国产航空发动机润滑油在国内民用飞机上的应用研究

国产航空发动机润滑油在国内民用飞机上的应用研究 国产航空发动机润滑油在国内民用飞机上 的应用研究 民用飞机设计与研究 CivilAircraftDesignandResearch 摘要:介绍了航空发动机润滑油技术的发展历程,分析了国外航空润滑油的发展趋势和认证流程,研究了国产航空发动机润滑油在国内民 用航空市场应用的渠道;明确了国产航空发动机润滑油达到国际先进水平所需要进行的工作. 关键词:发动机;润滑油;认证 【Abstract]Kese~cNngtheapplicationofBayesiannetworkstothereliabilityassessmentof pitchchannelofflightcontrolsystemforthelimitsof traditionalfaulttreeai1alysismethod--componentsmustbeindependentwithtwostates.The newmethodcannotonlycomputethereliabilityin— dices,butalsoquantitativelyanalyzetheweightsofcertaincomponentsinthesystemreliabili tytofindthevulnerablepositioninthesystem. 【Keywords】engine;lube;certification 0引言 航空发动机润滑油主要用于航空发动机主轴承 和传动装置的齿轮等摩擦部件的润滑和冷却,对发 动机起到润滑,冷却,防锈,清洁和密封等多重作用. 采用先进的润滑油可使发动机在苛刻的条件下持久 稳定地工作,提高机械效率并保持发动机正常运转, 减少发动机故障,节约能源和减少材料消耗,提高综 合经济效益.因此,发动机润滑油是影响发动机性 能,保证发动机工作可靠性和寿命的关键材料之一, 被形容为航空发动机的"血液". 目前,国产航空发动机润滑油主要使用在军用 飞机和小型民用飞机.对于国内民航主力客运的大 型客机,由于都是进口飞机,国外对航空发动机润滑 油有特殊的要求,国产航空发动机润滑油难以涉足. l国产发动机润滑油应用的市场前景 我国民用航空市场正在持续,快速的发展,每年 以100多架飞机的速度在增加.根据中国民航局适 航司最新出版的《适航审定部门年度》统计,截 至2008年底,中国民航现有固定翼飞机2043架, 旋翼飞机149架,飞机发动机共计3870台(其中涡 轮发动机3138台,活塞发动机732台).假定每架 飞机每年飞行300天,发动机润滑油的标准消耗为 1.892升/台?天,则年消耗量约为22x10.L,市场价 值超过2亿人民币. 在我国社会经济快速发展的推动下,民用航空 业发展迅猛,随着大型客机项目的启动,自主研制的 大型客机将来必定会走出国门,走向世界.根据市 场预测,未来2O年内(2016—2035年)120座级以上 的单通道飞机数量为18470架,航空发动机润滑油 市场需求也将日益增大,因此,开发能与国外航空发 动机润滑油相媲美的国产润滑油,具有较好的市场 前景和良好的经济价值. 2航空发动机润滑油的分类和代表 产品 由于航空发动机技术不断更新和发展,其主轴 轴承温度不断提高,使得航空发动机润滑油的规格 和质量水平较以前均有较大的变化和发展,国外的 航空发动机润滑油分类主要是以100~C时的运动黏 度来区别.航空喷气发动机润滑油黏度级别主要 有:3mm/s,4rnm/s,5ram/S,7.5mm/s.为了兼顾 高低温性能,民用航空发动机主要使用的是黏度为 5mm./s的润滑油.从近年来发展趋势来看, 7.5ram/s润滑油逐渐被5mm/s取代. 国内外民用航空发动主要使用的润滑油有:美 孚公司的MobilJetOil?和MobilJetOil254,BP 公司的BPTO2380和BPTO2197,壳牌公司的 AeroShellTurbineOil500,AeroShellTurbineOil 560等,其都是黏度为5ram/s的润滑油. 3航空发动机润滑油技术标准的发展 3.1国外发动机润滑油执行的标准简介 (1)美军标MIL—PRF一7808L,适用于黏度为 3ram/s的低黏度型润滑油,与其相应的有法国标准 65 民用飞机设计与研究2011年第2期 AIR3514和俄罗斯MnM一10和BHMMH兀一50—1— 4标准.满足MIL—PRF一7808L标准的润滑油适 用于快速反应的新型战斗机及其配套发动机上. (2)美军标MIL—PRF一23699F,适用于黏度为 5ram/s的中黏度型润滑油,与其相应的有英国 DERD2497标准.满足MIL—PRF一23699F标准的润 滑油更适用于对油品热氧化稳定性要求更高,黏度 更大的发动机. (3)民用航空发动机润滑油SAEAS5780A,适 用于黏度为5ram/s的中黏度型润滑油. 3.2美军标MIL—PRF一23699F标准的发展 美国海军于1963年6月颁布了以多元醇酯为 基础油的飞机涡轮发动机润滑油标准MIL—L一 23699.表1列出了该标准的发展过程. 表1发动机润滑油标准MIL—L一23699修订情况 标准号发布/修订时间主要内容及修订内容 MIL—L-236991963.06新发.100~C运动黏度为5mm2/s,使用温度范围是一40~C,200~C MIL—L一23699A1966.02提高闪点,铜腐蚀,齿轮承载能力等方面的性能要求,采用F橡胶试验 进一步提高航空发动机润滑油闪点性能,要求航空发动机润滑油能MIL— L一23699B1969.10 顺利通过274~C热稳定和腐蚀试验,Ryder齿轮变更要求 标准要求报告航空发动机润滑油所有腐蚀与氧化稳定性试验中所 产生的沉淀值,在204~C下进行腐蚀与氧化稳定性试验时,其沉淀值MIL, L一23699C1978.10 含量不能超过50mg/100g润滑油;轴承试验升级,要求试验前后运动 I黏度变化不能超过一5%,25% l标准对进行腐蚀与氧化稳定性试验时的各金属试片提出要求,且所有 氧化试验的沉淀值含量均不能超过50rag/100g润滑油,此外,标准要iMIL-L-23699D1990.10求对航空发动机油进行发动机台架实验和在装有小型发动机的飞机I上试飞 I将航空发动机润滑油进行分类,润滑油分成了两个等级:标准型(STD) IlMIL—L一23699E1994.08和防腐型(C/I);在润滑油台架性能试验中,特别增加了对防腐油进行 I轴承腐蚀试验的规定 为进一步满足航空发动机轴承的高温要求,标准将润滑油分为三个 等级:标准型(STD),防腐型(C/I)和高热稳定型(HTS),高热型航空 MIL—PRF一23699F1997.05发动机润滑油对航空发动机油的腐蚀和氧化稳定性以及高热稳定性 能的要求大大提高,以满足不断发展的航空发动机对航空发动机润 滑油提出的新要求 MIL—PRF一23699F包含3个类型的润滑油:标 准型(STD),防腐型(C/I)和高热稳定型(HTS).防 腐型(C/I)润滑油专门为美国海军飞机发动机使 用,民用飞机发动机采用的是标准型(STD)和高热 稳定型(HTS). 3.3SAEAS5780标准的发展 除美军标外,一些航空发动机制造商也根据实 际需要,制定了相应的OEM(OriginalEquipment Manufacture原始设备制造商)标准,如 Pratt&Whitney公司的PWA521(typeII,5est)标准, GE公司的D50TF1标准,Allison公司的EMS53标 准等.OEM标准与MIL标准不同之处是增加了部 分与发动机相关的台架试验.由于民用客机的迅猛 发展,促进了民用航空发动机润滑油的研究开发与 66 认证.与军用航空发动机润滑油相比,民用飞机发 动机润滑油在可靠性,安全性,质量保障性等方面有 更高要求.面对民用航空发动机不断创新发展,也 给发动机润滑油带来新的挑战.2000年,SAE组织 以MIL—PRF一23699标准,英国国防部标准DEF STAN91一IO1/ISSUE2(DERD2499)以及 Pratt&Whitney公司的PWA521(type?,5cst)标准和 GE公司的D50TF1标准等为参照标准,针对民用航 空发动机润滑油制订了一个航空燃气涡轮发动机油 的核心技术标准SAEAS5780. SAEAS5780在MIL—PRF一23699评定性能的 基础上新增加了与弹性体的相容性,氧化稳定性,沉 积性能,摩擦(润滑)性能的评定,增加的评定 方法和性能指标见表2. 周群:国产航空发动机润滑油在国内民用飞机上的应用研究 表2SAEAS5780A相比MIL—PRF一23699F增加的评定方法 指标序号性能评定方法 SPCHPC 与弹性体的相容性(24/120h),%(w)?1o/15 氟橡胶(200~C)?1O/20 LCS氟橡胶(200~C)DefStan05-50(Part61)1报告 丁腈橡胶(130~C)Method22报告 硅橡胶(175~C) 全氟橡胶(200~2)报告 氧化稳定性 温度系数(192h)?185?190 E温度,??190?190 A温度,??l85?190 V温度,?报告?205 B温度,?报告?210 z温度,? 有效寿命(200qC) 2蒸发损失,hDefStan05-50(Part61)?90 酸值增加,hMethod9?100 运动黏度增加,h?60 ?225 不溶物增加,h 有效寿命(250~C) ?3?4.9 蒸发损失,h ?0.5?1.4 酸值增加,h ?1.0?1.9 运动黏度增加,h ?20I>22 不溶物增加,h 沉积性能,HLPS动态结焦(375~C)报告 ?0.4 320h沉积物,mgSAEARP5996 ?0.6 40h沉积物,mg 摩擦性能SAEAIR4978AppendixE4 ?15 承载能力,负荷级WAM SAEAS5780标准包含两种规格润滑油:标准 型(SPC)和高性能型(HPC),分别与MIL—PRF一 23699F标准中的标准型(STD)和高温稳定型 (HTS)对应.与SPC型相比,HPC型航空发动机润 滑油能耐受更高的温度,产生更少的结焦. 3.4民用航空发动机润滑油标准的发展分析 目前,民用航空发动机润滑油MIL—PRF一 23699F标准和SAEAS5780A标准共存.英,法两 国的标准大体和美国MIL标准相当,符合MIL-PRF 一 7808L和MIL—PRF一23699F标准的润滑油仍是国 际上使用最广泛的品种. 相对以前的标准,SAEAS5780标准虽然制订 时间较晚,但是是针对民用航空发动机润滑油而制 定,因此具有更全面的性能要求和更严格的质量控 制要求,具有较好操作性,其影响力在逐渐增强.近 些年新研制的民用发动机润滑油一般都按照SAE AS5780A标准进行验证,民用航空发动机润滑油主 要生产厂商(如ExxonMibil,BP和AeroShell公司 等)开始按照SAEAS5780标准进行验证.笔者预 计,SAEAS5780标准将逐渐成为民用航空发动机 润滑油的一个主要发展方向. 4国产发动机润滑油及其发展对策 研究 4.1国产航空发动机润滑油的主要产品及其标准 国产航空发动机润滑油的主要产品有4050, 67 民用飞机设计与研究2011年第2期 4106和925j个牌号,性能指标相当于MIL—PRF- 23699F中的标准型(STD).国内航空发动机润滑 油已形成了系列产品,基本满足了我国军用发动机 的发展需求,也为研发民用航空发动机润滑油奠定 了较好的技术基础. 国产航空发动机润滑油的执行标准是GJB1263 《航空涡轮发动机润滑油》,该标准足参照较早的 MIL—L一23699标准而制定的,仅有MIL—PRF-23699 标准中的标准型(STD型)一种类型产品.但是MIL — L,23699在不断更改换版,现在的版本是MIL— PRF一23699F,其内容已有很大变化;而GJB1263自 1991年发布后尚未改动,L大]此,GJBI263与MIL— PRF一23699相比较,缺少沉积试验,轴承试验和齿 轮试验等性能指标要求. 沉积试验,轴承试验和齿轮试验指标要求对航 空发动机有重要影响.沉积试验和轴承试验是考察 润滑油高温性能的重要指标,评定润滑油的沉积物 形成及氧化腐蚀性能;齿轮试验是考察润滑油润滑 性能的重要指标,评定润滑油的承载能力.轴承和 齿轮的工作可靠性和使用寿命同所用润滑油的性能 密切相关,轴承沉积试验方法和齿轮承载能力测定 法是评定航空发动机润滑油使用性能的重要指标. 4.2国产航空发动机润滑油的发展对策研究 由于我国大型民用客机所用的发动机基本采用 进[J,发动机润滑油也全部使用国外发动机润滑油, 从未正式使用过我国研发生产的航空发动机润滑 油.国产发动机润滑油尚未经过认证组织和航空发 动机生产厂家全面的质量技术认证,无法在大型飞 机上使用. 国产航空发动机润滑油标准与国际标准无法接 轨,润滑油的品质差距也限制了其应用范围.开展 润滑油OEM认证就是指润滑油厂商与色机发动机 制造商合作进行润滑油的认证和开发,满足发动机 的实际用油要求.发动机制造商有自己的选油策 略,往往采用指定用油的方式,选择有实力的润滑油 制造商进行合作.我国某些企业已具备航空发动机 润滑油研发能力和技术条件,同时具备了批生产稳 定性试验验证的能力,按照MIL—PRF一23699标准 或SAEAS5780标准对国产发动机润滑油进行认 证,可实现国产发动机润滑油在国内民用飞机上的 使用. 5国产发动机润滑油应用的认证流程 国产发动机润滑油从研制到应用的流程可以用 图2来表示. 5.1国产航空发动机润滑油与国外同类产品的性 能对比试验 开展航空发动机润滑油同类产品对比分析试验 (SPC型润滑油可与MobilJetOillI对比;HPC型润 滑油可与BP公司的Bfvro2197对比),对比试验按 照MIL—PRF一23699或SAEAS5780的试验要求进 行全性能试验,根据试验结果分析国产润滑油在性 能上的优劣,完善配方,保证国产润滑油达到或超过 国外同类产品的性能要求. 国内外润滑油性国产润滑油批次 能对比试验稳定性验证 ll } 按照MIL—PRF一23699或SAEAS5780标准进行 实验室认证 f 试验报告,结论 lQPGtl,组认证,纳入QPL清单 I 申请发动机公司OEM认证 } 发动机台架试验 {} 发动机取证试验 F 列入发动机航线可使用名单 图1航空发动机润滑油的认证流程 5.2国产航空发动机润滑油批次稳定性验证 为保证飞机发动机安全运行的可靠性,还应进 行产品稳定性验证,这也是适航的基本要求,是必不 可少的程序.润滑油批次稳定性验证试验项目有: 1)基本理化性能; 2)腐蚀和氧化稳定性; 3)腐蚀和热稳定性; 周群:国产航空发动机润滑油在国内民用飞机上的应用研究 4)润滑性能; 5)润滑油与橡胶相容性研究. 5.3实验室认证 实验室认要求证按照MIL—PRF一23699F或 SAEAS5780A标准进行.按照MIL—PRF一23699F 标准,需进行物理,化学性能试验以及齿轮带负荷运 行能力,轴承沉淀和轴承腐蚀试验;按照SAE AS5780A标准,则需进行物理,化学性能试验以及 稳定性能试验,沉积性能试验和摩擦性能试验.试 验完成后由实验室出具测试报告,给出润滑油是否 符合标准的结论.目前,具备航空发动机润滑油验 证试验资质的实验室均在国外,其中大部分实验室 在美国. 5.4QPG小组认证 满足MIL—PRF一23699F或SAEAS5780A标准 规定的润滑油,可以由SAE组织的附属机构——性 能审查研究所(RPI,PerformanceReviewInstitute) 指定资格认证小组(QPG,QualifiedProducts Group,该机构的职责是评估制造商产品是否符合相 关的标准)进行产品评估和认可,将产品列入认证 产品清单(QPL,QualifiedProductsList). 5.5oEM认证阶段 产品列入QPL后,发动机润滑油生产企业可以 向发动机制造商提出申请,进行OEM认证.获得 OEM认证是国产发动机润滑油能否最终应用到国 内民用飞机上的关键.0EM认证包括发动机台架 试验和发动机取证试验. 发动机台架试验项目:(1)进行核心机试验,试 验后需要拆开核心机,核心机转子支撑轴承的 工况;(2)发动机滑油系统试验,检查滑油系统部 件,包括滑油箱,油滤,垫圈,滤网,换热器;检查发动 机内部受油池的内表面,封严圈;检查内部齿轮箱, 传动齿轮箱,附件齿轮箱内部的滑油结焦和沉淀情 况;检测润滑油粘性,酸性等性能指标;(3)发动机 耐久性试验,发动机连续开车500h,检测整个发动 机持久运行的情况. 发动机的取证试验包括部分台架试验内容及飞 行试验.飞行试验目的是检测滑油对整个发动机实 际运行的影响,试验后检查发动机在试用滑油情况 下的整机性能. 完成发动机适航取证试验后,满足发动机滑油 系统要求的产品才能列入发动机航线可使用名单. 6结论 开展国产润滑油实验室认证,是我国航空发动 机润滑油走向国际化,认证化的第一步.目前具备 试验资质的试验室均在国外,而且主要集中在美国. 面对在国际上久负盛名的知名润滑油品牌,缺少认 证经验的国内航空发动机润滑油研发机构与生产厂 家面临巨大压力.在国外民用航空发动机上从未使 用过国产发动机润滑油,发动机OEM公司对验证国 产润滑油也缺乏信心.因此,国产润滑油首次进行 国外权威组织认证是一个艰苦而且充满风险的 过程. 实现国产发动机润滑油在大型飞机上的应用, 将增强我国基础材料的竞争力,提高我国民用航空 的效益,也将带动国产润滑材料应用的新突破. 参考文献: [1]王毓民,王恒.润滑材料与润滑技术[M].化学工业出 版社,2005:587. [2]吕伯平,陈名华.航空油液检测技术[M].航空工业出 版社,2006:141. [3]林基恕.航空燃气涡轮发动机机械系统设计[M].航空 工业出版社,2005,238. [4]T.曼格(德),w.德雷泽尔(德).润滑剂与润滑[M].化 工工业出版社,2003,617. [5]3.?_索洛欣(苏).航空空气喷气发动机试验[M].国防 工业出版社,1982,334. [6]美国军用油料标准汇编(),中国人民解放军总后勤 部物资油料部.2003,535. [7]燃料与润滑材料,纺织材料.中国航空材料手册[S].中 国标准出版社,2002(10). [8]SAEAS5780A.(R)SpecificationforAeroandAero-De— rivedGasTurbineEngineLubricants,AEROSPACESTAND— ARD[S].2000. f9]MIL—PRF一23699F.LubricationOil.AircraftTurbine Engine,SyntheticBase,NatoCodeNumberO一156 [S],1997.