國內(nèi)外合成酯類航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油規(guī)范的發(fā)展

李進(jìn)，談軼，張世堂

(1.北京航空技術(shù)工程研究中心,北京 100076;2.92228部隊(duì),北京 100072)

0 引言

現(xiàn)代航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了各國飛機(jī)對(duì)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(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)的熱負(fù)荷陡增，這就要求潤滑油在系統(tǒng)流動(dòng)過程中帶走摩擦產(chǎn)生的熱量，維持軸承和傳動(dòng)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(nèi)外發(fā)達(dá)國家都制定了嚴(yán)格的航空潤滑油標(biāo)準(zhǔn)以滿足控制產(chǎn)品質(zhì)量、保障飛行安全的需求，如前蘇聯(lián)的ГОСТ 13076、法國的AIR 3514和英國的DEF STAN 91-91/4等。美、英、俄等國家建立了科學(xué)、完整的航空油料質(zhì)量綜合鑒定體系，并不斷進(jìn)行完善，對(duì)航空油料的質(zhì)量鑒定有嚴(yán)格的規(guī)定，對(duì)噴氣燃料、發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油等都有明確的鑒定程序和需要進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目，并有明確的質(zhì)量指標(biāo)，如理化性能測試、使用性能試驗(yàn)、部件模擬臺(tái)架評(píng)定、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架評(píng)定和飛行試驗(yàn)評(píng)定要求。

1 歐美軍用航空潤滑油規(guī)范

歐美的現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)主要使用滿足MIL-PRF-7808和MIL-PRF-23699兩種規(guī)范的產(chǎn)品，石油基油主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)內(nèi)部封存，合成酯類油主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)。這些標(biāo)準(zhǔn)自制定起就經(jīng)歷了一系列對(duì)潤滑油質(zhì)量指標(biāo)和試驗(yàn)方法的從嚴(yán)變化。其中，最具代表性的是美國空軍制定的MIL-L-7808規(guī)范，不僅在北大西洋公約組織內(nèi)有品種代號(hào)，3級(jí)油代號(hào)為0-148，4級(jí)油代號(hào)為0-163，在國際上也廣泛被采用。自1951年提出以來，經(jīng)過數(shù)十次的修訂、補(bǔ)充和完善，可以說基本代表了國際上先進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量變化過程，同時(shí)也反映出國際上航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展過程。實(shí)際上美軍在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施過程中也遭遇無法兼顧的難題，例如酯類油在熱穩(wěn)定性和低溫性能的兼顧方面，因此美軍提出了熱穩(wěn)定性更強(qiáng)的4級(jí)油，同時(shí)取消了堅(jiān)持多年的MIL-STD-210B關(guān)于美國空軍飛機(jī)必須在全球飛行中能適應(yīng)使用時(shí)全球低溫限定-54 ℃的要求，改用了-51 ℃的低溫限定，同時(shí)低溫黏度從不大于17000 mm2/s放寬至不大于20000 mm2/s。MIL-PRF-7808L除了對(duì)常規(guī)性能(理化指標(biāo)和使用性能)規(guī)定外，在臺(tái)架試驗(yàn)方面要求通過美國聯(lián)邦試驗(yàn)方法FED-STD-791 3450 Erdco軸承沉積試驗(yàn)、ASTM D1947 Ryder齒輪試驗(yàn)和ASTM D5182 FZG齒輪試驗(yàn)測試齒輪載荷能力，同時(shí)要求進(jìn)行足夠時(shí)間的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壽命全尺寸使用性能試驗(yàn)。

后來，美軍提出了能適應(yīng)更高溫度的100 ℃黏度為5 cst航空潤滑油規(guī)范MIL-PRF-23699[1]，北約代號(hào)為0-156，期間對(duì)其進(jìn)行了多次修訂，1994年頒布了MIL-PRF-23699E，將合成航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油分為標(biāo)準(zhǔn)型(STD級(jí))和防腐型(C/I級(jí))兩個(gè)等級(jí)，1997年修訂為MIL-PRF-23699F，在原有基礎(chǔ)上增加了高溫穩(wěn)定型(HTS級(jí))。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(biāo)準(zhǔn)型只有在應(yīng)急狀態(tài)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(duì)理化指標(biāo)和使用性能規(guī)定外，在臺(tái)架試驗(yàn)要求通過聯(lián)邦FED STD 791 6508 Ryder齒輪試驗(yàn)機(jī)的齒輪載荷能力試驗(yàn)和FED STD 791 3140 Erdco軸承沉積試驗(yàn)(對(duì)高熱穩(wěn)定型要求更高)，對(duì)海軍使用的腐蝕抑制型增加了SAE ARP4249法的軸承腐蝕試驗(yàn)，同時(shí)要求通過全尺寸渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，最后進(jìn)入模擬發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)評(píng)估和飛行試驗(yàn)評(píng)定，國外20世紀(jì)90年代末已研究開發(fā)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[3]，國內(nèi)早期開發(fā)的產(chǎn)品相當(dāng)于MIL-L-23699C規(guī)范的產(chǎn)品，此后在配方技術(shù)上進(jìn)行了調(diào)整改進(jìn)，后來研發(fā)了高溫型和防腐型航空潤滑油，整體性能相當(dāng)于MIL-L-23699F，部分性能甚至更優(yōu)[4]。

2 俄羅斯軍用航空潤滑油規(guī)范

由于冷戰(zhàn)對(duì)抗，美蘇兩個(gè)完全不同的航空體系所要求的航空油料完全不同。前蘇聯(lián)從上世紀(jì)60年代開始進(jìn)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(gè)俄羅斯幾十年的武器裝備發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。俄羅斯石油資源相對(duì)豐富和其飛機(jī)特殊材質(zhì)等原因，現(xiàn)代高熱強(qiáng)度渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑系統(tǒng)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ВНИИ НП50-1-4Ф(У)僅作為備用油，老式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的MC-8п礦物油用做燃油系統(tǒng)內(nèi)部封存。俄羅斯航空潤滑油的技術(shù)指標(biāo)包括研制過程內(nèi)控指標(biāo)和產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格兩大部分，僅僅從技術(shù)規(guī)格上是不足以把握油品質(zhì)量，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)只有一種產(chǎn)品。

俄羅斯?jié)櫥椭笜?biāo)技術(shù)規(guī)范ГОСТ 4.24-84《石油產(chǎn)品：潤滑油指標(biāo)項(xiàng)目》，該規(guī)范將滑油技術(shù)指標(biāo)按功能劃分為使用指標(biāo)、儲(chǔ)存指標(biāo)、人體工程指標(biāo)、安全指標(biāo)四類，共40個(gè)項(xiàng)目。對(duì)于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油，實(shí)驗(yàn)室階段必須確定研制過程和生產(chǎn)過程中所有的理化指標(biāo)和使用性能指標(biāo)，允許對(duì)ГОСТ 4.24-84有所取舍，也包括ГОСТ 4.24-84所沒有的，而技術(shù)規(guī)格只能保證生產(chǎn)批次的質(zhì)量一致性，不能完全反映出油品的實(shí)際使用質(zhì)量。參照《各種燃油、滑油、滑脂和特種液鑒定試驗(yàn)規(guī)則》，俄羅斯改進(jìn)型航空潤滑油只需進(jìn)行性能評(píng)定，而新研油料則必須通過國家鑒定驗(yàn)收。改進(jìn)油料的評(píng)定需要進(jìn)行對(duì)產(chǎn)品的常規(guī)性能(理化指標(biāo)和使用性能)和實(shí)驗(yàn)室部件模擬項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)定。國家鑒定試驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、檢驗(yàn)飛行試驗(yàn)、飛行使用試驗(yàn)或監(jiān)控下使用等四個(gè)階段。實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)主要利用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行常規(guī)分析和綜合鑒定法進(jìn)行的模擬評(píng)定試驗(yàn)階段；發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)一般選用高熱強(qiáng)度和大負(fù)荷的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)按照試驗(yàn)程序進(jìn)行持久疲勞試驗(yàn)；檢驗(yàn)飛行試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)程序時(shí)間一般不超過20～25 h；飛行使用試驗(yàn)或監(jiān)控下使用一般需要在多種飛機(jī)上按照專門試驗(yàn)程序進(jìn)行，軍用航空裝備飛行使用試驗(yàn)時(shí)間一般為發(fā)動(dòng)機(jī)使用潤滑油的一個(gè)壽命期(500 h)，民用航空裝備飛行使用時(shí)間則不確定，不同發(fā)動(dòng)機(jī)、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(guī)定主油和備用油兩個(gè)牌號(hào)，此外還應(yīng)指出和俄制潤滑油等同的國外潤滑油牌號(hào)。前蘇聯(lián)解體后，俄羅斯也存在對(duì)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(jī)的外國燃料、潤滑油、潤滑脂和液壓油使用指南(第五版)》中規(guī)定了外國油品用于俄制裝備時(shí)必須通過綜合鑒定法評(píng)定及已經(jīng)在俄羅斯類似發(fā)動(dòng)機(jī)上經(jīng)過長時(shí)間監(jiān)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(guī)格的2389和MIL-PRF-23699規(guī)格的ESSON Turbo Oil 2380、Mobil Jet Oil II。由于俄羅斯所用材料的特殊性，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)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(jī)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(guān)系，取而代之的是，由NYCO公司和Mobil Oil公司生產(chǎn)的Turbonycoil 210A和Mobil Turbo 319A-2產(chǎn)品。

3 國外民用航空潤滑油規(guī)范

本世紀(jì)初，美國汽車協(xié)會(huì)SAE E34航空組織在參照美軍標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-23699F、英國國防部標(biāo)準(zhǔn)DEF STAN91-101/ISSUE 2(DERD2499)和普惠公司PWA521(Ⅱ型5 cst)規(guī)格及美國通用公司D50TF1規(guī)范的基礎(chǔ)上，制定了航空燃?xì)廨啓C(jī)的核心技術(shù)規(guī)范SAE AS5780。首版SAE AS5780于2001年3月發(fā)布，該版只有標(biāo)準(zhǔn)型一個(gè)規(guī)格，基礎(chǔ)指標(biāo)沿用了MIL-PRF-23699F(STD)的基礎(chǔ)性能及氧化腐蝕評(píng)定中的要求，同時(shí)增加了一些OEM設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算所需的物理性能參數(shù)，如：在臺(tái)架試驗(yàn)方面，沿用MIL-L-23699E中的Erdco軸承沉積試驗(yàn)，但具體指標(biāo)只保留了軸承缺陷評(píng)分一項(xiàng)，對(duì)Ryder齒輪試驗(yàn)沒有要求。2005年，國際航空組織第一次對(duì)SAE AS 5780進(jìn)行修訂，這次修訂主要在基本質(zhì)量等級(jí)SPC規(guī)格的基礎(chǔ)上，增加了一檔高溫型的產(chǎn)品規(guī)格SAE AS5780 HPC。這個(gè)產(chǎn)品規(guī)格與MIL-PRF-23699F中的標(biāo)準(zhǔn)型STD和高溫型HTS規(guī)格相對(duì)應(yīng)，其規(guī)定的氧化安定性和軸承沉積指標(biāo)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(biāo)。在臺(tái)架試驗(yàn)方面，該規(guī)格完全采納了MIL-PRF-23699F中Erdco軸承沉積試驗(yàn)和Ryder齒輪試驗(yàn)的控制指標(biāo)，并在OEM項(xiàng)目中增加了橡膠相容性、氧化安定性、潤滑性能、結(jié)焦性能、老化特性等諸多評(píng)定控制指標(biāo)。在管控質(zhì)量體系方面，該規(guī)格對(duì)過程的追溯性、產(chǎn)品資格、生產(chǎn)變更管理等方面提出了嚴(yán)格的控制條款。2013年2月美國SAE協(xié)會(huì)對(duì)SAE AS5780進(jìn)行了第二次修訂。修訂的重點(diǎn)主要對(duì)個(gè)別指標(biāo)規(guī)定進(jìn)行了調(diào)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(bào)告”；將部分橡膠相容性中標(biāo)準(zhǔn)橡膠膨脹率由“報(bào)告”修訂為“5%～25%”；并對(duì)黏壓系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和電導(dǎo)率等的測定溫度點(diǎn)進(jìn)行了具體化。2015年對(duì)SAE AS5780進(jìn)行了第三次修訂，將高熱流體動(dòng)態(tài)模擬結(jié)焦試驗(yàn)HLPS指標(biāo)(20 h)放寬至“不大于4.0 mg”(STD型)、“不大于0.4 mg”(HTS型)，增加了橡膠試驗(yàn)失效時(shí)的使用有效壽命的具體報(bào)告。目前SAE AS5780第三版廣泛用于民用航空領(lǐng)域，在行業(yè)中地位非常高，所有中黏度的民用航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油都必須滿足該規(guī)范[5]。

4 國內(nèi)軍用航空潤滑油規(guī)范

20世紀(jì)50年代末，國內(nèi)軍用航空潤滑油處于起步階段，主要以礦物油為原料經(jīng)過精制后的潤滑油，如用于活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的8號(hào)和20號(hào)航空潤滑油；80年代開始對(duì)合成酯類航空潤滑油進(jìn)行研究，研制的合成航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油產(chǎn)品相當(dāng)于MIL-PRF-23699C規(guī)范的產(chǎn)品，此后在配方技術(shù)上進(jìn)行了新的調(diào)整和改進(jìn)，如用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)合成潤滑油有4104、4106、4109和4050等產(chǎn)品。

國內(nèi)在軍用航空潤滑油質(zhì)量規(guī)范方面的建設(shè)，1991年，參照美國MIL-PRF-7808H版和L版，建立了GJB 135《合成航空潤滑油規(guī)范》；在美國海軍MIL-PRF-23699的基礎(chǔ)上建立了GJB 1263《航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)用合成潤滑油規(guī)范》；參照俄羅斯ТУ301-04-010-92規(guī)范，建立了GJB 3460-1998《直升機(jī)用高極壓潤滑油規(guī)范》。1998年將GJB 135修訂為GJB 135A，包含了兩個(gè)產(chǎn)品。民用航空潤滑油質(zhì)量規(guī)范方面，2010年我國參照SAE AS5780A民用航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油標(biāo)準(zhǔn)，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(lián)合制定了MH6084《民用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)油技術(shù)規(guī)范》。

但在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油質(zhì)量綜合評(píng)定體系方面，目前國內(nèi)尚未建立比較科學(xué)規(guī)范的評(píng)定手段，多以產(chǎn)品規(guī)范為主對(duì)航空潤滑油進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，既參考俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)體系，一個(gè)潤滑油產(chǎn)品對(duì)應(yīng)一個(gè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，又對(duì)照歐美質(zhì)量規(guī)范，同時(shí)缺少有針對(duì)性的模擬性能和部件模擬評(píng)價(jià)手段，完全參照俄羅斯綜合鑒定法或美國航空油料質(zhì)量評(píng)定體系，一方面試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)手段混雜，另外一方面評(píng)價(jià)儀器尤其是大型臺(tái)架模擬評(píng)定較少。

5 啟示

(1)20世紀(jì)末由美國空軍、海軍、陸軍、國防部預(yù)研局、NASA和7家主要發(fā)動(dòng)機(jī)制造商啟動(dòng)了先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展計(jì)劃(ATF計(jì)劃)和綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃(計(jì)IHPTET劃)，總目標(biāo)是到2025年航空推進(jìn)系統(tǒng)能力翻一翻。2015年，我國相應(yīng)提出了“中國制造2025”計(jì)劃關(guān)于航空航天裝備要求高推重比、先進(jìn)渦槳(軸)發(fā)動(dòng)機(jī)及大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。飛機(jī)的飛行速度、升限高度、航程、載重量和機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力都離不開發(fā)動(dòng)機(jī)推力的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)推力的提高使得增壓比、燃?xì)鉁囟?、渦輪前溫度、轉(zhuǎn)子和齒輪的轉(zhuǎn)速越來越高，從而使得對(duì)配套保障的潤滑油的性能要求也越來越高，而目前現(xiàn)有規(guī)范對(duì)于油品的苛刻程度已經(jīng)達(dá)到了新戊基多元醇酯的承受極限，亟需進(jìn)行油品的更新?lián)Q代和質(zhì)量升級(jí)，走出與我國自主裝備發(fā)展體系相配套的高規(guī)格潤滑油質(zhì)量規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，加快國內(nèi)油品通用化、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

(2)呼吁建議盡快協(xié)調(diào)并成立由裝備發(fā)展部門、航空發(fā)動(dòng)機(jī)部門、飛機(jī)部門、油料廠商、發(fā)動(dòng)機(jī)修理單位和機(jī)場保障部門的協(xié)會(huì)，類似于國際上SAE航空協(xié)會(huì)組織，充分吸收歐美等國航空油料質(zhì)量發(fā)展體系經(jīng)驗(yàn)，參考俄羅斯航空油料評(píng)定體系發(fā)展脈絡(luò)，在引用俄羅斯綜合鑒定法的基礎(chǔ)上補(bǔ)充并完善西方國家的部分特色評(píng)價(jià)技術(shù)，綜合國內(nèi)裝備發(fā)展部門要求一些設(shè)計(jì)關(guān)系的特定參數(shù)，建立具有國內(nèi)特色自主的航空潤滑油質(zhì)量規(guī)范評(píng)價(jià)體系，配套國內(nèi)裝備研發(fā)體系，指導(dǎo)裝備技術(shù)和油品質(zhì)量的互相推動(dòng)，力爭在“十三五”期間末期建立起完善的自主航空潤滑油評(píng)定體系。

(3)國內(nèi)航空領(lǐng)域的逐漸開放及通用航空理念促使今后軍民兩用航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油規(guī)范和質(zhì)量體系的逐步統(tǒng)一，民用航空潤滑油基本上參照歐美標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在理化指標(biāo)方面更多兼顧了OEM廠商的評(píng)定控制經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)油料供應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，較少參照歐美航空體系，為了配套國產(chǎn)裝備通用發(fā)展體系，加快將軍用航空潤滑油和民用航空潤滑油統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)化程度更高。

(4)隨著全球通用航空體系的發(fā)展，我國的試航認(rèn)證和目前全球比較認(rèn)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(rèn)成為了一個(gè)難題，國內(nèi)航空油料檢測數(shù)據(jù)及手段不被EASA和FAA認(rèn)可，因此亟需建立國內(nèi)民用飛機(jī)適航認(rèn)證油料審定評(píng)價(jià)手段，建議在依靠適航司在與EASA和FAA適航認(rèn)證機(jī)構(gòu)的合作過程中推動(dòng)使EASA和FAA逐步認(rèn)可國內(nèi)自主的油料適航審定評(píng)價(jià)手段。