高热安定型航空润滑油全尺寸台架评定

李永，陈磊，李宝宁，陈静

(1.空军装备部驻沈阳地区第二军事代表室，辽宁 沈阳 110043；2.孚迪斯石油化工(葫芦岛)有限公司，辽宁 葫芦岛 125000)

0 引言

国内航空工业迅猛发展，航空发动机技术也在持续改进，以获得更高的性能、更好的可靠性及更高的性价比，不断发展的涡轮发动机的工作条件更加苛刻，作为发动机“血液”的航空润滑油必然会承受更严苛的考核，必须同时发挥优良的润滑、冷却、清洗、密封、防锈、缓冲、防震等性能[1-3]。

美国军用航空润滑油标准MIL-PRF-23699根据发动机技术的发展需求不断升级换代，最新版MIL-PRF-23699G将5 mm2/s航空润滑油分为标准型、防腐型、高热安定型和增强酯型[4]，其中高热安定型润滑油是专门为润滑油系统工作温度较高的发动机使用的[5]。国内20 世纪80 年代开发的几种航空润滑油产品都相当于MIL-L-23699C 规范的标准型润滑油产品，高热安定型航空润滑油的研制还处于应用研究阶段[6]。

为满足特殊工况环境下航空发动机的用油要求，参照美军MIL-PRF-23699G中高热安定型标准要求，研制了一种高热安定型航空润滑油[7]，通过前期研究，完成了配方设计，并对研制配方进行了全面性能评定，同时，在生产工艺研究的基础上对研制产品进行了中试放大，对新生产及储存一年后的研制产品进行了第三方评定，开展了航空润滑油耐高温性能机理研究，并完成了某型发动机750 h的轴承台架评定[8]，在此基础上开展全尺寸发动机台架评定。

1 全尺寸发动机台架试车

研制的高热安定型航空润滑油在中国航发动力所以某型发动机为平台进行全尺寸台架试验考核，发动机整机试车是在地面台架进行，试车考核严格按照GJB 241A要求的试验循环次、试车程序、载荷要求进行，试车程序包括了增推、慢车、空中巡航、着陆、最大加力、加减速及遭遇等所有发动机状态点，累计试车时间500 h 32 min，425个整机试验循环,具体试车程序如图1所示。

图1 发动机试车程序

2 润滑油系统试车参数

为考核研制的高热安定型航空润滑油在发动机试车中的润滑性能，在发动机整机试车过程中，监测了润滑油供油压力、供油压差、轴承腔压力以及各支点的供回油温度，判断该润滑油的润滑冷却性能以及对润滑油系统工况的适应性。试车过程润滑油系统测试参数见表1。

表1 润滑油系统测量参数

2.1 润滑油压力

正常工作时供油压力和轴承腔压随主机工作状态变化，而供油压差保持稳定，一般在247～324 kPa，在该压差值下保证润滑部件有足够的润滑流量。表2列举出了采用高热安定型润滑油的某型发动机在中间状态下的供油压力和供油压差数据。

表2 某型发动机润滑油压力数据

由数据可知，长试发动机在试车过程中润滑油供油压差均符合设计要求，压力稳定供油平稳，满足发动机试车需求，表明研制的高热安定型润滑油运动黏度能够适应发动机润滑油供油系统工况，不会产生供油压力超限或波动情况。

2.2 润滑油供回油温度

润滑油供回油温度是发动机试车过程中的重要监控参数，润滑油给轴承、齿轮等零部件进行润滑及冷却，同时润滑油自身温度升高。供油和回油温度既反映了润滑油自身的热量承载能力，也在一定程度上反映出轴承和齿轮构件是否存在异常发热或磨损。在某型发动机试车过程监控的润滑油温度数据包括：供油温度、中轴承腔回油温度、后轴承腔回油温度及总回油温度。润滑油供回油温度随着发动机的转速和工作状态变化，发动机处于地面台架试车的最大载荷和热负荷状态(发动机中间状态)下，工作转速最高，附件提取功率最大，各支点轴承轴向和径向载荷最大，发热量最高，因此表3列举了每间隔100 h检测的中间状态下的供回油温度。

表3 某型发动机润滑油温度相关数据

由供回油温度数据可知，研制的高热安定型润滑油在随某型发动机进行试车时，发动机中间状态下最高供油温度为112 ℃，满足润滑油供油温度≯150 ℃要求；最高回油温度为188 ℃，满足发动机润滑油回油温度≯212 ℃的要求，能够满足轴承和齿轮部件的冷却散热需求；其次试车的供回油温度稳定，说明润滑油在工作中对轴承、齿轮的冷却和散热的效果稳定。

采用新研制的高热安定型润滑油进行整机试车中，未发现轴承腔或齿轮异常发热问题，同时润滑油在高温工作段依然表现出良好且稳定的散热能力、热承载能力和润滑特性。

3 润滑油光谱结果分析

定期进行润滑油取样光谱分析是某型发动机监控其内部结构件摩擦磨损的重要手段，采用MOA型润滑油光谱分析仪，测量每单位质量润滑油中所含有的各种金属元素质量，精度达到百万分之一(μg/g)。在整个发动机试车过程中，发动机每工作(80±5)h润滑油取样进行光谱分析，取样部位为润滑油箱、发附机匣、飞附机匣等部位，取样量为1 mL。

从表4～6可知，所有的金属元素浓度均处于较低水平，其中Fe元素最高为1.65 μg/g，其他Cr、Ni、Ag、Mo、Al等五种元素均未检出，表明摩擦副不含这些元素或此类元件未见磨损。

表4 润滑油箱取样主要金属含量 μg/g

表5 发附机匣取样主要金属含量 μg/g

表6 飞附机匣取样主要金属含量 μg/g

光谱分析结果表明，整个长试阶段某型发动机润滑油中所含的轴承、齿轮等传动和承力结构件的主要金属元素浓度稳定，没有异常的增长趋势，表明轴承、齿轮等结构件均未发生异常磨损，因此初步认为研制的高热安定型润滑油可以满足对发动机轴承和传动齿轮的润滑需求。

4 润滑油理化性能变化

润滑油的酸值、黏度和闪点随着发动机工作时间的增加、润滑油持续工作的时间增长而变化，能够在长时间的使用后仍维持三项理化性能指标的稳定是润滑油的重要性能之一。研制的高热安定型润滑油在随某型发动机完成的持久试车考核中，结合发动机的定期检查进行润滑油取样化验酸值、黏度、闪点理化性能，共取样7次，具体取样检测理化指标数据见表7。

表7 某型发动机长试润滑油理化指标

从长试润滑油理化指标数据可知，两次润滑油的持续工作期间运动黏度值均处于正常范围(5.06～5.19 mm2/s)且非常稳定，随着使用时间增加略有升高趋势，在工作500余小时后仍能满足润滑需求；润滑油酸值一直处于较低范围，最高为0.14 mgKOH/g，满足润滑油的使用酸值要求(≤2 mgKOH/g)，润滑油使用性能稳定；整个长试中润滑油闪点都在要求值(≥246 ℃)以上，无变低趋势。

综上可知，研制的高热安定型润滑油在发动机持久试车中酸值、运动黏度和闪点的性能非常稳定，持续工作后的润滑油品质基本没有变化，满足发动机在此工况下长期不更换润滑油的使用需求。

5 发动机分解检查情况

持久试车后进行了分解检查，主轴承、齿轮、密封件、润滑油泵和发附机匣在分解中均未发现异常的磨损情况，零部件检查情况良好。着重检查轴承腔内部、轴承收油环、低压涡轮轴、空气导管等容易产生结焦和积炭的部位，并与使用国产某润滑油的大修发动机进行对比检查，该台大修发动机按照GJB 241A要求的试验循环次、试车程序、载荷要求进行，试验时间为500 h。部分发动机分解件对比见图2～图5。

图2 采用高热安定型润滑油(左)和某国产型润滑油的空气导管内壁(右)

图3 采用高热安定型润滑油(左)和某国产润滑油轴承调整垫(右)

图4 采用高热安定型润滑油(左)和某国产型润滑油轴承外圈(右)

图5 采用高热安定型润滑油(左)和某国产型润滑油轴承内圈(右)

使用国产某润滑油的发动机空气导管内部存在大量润滑油积炭，而使用新研制的高热安定型润滑油的发动机空气导管内壁则无结焦或积炭。

采用新研制的高热安定型润滑油的轴承调整垫可以看出金属原貌，而采用国产某润滑油的轴承调整垫表面已经完全被结焦物覆盖而变色。

根据轴承内外圈的结焦情况对比，使用国产某润滑油的轴承内圈供油孔沟槽附近区域存在明显油泥，轴承外圈结焦也较为严重；而采用新研制的高热安定型润滑油的轴承内圈供油孔沟槽内无油泥沉积，轴承内圈金属颜色清晰可见，外圈也无结焦现象。

采用新研制的高热安定型润滑油发动机在长期试车后，润滑油流过部件表面的结焦和积炭情况明显少于采用国产某型润滑油的发动机，这表明新研制的高热安定型在发动机整机试车中有更好的耐高温能力和热氧化安定性。

6 结论

根据某型发动机台架试车和分解检查情况，结论如下：

(1)在某型发动机试车中，润滑油压力、温度等润滑油系统性能参数正常，高热安定型航空润滑油能够满足航空发动机内轴承、齿轮等结构件的润滑冷却需求。

(2)试车过程中润滑油中金属元素含量均保持在较低水平，没有发生轴承、传动齿轮等构件的异常磨损，能够满足发动机长期试车时的工作需求。

(3)试车过程中对润滑油的理化性能的定期检测表明，高热安定型航空润滑油理化指标稳定，其使用寿命可以满足发动机长期工作需求。

(4)对比采用高热安定型航空润滑油和某国产润滑油的发动机分解检查情况，零部件表面无任何油泥和结焦情况，高热安定型航空润滑油具有更好的耐高温能力和热氧化安定性，能够解决某型发动机自研制以来一直存在的润滑油结焦和积炭较重的问题。