军用高性能航空润滑油发展趋势研究

原标题:军用高性能航空润滑油发展趋势研究

摘要:第二代航空发动机用润滑油主要承担润滑和抗载荷作用,第三代航空发动机用润滑油在此基础上还承担了清洁、密封、冷却、腐蚀控制和缓冲等作用,但在长时间使用过程中暴露出了压力不稳定、高温结焦和易吸水等问题。为此,从分析美、英、法、俄等国家第四代航空发动机用高性能润滑油的发展体制和性能指标入手,指出了我国军用第四代航空发动机用高性能润滑油的性能发展方向和体制改革建议。

Abstract:The 2nd generation lubricating oil of aero-engine is used to lubricate and anti-load. The 3rd generation lubricating oil of aero-engine is also used to clean, seal, cool, control corrosion and buffer, etc. But, the problems of pressure instability, coking at high temperature, easy absorbing water and so on are exposed in the long using process. So, starting from the analysis of development system and performance indicators of the 4th generation high performance aero-engine lubricating oil from Unit States, Britain, France, Russia and other countries, this paper puts forward the performance development direction of the 4th generation military high performance lubricating oil of aero-engine in our country and the system reform proposal .

Key words:aviation lubricating oil; aero-engine; development trend; performance

0引言

当前,美、英、法、俄等国的航空军事装备在世界上处于领先地位,并引领了军用航空发动机的技术发展方向。如F135、M83、EJ200和Ал-41Ф等军用航空发动机都在持续改进,以获得更高的性能、更好的可靠性和更高的性价比。

军用航空发动机在性能不断提高的同时,对材料性能也提出苛刻要求的同时,作为发动机“血液”的航空润滑油在完成润滑的同时,还要身兼数职,完成清洁、密封、冷却、腐蚀控制和缓冲等作用。如果润滑油失效,发动机将会受到严重损害。因此,世界各国都在不断研制性能更高的润滑油以满足下一代军用航空发动机的工作需要。

1国际航空润滑油现状

国外军用航空发动机润滑油主要类型为符合美国军用标准MIL-PRF-7808和法国军用标准AIR3514的低黏度型润滑油,还有符合美国军用标准MIL-L-23699和英国军用标准DERD2497的中黏度型润滑油。而俄罗斯的军用航空发动机因受其天气寒冷影响,主要使用低黏度型润滑油,来保证在寒冷的冬季也能顺利启动。目前,国际上还有一类符合英国军用标准DERD2487和法国军用标准AIR3517的高黏度型润滑油,从应用趋势看,逐渐被中黏度型润滑油取代。

美国、英国和法国的航空润滑油军用标准体系大体相当,符合美国军用标准MIL-L-7808和MIL-L-23699的航空润滑油代表了国际上应用比较广泛的品种,它们的发展趋势反映了下一代军用航空发动机对润滑油提出的新要求。1994年,美国发布了MIL-L-7808的新版本MIL-L-7808J,以适应对润滑油热氧化安定性要求更高、黏度更大些的航空发动机需要。同年,还发布了MIL-L-23699的新版本MIL-L-23699E,为解决海军舰载航空发动机在停放中轴承产生的静态腐蚀问题,将润滑油划分为“标准型”和“防腐型”。1997年,在MIL-L-23699E的基础上又发布了MIL-L-23699F,增加了“高温型”的中黏度型润滑油,这种润滑油是专门为滑油系统工作温度较高的航空发动机使用的。

2国内航空润滑油现状

目前,国内航空润滑油以合成酯类油为主,石油基油为辅,石油基油只限用于第二代航空发动机等老旧机种,第三代航空发动机使用合成酯类油,并将100 ℃时运动黏度为3 mm2/s等级的定义为低黏度型润滑油,将100 ℃时运动黏度为5 mm2/s等级的定义为中黏度润滑油。我国北方地区大多机型使用低黏度型润滑油,能满足-54 ℃的低温启动要求;南方地区大多机型使用中黏度型润滑油,能满足-40 ℃的低温启动要求,且高温性能优于低黏度型润滑油。

国内常用的低黏度型润滑油有4010号合成航空润滑油、4109合成航空润滑油、928合成航空润滑油(性能符合美国军用标准MIL-L-7808)。中黏度型润滑油有4106合成航空润滑油、4050高温合成航空润滑油、925合成航空润滑油(性能符合美国军用标准MIL-L-23699)。

109号润滑油应用在少数第二代航空发动机上,4010号润滑油在参与“提高航空发动机轴承寿命与可靠性研究”等国家863计划课题中,表现出了高温沉积性和低温性能都优于4109号润滑油,且在航空发动机地面试验中已经达到700 h以上,与符合美国军用标准MIL-L-7808J的国外同类油品性能相当;928号润滑油是按照前苏联润滑油标准研制的,基础油采用聚α-烯烃和部分双酯混合,通过了前苏联综合鉴定法评定考核。由于基础油的耐高温性能不足,以致在滑油系统出现油泥和积炭较多的问题。 中黏度型润滑油除原有的4106号和4050号外,增加了925号润滑油,三种油都通过了试验考核。由于是20世纪70年代后期研制,符合当时的美国军用标准MIL-L-23699D,部分指标满足不了现行的美国军用标准MIL-L-23699F,且高温性能不足,无法满足第四代航空发动机的需要。

3航空润滑油使用中出现的问题

航空润滑油使用过程中会出现润滑油压力不稳定、高温结焦和易吸水导致发动机零件腐蚀等问题。

3.1润滑油易吸水问题

由于925号润滑油的基础油极易吸水,湿热环境下使用一段时间后水分含量迅速增大到1%。导致发动机润滑油系统内部出现电化学腐蚀,少量金属部件被严重腐蚀,出现严重的安全隐患。

3.2润滑油压力不稳定问题

928号润滑油与俄罗斯的ИЛМ-10型润滑油性能相当。2004年,国内在使用928号润滑油时,发动机热态慢车状态下润滑油压力下降幅度较大,润滑油压力有较大波动,发动机回油效率低,导致多次润滑油压力低故障。928号润滑油动力黏度随温度升高的变化率大于俄罗斯润滑油,特别是在大于125 ℃的热态条件下,928号润滑油动力黏度明显下降。

3.3结焦问题

4050号润滑油在地面试验和部队使用后的发动机分解检查中,发现在多个部位均存在明显的润滑油结焦(见图1)和积炭现象(见图2),过多的油泥将导致发动机润滑油流路受阻,使发动机润滑油系统的工作可靠性降低,带来安全隐患。

3.4适应性问题

国内活塞式发动机在使用4060号润滑油之前,换油周期为30 h。2007年,又先后2次出现在使用至250 h左右排气温度过高、烧蚀等故障。2009年,更换了4060号润滑油后,积炭和烧蚀情况明显改善。但在2013年,第三代航空发动机润滑油消耗量大或排气管冒黑烟的故障多发。检查发现涨圈磨损,导致润滑油大量参与燃烧所致。

4下一步改进方向

4.1完善国内航空润滑油鉴定程序

我国在航空润滑油鉴定程序与美、英、俄等国家差异如下:

(1)组织机构上的差异。国内考核鉴定没有专门的机构组织管理,俄、美由政府或军方组织。

(2)试验考核机构差异。国内航空润滑油由研制生产部门、发动机生产厂或军方共同实施试验考核;俄罗斯由发动机试验研究机构执行试验考核;美国由军方和军方认可的第三方试验机构执行试验考核。

(3)程序方法上的差异。基本方法与俄、美类似,部分新研润滑油产品因无权威考核鉴定结论很难进行发动机台架试验评价,导致在现役发动机上推广使用存在一定困难。

因此,尽快完善国产军用航空润滑油鉴定考核和技术质量监督机制,成立专业组织结构,建立权威考核机构,形成涉及航空润滑油关键试验性能考核的试验研究,参与研制和考核研制试验。

4.2研发高性能航空润滑油

美国的IHPTET计划在B阶段中,为了满足飞行任务要求,提出了研制耐330 ℃高温的润滑计划,其热性能指标要求极为苛刻。经初步设计与计算表明,采用这类润滑油后可以大大简化发动机的设计,整个机械系统如轴承、密封装置、轴、阻尼器、轴承腔、齿轮、泵、油滤、润滑油箱、除泡器、除油器、热交换器和齿轮箱等可减重12%。为发展耐高温润滑油,人们进行了几十年广泛的探索与研究,使用油温为260 ℃和316 ℃的军用标准MIL-L-27502和MIL-L-87100 早已发布,但目前还没有满足要求的润滑油。

随着航空发动机的更新换代,对涡轮发动机润滑油的要求不断提高,总的趋势是发展更好的高热氧化安定性、优异的抗腐蚀性能和低温性能好的润滑油。耐高温性能和抗氧化安定性优异的合成酯已经成为航空润滑油的主导产品,但是根据航空涡轮发动机的发展趋势,润滑油可能承受的氧化温度为260~427 ℃,已经接近或超出合成酯所承受的极限温度,必须重视和加快未来润滑油材料的预先研究是第四代航空发动机研制的一个必须解决的问题。

5结论

第四代航空发动机的转速、增压比、涡轮前温度不断提高,传动润滑系统工作环境更加恶劣。目前第三代航空发动机滑油系统温度已接近200 ℃,预计今后第四代发动机润滑油系统温度将可能超过300 ℃,对润滑油高温性能和润滑性提出了更高要求。为满足我国高温地区、高原地区、高湿地区和严寒地区等更加复杂的作战使用环境需求,对润滑油也将提出更高要求。由于航空润滑油的使用条件越来越苛刻,航空润滑油必将向着高热安定型、良好抗氧抗腐性能、良好抗载荷能力等方向发展,以满足不断发展的航空发动机需求。 返回搜狐,查看更多

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