航空發動機燃油系統抗污染綜述

孫曉軍，吳 新，欒 東

(沈陽發動機設計研究所,沈陽 110015)

1 引言

隨著航空發動機的飛速發展，燃油與控制系統的抗污染可靠性問題日益突出。據粗略統計，在飛機故障中,飛機液壓系統故障占30%～43%;而在液壓系統故障中,與油料污染有直接關系的故障占75%～85%。

眾所周知，無論是飛機附件，還是發動機附件，都不乏大量精密配合偶件，對工作介質都有極高的清潔度要求。油液污染破壞了其工作條件，造成了摩擦副運動表面加速磨損和劃傷，使泄漏加大，效率降低，流量和壓力脈動增大,油溫升高；污染物堵塞或卡滯活門，折斷轉動或滑動部件，造成機構失控、失效，致使發動機超溫、超轉、喘振和停車，甚至破壞整臺發動機，從而導致重大事故發生。油料污染不僅對飛機和發動機的安全可靠工作構成嚴重威脅，而且因油料污染造成直接和間接的經濟損失也相當可觀。美國尼克森公司生產的柱塞泵如在規定使用條件下工作，壽命可達800～1000 h；如果在污染條件下工作，壽命僅為120～140 h。因此，研究和解決系統的污染問題，不僅是使用部門提出的有現實意義的緊迫任務，也是項具有深遠的社會效益和經濟效益的重大課題。

2 航空發動機燃油系統的污染物

航空發動機燃油系統的污染物有固態、液態、氣態和化學污染物。

2.1 固態污染物

固態污染物是最危險的1種污染物，包括金屬毛刺、飛邊、焊渣、塵埃、砂粒、氧化皮、橡膠顆粒、油垢、鍍（涂）層剝落物、油液衍生化合沉淀物及高溫時生成的碳化粒子等。這類污染物主要來自：

（1）潛在污染：零部件裝配前清洗不徹底，或在裝配及注油時混入污染物。

（2）環境污染：執行機構未裝防塵裝置或空氣過濾器。

（3）誘發污染：在構件工作過程中，運動表面摩擦產生固體顆粒。

2.2 液態污染物

最常見的液態污染物是水。水的污染方式是腐蝕“溶解于油，細菌生成和結冰”。當油液中水分含量超過5×10-4，則有相當含量的分離狀態水奶狀加速油質惡化。水的污染不僅使元件表面銹蝕，而且會在一定溫度下聚合成碳氫化合物，這種膠狀物附在零件表面上起膩塞作用，影響系統性能。燃油中的膠質物與水發生混合作用產生黏性，并與燃油一起形成膠狀薄膜，沉積在過濾器或其他元件上；并且銅、鉛對膠質物的生成起催化作用。

2.3 氣態污染物

空氣是常見的氣態污染物。通常，油液中含有5%～13%的空氣。當油溫升高或壓力降低時，在分離壓的作用下，氣體從油液中游離出來，產生氣穴，造成操作失真，系統響應靈敏度降低，甚至造成汽蝕破壞。在汽蝕過程中伴隨著化學腐蝕和電解作用，都會加速金屬的腐蝕和疲勞破壞。此外，空氣進入系統內，在一定壓力下促成油液某些成分衍生成化學沉淀物。

2.4 化學污染物

燃油中存在大量微生物（諸如厭氧細胞、喜氧細胞、病菌、海藻等），分布在油水界面及附近的燃油層內。燃油中的水分、礦物質（金屬、塵埃、銹蝕物、鹽分等）是上述過微生物生存、繁衍的條件。這些微生物小到0.5μm，大到10 μm，不僅污染燃油，而且牢固地附著在元件表面上，發生阻膩、堵塞，還會還原成硫酸鹽，形成碳化氫和氧化物，乃至分泌出酸，使金屬腐蝕。燃油中的硫和硫化物都具有很強的腐蝕性。青銅、鋅和鎘在硫酸作用下形成復雜的不溶解化合物，這種粘性膠狀物附在元件表面上使后者腐蝕。

3 污染物對燃油系統污染破壞方式

污染物對燃油系統造成的破壞方式有加速磨損與疲勞破壞、化學腐蝕、油液變質及機械阻塞與卡滯。

3.1 加速磨損與疲勞破壞

其主要由固態污染物引起。固體顆粒嵌入運動表面，使運動表面產生壓痕、劃傷、溝槽，使材料產生錯位和滑移，與顆粒接觸的運動表面附近產生高應力區，因而加快了缺陷的生成和擴展，并導致加速疲勞。如果運動表面上被牢固地嵌入堅硬顆粒，則在運動過程中就會發生類同切削過程一樣的連續破壞作用，剝離金屬表面。這種磨損對工作表面的損傷更加嚴重。油液中溶解的各種氣體、油料中易揮發成分、溶劑及水，在流動過程中產生壓降，達到氣體分離或液體飽和蒸汽壓時，發生汽化，分離的氣泡在高壓區破滅，產生汽蝕過程。汽蝕過程發生在元件表面，對表面產生應力循環，造成疲勞破壞。

3.2 化學腐蝕

因元件表面和油液中的各種化學元素的化學反應而產生的磨損都稱化學腐蝕，包括電化腐蝕、液流電勢反應及對表面的直接化學侵蝕。對元件表面極易引起化學反應的物質有空氣、氯化碳氫化合物溶液及耐壓添加劑等。化學腐蝕污染以2種方式出現：（1）元件表面反應生成物溶于油液中，被油液帶走；（2）元件表面生成硬殼，使運動副間隙變小或變大，引起流量變化和靜摩擦變化；當硬殼剝落時，硬殼顆粒將導致元件表面加速磨損。

3.3 油料變質

剪切力和熱負荷作用可使油料變質。懸浮于油液中的固體顆粒對油料變質起催化劑作用；汽蝕是促使油料變質的另1個重要因素。變質后的油料將喪失某些重要特性（如潤滑性），從而加速元件的磨損；產生大量碳素顆粒和膠狀物質，造成運動元件表面覆蓋著、粘著、堵塞或卡滯。

3.4 機械阻塞與卡滯

固體顆粒、膠狀物、沉積物、化學纖維和塵埃等粘著、覆蓋、堵塞或卡滯在元件表面上、間隙內，從而引起運動阻滯，油濾和節流孔堵塞，活門運動摩擦力加大，甚至卡死或折斷。這種機械故障常常是突發、致命的。

4 燃油系統污染控制

為了確保系統或部件的正常功能和可靠性，并達到給定的翻修壽命，應確定燃油的污染容限。美國航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范及有關型號規范都對污染物及污染量作出明確規定（見表1）。按表1規定的污染標準，燃油附件在海平面中等推力狀態下工作時間應不少于12 h，而無需更換油濾。英國相應的污染標準是NO.D·Eng·R.D2153，蘇聯的污染標準是FOCTl0577—63，燃油污染參考：3.7.3.3.2、3.7.3.4。

4.1 地面燃油污染控制

為了限定系統的污染容限，必須對燃油的提煉、運輸、儲存、使用等各環節實施污染控制。在油料使用前，必須經過嚴格地過濾，并按加油規定操作，定期地排放加油設備中的沉積物。事先要對準備加注的燃油進行定時沉降，油罐內壁必須經常涂防腐層并及時清洗，及時報廢污染嚴重的容器，定期檢查油水分離器和油濾濾芯。加注到飛機油箱內的燃油污染標準各國均有明確規定，見表2。

4.2 發動機燃油系統污染控制

機載燃油的污染控制由于受時空限制，加上工作條件苛刻，技術難度較大。發動機燃油系統污染控制的意義在于對進入發動機界面的燃油實施污染控制，不能因燃油流經燃油系統時產生自身污染和環境污染而超出污染容限，過濾系統對保持規定污染度有極其重要意義。

表1 污染物及污染量標準

表2 各國對燃油污染物的限定標準

對比試驗表明，經過濾網孔直徑0.8 μm過濾的燃油與經5 μm和15 μm過濾的燃油相比，其元件磨損率分別可降低74%和92%。發動機燃油過濾系統大多由主油濾、專用油濾和回油濾組成。發動機主燃油系統和加力燃油系統的入口都裝有大尺寸的低壓油濾，對來自燃油系統的燃油進行過濾，主要攔截注入油箱內的燃油污染物以及燃油流經油箱、輸油管路及輸油泵、防火開關、流量計，特別是燃、滑油散熱器時產生的污染物。對于誘發污染物較多的主泵和加力泵來說，在燃油調節器的抗污能力較差時，泵后需加裝高壓油濾。采用燃油濾裝在有超凈過濾要求的執行作動機構入口（如柱塞泵隨動活塞入口、汽心泵入口節流閥作動活塞腔、電液伺服閥作動腔、計量油活門等）。上述部位大多是精密偶件，抗污能力弱，對污染極為敏感。根據具體情況，其過濾度一般控制在10～20 μm，精細的可控制在5～10 μm。回油濾裝在回油路上，對控制燃油附件工作時自身生成污染物有重要意義。但是，即便是最成功的設計，燃油附件本身的誘發污染也是不可完全避免的。污染物來源于:（1）運動摩擦過程中的磨損顆粒；（2）元件表面皺層剝落；（3）汽蝕破壞過程中剝離的金屬顆粒；（4）高溫工作狀態生成膠質和沉積物；（5）裝配過程或加工過程中殘留于部件內的雜質(如金屬飛邊，毛刺，橡膠切邊等)在工作過程中被燃油沖刷出來；（6）某些封嚴不良處侵入空氣或水分。

5 燃油系統抗污染設計

為了獲取高的污染容限，燃油系統設計必須充分考慮其抗污染能力。燃油系統的抗污染設計是燃油系統設計的重要組成部分，包括系統抗污染設計和部件抗污染設計。

5.1 系統抗污染設計

在進行系統方案設計時，必須根據系統的工作參數和環境條件，采取相應的抗污染設計措施。按燃油系統的工作流路，抗污染設計應包括如下方面：

（1）在燃油低壓區（如發動機增壓泵入口處），應盡可能提供較高的入口壓力，較低的入口油溫，較大流道面積及較少轉彎的入口管路，以獲取較高的入口NPSH值，來防止因氣塞或汽蝕造成燃油污染。依照軍用規范，入口處的汽液比(V／L)一般為0.45，特殊情況下不超過0.60。在選擇第1級油泵時，必須把抗臟性考慮在內。各類燃油泵的抗污染能力見表3。

表3 各類燃油泵抗污染能力

（2）在滿足系統總體要求前提下，盡量選擇那些在原理和結構上抗污染能力強的部件，以提高整個系統的污染容限。那些對污染十分敏感的部位，除應采取相應的污染控制外，還應在設計中考慮余度設計，以提高工作可靠性。

（3）針對系統的污染容限，合理、恰當地選擇和配備過濾器。大量試驗數據表明，提高過濾精度對系統的使用壽命有重要意義。但是，對大流量、高壓系統和主流路采用精細油濾不僅不必要，而且在設計參數的實現和結構安排上也十分困難。設計者大多在主流路上采用過濾度較低的主油濾，而在伺服油路、控制油路前加裝過濾度極高的最后油濾。

（4）有效地控制系統特別是容易產生過熱區的部件溫升，以防止高溫時燃油中的烴類物質生成膠狀物或形成積炭。

5.2 零部件抗污染設計

燃油附件對燃油污染的敏感度取決于附件的工作條件和附件本身的設計技術及工藝條件。

5.2.1 材料工藝選擇

（1）良好的耐磨減磨特性

在污染顆粒相同的情況下，污染物磨蝕特性的強弱是決定燃油附件壽命長短的主要因素。試驗表明，棉花纖維、過氧化鐵等硬度較低的污染物對元件的磨損幾乎看不出來，鐵屑的影響也微乎其微；如果顆粒硬度大大超過元件表面硬度，則磨損率會變得很高，如二氧化硅一類的堅硬顆粒對元件工作表面的磨損十分明顯。因此，滑動表面，特別是那些容易嵌入硬顆粒的摩擦副表面，必須進行硬化處理。對油料污染嚴重場合，滑動軸承內襯和軸表面的洛氏硬度都在Rc70以上，可以展現出很高的抗污染耐磨性。MoS2、F4、改性尼龍、液晶等在使用中都展現了良好的減磨特性。

（2）良好的化學穩定性

在元件基體選材和表面處理上，必須注意防止可能產生因化學作用引起的腐蝕破壞。MIL-STD-889中規定的異化金屬，在使用中不應相互接觸。對鋼及鋼合金、鋁及富鋁合金、富鎂合金、銅和銅基合金、鈦及富鈦合金都應采取相應的保護措施。橡膠、塑料1類封嚴材料應具有良好的耐油性，在規定的溫度范圍內，不發生起泡、起皺和其他變質現象。聚四氟乙烯和硬金屬O型圈作密封元件有很高的使用壽命。

（3）對污染物有良好的包容性

在污染條件下，污染顆粒通過擠壓充填作用，嵌入元件基體內，基體材料表現出對污染物具有“包容”作用。例如，銅錫合金一類軟金屬或孔隙結構粉末冶金等。

（4）良好的耐汽蝕破壞能力

大量資料表明，元件的汽蝕破壞具有廣泛性。幾乎所有燃油附件都存在程度不同的汽蝕破壞，在流速較高的部位尤為明顯。鎳基合金、鈦合金以及硬化鋼都有很高的抗汽蝕破壞能力。

5.2.2 結構設計細節（1）摩擦副不采用親合金屬。（2）摩擦副工作表面采用高硬度設計和高精度工藝加工。

（3）尺寸間隙的選擇必須在性能、壽命(磨損速率)間折衷。尺寸間隙一旦進入與其尺寸相近的污染顆粒，到嚴重劃傷，壓痕乃至卡死的幾率非常高，所以應選用適當過濾度的過濾器。

（4）出于性能考慮，那些要求配合間隙很小的部位（如伺服控制活門和調節活門），可采用旋轉式柱塞活門。由于旋轉作用，會產生某種動力油膜效應，不僅摩擦力小，滯后力小，從而提高系統精度，而且對間隙中的顆粒具有剪切作用，提高了抗污染能力和可靠性。

（5）盡量避免旋轉型摩擦副在干摩擦狀態下工作，至少保證邊界潤滑條件好。

（6）當燃油流速較高時，元件形狀盡量避免尖邊、凸起，原因是其對沖蝕破壞更為敏感。

（7）接觸面積較大的摩擦副，運動表面應留有納污槽(或孔)。

（8）避免采用易堵塞的小孔結構，如小節流噴嘴等，應選用有利于抗污的窗口結構。

（9）在滿足結構要求前提下，燃油附件殼體內盡量不采用狹長、轉折的內部流道。這種流道不僅加工、清洗檢驗困難，也容易形成流動死區，堆滯污染物，堵塞流道。殼體上內流路應短、近、直，有良好的可達性。

（10）流體液壓式機構遠比機械傳動式機構對污染物敏感。最好選用復雜的機械傳動系統來替代相對簡單的液壓作動機構，以提高抗污染能力行之有效。

5.2.3 摩擦副形式分析

（1）滾動摩擦

對滾動軸承必須保證其工作時有良好的潤滑及散熱條件。潤滑油污染、潤滑不當或油溫過高，都會加速軸承內、外圈跑道、滾珠和保持架的磨損，進而引起摩擦表面的內部疲勞、壓傷。當污染顆粒大于油膜厚度時，則會大大加速疲勞破壞。

（2）滑動摩擦

滑動摩擦的磨損機理見第2.1節。對流體動力型和彈性流體動力型潤滑，磨損取決于載荷、速度及污染度。保持油膜厚度，使污染顆粒不大于油膜厚度至關重要。對邊界潤滑，即使超精細顆粒也會造成磨損，因此要求油濾有極高的過濾度。相應地，對元件表面光潔度和尺寸精度要求也極高。

（3）滑動+滾動摩擦

如在輪齒嚙合過程中，油膜厚度從流體動力型、彈性流體動力型到邊界潤滑做局期性變化。

6 發動機燃油系統抗污染設計發展趨勢

6.1 FADEC燃油系統抗污染設計

FADEC在燃油控制系統上的應用將對抗污染設計提出更高的要求。西方航空大國的發動機控制系統已經完成了由機械液壓控制到數字電子控制的轉變。其中，美國的全權限數字電子控制系統（FADEC）已經發展到了第3代，并仍在快速發展。FADEC系統燃油計量裝置的關鍵技術有：輕質量、長壽命燃油泵技術；燃油計量活門技術；電液轉換裝置技術（包括電液伺服閥、高速閥、力矩馬達等）輕質量、耐高溫執行機構技術；可靠性及余度技術；機械液壓備份技術；定量泵的變速驅動技術；燃油系統建模及仿真技術。若燃油計量裝置抗污染設計不合理，即使有先進的電子控制器也難以實現理想的控制效果。

6.2 燃油系統典型部件設計

6.2.1 燃油泵

在正排量泵中，柱塞泵的抗污染能力差，多處精密摩擦偶件對污染顆粒十分敏感。除非特殊需要，盡量少采用。在齒輪式燃油泵中，內嚙合齒輪泵較外嚙合齒輪泵有更低的滾動及滑動速度，嚙合平穩，磨損速率低，抗污能力較強。齒間密封式齒輪泵可在美國軍用規范MIl-E-5007D規定的污染燃油中正常工作。泵出口處的獨立密封板和壓力作用密封板由減摩耐磨材料制成，可防止或補償由污染物造成的磨損。如圖1所示。

不論哪種類型齒輪泵，輪齒型面的磨損程度是最關鍵因素。齒面必須有強抗磨性，以把本身磨損造成的燃油污染降至最低，并對外來污染具有高的抗污染能力。齒輪的負荷決定了齒面間油膜不可能保持完整，齒面磨損主要與齒面溫度有關，燃油黏度是次要因素，因此要求材料在高溫時仍保持足夠硬度。實踐證明，氮化齒輪遠比滲碳硬化齒輪抗磨損能力強。

6.2.2 伺服電機驅動燃油計量裝置設計

航改燃氣輪機需要工作上萬小時，燃油調節器的高可靠性長壽命是技術困難必須對燃油調節器的開發給予充分重視。為此，開展研發設計旋轉活門燃油調節機構，具體研究目標是：針對航改燃氣輪機燃油調節器的精度高、響應快、提高抗污染能力強的要求，提出利用伺服電機作為數控系統的指令執行機構，直接驅動計量活門，以替代液壓伺服閥和隨動活塞驅動裝置，使用伺服電機作為活門的驅動機構，將簡化燃油調節器結構，降低對燃油清潔度的要求有積極意義。伺服電機有輸出力矩大和直接驅動負載的優點，同時將促進燃氣輪機燃油控制系統中活門驅動技術的多樣化發展。對伺服電機與燃油調節器一體化結構設計、小型驅動/控制器及位置閉環控制方法等關鍵技術進行研究，以驗證基于伺服電機的計量活門的位置控制精度、動態特性、環境適應性等能否滿足燃氣輪機的設計要求。伺服電機驅動旋轉計量裝置如圖2所示，旋轉計量活門對稱布置為雙窗口，限流活門設計有8個均壓孔，平衡了作用在活門上的多種液壓力，剪切好、抗污染能力強。

7 結束語

燃油中必然存在污染物，且較難被控制，故燃油控制系統設計要考慮可能長期連續使用帶污染物的燃油，或短期使用高度污染物的燃油，要采用高效的燃油與控制系統抗污染技術。從方案確立、選型到零、部件設計過程中，都要把抗污染指標放到主要位置，以期提高可靠性和使用壽命。目前，發動機燃油系統元件的污染度標準已相繼制訂。如何對航空發動機燃油系統元件污染物進行有效控制，已經成為制訂航空發動機燃油系統元件污染度標準的關鍵。

[1]張世檉.航空發動機設計手冊（第15冊）：控制及燃油系統[M].北京：航空工業出版社，2000.

[2]張紹基.俄羅斯航空發動機燃油與控制系統研究與展望[J].國際航空,1995

（12）.

[3]張懷安,張冬梅,薛艷等.噴氣燃料氧化安定性對航空發動機燃油系統沉積物生成的影響研究 [J].航空發動機,2008,2,36-38.

[4]祝世興.飛機液壓與燃油系[M].北京：兵器工業出版社,2004.

[5]夏志新.液壓系統污染控制[M].北京：機械工業出版社,1992.

[6]于靜.燃油污染及其維護[J].航空科學技術,2007（6）.

[7]祝剛,謝平.航空發動機燃油泵自動測試系統的設計[J].微計算機信息，2007（23）10.