高性能型航空渦輪發(fā)動機(jī)潤滑油的研制

尹開吉，唐紅金，梁宇翔，張建榮，賀景堅(jiān)

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

航空渦輪發(fā)動機(jī)潤滑油被稱為發(fā)動機(jī)的血液，是發(fā)動機(jī)必需的關(guān)鍵配套材料。提高發(fā)動機(jī)推力的有效手段是提高渦輪前溫度，而渦輪前溫度的升高不可避免地會帶來潤滑系統(tǒng)溫度的升高；同時(shí)為降低發(fā)動機(jī)重量，減少發(fā)動機(jī)功率損失，滑油冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)有愈加簡化的趨勢，也會引起潤滑系統(tǒng)溫度的升高。因此現(xiàn)階段航空渦輪發(fā)動機(jī)潤滑油的主要發(fā)展趨勢是進(jìn)一步提高高溫穩(wěn)定性，以承受先進(jìn)發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的熱負(fù)荷，控制高溫成焦、沉積物生成，保持發(fā)動機(jī)清潔，保障發(fā)動機(jī)的長期、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

目前5 cSt航空渦輪發(fā)動機(jī)潤滑油的權(quán)威性能規(guī)范包括SAE制定的SAE AS5780D性能規(guī)范[2]和美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-23699G[3]。與MIL-PRF-23699G相比，SAE AS5780D增加了抗高溫結(jié)焦等試驗(yàn)項(xiàng)目，對油品性能要求更為全面和嚴(yán)格。

SAE AS5780D規(guī)范中包括了兩種類型的航空發(fā)動機(jī)潤滑油：標(biāo)準(zhǔn)型(SPC)潤滑油和高性能型(HPC)潤滑油。其中HPC型潤滑油在保持理化性能要求一致的前提下，著重突出了高溫穩(wěn)定性與抗高溫結(jié)焦性能，與SPC型潤滑油相比，高溫下酸值、黏度更為穩(wěn)定，結(jié)焦量和沉積物顯著降低。國外知名石油公司已相繼研發(fā)推出了HPC型航空潤滑油產(chǎn)品，典型牌號包括Eastman Turbo Oil 2197、Mobil Jet Oil 387等。

1 關(guān)鍵原材料研制

4058潤滑油的出色性能很大程度上源自于性能優(yōu)異的關(guān)鍵原材料。研究表明現(xiàn)有常規(guī)酯類基礎(chǔ)油、胺類抗氧劑的組合已難以滿足高性能型潤滑油的性能要求，因此，在4058潤滑油研發(fā)過程中致力于具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能關(guān)鍵原材料的研發(fā)，包括了新型季戊四醇酯基礎(chǔ)油、新型胺類高溫抗氧劑。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配方優(yōu)選，實(shí)現(xiàn)了所有原材料國產(chǎn)化。

1.1 季戊四醇酯基礎(chǔ)油研究

多元醇酯基礎(chǔ)油具有良好的高溫穩(wěn)定性，是理想的航空渦輪發(fā)動機(jī)潤滑油基礎(chǔ)油[4]，基于HPC型潤滑油高溫穩(wěn)定性和理化性能要求，基礎(chǔ)油必須采用多元醇酯，且應(yīng)當(dāng)是季戊四醇酯。研究發(fā)現(xiàn)采用一定比例單季戊四醇和雙季戊四醇的混合醇與C5～C10的混合脂肪酸反應(yīng)得到的單季戊四醇酯和雙季戊四醇酯混合產(chǎn)物性能最為優(yōu)異，在黏溫性能、低溫性能、高溫穩(wěn)定性和橡膠相容性等方面都具有明顯優(yōu)勢[5-6]。

本研究所合成的季戊四醇酯基礎(chǔ)油的典型理化性能如表1所示。

表1 季戊四醇酯基礎(chǔ)油典型理化性能

1.2 新型高溫抗氧劑研究

對于高性能潤滑油，采用常規(guī)的胺類高溫抗氧化劑如烷基化二苯胺、苯基α萘胺等難以滿足其高溫穩(wěn)定性要求，特別是沉積物生成量較多，因此研制了新型高溫抗氧劑。本研究不僅在實(shí)驗(yàn)室合成了新型的低聚胺類高溫抗氧劑，還開展了多個(gè)批次的抗氧劑中試放大試驗(yàn)，各批次產(chǎn)品理化性能穩(wěn)定。所合成的抗氧劑命名為synaxo1，其典型理化性能如表2所示。

表2 synaxo1抗氧化劑典型理化性能

采用同一多元醇酯基礎(chǔ)油和基礎(chǔ)配方，將自主研發(fā)的抗氧劑synaxo1與常規(guī)抗氧劑及組合進(jìn)行了腐蝕及氧化安定性對比，結(jié)果如表3所示。由表3可見，采用抗氧劑synaxo1的試樣酸值、黏度變化小，生成沉積物少，表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。

表3 幾種抗氧劑的腐蝕及氧化安定性對比

2 配方優(yōu)選

新型季戊四醇酯基礎(chǔ)油和高溫抗氧劑的研究為配方優(yōu)選打下了良好的基礎(chǔ)，配方研究過程中重點(diǎn)進(jìn)行了抗氧劑組合和極壓抗磨劑組合的篩選，著重提高4058潤滑油的高溫穩(wěn)定性，特別是腐蝕與氧化安定性、高溫穩(wěn)定性、抗高溫結(jié)焦等關(guān)鍵性能，同時(shí)兼顧良好的潤滑性能和理化特性，并對多種添加劑的橡膠相容性進(jìn)行了系統(tǒng)考察[7]?；敬_定配方體系后，對4058潤滑油進(jìn)行了整體性能考察，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對配方進(jìn)行優(yōu)化完善，最終確定了配方體系。

2.1 抗氧劑組合篩選

抗氧劑組合以合成的新型高溫抗氧劑為主抗氧劑，優(yōu)選特定金屬鈍化劑，顯示出良好的高溫穩(wěn)定性。

對照指標(biāo)要求，通過最高溫度腐蝕與氧化安定性試驗(yàn)，對抗氧劑添加量進(jìn)行了考察(218 ℃，72 h)，結(jié)果如表4所示。由表4可見，隨抗氧劑添加量升高，黏度變化率、酸值變化值和沉積物等試驗(yàn)表現(xiàn)均顯著提高。

由于合成的抗氧劑黏度較大，其添加量對于油品的低溫黏度具有顯著影響，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 抗氧劑添加量對腐蝕與氧化安定性的影響

按照研制指標(biāo)要求運(yùn)動黏度(-40 ℃)不大于13 000 mm2s，再考慮到指標(biāo)余量，確定了抗氧劑添加量為N3。

表5 抗氧劑對油品低溫黏度的影響

2.2 極壓抗磨劑的篩選

極壓抗磨劑的篩選范圍主要包括磷酸胺類、磷酸酯類及其衍生物、噻二唑衍生物等，根據(jù)承載能力、橡膠相容性、腐蝕與氧化安定性等試驗(yàn)表現(xiàn)進(jìn)行綜合篩選，并通過WAM高速承載、FZG、四球、Falex、SRV等多種潤滑性能評價(jià)試驗(yàn)考察潤滑效果，最終篩選確定了極壓抗磨劑組合。

對不同極壓抗磨劑組合進(jìn)行了WAM高速承載能力對比評價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。由表6可見，所有組合均符合指標(biāo)要求，其中組合3承載能力最高，組合2居中，與國外抗磨劑相當(dāng)。

表6 高速承載能力試驗(yàn)結(jié)果

在潤滑油配方體系中，極壓抗磨劑易對橡膠相容性、腐蝕與氧化安定性造成影響。因此對不同組合的其他性能進(jìn)行了進(jìn)一步考察，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由表7可見，組合3橡膠相容性已不滿足指標(biāo)要求，盡管承載能力最高仍無法采用。綜合表6，組合2承載能力和橡膠相容性均好于組合1，腐蝕與氧化安定性各有優(yōu)點(diǎn)，但均滿足指標(biāo)要求，因此極壓抗磨劑選擇組合2。

表7 極壓抗磨劑對其他性能的影響

通過四球、FZG齒輪試驗(yàn)等多種潤滑性能評價(jià)試驗(yàn)考察潤滑性能和承載能力，結(jié)果如表8所示。FZG齒輪試驗(yàn)是評定潤滑油承載能力的常用試驗(yàn)，其中FZG是原西德慕尼黑技術(shù)大學(xué)齒輪設(shè)計(jì)研究所的簡寫。由表8可見，4058潤滑油的各項(xiàng)潤滑性能與國外參比油基本相當(dāng)。

表8 潤滑性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 性能考察

3.1 第三方性能數(shù)據(jù)

完成基礎(chǔ)油、抗氧劑和配方研究后，對4058潤滑油和HPC型國外油由第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了性能評價(jià)對比，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。由表9可見，4058潤滑油整體性能與HPC型國外油相當(dāng)，高溫下酸值、黏度更為穩(wěn)定，抗高溫結(jié)焦性能更優(yōu)。

表9 性能驗(yàn)證與對比數(shù)據(jù)

3.2 材料相容性

航空發(fā)動機(jī)潤滑油使用過程中需要與各種金屬材料和橡膠材料接觸，因此需要具有良好的材料相容性。4058潤滑油材料相容性試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。由表10可見，4058潤滑油具有良好的材料相容性。

表10 與發(fā)動機(jī)材料相容性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 質(zhì)量控制

航空潤滑油是飛機(jī)的重要配套材料，直接關(guān)乎飛行安全，因此不僅需要具有優(yōu)良的性能，還需要確保產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性，從而安全、可靠地配套飛機(jī)使用。

石科院多年從事航空發(fā)動機(jī)潤滑油的研發(fā)、生產(chǎn)，擁有航空潤滑油研制、生產(chǎn)、分析、技術(shù)服務(wù)的全套設(shè)備、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，通過了GJB9001C和AS9100D航空航天質(zhì)量管理體系認(rèn)證。并針對4058潤滑油編寫了工藝控制(PCD)文件，詳細(xì)規(guī)定了從原材料接收到最終產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)娜^程工藝控制要求。按照PCD文件要求實(shí)施生產(chǎn)，能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品一致性，并確?？刂频挠行浴?/p>

5 結(jié) 論

為滿足航空發(fā)動機(jī)對潤滑油的嚴(yán)苛要求，參照SAE AS5780規(guī)范，采用國產(chǎn)化的原材料，成功研制出高性能型(HPC)4058潤滑油。自主開發(fā)新型多元醇酯基礎(chǔ)油和新型高溫抗氧劑，研制的4058潤滑油高溫穩(wěn)定性顯著優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)型(SPC)潤滑油，高溫下酸值、黏度更為穩(wěn)定，沉積物生成量極少，符合航空發(fā)動機(jī)潤滑油的發(fā)展趨勢。同時(shí)，4058潤滑油具有優(yōu)良的理化性能、材料相容性、承載能力和潤滑性能，與國外參比油相當(dāng)。