高性能型航空渦輪發動機潤滑油的研制

尹開吉，唐紅金，梁宇翔，張建榮，賀景堅

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

航空渦輪發動機潤滑油被稱為發動機的血液，是發動機必需的關鍵配套材料。提高發動機推力的有效手段是提高渦輪前溫度，而渦輪前溫度的升高不可避免地會帶來潤滑系統溫度的升高；同時為降低發動機重量，減少發動機功率損失，滑油冷卻系統設計有愈加簡化的趨勢，也會引起潤滑系統溫度的升高。因此現階段航空渦輪發動機潤滑油的主要發展趨勢是進一步提高高溫穩定性，以承受先進發動機所產生的熱負荷，控制高溫成焦、沉積物生成，保持發動機清潔，保障發動機的長期、可靠、穩定運行[1]。

目前5 cSt航空渦輪發動機潤滑油的權威性能規范包括SAE制定的SAE AS5780D性能規范[2]和美國軍用標準MIL-PRF-23699G[3]。與MIL-PRF-23699G相比，SAE AS5780D增加了抗高溫結焦等試驗項目，對油品性能要求更為全面和嚴格。

SAE AS5780D規范中包括了兩種類型的航空發動機潤滑油：標準型(SPC)潤滑油和高性能型(HPC)潤滑油。其中HPC型潤滑油在保持理化性能要求一致的前提下，著重突出了高溫穩定性與抗高溫結焦性能，與SPC型潤滑油相比，高溫下酸值、黏度更為穩定，結焦量和沉積物顯著降低。國外知名石油公司已相繼研發推出了HPC型航空潤滑油產品，典型牌號包括Eastman Turbo Oil 2197、Mobil Jet Oil 387等。

1 關鍵原材料研制

4058潤滑油的出色性能很大程度上源自于性能優異的關鍵原材料。研究表明現有常規酯類基礎油、胺類抗氧劑的組合已難以滿足高性能型潤滑油的性能要求，因此，在4058潤滑油研發過程中致力于具有完全自主知識產權的高性能關鍵原材料的研發，包括了新型季戊四醇酯基礎油、新型胺類高溫抗氧劑。在此基礎上進行配方優選，實現了所有原材料國產化。

1.1 季戊四醇酯基礎油研究

多元醇酯基礎油具有良好的高溫穩定性，是理想的航空渦輪發動機潤滑油基礎油[4]，基于HPC型潤滑油高溫穩定性和理化性能要求，基礎油必須采用多元醇酯，且應當是季戊四醇酯。研究發現采用一定比例單季戊四醇和雙季戊四醇的混合醇與C5～C10的混合脂肪酸反應得到的單季戊四醇酯和雙季戊四醇酯混合產物性能最為優異，在黏溫性能、低溫性能、高溫穩定性和橡膠相容性等方面都具有明顯優勢[5-6]。

本研究所合成的季戊四醇酯基礎油的典型理化性能如表1所示。

表1 季戊四醇酯基礎油典型理化性能

1.2 新型高溫抗氧劑研究

對于高性能潤滑油，采用常規的胺類高溫抗氧化劑如烷基化二苯胺、苯基α萘胺等難以滿足其高溫穩定性要求，特別是沉積物生成量較多，因此研制了新型高溫抗氧劑。本研究不僅在實驗室合成了新型的低聚胺類高溫抗氧劑，還開展了多個批次的抗氧劑中試放大試驗，各批次產品理化性能穩定。所合成的抗氧劑命名為synaxo1，其典型理化性能如表2所示。

表2 synaxo1抗氧化劑典型理化性能

采用同一多元醇酯基礎油和基礎配方，將自主研發的抗氧劑synaxo1與常規抗氧劑及組合進行了腐蝕及氧化安定性對比，結果如表3所示。由表3可見，采用抗氧劑synaxo1的試樣酸值、黏度變化小，生成沉積物少，表現出優異的高溫穩定性。

表3 幾種抗氧劑的腐蝕及氧化安定性對比

2 配方優選

新型季戊四醇酯基礎油和高溫抗氧劑的研究為配方優選打下了良好的基礎，配方研究過程中重點進行了抗氧劑組合和極壓抗磨劑組合的篩選，著重提高4058潤滑油的高溫穩定性，特別是腐蝕與氧化安定性、高溫穩定性、抗高溫結焦等關鍵性能，同時兼顧良好的潤滑性能和理化特性，并對多種添加劑的橡膠相容性進行了系統考察[7]。基本確定配方體系后，對4058潤滑油進行了整體性能考察，根據試驗結果對配方進行優化完善，最終確定了配方體系。

2.1 抗氧劑組合篩選

抗氧劑組合以合成的新型高溫抗氧劑為主抗氧劑，優選特定金屬鈍化劑，顯示出良好的高溫穩定性。

對照指標要求，通過最高溫度腐蝕與氧化安定性試驗，對抗氧劑添加量進行了考察(218 ℃，72 h)，結果如表4所示。由表4可見，隨抗氧劑添加量升高，黏度變化率、酸值變化值和沉積物等試驗表現均顯著提高。

由于合成的抗氧劑黏度較大，其添加量對于油品的低溫黏度具有顯著影響，試驗結果如表5所示。

表4 抗氧劑添加量對腐蝕與氧化安定性的影響

按照研制指標要求運動黏度(-40 ℃)不大于13 000 mm2s，再考慮到指標余量，確定了抗氧劑添加量為N3。

表5 抗氧劑對油品低溫黏度的影響

2.2 極壓抗磨劑的篩選

極壓抗磨劑的篩選范圍主要包括磷酸胺類、磷酸酯類及其衍生物、噻二唑衍生物等，根據承載能力、橡膠相容性、腐蝕與氧化安定性等試驗表現進行綜合篩選，并通過WAM高速承載、FZG、四球、Falex、SRV等多種潤滑性能評價試驗考察潤滑效果，最終篩選確定了極壓抗磨劑組合。

對不同極壓抗磨劑組合進行了WAM高速承載能力對比評價，試驗結果如表6所示。由表6可見，所有組合均符合指標要求，其中組合3承載能力最高，組合2居中，與國外抗磨劑相當。

表6 高速承載能力試驗結果

在潤滑油配方體系中，極壓抗磨劑易對橡膠相容性、腐蝕與氧化安定性造成影響。因此對不同組合的其他性能進行了進一步考察，試驗結果如表7所示。由表7可見，組合3橡膠相容性已不滿足指標要求，盡管承載能力最高仍無法采用。綜合表6，組合2承載能力和橡膠相容性均好于組合1，腐蝕與氧化安定性各有優點，但均滿足指標要求，因此極壓抗磨劑選擇組合2。

表7 極壓抗磨劑對其他性能的影響

通過四球、FZG齒輪試驗等多種潤滑性能評價試驗考察潤滑性能和承載能力，結果如表8所示。FZG齒輪試驗是評定潤滑油承載能力的常用試驗，其中FZG是原西德慕尼黑技術大學齒輪設計研究所的簡寫。由表8可見，4058潤滑油的各項潤滑性能與國外參比油基本相當。

表8 潤滑性能試驗數據

3 性能考察

3.1 第三方性能數據

完成基礎油、抗氧劑和配方研究后，對4058潤滑油和HPC型國外油由第三方實驗室進行了性能評價對比，試驗結果如表9所示。由表9可見，4058潤滑油整體性能與HPC型國外油相當，高溫下酸值、黏度更為穩定，抗高溫結焦性能更優。

表9 性能驗證與對比數據

3.2 材料相容性

航空發動機潤滑油使用過程中需要與各種金屬材料和橡膠材料接觸，因此需要具有良好的材料相容性。4058潤滑油材料相容性試驗結果如表10所示。由表10可見，4058潤滑油具有良好的材料相容性。

表10 與發動機材料相容性試驗數據

4 質量控制

航空潤滑油是飛機的重要配套材料，直接關乎飛行安全，因此不僅需要具有優良的性能，還需要確保產品的質量和一致性，從而安全、可靠地配套飛機使用。

石科院多年從事航空發動機潤滑油的研發、生產，擁有航空潤滑油研制、生產、分析、技術服務的全套設備、技術和經驗，通過了GJB9001C和AS9100D航空航天質量管理體系認證。并針對4058潤滑油編寫了工藝控制(PCD)文件，詳細規定了從原材料接收到最終產品運輸的全過程工藝控制要求。按照PCD文件要求實施生產，能夠保證產品質量和產品一致性，并確保控制的有效性。

5 結 論

為滿足航空發動機對潤滑油的嚴苛要求，參照SAE AS5780規范，采用國產化的原材料，成功研制出高性能型(HPC)4058潤滑油。自主開發新型多元醇酯基礎油和新型高溫抗氧劑，研制的4058潤滑油高溫穩定性顯著優于標準型(SPC)潤滑油，高溫下酸值、黏度更為穩定，沉積物生成量極少，符合航空發動機潤滑油的發展趨勢。同時，4058潤滑油具有優良的理化性能、材料相容性、承載能力和潤滑性能，與國外參比油相當。