航线更换滑油类型对发动机运营经济性影响分析

航线更换滑油类型对发动机运营经济性影响分析

颜　颜¹　唐宏刚¹　戚学锋¹　王　鹏¹

（1．上海飞机设计研究院动力燃油系统设计研究部，上海　200235）

摘要：随着民用航空发动机推力和转速的不断增大，发动机的热负载持续增大，使得现役航空发动机在使用标准型滑油时，出现了涡轮转子轴承积炭结焦、高温区滑油管路积炭、滑油变质等问题，甚至由于滑油系统故障导致发动机空中停车，给航空公司航线运营安全性和经济性带来不利影响。针对相关问题，航空公司在航线中将发动机标准型滑油采用逐步加注的方式更换为高温型滑油，使问题得到有效解决，并极大节约了机队航线维护成本，有效提高了航线运营中发动机的使用经济性。

关键词：民用发动机；滑油；管路积炭；经济性；维护成本

Effect on Economic Performance of Airline Engine Fleet by Oil Type Replacement

Yan Yan¹ Tang Honggang¹ Qi Xuefeng¹ Wang Peng¹

(1.Powerplant and Fuel Systems Department,Shanghai Aircraft Design and Research Institute,Shanghai 200235)

Abstract:With the speed and thrust of civil turbine engine increasing,the engine thermal condition became more severe.When the standard oil was used in service engines,some issues such as the coking on the wall of turbine bearing,the coking in the oil system lines and oil performance degradation occurred which even led to engine shutting down in flight.These issues influenced the airline safety and operation cost reversely.Aiming at this condition,the airlines replaced the standard oil using the high temperature stable oil by adding gradually procedure to solve oil system issues.At the same time,the high temperature stable oil reduced the cost of engine maintenance greatly and improved the economic performance of the engine fleet.

Key words:Civil Turbine Engine;Oil;Coking in Line;Economic;Maintenance Cost

0　引言

随着投入航线运营的民用航空发动机推力和转速的不断增大，发动机的热负载随之持续增大。使得航空公司在使用现役标准型滑油时，出现了滑油管路积炭、滑油变质，甚至由于滑油系统故障导致的发动机空中停车，给安全性和经济性带来不利影响。航空公司换用高温型滑油后使问题得到有效解决，并极大节约了机队航线维护成本，有效提高了发动机的使用经济性。本文对航空公司更换滑油前后的情况、高温型滑油对现役发动机的影响、更换滑油的价值预测等方面进行讨论，完成航线更换滑油类型对发动机运营经济性的影响分析。

1　标准型和高温型滑油对比

目前，航空滑油适用的规范主要为针对所有航空发动MIL-PRF-23699F和仅针对民用航空发动机的SAE AS5780，两个标准中对标准型和高温型滑油均有规定。由于AS5780具有更全面的性能要求和质量控制要求，以及良好的操作性和针对性。其在航空业的影响力逐渐增强，是民用航空发动机滑油标准的主要发展方向。

通过分析目前各牌号滑油的市场占有率可知，标准型滑油的主要代表为Mobil Jet Oil II，由美国埃克森美孚石油公司研发制造，于19世纪70年代进入中国市场，并一直在国内市场占据主导地位。高温型滑油的主要代表为BP2197，由英国石油公司研发，于1995年投入市场，积累使用经验超过2亿发动机飞行小时，在高温型滑油市场占有83%的份额，如图1所示。

图1　BP2197高温型滑油市场占有率（2011．8统计）

由于BP2197滑油的研制起始时间远晚于Mobil Jet Oil II，因此BP2197滑油的基本物理性能和化学性能优于Mobil Jet Oil II，并在热稳定性、高温氧化安定性、沉积性能、水解稳定性方面尤为突出，两类滑油的润滑性能相当。随着航空发动机热负载状态温度的提升，结构更加稳定、耐高温、抗氧化的高温滑油，将是航空发动滑油应用发展的主要方向，现阶段高温型滑油的市场占有率正逐年上升，发展趋势如图2所示。

图2　高温型滑油市场占有率趋势

2　发动机及APU换油前后状态

2．1　使用标准性滑油时状态

更换滑油程序进行前，航空公司各机队基本使用标准性滑油，陆续出现以下问题：

新发动机（如CFM56-7B）投入运行后，由于发动机热负荷增大，涡轮区域的工作温度高，在使用标准型滑油时，出现如图3所示的涡轮转子轴承内部积炭问题，给发动机的寿命和日常维护带来不利影响。

图3　发动机涡轮转子轴承积炭情况

由于新发动机热负荷增大，停车后回热温度更高，导致穿过发动机涡轮后支撑（TRF）中的供油管和回油管积炭故障，滑油系统压力显著升高，如图4和图5所示。经某航空公司CFM56-7B机队统计，12台工作时间处于2 500～9 600循环的发动机，供油管横截面出现堵塞的面积42%～98%不等，导致发动机由于滑油系统故障引起的非计划性换发次数增多，给航空公司带来较大的经济损失。

图4　涡轮后支撑结构TRF中的滑油供油/回油管路

图5　TRF滑油供油和回油路管路积炭情况

2．2　更换高温型滑油后状态

基于以上问题，国航、东航、海航、深航、山东航等多家航空公司通过将发动机滑油由标准型更换为高温型，各公司的发动机机队运营数据显示以上故障基本得到解决。

CFM56-7B机队更换滑油后，滑油压力呈下降趋势，图6给出经过17 221小时/6 782个循环运行的发动机穿过TRF的滑油系统回油管的情况，从图中可看出TRF中回油管积炭状况改善、基本不存在积炭量。

图6　换油后TRF中回油路管路情况

CFM56-7B发动机出现的涡轮转子轴承内部积炭问题，在发动机使用高温型滑油后得到有效解决，图7给出经过6 410小时/2 670个循环运行的发动机涡轮转子轴承的内部情况，从图中可看出内壁清洁，无任何积炭和结焦问题出现。

图7　换油后的涡轮转子轴承腔情况

某航空公司发动机机队使用高温润滑油后的总小时超过1 000万发动机小时，更换润滑油之后，机队没有任何发动机由于积炭、结焦等导致高滑油消耗而引起的非计划性换发。

3　高温型滑油对现役发动机影响

由于高温型滑油的初始研发时间晚于现役发动机，高温油对现役发动机附件齿轮箱（AGB）上的旋转封严安装部件的封严圈产生影响，下面以B737飞机装配的CFM56-7B为例进行说明。

CFM56-7B发动机更换使用高温滑油后，在AGB旋转式封严的安装结合面处观察到滑油渗漏现象，在该发动机上，旋转封严位于燃油泵、发电机和液压泵三个安装结合面上，如图8所示。分析原因为O型圈在高温滑油的腐蚀下性能退化导致漏油，对安装结合面处的检查结果如下：

图8　CFM56-7B发动机AGB旋转封严安装面

旋转环上的O型圈存在挤压现象，在旋转方向上边缘被剪切掉，损伤如图9所示。

图9　CFM56-7B发动机AGB封严O型圈的损伤情况

所有使用VitonE材料的O型圈均出现热化学老化现象，膨胀约30%～35%。

CFM公司针对以上问题进行了封严圈的材料试验，得到与高温油兼容的VitonGLT材料，并发布一系列服务通告和相关措施。

AGB旋转式封严的O型圈更换为VitonGLT材料，考虑经济性允许航空公司进行在翼更换有缺陷封严的O型圈，以降低成本。

新生产的发动机已对AGB的密封圈进行升级。

航空公司只能采购已完成升级的AGB备件。

通过发动机公司的以上措施，有效解决了发动机AGB安装部件密封圈与高温油不兼容问题，并将成本影响降低至最低。

4　更换滑油成本预估

为更有利地分析航线中更换滑油对运营中的发动机经济性的影响，以下更换滑油成本计算模型可用于预测航线中将发动机滑油由标准型更换为高温型对整个机队成本的变化。模型中考虑了航线维护成本，如：TRF滑油管的检查成本、TRF滑油管的更换、滑油取样及分析、滑油变质（及对部件带来的损伤）等，以及因航班延误，取消等造成的非直接成本损失。模型自带发动机数据库，其中包括Trent700，Trent800，CF6，V2500，CFM56-5B，CFM56-7B等型号发动机。使用者需设定机队基本信息，包括发动机型号、数量、航线C检周期时间、人工成本费用，机队信息设定完成后模型将自行预加载的成本计算基本假设信息，同时使用者可根据自身实际情况对加载数据进行更新。基本假设信息包括：滑耗、滑油管成本、返厂清洗滑油管成本、检查TRF滑油管人工成本、更换TRF滑油管人工成本、滑油系统故障引起的其他严重故障如空中停车等、严重故障产生的费用等，如图10所示。同时该模型可对航空公司在特定运营条件下其他可能产生的成本进行加载，保证预估结果的准确性。模型完成计算后，将给出成本预测结果，如图11所示，该航空公司共有CF6-80，CFM56-5B，Trent700三个机队，换用高温型滑油后每年在航线维护方面能够节约94 537美元，能够有效改善整个发动机机队的经济性。

图10　滑油更换成本计算模型预加载参数

注：1gal＝4．55×10^-3m³

图11　滑油更换成本计算模型预测结果

5　总结

通过以上分析可知，航线上通过将发动机滑油由标准型更换为高温型的途径能够有效解决滑油系统积炭、结焦等问题，保证航线运营安全。使用高温滑油后，能够大幅降低机队维护成本，对航线上发动机运营经济性的有着极大的帮助。同时，对于正在研发的下一代发动机，如CFM公司的LEAP-1C和PW公司的GTF等，其热负荷将更加严峻，标准型滑油已不适合使用，直接使用高温型滑油已成为必要措施。

参考文献

[1] BP公司航空发动机滑油[G].2011年高峰会议交流材料.

[2] CFM56-7B发动机维护手册[M].CFM发动机公司,2010.

[3] AS5780Core Requirement Specification for Aircraft Gas Turbine Engine Lubricants[S].SAE International,2000.

[4] Bruce R.AS5780Turbine Oil Specification Introduction[G]2008.