燃气涡轮发动机运行油的研制与评价.pdf

合 成 润 滑 材 料SYNTHETIC LUBRICANTS2023年第50卷第2期0引言防腐型燃气涡轮发动机油分为封存油和运行油两种，封存油用于发动机的长期储存和短期润滑，运行油是一种兼顾发动机长期运行和防腐两用的新型润滑油，是燃气涡轮发动机润滑油的研究热点。低黏度（3 mm2/s）合成燃气涡轮发动机油广泛应用于空中装备，其技术性能更侧重于高低温性能，对油品的抗腐蚀性能（防锈）的要求并不严格，当飞机或船舶处于海洋环境下（潮湿、高温、高盐分）等恶劣环境时，普通低黏度燃气涡轮发动机油的抗腐蚀性能就存在明显的不足，达不到海洋环境下的使用要求1。为了解决海洋环境下燃气涡轮发动机的轴承腐蚀问题，美军在1994年颁布的中黏度（5 mm2/s）合成航空涡轮发动机油规范（MIL-L-23699E规范）中首次增加了C/I（防腐型）润滑油规格，2014年美军修订并颁布了MIL-PRF-23699G规范，并在附录A收稿日期：2023-02-22修稿日期：2023-03-01著者简介：孙晓勃，硕士，工程师，现主要从事难燃液压油和航空润滑油的开发和应用研究，已公开发表论文5篇。通讯著者：李霞（女），高级工程师，现主要从事航天仪表油及高温链条油的开发和应用研究，已公开发表论文3篇。DOI：10.3969/j.issn.1672-4364.2023.02.004推荐引用格式：孙晓勃，焦自涛，毛福荣，等.燃气涡轮发动机运行油的研制与评价 J.合成润滑材料，2023，50（2）：14-19.燃气涡轮发动机运行油的研制与评价孙晓勃1，焦自涛2，毛福荣2，顾辰2，李霞1（1.中国石化润滑油有限公司西南分公司，重庆 400039；2.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）摘要：为了解决海洋环境下燃气涡轮发动机的轴承腐蚀问题，以多元醇酯为基础油研发了一款低黏度（3 mm2/s）的防腐型燃气涡轮发动机运行油，同时对研制的运行油及参比油的性能进行了对比评价。研制的运行油较参比油有更为优异的抗轴承腐蚀性能和抗湿热能力，其理化性能，抗氧化腐蚀性能，FZG承载性能和橡胶相容性与参比油相当，且通过了50 h的轴承性能试验，400 h的轴承强化试验及1600 h的燃气涡轮发动机试验，能够满足海洋环境下燃气涡轮发动机系统的润滑和防护要求。（图2表7参考文献2）关键词：多元醇酯 低黏度 防腐蚀性能 轴承试验 涡轮发动机试验中图分类号：TE 666文献标志码：A文章编号：1672-4364（2023）02-0014-06Study on Performances of Benzyl Sulfide in Base OilsLi Senyan，Yang Yang，Sun Jingwei，Pan Zhuo，Liu Dajun（Sinopec Research Institute of Petroleum Processing，Co.，Ltd.，Beijing 100083，China）Abstract：Benzyl sulfide was synthesized from benzyl chloride，sodium sulfide，and sulfur yellow powder.The structure and composition of the synthesized benzyl sulfide were characterized by infrared spectroscopy（IR）and gas chromatography-mass spectrometry（GC-MS）.The benzyl sulfide mainly consisted of 14.20%benzylmercaptan，5.26%dibenzyl sulfide，68.36%dibenzyl disulfide，and 12.18%dibenzyl trisulfide and it hadexcellent thermal stability.The solubility，wear resistance，and antifriction performance of benzyl sulfide in baseoils such as PAO6，150BS and dioctyl sebacate（DOS）were evaluated.The wear resistance of PAO6，150BS andDOS was improved by the synthesized benzyl sulfide.It had a good antifriction effect on 150BS，but theantifriction effect in DOS was not obvious，and had a negative impact on the antifriction performance of PAO6.（Charts9 Tables2 References7）Keywords：thermal stability；solubility；wear resistance；antifriction performance142023年第50卷第2期中对轴承腐蚀试验方法进行了详细描述。目前，符合MIL-PRF-233699G规范中的C/I型燃气涡轮发动机润滑油已被美国海军广泛使用在曝露于含盐空气、热带环境或其他不可避免的化学腐蚀环境的涡轮发动机上，中国石化润滑油有限公司也成功开发了 MIL-PRF-23699 规范中的 C/I 型中黏度（5 mm2/s）防腐型合成航空涡轮发动机油，但低黏度（3 mm2/s）的防腐型燃气涡轮发动机运行油的开发还未见报道，为此有针对性地研发了一款低黏度（3 mm2/s）的防腐型燃气涡轮发动机运行油 2。1研制目标在参考 合成航空润滑油：GJB135A标准中的L 型合成航空润滑油规格及美军 LUBRICATINGOIL，AIRCRAFT TURBINE ENGINE，SYNTHETICBASE：MIL-PRF-23699G 规范中的 C/I 型合成航空润滑油中的轴承腐蚀性能要求的基础上，确定了拟研制的低黏度（3 mm2/s）防腐型燃气涡轮发动机运行油的技术指标，详见表1。表1拟研制的低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油技术指标项目外观150 运动黏度/（mm2s-1）100 运动黏度/（mm2s-1）40 运动黏度/（mm2s-1）-40 运动黏度/（mm2s-1）低温（-51）依次静置35 min，静置3 h及静置72 h后的黏度稳定性/（mm2s-1）闪点（开口）/酸值/（mgg-1）固体颗粒杂质（0.45 m和3.0 m滤膜）杂质含量/（mgL-1）过滤0.95 L油品的时间/min过滤223 mL油品的时间/min静态泡沫特性泡沫体积/mL泡沫破灭时间/s相容性试验（以200 mL油计）与符合GJB135标准的油品混溶后沉淀物/mL与符合GJB1263标准的油品混溶后沉淀物/mL与符合GJB2377标准的油品混溶后沉淀物/mL蒸发损失（205，6.5 h），%低温氧化腐蚀试验（175，96 h）40 运动黏度变化率，%酸值增加值/（mgg-1）15号钢片，1号银片及LY12铝片质量变化/（mgcm-2）MB2镁片，TC4钛片及M50钢片质量变化/（mgcm-2）T2铜片质量变化/（mgcm-2）高温氧化腐蚀试验（200，96 h）40 运动黏度变化率，%酸值增加值/（mgg-1）15号钢片，1号银片，LY12铝片，TC4钛片及M50钢片质量变化/（mgcm-2）MB2镁片及T2铜片质量变化/（mgcm-2）技术指标均相透明报告3.0报告370017 0002001.01030报告报告报告0.0050.0050.0530-5+152.0-0.2+0.2-0.2+0.2-0.4+0.4-5+254.0-0.2+0.2-0.4+0.4方法目测GB/T265GB/T265GB/T265GB/T265GJB1264.4GB/T3635GB/T7304GJB1264.5GJB498GJB562GB/T7325GJB499GJB499孙晓勃，等.燃气涡轮发动机运行油的研制与评价15合 成 润 滑 材 料SYNTHETIC LUBRICANTS2023年第50卷第2期在表1列出的技术指标中，轴承腐蚀性，橡胶相容性，氧化腐蚀试验，FZG齿轮试验是拟研制的低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油的核心技术指标。2燃气涡轮发动机运行油的研制2.1基础油的合成合成燃气涡轮发动机运行油的基础油多采用不含氢原子的多元醇与不同的脂肪酸或混合脂肪酸酯化得到，典型的有新戊二醇酯、季戊四醇酯、三羟甲基丙烷酯和双季戊四醇酯等。通过调整脂肪酸的配比，合成了一种多元醇酯基础油，其典型理化性能见表2。表2多元醇酯基础油的典型理化性能项目外观100 运动黏度/（mm2s-1）40 运动黏度/（mm2s-1）-40 运动黏度/（mm2s-1）-51 运动黏度/（mm2s-1）低温（-51）黏度稳定性/（mm2s-1）静置35 min静置3 h静置72 h凝点/酸值/（mgg-1）闪点（开口）/蒸发损失（205，6.5 h），%典型数据均相透明3.21212.5122959021975398919846-630.0322318.9方法目测GB/T265GB/T265GB/T265GB/T265GJB1264.4GB/T510GB/T7304GB/T3635GB/T7325从表2的典型理化性能中可以看到，合成的多元醇酯基础油的运动黏度，低温（-51）黏度稳定性，酸值，闪点（开口）及蒸发损失等均满足确定的低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油的技术指标要求（参见表1），可作为拟研制的低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油的基础油。2.2燃气涡轮发动机运行油在合成的多元醇酯基础油中加入精选的高效无灰型添加剂，得到了研制的低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油。3燃气涡轮发动机运行油的评价下面将对研制的低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油的理化性能，轴承腐蚀性能，抗湿热性能，氧化腐蚀性能，FZG承载性能及橡胶相容性进行评价，并与参比油（符合 GJB 135B L型标准）进行对比；同时对低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油的轴承持久性试验及整机试验进行考核。3.1理化性能研制的低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油的理化性能评价结果及与参比油的对比见表 3（见下页）。从表3的评价结果中可以看到，研制的低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油的各项理化性能均续表1拟研制的低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油技术指标项目橡胶相容性试验丁腈胶（70，168 h）体积变化，%拉伸强度变化，%拉断伸长率变化，%硬度变化，%氟橡胶（175，72 h）体积变化，%拉伸强度变化，%拉断伸长率变化，%硬度变化，%氟硅橡胶（150，72 h）体积变化，%拉伸强度变化，%拉断伸长率变化，%硬度变化，%微量金属含量/（gg-1）铁，镁，镍，铬及铝铜，银及钛锡硅，铅及钼轴承腐蚀性试验（轴承滚道无腐蚀比例），%新油175 氧化腐蚀试验后的过滤油样FZG齿轮试验失效级/级技术指标12355050202255050202255050报告214报告5050报告方法SH/T 0436GB/T17476MIL-PRF-23699G附录ANB/SH/T0306162023年第50卷第2期图1轴承腐蚀试验后的外观从图1的评价结果可以看到，研制油及其应力油的轴承防腐蚀性能明显优于参比油及其应力油，研制油试验后的轴承滚道均未发生锈蚀，而参比油及其应力油的轴承滚道几乎全部锈蚀。3.3抗湿热性能海洋环境湿热的空气中携带了大量的水分，会吸附在金属部件表面形成水膜，水膜吸收可溶性物质会形成腐蚀电池，从而加速了金属部件的锈蚀。采用 防锈油脂湿热试验法：GB/T 2361方法，对比评价了研制油和参比油在湿热环境下对10号钢片的防护性能，评价结果见图2。图2抗湿热性能评价结果图2的评价结果显示，在相同试验条件下，研制油通过了120 h的湿热试验，试验后的10号钢片表面光洁无锈，而参比油不到24 h就发生了严重的锈蚀。3.4氧化腐蚀试验润滑油在使用过程中受到高温、空气和金属催化等的作用，容易发生氧化变质，生成酸性物质和沉积物，酸性物质会腐蚀金属，降低金属材料的使用性能，并有可能影响到油品的高温性能和润滑性能，或使润滑油的换油周期缩短。氧化腐蚀试验反映的是在高温、金属及氧存在的条件下油品的变质情况，是评价润滑油氧化腐蚀性能的常用方法。氧化腐蚀试验后油品的运动黏度变化率越小，酸值增加值越小，金属腐蚀越小，说明油品的抗氧化腐蚀性能越好。采用 航空涡轮发动机润滑剂腐蚀性和氧化安定性测定法：GJB499方法，对比评价了研制油与参比油的抗氧化腐蚀性能，结果见表4（见下页）。表3低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油理化性能评价结果及与参比油的对比项目外观150 运动黏度/（mm2s-1）100 运动黏度/（mm2s-1）40 运动黏度/（mm2s-1）-40 运动黏度/（mm2s-1）低温（-51）黏度稳定性/（mm2s-1）静置35 min静置3 h静置72 h闪点（开口）/酸值/（mgg-1）固体颗粒杂质（0.45 m和3.0 m滤膜）杂质含量/（mgL-1）过滤0.95 L油品的时间/min过滤223 mL油品的时间/min静态泡沫特性泡沫体积/mL泡沫破灭时间/s研制油均相透明1.6443.24312.6823179782981698922200.422.3102.1907参比油均相透明1.6953.30113.06240010 32010 46010 6202180.192.9112.81209项目相容性试验（以200 mL油计）与符合GJB135标准油品混溶后沉淀/mL与符合GJB1263标准油品混溶后沉淀/mL与符合GJB2377标准油品混溶后沉淀/mL蒸发损失（205，6.5 h），%微量金属含量/（gg-1）铁铜镁镍银铬钛锡硅铝铅钼研制油0.0050.0050.00518.620.20.30.21.00.50.30.24.00.30.31.50.5参比油0.0050.00518.380.20.30.21.00.50.30.24.00.30.31.50.5达到了技术指标的要求（参见表1），与参比油的理化性能相当。3.2轴承腐蚀性能海洋环境下，燃气涡轮发动机的轴承和齿轮等部件很容易发生锈蚀，因此要求润滑油必须具有优异的防锈性能。参考美军 LUBRICATING OIL，AIRCRAFTTURBINE ENGINE，SYNTHETIC BASE ：MIL-PRF-23699G规范附录A轴承腐蚀性能的评定方法，对研制的低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油（研制油新油），低温氧化腐蚀试验（175，96 h）后的过滤油样（应力油）的轴承腐蚀性能进行了评价，并与参比油及参比油应力油进行对比，见图1。孙晓勃，等.燃气涡轮发动机运行油的研制与评价17合 成 润 滑 材 料SYNTHETIC LUBRICANTS2023年第50卷第2期从表4的评价结果中可以看出，在175 下，研制油的40 运动黏度变化率，酸值增加值与参比油相当；在200 下，研制油的40 运动黏度变化率与参比油相当，酸值增加值较参比油略小，表明研制油与参比油的抗氧化腐蚀性能相当。3.5FZG承载性能燃气涡轮发动机运行油在使用过程中除了起冷却发动机的作用外，还承担着润滑轴承和齿轮的功能，因此要求燃气涡轮发动机运行油应具有良好的润滑性能。采用 润滑油承载能力的评定 FZG目测法：NB/SH/T 0306方法对比评价了研制油与参比油的承载能力，评价结果见表5。从表5的评价结果中可以看出，研制油和参比油的FZG齿轮失效级数均为8级，承载能力相当。3.6橡胶相容性燃气涡轮发动机运行油在使用过程中不可避免地要与橡胶密封件接触，如果与橡胶密封件的相容性不好，就会导致橡胶密封件过度收缩或者膨胀，使密封失效，造成润滑油泄漏，从而产生润滑故障，危及飞行安全。采用 航空用合成润滑油与橡胶相容性测定法：SH/T 0436方法对比评价了研制油和参比油与丁腈胶（NBR-H），氟橡胶（FKM）以及氟硅橡胶（FS6265）的相容性，结果见表6。表6橡胶相容性评价结果项目体积变化，%拉伸强度变化，%拉断伸长率变化，%硬度变化，%丁腈胶（70，168 h）研制油31.223.021.415.0参比油32.023.620.915.5氟橡胶（175，72 h）研制油18.636.932.412.7参比油20.035.024.011.0氟硅橡胶（150，72 h）研制油11.039.029.312.5参比油10.034.021.013.0从表6的评价结果中可以看出，研制油的橡胶相容性与参比油相当。3.7轴承持久性考核为了验证研制的燃气涡轮发动机运行油对发动机轴承的持久防护能力，进行了研制油的轴承持久性考核。研制油通过了2套各50 h的轴承性能试验及1套400 h的轴承强化试验，试验后各轴承旋转灵活，轴承精度满足标准要求，表明研制油能够满足发动机轴承的防锈抗腐蚀及润滑性能的要求。3.8燃气涡轮发动机整机试验考核为了验证研制的燃气涡轮发动机运行油在使用过程中的稳定性及对燃气轮机的适应性，开展了1600 h的燃气涡轮发动机整机试验，试验完成后检查燃气轮机润滑系统内各部件的磨损及锈蚀情况。试验期间燃气轮机运转正常，试验完成后润滑系统内无异常结焦、积炭及锈蚀，主轴承无磨损、腐蚀及锈蚀。燃气涡轮发动机整机试验结果表明：研制的燃气涡轮发动机运行油性能稳定，在长时间运转后仍能够达到新油的性能水平，试验后润滑系统表4氧化腐蚀试验评价结果低温氧化腐蚀试验（175，96 h）40 运动黏度变化率，%酸值增加值/（mgg-1）15号钢片质量变化/（mgcm-2）1号银片质量变化/（mgcm-2）LY12铝片质量变化/（mgcm-2）MB2镁片质量变化/（mgcm-2）T2铜片质量变化/（mgcm-2）TC4钛片质量变化/（mgcm-2）M50钢片质量变化/（mgcm-2）研制油9.120.300000000参比油9.360.350000000高温氧化腐蚀试验（200，96 h）40 运动黏度变化率，%酸值增加值/（mgg-1）15号钢片质量变化/（mgcm-2）1号银片质量变化/（mgcm-2）LY12铝片质量变化/（mgcm-2）MB2镁片质量变化/（mgcm-2）T2铜片质量变化/（mgcm-2）TC4钛片质量变化/（mgcm-2）M50钢片质量变化/（mgcm-2）研制油18.230.780000000参比油17.721.130000000表5承载能力评价结果项目FZG齿轮失效级/级研制油8参比油8182023年第50卷第2期表7 1600 h燃气涡轮发动机整机试验后研制油的氧化腐蚀试验结果低温氧化腐蚀试验（175，96 h）40 运动黏度变化率，%酸值增加值/（mgg-1）15号钢片质量变化/（mgcm-2）1号银片质量变化/（mgcm-2）LY12铝片质量变化/（mgcm-2）MB2镁片质量变化/（mgcm-2）T2铜片质量变化/（mgcm-2）TC4钛片质量变化/（mgcm-2）M50钢片质量变化/（mgcm-2）研制油10.570.680000000高温氧化腐蚀试验（200，96 h）40 运动黏度变化率，%酸值增加值/（mgg-1）15号钢片质量变化/（mgcm-2）1号银片质量变化/（mgcm-2）LY12铝片质量变化/（mgcm-2）MB2镁片质量变化/（mgcm-2）T2铜片质量变化/（mgcm-2）TC4钛片质量变化/（mgcm-2）M50钢片质量变化/（mgcm-2）研制油18.291.170000000从表7的试验结果中可以看到，1600 h燃气涡轮发动机整机试验后的运行油的氧化腐蚀试验结果仍然满足技术指标的要求（参见表1）。4结束语（1）以多元醇酯为基础油，加入精选的高效添加剂成功地研制了一款无灰低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油。（2）研制的低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油较参比油具有更为优异的抗轴承腐蚀性能和抗湿热能力。（3）研制的低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油具有与参比油相当的理化性能，抗氧化腐蚀性能，FZG承载性能和橡胶相容性。（4）研制的低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油通过了某型轴承2套各50 h的性能试验及1套400 h的强化试验，试验后各轴承旋转灵活，精度指标满足标准要求。（5）研制的燃气涡轮发动机运行油在燃气涡轮发动机整机试验过程中性能稳定，能够满足燃气涡轮发动机的运行需求且适应性良好。（6）研制的低黏度防腐型燃气涡轮发动机运行油能够满足海洋环境下（高温、潮湿、高盐分）燃气涡轮发动机系统的润滑和防护要求。参考文献：1 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（9）：112-117.2 孙晓勃，苏壮，马楷，等.国产中等黏度防腐型合成航空发动机油性能评价 J.合成润滑材料，2021，48（2）：8-10.Development and Evaluation of Gas Turbine Engine Running OilSun Xiaobo1，Jiao Zitao2，Mao Furong2，Gu Chen2，Li Xia1（1.Southwest Branch of Sinopec Lubricant Co.，Ltd.，Chongqing 400039，China；2.AECC Shenyang Engine Institute，Shenyang 110015，China）Abstract：In order to solve the bearing corrosion problem of gas turbine engine in marine environment，a lowviscosity（3 mm2/s）corrosion-resistant gas turbine engine running oil was developed based on polyol ester.At thesame time，the performances of the developed running oil and the reference oil were comparatively evaluated.Thedeveloped running oil had better bearing corrosion resistance and damp heat resistance than the reference oil.Itsphysicochemical performances，oxidation resistance and corrosion resistance，FZG bearing performance andrubber compatibility were equivalent to those of the reference oil.And it had passed 50 h bearing performancetest，400 h bearing strengthening test and 1600 h gas turbine engine test，which could meet the lubrication andprotection requirements of gas turbine engine system in marine environment.（Charts2 Tables7 References2）Keywords：polyol ester；low viscosity；corrosion resistance；bearing test；turbine engine test内部检查结果说明能够满足燃气轮机运行需求，且适应性良好。1600 h燃气涡轮发动机整机试验后的运行油的氧化腐蚀试验结果见表7。孙晓勃，等.燃气涡轮发动机运行油的研制与评价19