合成酯航空涡轮发动机润滑油规范发展

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摘要:介绍了欧美军用航空涡轮发动机润滑油规范、俄罗斯军用航空涡轮发动机润滑油规范、国外民用航空涡轮发动机润滑油规范和国内军用航空涡轮发动机润滑油规范的发展现状。探讨了国际航空润滑油的发展趋势对我国军用航空涡轮发动机润滑油发展的影响，并在国内航空涡轮发动机润滑油产品质量升级、规范更新和评价体系及适航审定等方面提出了相关发展建议。

关键词:航空涡轮发动机润滑油;民用航空涡轮发动机润滑油;质量规范;适航认证;评价体系

0引言

现代航空燃气涡轮发动机技术的发展推动了各国飞机对高推重比的要求，推重比的提高使得涡轮前温度也随之提高，直径影响附近主轴承及轴承腔的温度，导致发动机润滑系统的热负荷陡增，这就要求润滑油在系统流动过程中带走摩擦产生的热量，维持轴承和传动齿轮啮合处等摩擦面的正常工作温度等。航空润滑油涉及到航空飞行安全的重要材料，因此国内外发达国家都制定了严格的航空润滑油标准以满足控制产品质量、保障飞行安全的需求，如前苏联的ГОСТ13076、法国的AIR3514和英国的DEFSTAN91－91/4等。美、英、俄等国家建立了科学、完整的航空油料质量综合鉴定体系，并不断进行完善，对航空油料的质量鉴定有严格的规定，对喷气燃料、发动机润滑油等都有明确的鉴定程序和需要进行的试验项目，并有明确的质量指标，如理化性能测试、使用性能试验、部件模拟台架评定、发动机台架评定和飞行试验评定要求。

1欧美军用航空润滑油规范

欧美的现代航空涡轮发动机主要使用满足MIL－PRF－7808和MIL－PRF－23699两种规范的产品，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。这些标准自制定起就经历了一系列对润滑油质量指标和试验方法的从严变化。其中，最具代表性的是美国空军制定的MIL－L－7808规范，不仅在北大西洋公约组织内有品种代号，3级油代号为0－148，4级油代号为0－163，在国际上也广泛被采用。自1951年提出以来，经过数十次的修订、补充和完善，可以说基本代表了国际上先进产品质量变化过程，同时也反映出国际上航空涡轮发动机发展过程。实际上美军在标准实施过程中也遭遇无法兼顾的难题，例如酯类油在热稳定性和低温性能的兼顾方面，因此美军提出了热稳定性更强的4级油，同时取消了坚持多年的MIL－STD－210B关于美国空军飞机必须在全球飞行中能适应使用时全球低温限定－54℃的要求，改用了－51℃的低温限定，同时低温黏度从不大于17000mm2/s放宽至不大于20000mm2/s。MIL－PRF－7808L除了对常规性能(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－7913450Erdco轴承沉积试验、ASTMD1947Ryder齿轮试验和ASTMD5182FZG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寿命全尺寸使用性能试验。

后来，美军提出了能适应更高温度的100℃黏度为5cst航空润滑油规范MIL－PRF－23699［1］，北约代号为0－156，期间对其进行了多次修订，1994年颁布了MIL－PRF－23699E，将合成航空涡轮发动机润滑油分为标准型(STD级)和防腐型(C/I级)两个等级，1997年修订为MIL－PRF－23699F，在原有基础上增加了高温稳定型(HTS级)。目前，美国海军普遍使用的合成航空润滑油是防腐型合成航空润滑油，标准型只有在应急状态下才使用，如境外加油等，高温型主要用于特殊的工况条件［2］;除了对理化指标和使用性能规定外，在台架试验要求通过联邦FEDSTD7916508Ryder齿轮试验机的齿轮载荷能力试验和FEDSTD7913140Erdco轴承沉积试验(对高热稳定型要求更高)，对海军使用的腐蚀抑制型增加了SAEARP4249法的轴承腐蚀试验，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，国外20世纪90年代末已研究开发了防腐抑制型合成航空润滑油，美国海军已普遍使用该类型的航空润滑油，国内早期开发的产品相当于MIL－L－23699C规范的产品，此后在配方技术上进行了调整改进，后来研发了高温型和防腐型航空润滑油，整体性能相当于MIL－L－23699F，部分性能甚至更优。

2俄罗斯军用航空润滑油规范

由于冷战对抗，美苏两个完全不同的航空体系所要求的航空油料完全不同。前苏联从上世纪60年代开始进行航空润滑油综合鉴定法的研究，形成了完整的航空润滑油综合鉴定体系，在整个俄罗斯几十年的武器装备发展中发挥了重要的作用。俄罗斯石油资源相对丰富和其飞机特殊材质等原因，现代高热强度涡轮发动机的润滑系统一般都将热氧化安定性较好的合成油ИПМ－10(У)作为主要推荐使用品种，合成酯类油ВНИИНП50－1－4Ф(У)仅作为备用油，老式涡轮发动机上使用的MC－8п矿物油用做燃油系统内部封存。俄罗斯航空润滑油的技术指标包括研制过程内控指标和产品技术规格两大部分，仅仅从技术规格上是不足以把握油品质量，一个标准只有一种产品。

俄罗斯润滑油指标技术规范ГОСТ4．24－84《石油产品:润滑油指标项目》，该规范将滑油技术指标按功能划分为使用指标、储存指标、人体工程指标、安全指标四类，共40个项目。对于航空涡轮发动机润滑油，实验室阶段必须确定研制过程和生产过程中所有的理化指标和使用性能指标，允许对ГОСТ4．24－84有所取舍，也包括ГОСТ4．24－84所没有的，而技术规格只能保证生产批次的质量一致性，不能完全反映出油品的实际使用质量。参照《各种燃油、滑油、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。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等四个阶段。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高热强度和大负荷的燃气涡轮发动机按照试验程序进行持久疲劳试验;检验飞行试验按照标准程序时间一般不超过20～25h;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(500h)，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。

俄罗斯航空装备使用的润滑油一般规定主油和备用油两个牌号，此外还应指出和俄制润滑油等同的国外润滑油牌号。前苏联解体后，俄罗斯也存在对外开放的问题。随着大量军事航空装备的出口，与欧美体系航空油料的互换变得日益迫切。因此在1993年出版的《用于俄罗斯飞机的外国燃料、润滑油、润滑脂和液压油使用指南(第五版)》中规定了外国油品用于俄制装备时必须通过综合鉴定法评定及已经在俄罗斯类似发动机上经过长时间监控下使用，如列出了替代ИПМ－10的两类欧美酯类油，即符合MIL－PRF－7808规格的2389和MIL－PRF－23699规格的ESSONTurboOil2380、MobilJetOilII。由于俄罗斯所用材料的特殊性，发动机对润滑油腐蚀性具有较大的敏感性，因此在1998年颁布的《用于俄罗斯飞机的外国燃料、润滑油、润滑脂和液压油使用指南(第六版)》中取消了欧美合成酯类油与ИПМ－10的替代关系，取而代之的是，由NYCO公司和MobilOil公司生产的Turbonycoil210A和MobilTurbo319A－2产品。

3国外民用航空润滑油规范

本世纪初，美国汽车协会SAEE34航空组织在参照美军标准MIL－PRF－23699F、英国国防部标准DEFSTAN91－101/ISSUE2(DERD2499)和普惠公司PWA521(Ⅱ型5cst)规格及美国通用公司D50TF1规范的基础上，制定了航空燃气轮机的核心技术规范SAEAS5780。首版SAEAS5780于2001年3月，该版只有标准型一个规格，基础指标沿用了MIL－PRF－23699F(STD)的基础性能及氧化腐蚀评定中的要求，同时增加了一些OEM设计时计算所需的物理性能参数，如:在台架试验方面，沿用MIL－L－23699E中的Erdco轴承沉积试验，但具体指标只保留了轴承缺陷评分一项，对Ryder齿轮试验没有要求。2005年，国际航空组织第一次对SAEAS5780进行修订，这次修订主要在基本质量等级SPC规格的基础上，增加了一档高温型的产品规格SAEAS5780HPC。这个产品规格与MIL－PRF－23699F中的标准型STD和高温型HTS规格相对应，其规定的氧化安定性和轴承沉积指标与它们完全相同，但HPC增加了高温液相沉积HLPS要求并作为基本性能控制指标。在台架试验方面，该规格完全采纳了MIL－PRF－23699F中Erdco轴承沉积试验和Ryder齿轮试验的控制指标，并在OEM项目中增加了橡胶相容性、氧化安定性、润滑性能、结焦性能、老化特性等诸多评定控制指标。在管控质量体系方面，该规格对过程的追溯性、产品资格、生产变更管理等方面提出了严格的控制条款。2013年2月美国SAE协会对SAEAS5780进行了第二次修订。修订的重点主要对个别指标规定进行了调整。如将WAM润滑承载能力等由“6次平均值不小于参比油102%”改为了“报告”;将部分橡胶相容性中标准橡胶膨胀率由“报告”修订为“5%～25%”;并对黏压系数、导热系数和电导率等的测定温度点进行了具体化。2015年对SAEAS5780进行了第三次修订，将高热流体动态模拟结焦试验HLPS指标(20h)放宽至“不大于4．0mg”(STD型)、“不大于0．4mg”(HTS型)，增加了橡胶试验失效时的使用有效寿命的具体报告。目前SAEAS5780第三版广泛用于民用航空领域，在行业中地位非常高，所有中黏度的民用航空涡轮发动机润滑油都必须满足该规范。

4国内军用航空润滑油规范

20世纪50年代末，国内军用航空润滑油处于起步阶段，主要以矿物油为原料经过精制后的润滑油，如用于活塞式航空发动机的8号和20号航空润滑油;80年代开始对合成酯类航空润滑油进行研究，研制的合成航空涡轮发动机润滑油产品相当于MIL－PRF－23699C规范的产品，此后在配方技术上进行了新的调整和改进，如用于燃气涡轮发动机合成润滑油有4104、4106、4109和4050等产品。国内在军用航空润滑油质量规范方面的建设，1991年，参照美国MIL－PRF－7808H版和L版，建立了GJB135《合成航空润滑油规范》;在美国海军MIL－PRF－23699的基础上建立了GJB1263《航空涡轮发动机用合成润滑油规范》;参照俄罗斯ТУ301－04－010－92规范，建立了GJB3460－1998《直升机用高极压润滑油规范》。1998年将GJB135修订为GJB135A，包含了两个产品。民用航空润滑油质量规范方面，2010年我国参照SAEAS5780A民用航空涡轮发动机润滑油标准，由中国石化润滑油有限公司合成油脂分公司与中国民用航空航油航化适航审定中心联合制定了MH6084《民用航空燃气涡轮发动机油技术规范》。但在航空涡轮发动机润滑油质量综合评定体系方面，目前国内尚未建立比较科学规范的评定手段，多以产品规范为主对航空润滑油进行质量评价，既参考俄罗斯标准体系，一个润滑油产品对应一个质量标准，又对照欧美质量规范，同时缺少有针对性的模拟性能和部件模拟评价手段，完全参照俄罗斯综合鉴定法或美国航空油料质量评定体系，一方面试验方法和评价手段混杂，另外一方面评价仪器尤其是大型台架模拟评定较少。

5启示

(1)20世纪末由美国空军、海军、陆军、国防部预研局、NASA和7家主要发动机制造商启动了先进战术战斗机发展计划(ATF计划)和综合高性能涡轮发动机技术计划(计IHPTET划)，总目标是到2025年航空推进系统能力翻一翻。2015年，我国相应提出了“中国制造2025”计划关于航空航天装备要求高推重比、先进涡桨(轴)发动机及大涵道比涡扇发动机技术的发展目标。飞机的飞行速度、升限高度、航程、载重量和机动作战能力都离不开发动机推力的提高，发动机推力的提高使得增压比、燃气温度、涡轮前温度、转子和齿轮的转速越来越高，从而使得对配套保障的润滑油的性能要求也越来越高，而目前现有规范对于油品的苛刻程度已经达到了新戊基多元醇酯的承受极限，亟需进行油品的更新换代和质量升级，走出与我国自主装备发展体系相配套的高规格润滑油质量规格标准，加快国内油品通用化、标准化建设。

(2)呼吁建议尽快协调并成立由装备发展部门、航空发动机部门、飞机部门、油料厂商、发动机修理单位和机场保障部门的协会，类似于国际上SAE航空协会组织，充分吸收欧美等国航空油料质量发展体系经验，参考俄罗斯航空油料评定体系发展脉络，在引用俄罗斯综合鉴定法的基础上补充并完善西方国家的部分特色评价技术，综合国内装备发展部门要求一些设计关系的特定参数，建立具有国内特色自主的航空润滑油质量规范评价体系，配套国内装备研发体系，指导装备技术和油品质量的互相推动，力争在“十三五”期间末期建立起完善的自主航空润滑油评定体系。

(3)国内航空领域的逐渐开放及通用航空理念促使今后军民两用航空发动机润滑油规范和质量体系的逐步统一，民用航空润滑油基本上参照欧美标准规范，在理化指标方面更多兼顾了OEM厂商的评定控制经验，同时对油料供应商的保障能力要求更高也更具体;军用航空润滑油由于历史原因多参照俄罗斯标准规范，较少参照欧美航空体系，为了配套国产装备通用发展体系，加快将军用航空润滑油和民用航空润滑油统一到与国际通用化程度较高的欧美航空体系，有利于提高后勤保障效率，简化程序，通用化标准化程度更高。

(4)随着全球通用航空体系的发展，我国的试航认证和目前全球比较认可的适航证欧洲航空安全局(EASA)及美国航空管理局(FAA)的双方审定互认成为了一个难题，国内航空油料检测数据及手段不被EASA和FAA认可，因此亟需建立国内民用飞机适航认证油料审定评价手段，建议在依靠适航司在与EASA和FAA适航认证机构的合作过程中推动使EASA和FAA逐步认可国内自主的油料适航审定评价手段。

参考文献:

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［2］QPL－23699－19QualifiedProductsListofProductsQuali-fiedUnderPerformanceSpecificationMIL－PRF－23699［S］．2002－04．

［3］姜克娟，翟云世．美国军用航空涡轮发动机润滑油的发展［J］．合成润滑材料，1999(3):12－17．

［4］刘双红，王昆，杨英炎，等．防腐型合成航空润滑油的研制［J］．润滑与密封，2010，35(9):112－117．

［5］梅莉，赵玉贞，马楷．航空润滑油规范的演变［C］∥第二届航空油料保障技术研讨会论文集．北京:北京石油协会出版社，2016:37－39．

作者:李进 谈轶 张世堂 单位:北京航空技术工程研究中心