蘇聯解體后，俄羅斯也存在對外開放的問題。隨著大量軍事航空裝備的出口，與歐美體系航空油料的互換變得日益迫切。因此在1993年出版的《用于俄羅斯飛機的外國燃料、潤滑油、潤滑脂和液壓油使用指南(第五版)》中規定了外國油品用于俄制裝備時必須通過綜合鑒定法評定及已經在俄羅斯類似發動機上經過長時間監控下使用，如列出了替代ИПМ－10的兩類歐美酯類油，即符合MIL－PRF－7808規格的2389和MIL－PRF－23699規格的ESSONTurboOil2380、MobilJetOilII。由于俄羅斯所用材料的特殊性，發動機對潤滑油腐蝕性具有較大的敏感性，因此在1998年頒布的《用于俄羅斯飛機的外國燃料、潤滑油、潤滑脂和液壓油使用指南(第六版)》中取消了歐美合成酯類油與ИПМ－10的替代關系，取而代之的是，由NYCO公司和MobilOil公司生產的Turbonycoil210A和MobilTurbo319A－2產品。

3國外民用航空潤滑油規范

本世紀初，美國汽車協會SAEE34航空組織在參照美軍標準MIL－PRF－23699F、英國國防部標準DEFSTAN91－101/ISSUE2(DERD2499)和普惠公司PWA521(Ⅱ型5cst)規格及美國通用公司D50TF1規范的基礎上，制定了航空燃氣輪機的核心技術規范SAEAS5780。首版SAEAS5780于2001年3月，該版只有標準型一個規格，基礎指標沿用了MIL－PRF－23699F(STD)的基礎性能及氧化腐蝕評定中的要求，同時增加了一些OEM設計時計算所需的物理性能參數，如:在臺架試驗方面，沿用MIL－L－23699E中的Erdco軸承沉積試驗，但具體指標只保留了軸承缺陷評分一項，對Ryder齒輪試驗沒有要求。2005年，國際航空組織第一次對SAEAS5780進行修訂，這次修訂主要在基本質量等級SPC規格的基礎上，增加了一檔高溫型的產品規格SAEAS5780HPC。這個產品規格與MIL－PRF－23699F中的標準型STD和高溫型HTS規格相對應，其規定的氧化安定性和軸承沉積指標與它們完全相同，但HPC增加了高溫液相沉積HLPS要求并作為基本性能控制指標。在臺架試驗方面，該規格完全采納了MIL－PRF－23699F中Erdco軸承沉積試驗和Ryder齒輪試驗的控制指標，并在OEM項目中增加了橡膠相容性、氧化安定性、潤滑性能、結焦性能、老化特性等諸多評定控制指標。在管控質量體系方面，該規格對過程的追溯性、產品資格、生產變更管理等方面提出了嚴格的控制條款。2013年2月美國SAE協會對SAEAS5780進行了第二次修訂。修訂的重點主要對個別指標規定進行了調整。如將WAM潤滑承載能力等由“6次平均值不小于參比油102%”改為了“報告”;將部分橡膠相容性中標準橡膠膨脹率由“報告”修訂為“5%～25%”;并對黏壓系數、導熱系數和電導率等的測定溫度點進行了具體化。2015年對SAEAS5780進行了第三次修訂，將高熱流體動態模擬結焦試驗HLPS指標(20h)放寬至“不大于4．0mg”(STD型)、“不大于0．4mg”(HTS型)，增加了橡膠試驗失效時的使用有效壽命的具體報告。目前SAEAS5780第三版廣泛用于民用航空領域，在行業中地位非常高，所有中黏度的民用航空渦輪發動機潤滑油都必須滿足該規范。

4國內軍用航空潤滑油規范

20世紀50年代末，國內軍用航空潤滑油處于起步階段，主要以礦物油為原料經過精制后的潤滑油，如用于活塞式航空發動機的8號和20號航空潤滑油;80年代開始對合成酯類航空潤滑油進行研究，研制的合成航空渦輪發動機潤滑油產品相當于MIL－PRF－23699C規范的產品，此后在配方技術上進行了新的調整和改進，如用于燃氣渦輪發動機合成潤滑油有4104、4106、4109和4050等產品。國內在軍用航空潤滑油質量規范方面的建設，1991年，參照美國MIL－PRF－7808H版和L版，建立了GJB135《合成航空潤滑油規范》;在美國海軍MIL－PRF－23699的基礎上建立了GJB1263《航空渦輪發動機用合成潤滑油規范》;參照俄羅斯ТУ301－04－010－92規范，建立了GJB3460－1998《直升機用高極壓潤滑油規范》。1998年將GJB135修訂為GJB135A，包含了兩個產品。民用航空潤滑油質量規范方面，2010年我國參照SAEAS5780A民用航空渦輪發動機潤滑油標準，由中國石化潤滑油有限公司合成油脂分公司與中國民用航空航油航化適航審定中心聯合制定了MH6084《民用航空燃氣渦輪發動機油技術規范》。但在航空渦輪發動機潤滑油質量綜合評定體系方面，目前國內尚未建立比較科學規范的評定手段，多以產品規范為主對航空潤滑油進行質量評價，既參考俄羅斯標準體系，一個潤滑油產品對應一個質量標準，又對照歐美質量規范，同時缺少有針對性的模擬性能和部件模擬評價手段，完全參照俄羅斯綜合鑒定法或美國航空油料質量評定體系，一方面試驗方法和評價手段混雜，另外一方面評價儀器尤其是大型臺架模擬評定較少。

5啟示

(1)20世紀末由美國空軍、海軍、陸軍、國防部預研局、NASA和7家主要發動機制造商啟動了先進戰術戰斗機發展計劃(ATF計劃)和綜合高性能渦輪發動機技術計劃(計IHPTET劃)，總目標是到2025年航空推進系統能力翻一翻。2015年，我國相應提出了“中國制造2025”計劃關于航空航天裝備要求高推重比、先進渦槳(軸)發動機及大涵道比渦扇發動機技術的發展目標。飛機的飛行速度、升限高度、航程、載重量和機動作戰能力都離不開發動機推力的提高，發動機推力的提高使得增壓比、燃氣溫度、渦輪前溫度、轉子和齒輪的轉速越來越高，從而使得對配套保障的潤滑油的性能要求也越來越高，而目前現有規范對于油品的苛刻程度已經達到了新戊基多元醇酯的承受極限，亟需進行油品的更新換代和質量升級，走出與我國自主裝備發展體系相配套的高規格潤滑油質量規格標準，加快國內油品通用化、標準化建設。

(2)呼吁建議盡快協調并成立由裝備發展部門、航空發動機部門、飛機部門、油料廠商、發動機修理單位和機場保障部門的協會，類似于國際上SAE航空協會組織，充分吸收歐美等國航空油料質量發展體系經驗，參考俄羅斯航空油料評定體系發展脈絡，在引用俄羅斯綜合鑒定法的基礎上補充并完善西方國家的部分特色評價技術，綜合國內裝備發展部門要求一些設計關系的特定參數，建立具有國內特色自主的航空潤滑油質量規范評價體系，配套國內裝備研發體系，指導裝備技術和油品質量的互相推動，力爭在“十三五”期間末期建立起完善的自主航空潤滑油評定體系。

(3)國內航空領域的逐漸開放及通用航空理念促使今后軍民兩用航空發動機潤滑油規范和質量體系的逐步統一，民用航空潤滑油基本上參照歐美標準規范，在理化指標方面更多兼顧了OEM廠商的評定控制經驗，同時對油料供應商的保障能力要求更高也更具體;軍用航空潤滑油由于歷史原因多參照俄羅斯標準規范，較少參照歐美航空體系，為了配套國產裝備通用發展體系，加快將軍用航空潤滑油和民用航空潤滑油統一到與國際通用化程度較高的歐美航空體系，有利于提高后勤保障效率，簡化程序，通用化標準化程度更高。

(4)隨著全球通用航空體系的發展，我國的試航認證和目前全球比較認可的適航證歐洲航空安全局(EASA)及美國航空管理局(FAA)的雙方審定互認成為了一個難題，國內航空油料檢測數據及手段不被EASA和FAA認可，因此亟需建立國內民用飛機適航認證油料審定評價手段，建議在依靠適航司在與EASA和FAA適航認證機構的合作過程中推動使EASA和FAA逐步認可國內自主的油料適航審定評價手段。

參考文獻:

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［5］梅莉，趙玉貞，馬楷．航空潤滑油規范的演變［C］∥第二屆航空油料保障技術研討會論文集．北京:北京石油協會出版社，2016:37－39．

作者:李進 談軼 張世堂 單位:北京航空技術工程研究中心