航空发动机燃油系统抗污染综述

孙晓军，吴 新，栾 东

(沈阳发动机设计研究所,沈阳 110015)

1 引言

随着航空发动机的飞速发展，燃油与控制系统的抗污染可靠性问题日益突出。据粗略统计，在飞机故障中,飞机液压系统故障占30%～43%;而在液压系统故障中,与油料污染有直接关系的故障占75%～85%。

众所周知，无论是飞机附件，还是发动机附件，都不乏大量精密配合偶件，对工作介质都有极高的清洁度要求。油液污染破坏了其工作条件，造成了摩擦副运动表面加速磨损和划伤，使泄漏加大，效率降低，流量和压力脉动增大,油温升高；污染物堵塞或卡滞活门，折断转动或滑动部件，造成机构失控、失效，致使发动机超温、超转、喘振和停车，甚至破坏整台发动机，从而导致重大事故发生。油料污染不仅对飞机和发动机的安全可靠工作构成严重威胁，而且因油料污染造成直接和间接的经济损失也相当可观。美国尼克森公司生产的柱塞泵如在规定使用条件下工作，寿命可达800～1000 h；如果在污染条件下工作，寿命仅为120～140 h。因此，研究和解决系统的污染问题，不仅是使用部门提出的有现实意义的紧迫任务，也是项具有深远的社会效益和经济效益的重大课题。

2 航空发动机燃油系统的污染物

航空发动机燃油系统的污染物有固态、液态、气态和化学污染物。

2.1 固态污染物

固态污染物是最危险的1种污染物，包括金属毛刺、飞边、焊渣、尘埃、砂粒、氧化皮、橡胶颗粒、油垢、镀（涂）层剥落物、油液衍生化合沉淀物及高温时生成的碳化粒子等。这类污染物主要来自：

（1）潜在污染：零部件装配前清洗不彻底，或在装配及注油时混入污染物。

（2）环境污染：执行机构未装防尘装置或空气过滤器。

（3）诱发污染：在构件工作过程中，运动表面摩擦产生固体颗粒。

2.2 液态污染物

最常见的液态污染物是水。水的污染方式是腐蚀“溶解于油，细菌生成和结冰”。当油液中水分含量超过5×10-4，则有相当含量的分离状态水奶状加速油质恶化。水的污染不仅使元件表面锈蚀，而且会在一定温度下聚合成碳氢化合物，这种胶状物附在零件表面上起腻塞作用，影响系统性能。燃油中的胶质物与水发生混合作用产生黏性，并与燃油一起形成胶状薄膜，沉积在过滤器或其他元件上；并且铜、铅对胶质物的生成起催化作用。

2.3 气态污染物

空气是常见的气态污染物。通常，油液中含有5%～13%的空气。当油温升高或压力降低时，在分离压的作用下，气体从油液中游离出来，产生气穴，造成操作失真，系统响应灵敏度降低，甚至造成汽蚀破坏。在汽蚀过程中伴随着化学腐蚀和电解作用，都会加速金属的腐蚀和疲劳破坏。此外，空气进入系统内，在一定压力下促成油液某些成分衍生成化学沉淀物。

2.4 化学污染物

燃油中存在大量微生物（诸如厌氧细胞、喜氧细胞、病菌、海藻等），分布在油水界面及附近的燃油层内。燃油中的水分、矿物质（金属、尘埃、锈蚀物、盐分等）是上述过微生物生存、繁衍的条件。这些微生物小到0.5μm，大到10 μm，不仅污染燃油，而且牢固地附着在元件表面上，发生阻腻、堵塞，还会还原成硫酸盐，形成碳化氢和氧化物，乃至分泌出酸，使金属腐蚀。燃油中的硫和硫化物都具有很强的腐蚀性。青铜、锌和镉在硫酸作用下形成复杂的不溶解化合物，这种粘性胶状物附在元件表面上使后者腐蚀。

3 污染物对燃油系统污染破坏方式

污染物对燃油系统造成的破坏方式有加速磨损与疲劳破坏、化学腐蚀、油液变质及机械阻塞与卡滞。

3.1 加速磨损与疲劳破坏

其主要由固态污染物引起。固体颗粒嵌入运动表面，使运动表面产生压痕、划伤、沟槽，使材料产生错位和滑移，与颗粒接触的运动表面附近产生高应力区，因而加快了缺陷的生成和扩展，并导致加速疲劳。如果运动表面上被牢固地嵌入坚硬颗粒，则在运动过程中就会发生类同切削过程一样的连续破坏作用，剥离金属表面。这种磨损对工作表面的损伤更加严重。油液中溶解的各种气体、油料中易挥发成分、溶剂及水，在流动过程中产生压降，达到气体分离或液体饱和蒸汽压时，发生汽化，分离的气泡在高压区破灭，产生汽蚀过程。汽蚀过程发生在元件表面，对表面产生应力循环，造成疲劳破坏。

3.2 化学腐蚀

因元件表面和油液中的各种化学元素的化学反应而产生的磨损都称化学腐蚀，包括电化腐蚀、液流电势反应及对表面的直接化学侵蚀。对元件表面极易引起化学反应的物质有空气、氯化碳氢化合物溶液及耐压添加剂等。化学腐蚀污染以2种方式出现：（1）元件表面反应生成物溶于油液中，被油液带走；（2）元件表面生成硬壳，使运动副间隙变小或变大，引起流量变化和静摩擦变化；当硬壳剥落时，硬壳颗粒将导致元件表面加速磨损。

3.3 油料变质

剪切力和热负荷作用可使油料变质。悬浮于油液中的固体颗粒对油料变质起催化剂作用；汽蚀是促使油料变质的另1个重要因素。变质后的油料将丧失某些重要特性（如润滑性），从而加速元件的磨损；产生大量碳素颗粒和胶状物质，造成运动元件表面覆盖着、粘着、堵塞或卡滞。

3.4 机械阻塞与卡滞

固体颗粒、胶状物、沉积物、化学纤维和尘埃等粘着、覆盖、堵塞或卡滞在元件表面上、间隙内，从而引起运动阻滞，油滤和节流孔堵塞，活门运动摩擦力加大，甚至卡死或折断。这种机械故障常常是突发、致命的。

4 燃油系统污染控制

为了确保系统或部件的正常功能和可靠性，并达到给定的翻修寿命，应确定燃油的污染容限。美国航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范及有关型号规范都对污染物及污染量作出明确规定（见表1）。按表1规定的污染标准，燃油附件在海平面中等推力状态下工作时间应不少于12 h，而无需更换油滤。英国相应的污染标准是NO.D·Eng·R.D2153，苏联的污染标准是FOCTl0577—63，燃油污染参考：3.7.3.3.2、3.7.3.4。

4.1 地面燃油污染控制

为了限定系统的污染容限，必须对燃油的提炼、运输、储存、使用等各环节实施污染控制。在油料使用前，必须经过严格地过滤，并按加油规定操作，定期地排放加油设备中的沉积物。事先要对准备加注的燃油进行定时沉降，油罐内壁必须经常涂防腐层并及时清洗，及时报废污染严重的容器，定期检查油水分离器和油滤滤芯。加注到飞机油箱内的燃油污染标准各国均有明确规定，见表2。

4.2 发动机燃油系统污染控制

机载燃油的污染控制由于受时空限制，加上工作条件苛刻，技术难度较大。发动机燃油系统污染控制的意义在于对进入发动机界面的燃油实施污染控制，不能因燃油流经燃油系统时产生自身污染和环境污染而超出污染容限，过滤系统对保持规定污染度有极其重要意义。

表1 污染物及污染量标准

表2 各国对燃油污染物的限定标准

对比试验表明，经过滤网孔直径0.8 μm过滤的燃油与经5 μm和15 μm过滤的燃油相比，其元件磨损率分别可降低74%和92%。发动机燃油过滤系统大多由主油滤、专用油滤和回油滤组成。发动机主燃油系统和加力燃油系统的入口都装有大尺寸的低压油滤，对来自燃油系统的燃油进行过滤，主要拦截注入油箱内的燃油污染物以及燃油流经油箱、输油管路及输油泵、防火开关、流量计，特别是燃、滑油散热器时产生的污染物。对于诱发污染物较多的主泵和加力泵来说，在燃油调节器的抗污能力较差时，泵后需加装高压油滤。采用燃油滤装在有超净过滤要求的执行作动机构入口（如柱塞泵随动活塞入口、汽心泵入口节流阀作动活塞腔、电液伺服阀作动腔、计量油活门等）。上述部位大多是精密偶件，抗污能力弱，对污染极为敏感。根据具体情况，其过滤度一般控制在10～20 μm，精细的可控制在5～10 μm。回油滤装在回油路上，对控制燃油附件工作时自身生成污染物有重要意义。但是，即便是最成功的设计，燃油附件本身的诱发污染也是不可完全避免的。污染物来源于:（1）运动摩擦过程中的磨损颗粒；（2）元件表面皱层剥落；（3）汽蚀破坏过程中剥离的金属颗粒；（4）高温工作状态生成胶质和沉积物；（5）装配过程或加工过程中残留于部件内的杂质(如金属飞边，毛刺，橡胶切边等)在工作过程中被燃油冲刷出来；（6）某些封严不良处侵入空气或水分。

5 燃油系统抗污染设计

为了获取高的污染容限，燃油系统设计必须充分考虑其抗污染能力。燃油系统的抗污染设计是燃油系统设计的重要组成部分，包括系统抗污染设计和部件抗污染设计。

5.1 系统抗污染设计

在进行系统方案设计时，必须根据系统的工作参数和环境条件，采取相应的抗污染设计措施。按燃油系统的工作流路，抗污染设计应包括如下方面：

（1）在燃油低压区（如发动机增压泵入口处），应尽可能提供较高的入口压力，较低的入口油温，较大流道面积及较少转弯的入口管路，以获取较高的入口NPSH值，来防止因气塞或汽蚀造成燃油污染。依照军用规范，入口处的汽液比(V／L)一般为0.45，特殊情况下不超过0.60。在选择第1级油泵时，必须把抗脏性考虑在内。各类燃油泵的抗污染能力见表3。

表3 各类燃油泵抗污染能力

（2）在满足系统总体要求前提下，尽量选择那些在原理和结构上抗污染能力强的部件，以提高整个系统的污染容限。那些对污染十分敏感的部位，除应采取相应的污染控制外，还应在设计中考虑余度设计，以提高工作可靠性。

（3）针对系统的污染容限，合理、恰当地选择和配备过滤器。大量试验数据表明，提高过滤精度对系统的使用寿命有重要意义。但是，对大流量、高压系统和主流路采用精细油滤不仅不必要，而且在设计参数的实现和结构安排上也十分困难。设计者大多在主流路上采用过滤度较低的主油滤，而在伺服油路、控制油路前加装过滤度极高的最后油滤。

（4）有效地控制系统特别是容易产生过热区的部件温升，以防止高温时燃油中的烃类物质生成胶状物或形成积炭。

5.2 零部件抗污染设计

燃油附件对燃油污染的敏感度取决于附件的工作条件和附件本身的设计技术及工艺条件。

5.2.1 材料工艺选择

（1）良好的耐磨减磨特性

在污染颗粒相同的情况下，污染物磨蚀特性的强弱是决定燃油附件寿命长短的主要因素。试验表明，棉花纤维、过氧化铁等硬度较低的污染物对元件的磨损几乎看不出来，铁屑的影响也微乎其微；如果颗粒硬度大大超过元件表面硬度，则磨损率会变得很高，如二氧化硅一类的坚硬颗粒对元件工作表面的磨损十分明显。因此，滑动表面，特别是那些容易嵌入硬颗粒的摩擦副表面，必须进行硬化处理。对油料污染严重场合，滑动轴承内衬和轴表面的洛氏硬度都在Rc70以上，可以展现出很高的抗污染耐磨性。MoS2、F4、改性尼龙、液晶等在使用中都展现了良好的减磨特性。

（2）良好的化学稳定性

在元件基体选材和表面处理上，必须注意防止可能产生因化学作用引起的腐蚀破坏。MIL-STD-889中规定的异化金属，在使用中不应相互接触。对钢及钢合金、铝及富铝合金、富镁合金、铜和铜基合金、钛及富钛合金都应采取相应的保护措施。橡胶、塑料1类封严材料应具有良好的耐油性，在规定的温度范围内，不发生起泡、起皱和其他变质现象。聚四氟乙烯和硬金属O型圈作密封元件有很高的使用寿命。

（3）对污染物有良好的包容性

在污染条件下，污染颗粒通过挤压充填作用，嵌入元件基体内，基体材料表现出对污染物具有“包容”作用。例如，铜锡合金一类软金属或孔隙结构粉末冶金等。

（4）良好的耐汽蚀破坏能力

大量资料表明，元件的汽蚀破坏具有广泛性。几乎所有燃油附件都存在程度不同的汽蚀破坏，在流速较高的部位尤为明显。镍基合金、钛合金以及硬化钢都有很高的抗汽蚀破坏能力。

5.2.2 结构设计细节（1）摩擦副不采用亲合金属。（2）摩擦副工作表面采用高硬度设计和高精度工艺加工。

（3）尺寸间隙的选择必须在性能、寿命(磨损速率)间折衷。尺寸间隙一旦进入与其尺寸相近的污染颗粒，到严重划伤，压痕乃至卡死的几率非常高，所以应选用适当过滤度的过滤器。

（4）出于性能考虑，那些要求配合间隙很小的部位（如伺服控制活门和调节活门），可采用旋转式柱塞活门。由于旋转作用，会产生某种动力油膜效应，不仅摩擦力小，滞后力小，从而提高系统精度，而且对间隙中的颗粒具有剪切作用，提高了抗污染能力和可靠性。

（5）尽量避免旋转型摩擦副在干摩擦状态下工作，至少保证边界润滑条件好。

（6）当燃油流速较高时，元件形状尽量避免尖边、凸起，原因是其对冲蚀破坏更为敏感。

（7）接触面积较大的摩擦副，运动表面应留有纳污槽(或孔)。

（8）避免采用易堵塞的小孔结构，如小节流喷嘴等，应选用有利于抗污的窗口结构。

（9）在满足结构要求前提下，燃油附件壳体内尽量不采用狭长、转折的内部流道。这种流道不仅加工、清洗检验困难，也容易形成流动死区，堆滞污染物，堵塞流道。壳体上内流路应短、近、直，有良好的可达性。

（10）流体液压式机构远比机械传动式机构对污染物敏感。最好选用复杂的机械传动系统来替代相对简单的液压作动机构，以提高抗污染能力行之有效。

5.2.3 摩擦副形式分析

（1）滚动摩擦

对滚动轴承必须保证其工作时有良好的润滑及散热条件。润滑油污染、润滑不当或油温过高，都会加速轴承内、外圈跑道、滚珠和保持架的磨损，进而引起摩擦表面的内部疲劳、压伤。当污染颗粒大于油膜厚度时，则会大大加速疲劳破坏。

（2）滑动摩擦

滑动摩擦的磨损机理见第2.1节。对流体动力型和弹性流体动力型润滑，磨损取决于载荷、速度及污染度。保持油膜厚度，使污染颗粒不大于油膜厚度至关重要。对边界润滑，即使超精细颗粒也会造成磨损，因此要求油滤有极高的过滤度。相应地，对元件表面光洁度和尺寸精度要求也极高。

（3）滑动+滚动摩擦

如在轮齿啮合过程中，油膜厚度从流体动力型、弹性流体动力型到边界润滑做局期性变化。

6 发动机燃油系统抗污染设计发展趋势

6.1 FADEC燃油系统抗污染设计

FADEC在燃油控制系统上的应用将对抗污染设计提出更高的要求。西方航空大国的发动机控制系统已经完成了由机械液压控制到数字电子控制的转变。其中，美国的全权限数字电子控制系统（FADEC）已经发展到了第3代，并仍在快速发展。FADEC系统燃油计量装置的关键技术有：轻质量、长寿命燃油泵技术；燃油计量活门技术；电液转换装置技术（包括电液伺服阀、高速阀、力矩马达等）轻质量、耐高温执行机构技术；可靠性及余度技术；机械液压备份技术；定量泵的变速驱动技术；燃油系统建模及仿真技术。若燃油计量装置抗污染设计不合理，即使有先进的电子控制器也难以实现理想的控制效果。

6.2 燃油系统典型部件设计

6.2.1 燃油泵

在正排量泵中，柱塞泵的抗污染能力差，多处精密摩擦偶件对污染颗粒十分敏感。除非特殊需要，尽量少采用。在齿轮式燃油泵中，内啮合齿轮泵较外啮合齿轮泵有更低的滚动及滑动速度，啮合平稳，磨损速率低，抗污能力较强。齿间密封式齿轮泵可在美国军用规范MIl-E-5007D规定的污染燃油中正常工作。泵出口处的独立密封板和压力作用密封板由减摩耐磨材料制成，可防止或补偿由污染物造成的磨损。如图1所示。

不论哪种类型齿轮泵，轮齿型面的磨损程度是最关键因素。齿面必须有强抗磨性，以把本身磨损造成的燃油污染降至最低，并对外来污染具有高的抗污染能力。齿轮的负荷决定了齿面间油膜不可能保持完整，齿面磨损主要与齿面温度有关，燃油黏度是次要因素，因此要求材料在高温时仍保持足够硬度。实践证明，氮化齿轮远比渗碳硬化齿轮抗磨损能力强。

6.2.2 伺服电机驱动燃油计量装置设计

航改燃气轮机需要工作上万小时，燃油调节器的高可靠性长寿命是技术困难必须对燃油调节器的开发给予充分重视。为此，开展研发设计旋转活门燃油调节机构，具体研究目标是：针对航改燃气轮机燃油调节器的精度高、响应快、提高抗污染能力强的要求，提出利用伺服电机作为数控系统的指令执行机构，直接驱动计量活门，以替代液压伺服阀和随动活塞驱动装置，使用伺服电机作为活门的驱动机构，将简化燃油调节器结构，降低对燃油清洁度的要求有积极意义。伺服电机有输出力矩大和直接驱动负载的优点，同时将促进燃气轮机燃油控制系统中活门驱动技术的多样化发展。对伺服电机与燃油调节器一体化结构设计、小型驱动/控制器及位置闭环控制方法等关键技术进行研究，以验证基于伺服电机的计量活门的位置控制精度、动态特性、环境适应性等能否满足燃气轮机的设计要求。伺服电机驱动旋转计量装置如图2所示，旋转计量活门对称布置为双窗口，限流活门设计有8个均压孔，平衡了作用在活门上的多种液压力，剪切好、抗污染能力强。

7 结束语

燃油中必然存在污染物，且较难被控制，故燃油控制系统设计要考虑可能长期连续使用带污染物的燃油，或短期使用高度污染物的燃油，要采用高效的燃油与控制系统抗污染技术。从方案确立、选型到零、部件设计过程中，都要把抗污染指标放到主要位置，以期提高可靠性和使用寿命。目前，发动机燃油系统元件的污染度标准已相继制订。如何对航空发动机燃油系统元件污染物进行有效控制，已经成为制订航空发动机燃油系统元件污染度标准的关键。

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