軍用航空渦輪發(fā)動機潤滑油裝機適應(yīng)性試驗研究

摘 要：隨著航空渦輪發(fā)動機技術(shù)的迅猛發(fā)展，發(fā)動機渦輪前溫度、增壓比不斷上升，發(fā)動機向高溫、高原、高寒等工作環(huán)境拓寬，需不斷地發(fā)展新型的航空發(fā)動機潤滑油以滿足發(fā)動機發(fā)揮應(yīng)有效能。該文分析滑油使用特性對航空發(fā)動機的影響，介紹美國和俄羅斯的航空潤滑油認證規(guī)范與程序，并與國內(nèi)相關(guān)標準進行對比分析，闡述新型軍用航空潤滑油的認證程序，對滑油裝機適應(yīng)性應(yīng)開展的試驗試飛科目提出建議。

關(guān)鍵詞：軍用航空渦輪發(fā)動機;潤滑油;認證程序;裝機適應(yīng)性;試飛科目

中圖分類號：V275.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0007-05

Abstract： With the rapid development of aviation turbine engine technology， the engine pre-turbine temperature and boost ratio continue to increase， and the engine is expanding into working environments such as high temperature， plateau， and alpine. New aero-engine lubricants need to be continuously developed to meet the engine's due performance. This paper analyzes the impact of lubricating oil performance characteristics on aeroengines， introduces aviation lubricant certification specifications and procedures in the United States and Russia， and compares and analyzes them with relevant domestic standards. The expounds the certification procedures for new military aviation lubricants， and puts forward suggestions on the test flight subjects that should be carried out for the adaptability of lubricating oil to installation.

Keywords： military aviation turbine engines; lubricants; certification procedures; installation adaptability; test flight subject

航空發(fā)動機潤滑油是保證航空發(fā)動機正常工作的重要材料，是現(xiàn)代航空油料的重要組成部分，在航空發(fā)動機中起著潤滑、冷卻、清洗、密封、防銹、預(yù)防震和工作介質(zhì)等作用。隨著技術(shù)發(fā)展，航空渦輪發(fā)動機的性能越來越高，集中表現(xiàn)為渦輪前溫度、壓力、增壓比和推重比等各項參數(shù)不斷升高，導(dǎo)致現(xiàn)有的渦輪潤滑油已經(jīng)逐漸不能滿足未來航空渦輪發(fā)動機對潤滑油的性能要求[1]，世界各國都在不斷研制性能更高的潤滑油以滿足下一代軍用航空發(fā)動機的工作需要[2]。孚迪斯石油化工（葫蘆島）有限公司陳磊等[3-4]研制了高熱安定型航空發(fā)動機合成潤滑油并開展了性能評定，經(jīng)過試驗室評定和軸承臺架試驗表明滿足使用需求。中國人民解放軍92117部隊劉雙紅等[5-7]研制了防腐型航空發(fā)動機合成潤滑油并開展了經(jīng)過試驗室評定和臺架試驗，試驗表明滿足使用海洋環(huán)境使用需求。廣西大學(xué)唐弓斌[8]開展了渦輪-火箭-沖壓組合循環(huán)發(fā)動機潤滑油的研制并開展理化分析試驗，研制的潤滑油滿足相關(guān)研究。國內(nèi)研制的新型滑油性能驗證一般都通過理化指標分析、模擬臺架試驗、發(fā)動機臺架試驗，較少開展裝機飛行試驗。

本文分析軍用航空渦輪發(fā)動機潤滑油使用特性及對發(fā)動機工作的影響，結(jié)合國內(nèi)外滑油相關(guān)規(guī)范，從發(fā)動機性能、操縱性、熱端部件腐蝕性和低溫起動能力等角度出發(fā)，提出了一種軍用航空發(fā)動機潤滑油裝機適應(yīng)性試驗方法建議，以評估被試滑油對航空發(fā)動機特性以及滑油系統(tǒng)的影響。

1 滑油使用特性及對發(fā)動機工作的影響

航空發(fā)動機的滑油工作環(huán)境嚴酷，要承受高溫（200～250 ℃）、高壓（可達9.81×104 kPa、軸承內(nèi)可達1 000 kg/cm2）、大氣中氧的氧化及各種金屬（包括滑油內(nèi)的懸浮粒子）的催化作用的影響。航空發(fā)動機潤滑油的使用特性對發(fā)動機的持續(xù)穩(wěn)定工作有著重要影響。

滑油使用特性對航空發(fā)動機及滑油系統(tǒng)工作的影響表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 滑油黏度及滑油-溫度特性

滑油黏度既取決于滑油的化學(xué)組成，又取決于外界的壓力及溫度。滑油的黏度隨壓力和溫度的變化情況需要實驗得出，當使用壓力過大、低溫過低時，滑油會出現(xiàn)凝固現(xiàn)象，滑油凝固或其黏度接近凝固時，發(fā)動機起動力矩會迅速增加，以致使發(fā)動機起動變得困難和復(fù)雜，在某些情況下，由于滑油循環(huán)不充分，不足以帶走軸承內(nèi)的熱量，從而導(dǎo)致發(fā)動機損壞。受滑油中較輕分子蒸發(fā)的影響，滑油黏度隨工作時間的增長而增加。

1.2 滑油潤滑性能

滑油潤滑性能主要包括耐磨性（滑油在摩擦面上形成邊界薄膜的能力，從而防止磨損）和防擦傷性能（滑油在高機械載荷及熱載荷下保持所形成的邊界薄膜的能力，推遲擦傷及摩擦面咬合）。潤滑性能越好，摩擦、磨損也就越小，可以可靠地保護摩擦面，防止金屬相互咬住和黏結(jié)。

1.3 滑油熱氧安定性

發(fā)動機工作時，滑油受到高溫、高壓及其大氣中氧的作用，產(chǎn)生氧化物?；偷难趸匀Q于滑油的化學(xué)組成、溫度及滑油氧化持續(xù)時間，也取決于滑油內(nèi)金屬和水分的催化作用?；脱趸镱愋椭饕ǚe碳、漆狀物、沉渣。聚集在滑油內(nèi)的氧化物使滑油的物理-化學(xué)性能發(fā)生變化，包括酸值增大及滑油黏度增加。積附在發(fā)動機零件上的積碳由于導(dǎo)熱性差，造成由滑油帶走零件熱量的效果變壞，使零件過熱，因而可能導(dǎo)致磨損和擦傷增加、連接件黏連等問題，對發(fā)動機零件產(chǎn)生有害影響。

1.4 滑油腐蝕性

航空發(fā)動機滑油的腐蝕性主要來自于滑油中的有機酸?；退嶂翟礁撸鸵鹆慵母g越厲害，在滑油內(nèi)含水的情況下，有機酸的腐蝕性會急劇增加;隨著滑油在發(fā)動機工作時間的增長，滑油的酸值也增加。有機酸對除鋁外的有色金屬的腐蝕作用較強，零件的腐蝕將降低或完全破壞發(fā)動機部件和附件的工作能力，會造成零件的使用壽命受到限制甚至發(fā)動機故障。除了金屬受到腐蝕外，由于金屬與滑油內(nèi)的有機酸相接觸，形成金屬鹽。若金屬鹽沉積在定量通道壁上，可使?jié)櫥l(fā)動機軸承及其他部件所需的滑油供給不足，而沉積在油濾壁上，進而導(dǎo)致油濾堵塞，從而造成發(fā)動機停車。

1.5 滑油中的機械雜質(zhì)

新鮮的滑油不應(yīng)含有灰塵、砂粒、金屬微粒等機械雜質(zhì)，滑油工作過程中，機械雜質(zhì)會破壞潤滑油膜的完整性，使得滑油的潤滑性能惡化，增加發(fā)動機零件的磨損，機械雜質(zhì)對滑油還會促使油垢析出，堵塞滑油通道和油濾。

1.6 滑油泡沫性能

航空潤滑油在航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng)循環(huán)過程中與空氣混合，容易形成泡沫，滑油中泡沫會使?jié)櫥屠鋮s效果降低，使發(fā)動機零件過熱;使得以滑油為工作介質(zhì)的自動調(diào)節(jié)器工作受到破壞產(chǎn)生故障;還可能使管路產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象，影響正常供油。

2 國內(nèi)外航空發(fā)動機潤滑油相關(guān)規(guī)范和認證程序

2.1 歐美軍用航空發(fā)動機滑油規(guī)范和認證程序

歐美的現(xiàn)代航空發(fā)動機主要使用MIL-PRF-7808和MIL-PRF-23699這2種規(guī)范的產(chǎn)品，石油基油主要用于發(fā)動機燃油系統(tǒng)內(nèi)部封存，合成酯類油主要用于發(fā)動機潤滑系統(tǒng)。

MIL-PRF-7808L[9]除了對常規(guī)性理化指標和使用性能規(guī)定外，在臺架試驗方面要求通過美國聯(lián)邦試驗方法FED-STD-791 3450軸承沉積試驗、ASTM D1947雷德齒輪試驗和ASTM D5182 FZG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(fā)動機全尺寸使用性能試驗，要求經(jīng)過滑油試驗后的發(fā)動機無額外的沉積、磨損、腐蝕或其他不利狀態(tài)。

渦輪發(fā)動機潤滑油開始并沒有全尺寸臺架試驗要求，僅有模擬臺架試驗，1963年MIL-L-7808E[10]頒布時要求低黏度合成油通過J-57-29渦噴發(fā)動機臺架，試驗時間為100 h，滑油箱溫度控制為149 ℃±3 ℃。100 h分為20個階段，每5 h為1階段，試驗程序見表1。

每階段試驗后檢測油耗（不超過1.25 lb/h）、濾網(wǎng)沉積物（不應(yīng)超過0.02 lb/h），并測定滑油的黏度和酸值情況。整個試驗結(jié)束后，分解發(fā)動機，檢查沉積、磨損和腐蝕情況，評分標準見表2。

1997年頒布的MIL-PRE-7080L要求發(fā)動機臺架改為渦軸發(fā)動機。

2014美軍提出的航空潤滑油規(guī)范MIL-PRF-23699G[11]將滑油分為標準型（STD）、防腐型（C/I）、高溫穩(wěn)定型（HTS）和強酯型（EE）。MIL-PRF-23699G除了對滑油的理化指標和使用性能規(guī)定外，在臺架試驗要求通過聯(lián)邦FED-STD-791-6508雷德齒輪試驗機的齒輪載荷能力試驗和FED-STD-791-3140軸承沉積試驗，對防腐型（C/I）滑油增加了軸承腐蝕試驗，對強酯型（EE）滑油增加了SAE-ARP6166微模擬器試驗;同時要求通過全尺寸渦輪軸發(fā)動機試驗，最后進入模擬發(fā)動機試驗評估和飛行試驗評定。

MIL-PRF-23699G規(guī)定滑油應(yīng)在渦軸發(fā)動機中進行一段時間的加速耐久度試驗，以確定其性能特性。在完成發(fā)動機耐久度試驗后應(yīng)檢查發(fā)動機是否出現(xiàn)缺陷，由于使用該滑油造成發(fā)動機出現(xiàn)任何缺陷都會導(dǎo)致滑油認證失敗。當認證的滑油使用不尋常的配方或獨特的制造技術(shù)時，資格認證時可能需要滑油服務(wù)評估; 首先要求150 h不少于2種類型的美軍航空發(fā)動機模型試驗;其次與模型試驗相同型號發(fā)動機的2 000 h飛行試驗?；头?wù)評估分為滿意和不滿意，成功完成耐久度試驗而沒有因為滑油相關(guān)的問題，并且試驗后拆解檢查滑油浸潤后的部分狀態(tài)是滿意的。

根據(jù)MIL-PRF-23699G，美軍滑油認證程序可總結(jié)見表3。

2.2 俄羅斯航空潤滑油規(guī)范和認證程序

俄羅斯航空潤滑油規(guī)范[12]繼承自前蘇聯(lián)，從20世紀60年代開始進行航空潤滑油綜合鑒定法的研究，已經(jīng)形成6套成熟、完善的各種油料綜合鑒定體系，包括90個試驗方法，可以對俄產(chǎn)及外國產(chǎn)航空燃氣輪機，以及直升機減速齒輪潤滑油的指標進行全面、系統(tǒng)的評定。俄羅斯綜合鑒定法采用國家標準試驗方法對油料技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的理化性能進行評定，采用專業(yè)試驗方法對模擬臺架使用性能進行評定。俄羅斯綜合鑒定法評定滑油時一般分為2個階段：第一階段，理化性能評定階段，檢測油品是否符合油料的技術(shù)規(guī)范要求;第二階段，試驗室模擬臺架試驗階段，檢驗油品是否能夠滿足裝備的實際使用需求。

參照各種燃油、潤滑油、潤滑脂和特種液鑒定試驗規(guī)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(chǎn)品的常規(guī)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，一般由改進型潤滑油的工作人員來實施，并由俄羅斯聯(lián)邦國家標準局授權(quán)的試驗基地進行，一般要求2個月內(nèi)完成，根據(jù)評定結(jié)果決定潤滑油的生產(chǎn)使用許可。

新研潤滑油需要進行國家鑒定試驗，包括實驗室模擬試驗、發(fā)動機臺架試驗、檢驗飛行試驗、飛行使用試驗或監(jiān)控下使用4個階段。

實驗室模擬試驗主要利用標準試驗方法進行常規(guī)分析和綜合鑒定法進行的模擬評定試驗階段;發(fā)動機臺架試驗一般選用比較成熟的具備高熱強度和大負荷的燃氣渦輪發(fā)動機，按照試驗程序開展多批次持久疲勞試驗;檢驗飛行試驗按照標準程序時間一般不超過20～25 h;飛行使用試驗或監(jiān)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(fā)動機使用潤滑油的一個壽命期（500 h），民用航空裝備飛行使用時間則不確定，不同發(fā)動機、減速器等部件有不同的使用壽命。

2.3 國內(nèi)滑油規(guī)范研究

參照美國和俄羅斯相關(guān)規(guī)范，形成了我國軍用航空潤滑油質(zhì)量規(guī)范。參照美國MIL-PRF-7808 H版和L版建立了GJB 135B—2021《合成航空發(fā)動機潤滑油規(guī)范》;參照美國MIL-PRF-23699上建立了GJB 1263—1991《航空渦輪發(fā)動機用合成潤滑油規(guī)范》;參照俄羅斯ТУ 301-04-010-92規(guī)范，建立了GJB 3460—1998《直升機用高極壓潤滑油規(guī)范》。

在滑油使用要求上，GJB 241A—2010《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范》（以下簡稱GJB 241A）和GJB 242A—2018《航空渦輪螺旋槳和渦輪軸發(fā)動機通用規(guī)范》中對潤滑油有相同的規(guī)定[13-14]：除發(fā)動機型號規(guī)范另有規(guī)定外，應(yīng)使用符合GJB 135或GJB 1263規(guī)定的潤滑油。除使用中黏度合成潤滑油外，在整個環(huán)境溫度和工作包線內(nèi)，不需要稀釋潤滑油或使用諸如滑油預(yù)熱器之類的特殊設(shè)備，就能滿意地起動和工作。使用中黏度合成潤滑油時，不要求低于運動黏度13 000 mm2/s的相應(yīng)溫度下工作。

GJB 243A—2004《航空燃氣渦輪動力裝置飛行試驗要求》（以下簡稱GJB 243A）規(guī)定，如系統(tǒng)規(guī)定可用不同品種的燃、滑油，必要時可分別進行試驗，以確定每一種規(guī)定的燃油或滑油時的起動特性[15]。

GJB 688—1989《航空潤滑油飛行試驗規(guī)范》規(guī)定了航空潤滑油飛行試驗的程序和內(nèi)容，用于檢驗航空潤滑油對航空發(fā)動機潤滑油系統(tǒng)（含直升機變速系統(tǒng)）的適應(yīng)性，并可用來評定航空潤滑油的使用性能。試驗程序與內(nèi)容見表4[16]。

3 裝機適應(yīng)性試驗方法

參照美軍滑油認證程序和俄羅斯綜合鑒定法，新研高性能潤滑油在通過試驗室模擬試驗階段和發(fā)動機臺架試驗階段后，就轉(zhuǎn)入裝機適應(yīng)性試驗，裝機適應(yīng)性試驗一般在多種成熟的飛機和發(fā)動機上開展，在試驗結(jié)束后，對發(fā)動機關(guān)鍵部件進行分解，并與使用正式潤滑油的發(fā)動機進行技術(shù)狀態(tài)對比。

參照國外標準和國軍標相關(guān)標準，從滑油對發(fā)動機的工作影響因素出發(fā)，在完成理化試驗和試驗室模擬試驗的基礎(chǔ)上，本文基于航空渦輪發(fā)動機飛行試驗的工程經(jīng)驗，提出新型軍用航空潤滑油裝機適應(yīng)性試驗的建議方法。

新型航空發(fā)動機潤滑油進行發(fā)動機的地面臺架持久試車及先進戰(zhàn)斗機的飛行試驗驗證。試驗擬分為3個階段;第一階段為地面臺架初步驗證階段;第二階段為持久試車及初步適航飛行深pTW5Eba2IS5T+OWI4eiDDelyI4ZMtaiaRdM2tfa/dr4=化驗證試驗階段;第三階段為先進戰(zhàn)斗機全面拓展試飛應(yīng)用階段。

新型航空發(fā)動機潤滑油適應(yīng)性試驗的各階段劃分和試驗內(nèi)容。

第一階段（初步驗證階段）。該階段主要開展新型滑油在飛機/發(fā)動機初步驗證試驗，目的是初步驗證新型滑油在發(fā)動機上的適用性。分別使用新型滑油、正式對比油，在高性能渦扇發(fā)動機開展地面臺架試驗，通過兩型滑油的對比初步驗證新型滑油對發(fā)動機地面起動性能、穩(wěn)態(tài)性能和加減速性能等影響。

第二階段（基礎(chǔ)驗證階段）。本階段主要是在第一階段的基礎(chǔ)上對新型潤滑油的適用性進行深化驗證，并逐步擴展到先進戰(zhàn)斗機的飛行試驗。參照GJB 241A中4.4.2節(jié)設(shè)計定型持久試車要求開展發(fā)動機設(shè)計定型持久試車，持久試車主要由與飛行任務(wù)有關(guān)的300 h持久試車程序，以及前后各連續(xù)25 h的階梯/遭遇試車程序組成。在發(fā)動機持久試車中，為了充分驗證新型滑油對發(fā)動機滑油部件及轉(zhuǎn)軸的影響;在飛行試驗中，為了降低試驗安全風險，選用雙發(fā)戰(zhàn)斗機進行如航線起落、空域飛行等基礎(chǔ)驗證飛行。

第三階段（深化驗證階段）。基于前2個階段的試驗成果，本階段主要考慮開展空中起動、滑油系統(tǒng)工作檢查等具有一定試飛風險的試驗科目，全面驗證新型滑油在先進戰(zhàn)斗機大推力發(fā)動機的適應(yīng)性。

在飛行試驗開始之前，進行地面檢查試車試驗，進行發(fā)動機起動、穩(wěn)態(tài)工作、瞬態(tài)工作檢查，檢查潤滑油對發(fā)動機工作的影響。飛行試驗包括發(fā)動機工作穩(wěn)定性檢查、發(fā)動機空中起動性能試驗、發(fā)動機加速性和減速性試驗、滑油系統(tǒng)工作質(zhì)量檢查試驗等，試驗方法參照GJB 243A，以評估真實飛行狀態(tài)下滑油對發(fā)動機起動、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和熱端部件的影響。特別地，應(yīng)開展高、低溫起動試驗，評估在寬范圍使用溫度條件下，滑油對發(fā)動機起動性能的影響。

4 結(jié)論

潤滑油的特性對發(fā)動機的穩(wěn)定工作有著重要影響，潤滑油的任意方面性能缺陷均會導(dǎo)致發(fā)動機使用上的問題，新型潤滑油投入使用前必須經(jīng)過嚴格規(guī)范的試驗驗證。

歐美及俄羅斯對新型的滑油認證均有相關(guān)的程序及標準，一般從試驗室模擬試驗、臺架試驗和裝機適應(yīng)性試驗，當前我國已形成了相關(guān)標準，但缺少統(tǒng)一的新型滑油的認證標準和方法，當前新型潤滑油以試驗室分析試驗和臺架試驗驗證為主，缺少裝機適應(yīng)性試驗這一重要環(huán)節(jié)。

新型滑油裝機適應(yīng)性試驗是新型滑油認證的必要程序，本文提出了分階段的滑油裝機適應(yīng)性試驗思路，以滿足新型航空潤滑油全面驗證。

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作者簡介：魏智輝（1992-），男，碩士，工程師。研究方向為航空動力裝置飛行試驗技術(shù)。