军用航空涡轮发动机润滑油装机适应性试验研究

摘 要：随着航空涡轮发动机技术的迅猛发展，发动机涡轮前温度、增压比不断上升，发动机向高温、高原、高寒等工作环境拓宽，需不断地发展新型的航空发动机润滑油以满足发动机发挥应有效能。该文分析滑油使用特性对航空发动机的影响，介绍美国和俄罗斯的航空润滑油认证规范与程序，并与国内相关标准进行对比分析，阐述新型军用航空润滑油的认证程序，对滑油装机适应性应开展的试验试飞科目提出建议。

关键词：军用航空涡轮发动机;润滑油;认证程序;装机适应性;试飞科目

中图分类号：V275.1 文献标志码：A 文章编号：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

航空发动机润滑油是保证航空发动机正常工作的重要材料，是现代航空油料的重要组成部分，在航空发动机中起着润滑、冷却、清洗、密封、防锈、预防震和工作介质等作用。随着技术发展，航空涡轮发动机的性能越来越高，集中表现为涡轮前温度、压力、增压比和推重比等各项参数不断升高，导致现有的涡轮润滑油已经逐渐不能满足未来航空涡轮发动机对润滑油的性能要求[1]，世界各国都在不断研制性能更高的润滑油以满足下一代军用航空发动机的工作需要[2]。孚迪斯石油化工（葫芦岛）有限公司陈磊等[3-4]研制了高热安定型航空发动机合成润滑油并开展了性能评定，经过试验室评定和轴承台架试验表明满足使用需求。中国人民解放军92117部队刘双红等[5-7]研制了防腐型航空发动机合成润滑油并开展了经过试验室评定和台架试验，试验表明满足使用海洋环境使用需求。广西大学唐弓斌[8]开展了涡轮-火箭-冲压组合循环发动机润滑油的研制并开展理化分析试验，研制的润滑油满足相关研究。国内研制的新型滑油性能验证一般都通过理化指标分析、模拟台架试验、发动机台架试验，较少开展装机飞行试验。

本文分析军用航空涡轮发动机润滑油使用特性及对发动机工作的影响，结合国内外滑油相关规范，从发动机性能、操纵性、热端部件腐蚀性和低温起动能力等角度出发，提出了一种军用航空发动机润滑油装机适应性试验方法建议，以评估被试滑油对航空发动机特性以及滑油系统的影响。

1 滑油使用特性及对发动机工作的影响

航空发动机的滑油工作环境严酷，要承受高温（200～250 ℃）、高压（可达9.81×104 kPa、轴承内可达1 000 kg/cm2）、大气中氧的氧化及各种金属（包括滑油内的悬浮粒子）的催化作用的影响。航空发动机润滑油的使用特性对发动机的持续稳定工作有着重要影响。

滑油使用特性对航空发动机及滑油系统工作的影响表现在以下几个方面。

1.1 滑油黏度及滑油-温度特性

滑油黏度既取决于滑油的化学组成，又取决于外界的压力及温度。滑油的黏度随压力和温度的变化情况需要实验得出，当使用压力过大、低温过低时，滑油会出现凝固现象，滑油凝固或其黏度接近凝固时，发动机起动力矩会迅速增加，以致使发动机起动变得困难和复杂，在某些情况下，由于滑油循环不充分，不足以带走轴承内的热量，从而导致发动机损坏。受滑油中较轻分子蒸发的影响，滑油黏度随工作时间的增长而增加。

1.2 滑油润滑性能

滑油润滑性能主要包括耐磨性（滑油在摩擦面上形成边界薄膜的能力，从而防止磨损）和防擦伤性能（滑油在高机械载荷及热载荷下保持所形成的边界薄膜的能力，推迟擦伤及摩擦面咬合）。润滑性能越好，摩擦、磨损也就越小，可以可靠地保护摩擦面，防止金属相互咬住和黏结。

1.3 滑油热氧安定性

发动机工作时，滑油受到高温、高压及其大气中氧的作用，产生氧化物。滑油的氧化性取决于滑油的化学组成、温度及滑油氧化持续时间，也取决于滑油内金属和水分的催化作用。滑油氧化物类型主要包括积碳、漆状物、沉渣。聚集在滑油内的氧化物使滑油的物理-化学性能发生变化，包括酸值增大及滑油黏度增加。积附在发动机零件上的积碳由于导热性差，造成由滑油带走零件热量的效果变坏，使零件过热，因而可能导致磨损和擦伤增加、连接件黏连等问题，对发动机零件产生有害影响。

1.4 滑油腐蚀性

航空发动机滑油的腐蚀性主要来自于滑油中的有机酸。滑油酸值越高，滑油引起零件的腐蚀越厉害，在滑油内含水的情况下，有机酸的腐蚀性会急剧增加;随着滑油在发动机工作时间的增长，滑油的酸值也增加。有机酸对除铝外的有色金属的腐蚀作用较强，零件的腐蚀将降低或完全破坏发动机部件和附件的工作能力，会造成零件的使用寿命受到限制甚至发动机故障。除了金属受到腐蚀外，由于金属与滑油内的有机酸相接触，形成金属盐。若金属盐沉积在定量通道壁上，可使润滑发动机轴承及其他部件所需的滑油供给不足，而沉积在油滤壁上，进而导致油滤堵塞，从而造成发动机停车。

1.5 滑油中的机械杂质

新鲜的滑油不应含有灰尘、砂粒、金属微粒等机械杂质，滑油工作过程中，机械杂质会破坏润滑油膜的完整性，使得滑油的润滑性能恶化，增加发动机零件的磨损，机械杂质对滑油还会促使油垢析出，堵塞滑油通道和油滤。

1.6 滑油泡沫性能

航空润滑油在航空发动机润滑系统循环过程中与空气混合，容易形成泡沫，滑油中泡沫会使润滑油冷却效果降低，使发动机零件过热;使得以滑油为工作介质的自动调节器工作受到破坏产生故障;还可能使管路产生气阻现象，影响正常供油。

2 国内外航空发动机润滑油相关规范和认证程序

2.1 欧美军用航空发动机滑油规范和认证程序

欧美的现代航空发动机主要使用MIL-PRF-7808和MIL-PRF-23699这2种规范的产品，石油基油主要用于发动机燃油系统内部封存，合成酯类油主要用于发动机润滑系统。

MIL-PRF-7808L[9]除了对常规性理化指标和使用性能规定外，在台架试验方面要求通过美国联邦试验方法FED-STD-791 3450轴承沉积试验、ASTM D1947雷德齿轮试验和ASTM D5182 FZG齿轮试验测试齿轮载荷能力;同时要求进行足够时间的涡轴发动机全尺寸使用性能试验，要求经过滑油试验后的发动机无额外的沉积、磨损、腐蚀或其他不利状态。

涡轮发动机润滑油开始并没有全尺寸台架试验要求，仅有模拟台架试验，1963年MIL-L-7808E[10]颁布时要求低黏度合成油通过J-57-29涡喷发动机台架，试验时间为100 h，滑油箱温度控制为149 ℃±3 ℃。100 h分为20个阶段，每5 h为1阶段，试验程序见表1。

每阶段试验后检测油耗（不超过1.25 lb/h）、滤网沉积物（不应超过0.02 lb/h），并测定滑油的黏度和酸值情况。整个试验结束后，分解发动机，检查沉积、磨损和腐蚀情况，评分标准见表2。

1997年颁布的MIL-PRE-7080L要求发动机台架改为涡轴发动机。

2014美军提出的航空润滑油规范MIL-PRF-23699G[11]将滑油分为标准型（STD）、防腐型（C/I）、高温稳定型（HTS）和强酯型（EE）。MIL-PRF-23699G除了对滑油的理化指标和使用性能规定外，在台架试验要求通过联邦FED-STD-791-6508雷德齿轮试验机的齿轮载荷能力试验和FED-STD-791-3140轴承沉积试验，对防腐型（C/I）滑油增加了轴承腐蚀试验，对强酯型（EE）滑油增加了SAE-ARP6166微模拟器试验;同时要求通过全尺寸涡轮轴发动机试验，最后进入模拟发动机试验评估和飞行试验评定。

MIL-PRF-23699G规定滑油应在涡轴发动机中进行一段时间的加速耐久度试验，以确定其性能特性。在完成发动机耐久度试验后应检查发动机是否出现缺陷，由于使用该滑油造成发动机出现任何缺陷都会导致滑油认证失败。当认证的滑油使用不寻常的配方或独特的制造技术时，资格认证时可能需要滑油服务评估; 首先要求150 h不少于2种类型的美军航空发动机模型试验;其次与模型试验相同型号发动机的2 000 h飞行试验。滑油服务评估分为满意和不满意，成功完成耐久度试验而没有因为滑油相关的问题，并且试验后拆解检查滑油浸润后的部分状态是满意的。

根据MIL-PRF-23699G，美军滑油认证程序可总结见表3。

2.2 俄罗斯航空润滑油规范和认证程序

俄罗斯航空润滑油规范[12]继承自前苏联，从20世纪60年代开始进行航空润滑油综合鉴定法的研究，已经形成6套成熟、完善的各种油料综合鉴定体系，包括90个试验方法，可以对俄产及外国产航空燃气轮机，以及直升机减速齿轮润滑油的指标进行全面、系统的评定。俄罗斯综合鉴定法采用国家标准试验方法对油料技术规范中规定的理化性能进行评定，采用专业试验方法对模拟台架使用性能进行评定。俄罗斯综合鉴定法评定滑油时一般分为2个阶段：第一阶段，理化性能评定阶段，检测油品是否符合油料的技术规范要求;第二阶段，试验室模拟台架试验阶段，检验油品是否能够满足装备的实际使用需求。

参照各种燃油、润滑油、润滑脂和特种液鉴定试验规则，俄罗斯改进型航空润滑油只需进行性能评定，而新研油料则必须通过国家鉴定验收。改进油料的评定需要进行对产品的常规性能（理化指标和使用性能）和实验室部件模拟项目进行评定，一般由改进型润滑油的工作人员来实施，并由俄罗斯联邦国家标准局授权的试验基地进行，一般要求2个月内完成，根据评定结果决定润滑油的生产使用许可。

新研润滑油需要进行国家鉴定试验，包括实验室模拟试验、发动机台架试验、检验飞行试验、飞行使用试验或监控下使用4个阶段。

实验室模拟试验主要利用标准试验方法进行常规分析和综合鉴定法进行的模拟评定试验阶段;发动机台架试验一般选用比较成熟的具备高热强度和大负荷的燃气涡轮发动机，按照试验程序开展多批次持久疲劳试验;检验飞行试验按照标准程序时间一般不超过20～25 h;飞行使用试验或监控下使用一般需要在多种飞机上按照专门试验程序进行，军用航空装备飞行使用试验时间一般为发动机使用润滑油的一个寿命期（500 h），民用航空装备飞行使用时间则不确定，不同发动机、减速器等部件有不同的使用寿命。

2.3 国内滑油规范研究

参照美国和俄罗斯相关规范，形成了我国军用航空润滑油质量规范。参照美国MIL-PRF-7808 H版和L版建立了GJB 135B—2021《合成航空发动机润滑油规范》;参照美国MIL-PRF-23699上建立了GJB 1263—1991《航空涡轮发动机用合成润滑油规范》;参照俄罗斯ТУ 301-04-010-92规范，建立了GJB 3460—1998《直升机用高极压润滑油规范》。

在滑油使用要求上，GJB 241A—2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》（以下简称GJB 241A）和GJB 242A—2018《航空涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机通用规范》中对润滑油有相同的规定[13-14]：除发动机型号规范另有规定外，应使用符合GJB 135或GJB 1263规定的润滑油。除使用中黏度合成润滑油外，在整个环境温度和工作包线内，不需要稀释润滑油或使用诸如滑油预热器之类的特殊设备，就能满意地起动和工作。使用中黏度合成润滑油时，不要求低于运动黏度13 000 mm2/s的相应温度下工作。

GJB 243A—2004《航空燃气涡轮动力装置飞行试验要求》（以下简称GJB 243A）规定，如系统规定可用不同品种的燃、滑油，必要时可分别进行试验，以确定每一种规定的燃油或滑油时的起动特性[15]。

GJB 688—1989《航空润滑油飞行试验规范》规定了航空润滑油飞行试验的程序和内容，用于检验航空润滑油对航空发动机润滑油系统（含直升机变速系统）的适应性，并可用来评定航空润滑油的使用性能。试验程序与内容见表4[16]。

3 装机适应性试验方法

参照美军滑油认证程序和俄罗斯综合鉴定法，新研高性能润滑油在通过试验室模拟试验阶段和发动机台架试验阶段后，就转入装机适应性试验，装机适应性试验一般在多种成熟的飞机和发动机上开展，在试验结束后，对发动机关键部件进行分解，并与使用正式润滑油的发动机进行技术状态对比。

参照国外标准和国军标相关标准，从滑油对发动机的工作影响因素出发，在完成理化试验和试验室模拟试验的基础上，本文基于航空涡轮发动机飞行试验的工程经验，提出新型军用航空润滑油装机适应性试验的建议方法。

新型航空发动机润滑油进行发动机的地面台架持久试车及先进战斗机的飞行试验验证。试验拟分为3个阶段;第一阶段为地面台架初步验证阶段;第二阶段为持久试车及初步适航飞行深pTW5Eba2IS5T+OWI4eiDDelyI4ZMtaiaRdM2tfa/dr4=化验证试验阶段;第三阶段为先进战斗机全面拓展试飞应用阶段。

新型航空发动机润滑油适应性试验的各阶段划分和试验内容。

第一阶段（初步验证阶段）。该阶段主要开展新型滑油在飞机/发动机初步验证试验，目的是初步验证新型滑油在发动机上的适用性。分别使用新型滑油、正式对比油，在高性能涡扇发动机开展地面台架试验，通过两型滑油的对比初步验证新型滑油对发动机地面起动性能、稳态性能和加减速性能等影响。

第二阶段（基础验证阶段）。本阶段主要是在第一阶段的基础上对新型润滑油的适用性进行深化验证，并逐步扩展到先进战斗机的飞行试验。参照GJB 241A中4.4.2节设计定型持久试车要求开展发动机设计定型持久试车，持久试车主要由与飞行任务有关的300 h持久试车程序，以及前后各连续25 h的阶梯/遭遇试车程序组成。在发动机持久试车中，为了充分验证新型滑油对发动机滑油部件及转轴的影响;在飞行试验中，为了降低试验安全风险，选用双发战斗机进行如航线起落、空域飞行等基础验证飞行。

第三阶段（深化验证阶段）。基于前2个阶段的试验成果，本阶段主要考虑开展空中起动、滑油系统工作检查等具有一定试飞风险的试验科目，全面验证新型滑油在先进战斗机大推力发动机的适应性。

在飞行试验开始之前，进行地面检查试车试验，进行发动机起动、稳态工作、瞬态工作检查，检查润滑油对发动机工作的影响。飞行试验包括发动机工作稳定性检查、发动机空中起动性能试验、发动机加速性和减速性试验、滑油系统工作质量检查试验等，试验方法参照GJB 243A，以评估真实飞行状态下滑油对发动机起动、稳态、瞬态和热端部件的影响。特别地，应开展高、低温起动试验，评估在宽范围使用温度条件下，滑油对发动机起动性能的影响。

4 结论

润滑油的特性对发动机的稳定工作有着重要影响，润滑油的任意方面性能缺陷均会导致发动机使用上的问题，新型润滑油投入使用前必须经过严格规范的试验验证。

欧美及俄罗斯对新型的滑油认证均有相关的程序及标准，一般从试验室模拟试验、台架试验和装机适应性试验，当前我国已形成了相关标准，但缺少统一的新型滑油的认证标准和方法，当前新型润滑油以试验室分析试验和台架试验验证为主，缺少装机适应性试验这一重要环节。

新型滑油装机适应性试验是新型滑油认证的必要程序，本文提出了分阶段的滑油装机适应性试验思路，以满足新型航空润滑油全面验证。

参考文献：

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[12] 赵升红，徐敏.俄罗斯航空润滑油使用与评定[M].北京：中国石化出版社，2012（5）：57-63.

[13] 航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范：GJB 241A—2010[S].2010.

[14] 航空涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机通用规范：GJB 242A—2018[S].2018.

[15] 航空燃气涡轮动力装置飞行试验要求：GJB 243A—2004[S].2004.

[16] 航空润滑油飞行试验规范：GJB 688—1989[S].1989.

作者简介：魏智辉（1992-），男，硕士，工程师。研究方向为航空动力装置飞行试验技术。