航空发动机燃油系统抗污染综述

2.1 固态污染物 固态污染物是最危险的 1 种
污染物，包括金属毛刺、飞边、焊 渣、尘埃、砂粒、氧化皮、橡胶颗粒、 油垢、镀（涂）层剥落物、油液衍生 化合沉淀物及高温时生成的碳化 粒子等。这类污染物主要来自：
（1）潜在污染：零部件装配前 清洗不彻底，或在装配及注油时混 入污染物。
（2）环境污染：执行机构未装 防尘装置或空气过滤器。
2010 年 第 36 卷 第 6 期 Vo l.36 No .6 De c. 2010
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航空发动机燃油系统抗污染综述
孙晓军，吴 新，栾 东 (沈阳发动机设计研究所,沈阳 110015)
摘要：通过对航空油料污染途径、方式及污染机理进行分析，指出了油料污染对 飞机和发动机造成危害的严重性，提出了航空发动机燃油系统抗污染控制技术和设 计技术，探讨了未来航空发动机燃油系统对抗污染能力要求及相应的抗污染设计技 术的发展趋势。
须经常涂防腐层并及时清洗，及时 和 15 μm 过滤的燃油相比，其元
报废污染严重的容器，定期检查油 件 磨 损 率 分 别 可 降 低 74％ 和
水分离器和油滤滤芯。加注到飞机 92％。发动机燃油过滤系统大多由
主油滤、专用油滤和回油滤组成。 油箱内的燃油污染标准各国均有
明确规定，见表 2。
发动机主燃油系统和加力燃油系
0.25
关、流量计，特 别
1.75
1.00
是燃、滑油散热器
1.00
时产生的污染物。
对于诱发污染物
8.00
较多的主泵和加
力泵来说，在燃油
调节器的抗污能
棉绒纤维
7 级以下（纤维长）
（美国农业部分级 标准 SRA- AMS180
0.10
和 251）
力较差时，泵后需 加装高压油滤。采
原环酸
体积的 0.03％ 用 燃 油 滤 装 在 有
污染颗粒 尺寸 /μm
国际航运 协会
美国 MIL- F- 8901
英国空军
苏 ΓOCT10577 - 63 污染物
<5
0.5 mg/l
0.0002%
污染物 5～10 0.00012%
0.0001%或 2.65 mg/l
>10 按质量计
0.53 mg/l
心泵入口节 流阀作动活 塞腔、电液伺 服阀作动腔、 计量油活门
须对燃油的提炼、运输、储存、使用 油流经燃油系统时产生自身污染
等各环节实施污染控制。在油料使 和环境污染而超出污染容限，过滤
用前，必须经过严格地过滤，并按 系统对保持规定污染度有极其重
加油规定操作，定期地排放加油设 要意义。
备中的沉积物。事先要对准备加注
对比试验表明，经过滤网孔直
的燃油进行定时沉降，油罐内壁必 径 0.8 μm 过滤的燃油与经 5 μm
过程发生在元件表面，对表面产生 应力循环，造成疲劳破坏。 3.2 化学腐蚀
因元件表面和油液中的各种 化学元素的化学反应而产生的磨 损都称化学腐蚀，包括电化腐蚀、 液流电势反应及对表面的直接化 学侵蚀。对元件表面极易引起化 学反应的物质有空气、氯化碳氢 化合物溶液及耐压添加剂等。化 学腐蚀污染以 2 种方式出现： （1） 元件表面反应生成物溶于油 液 中 ，被 油 液 带 走 ；（2）元 件 表 面 生成硬壳，使运动副间隙变小或 变大，引起流量变化和静摩擦变 化；当硬壳剥落时，硬壳颗粒将导 致元件表面加速磨损。 3.3 油料变质
把盐溶解在蒸馏水中制 成盐水，该蒸馏水含其它水 不得超过总水量的百万分 之 200
NaCl 4％
水 96％ （质量计）
超净过滤要求的 体积的 0.01％ 执 行 作 动 机 构 入
口（如柱塞泵随动
等）。上述部位大多是精密偶件，抗 污能力弱，对污染极为敏感。根据 具体情况，其过滤度一般控制在 10～20 μm，精细的可控制在 5～ 10 μm。回油滤装在回油路上，对 控制燃油附件工作时自身生成污 染物有重要意义。但是，即便是最 成功的设计，燃油附件本身的诱发 污染也是不可完全避免的。污染物 来源于（: 1） 运动摩擦过程中的磨 损颗粒；（2） 元件表面皱层剥落； （3）汽蚀破坏过程中剥离的金属颗 粒；（4） 高温工作状态生成胶质和 沉积物；（5） 装配过程或加工过程 中残留于部件内的杂质(如金属飞 边，毛刺，橡胶切边等)在工作过程 中被燃油冲刷出来；（6） 某些封严 不良处侵入空气或水分。
3 污染物对燃油系统污染破 坏方式
污染物对燃油系统造成的破 坏方式有加速磨损与疲劳破坏、 化学腐蚀、油液变质及机械阻塞 与卡滞。 3.1 加速磨损与疲劳破坏
其主要由固态污染物引起。固 体颗粒嵌入运动表面，使运动表面 产生压痕、划伤、沟槽，使材料产生 错位和滑移，与颗粒接触的运动表 面附近产生高应力区，因而加快了 缺陷的生成和扩展，并导致加速疲 劳。如果运动表面上被牢固地嵌入 坚硬颗粒，则在运动过程中就会发 生类同切削过程一样的连续破坏 作用，剥离金属表面。这种磨损对 工作表面的损伤更加严重。油液中 溶解的各种气体、油料中易挥发成 分、溶剂及水，在流动过程中产生 压降，达到气体分离或液体饱和蒸 汽压时，发生汽化，分离的气泡在 高压区破灭，产生汽蚀过程。汽蚀
14.5 14.5 1.50
染物以及燃油流 经油箱、输油管路 及输油泵、防火开
碎石英 碎石英 碎石英 碎石英
照 A.C.Spark.Plug 公司 零件号 1543637 配制污物 （Arizona 公路粗粉）
1000～1500 420～100 300～420 150～300
按下列混合
0～5（12％） 5～10（12％） 10～20（14％） 20～40（23％） 40～80（30％） 80～200（9％）
剪切力和热负荷作用可使油 料变质。悬浮于油液中的固体颗粒 对油料变质起催化剂作用；汽蚀是 促使油料变质的另 1 个重要因素。 变质后的油料将丧失某些重要特 性（如润滑性），从而加速元件的磨 损；产生大量碳素颗粒和胶状物 质，造成运动元件表面覆盖着、粘 着、堵塞或卡滞。 3.4 机械阻塞与卡滞
固体颗粒、胶状物、沉积物、化 学纤维和尘埃等粘着、覆盖、堵塞 或卡滞在元件表面上、间隙内，从 而引起运动阻滞，油滤和节流孔堵 塞，活门运动摩擦力加大，甚至卡 死或折断。这种机械故障常常是突 发、致命的。
空气是常见的气态污染物。通 常，油液中含有 5%～13%的空气。 当油温升高或压力降低时，在分离 压的作用下，气体从油液中游离出 来，产生气穴，造成操作失真，系统 响应灵敏度降低，甚至造成汽蚀破 坏。在汽蚀过程中伴随着化学腐蚀 和电解作用，都会加速金属的腐蚀 和疲劳破坏。此外，空气进入系统 内，在一定压力下促成油液某些成 分衍生成化学沉淀物。
NO．D·Eng·R．D2153，苏联的污
染标准是 FOCTl0577—63，燃油污 时空限制，加上工作条件苛刻，技
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ染参考：3.7.3.3.2、3.7.3.4 。 4.1 地面燃油污染控制
术难度较大。发动机燃油系统污染 控制的意义在于对进入发动机界
为了限定系统的污染容限，必 面的燃油实施污染控制，不能因燃
升高；污染物堵塞或卡滞活门，折 断转动或滑动部件，造成机构失 控、失效，致使发动机超温、超转、 喘振和停车，甚至破坏整台发动 机，从而导致重大事故发生。油料 污染不仅对飞机和发动机的安全 可靠工作构成严重威胁，而且因油 料污染造成直接和间接的经济损 失也相当可观。美国尼克森公司生 产的柱塞泵如在规定使用条件下 工作，寿命可达 800～1000 h；如果
在污染条件下工作，寿命仅为 120～140 h。因此，研究和解决系 统的污染问题，不仅是使用部门提 出的有现实意义的紧迫任务，也是 项具有深远的社会效益和经济效 益的重大课题。
2 航空发动机燃油系统的污 染物
航空发动机燃油系统的污 染 物 有 固 态 、液 态 、气 态 和 化 学 污染物。
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（3）诱发污染：在构件工作过程 中，运动表面摩擦产生固体颗粒。 2.2 液态污染物
最常见的液态污染物是水。水 的污染方式是腐蚀“溶解于油，细 菌生成和结冰”。当油液中水分含 量超过 5×10-4，则有相当含量的 分离状态水奶 状加速油质恶化。 水的污染不仅使元件表面锈蚀，而 且会在一定温度下聚合成碳氢化 合物，这种胶状物附在零件表面上 起腻塞作用，影响系统性能。燃油 中的胶质物与水发生混合作用产 生黏性，并与燃油一起形成胶状薄 膜，沉积在过滤器或其他元件上； 并且铜、铅对胶质物的生成起催化 作用。 2.3 气态污染物
SUN Xiao-jun，WU Xin，LUAN Dong (Shenyang Aeroengine Research Institute, Shenyang 110015, China) Abstract: The serious effect of fuel fouling on aircraft and aeroengine were pointed out by analyzing the approach, method and mechanism of the fuel fouling. The control and design technologies of the aeroengine fuel system antifouling were proposed. The requirement and development trend of antifouling on the future aeroengine fuel system were discussed. Key words: fuel system; antifouling; control system; aeroengine; fouling mechanism
随着航空发动机的飞速发展， 燃油与控制系统的抗污染可靠性 问题日益突出。据粗略统计，在飞 机故障中, 飞机液压系统故障占 30%～43％;而在液压系统故障中, 与油料污染有直接关系的故障占 75%～85％。
众所周知，无论是飞机附件， 还是发动机附件，都不乏大量精密 配合偶件，对工作介质都有极高的 清洁度要求。油液污染破坏了其工 作条件，造成了摩擦副运动表面加 速磨损和划伤，使泄漏加大，效率 降低，流量和压力脉动增大,油温
关键词：燃油系统；抗污染；控制系统；航空发动机;污染机理
孙 晓 军（1953），男 ，自 然 科 学 研 究 员，从事航空发动机及燃气轮机控制系 统设计。
收稿日期：2010- 06- 02
1 引言
Review of Antifouling Technologies for Aeroengine Fuel System
4.2 发动机燃油系统污染控制
统的入口都装有大尺寸的低压油
滤，对来自燃油系统的燃油进行过
机载燃油的污染控制由于受
滤，主要拦截注入
表 1 污染物及污染量标准
油箱内的燃油污
污染物
亚（正）铁氧化物 Fe3O（4 黑色）磁铁矿 三氧化二铁（Fe2O3，赤铁）
氧化铁
颗粒尺寸 /μm
0～5 0～5 5～10
质 量 /g
5 燃油系统抗污染设计
为 了 获 取 高 的 污 染 容 限 ，燃 油系统设计必须充分考虑其抗污 染能力。燃油系统的抗污染设计 是燃油系统设计的重要组成部 分，包括系统抗污染设计和部件 抗污染设计。 5.1 系统抗污染设计
2.4 化学污染物 燃油中存在大量微生物（诸如
厌氧细胞、喜氧细胞、病菌、海藻 等），分布在油水界面及附近的燃 油层内。燃油中的水分、矿物质（金 属、尘埃、锈蚀物、盐分等）是上述 过微生物生存、繁衍的条件。这些 微生物小到 0.5 μm，大到 10 μm， 不仅污染燃油，而且牢固地附着在 元件表面上，发生阻腻、堵塞，还会 还原成硫酸盐，形成碳化氢和氧化 物，乃至分泌出酸，使金属腐蚀。燃 油中的硫和硫化物都具有很强的 腐蚀性。青铜、锌和镉在硫酸作用 下形成复杂的不溶解化合物，这种 粘性胶状物附在元件表面上使后 者腐蚀。
4 燃油系统污染控制
为了确保系统或部件的正常 功能和可靠性，并达到给定的翻修 寿命，应确定燃油的污染容限。美 国航空涡轮喷气和涡轮风扇发动
孙晓军等：航空发动机燃油系统抗污染综述
2 /3
机通用规范及有关型号规范都对
表 2 各国对燃油污染物的限定标准
活塞入口、汽
污染物及污染量作出明确规定（见 表 1）。按表 1 规定的污染标准，燃 油附件在海平面中等推力状态下 工作时间应不少于 12 h，而无需更 换油滤。英国相应的污染标准是