蒸汽轮机和柴油机曾经是海军大、中型水面舰艇一统天下的动力装置,随着燃气轮机的发展,燃气轮机被广泛用于现代舰船。世界多数国家海军正在服役和建造的大、中型水面舰艇的动力装置基本上是以柴油机/燃气轮机联合和全燃气轮机为主。由于受海洋环境的彩响,要求船用燃气轮机润滑油具有良好的抗腐性性能。美国和前苏联专门制定了规超燃气轮机润滑油规范,而美国海军则是在就空燃气轮机润滑油中添加抗腐性剂来解决规用燃气轮机润滑油的腐蚀问题。
国内外船用燃气轮机润滑油是在航空涡轮发动机润滑油的基础上发展起来的。船用燃气轮机在高湿和高盐雾的海洋环境下工作,发动机润滑系统极易发生腐蚀,因此在防腐防锈性能方面,船用燃气轮机对润滑油提出了更高的使用要求。
发达国家的海军,如英国海军和前苏联海军,其船用燃气轮机使用的是专门的船用燃气轮机润滑油。这种船用燃气轮机润滑油是在航空涡轮发动机润滑油的基础上,对个别性能进行调整后形成的,防腐防锈性能比较好,能够满足船用燃气轮机的要求。而美国海军较为特殊,没有专门的船用燃气轮机润滑油,而是使用Ⅱ型中粘度合成航空润滑油,只是在使用中要求加入防腐剂。

1舰船燃气轮机的发展
船用燃气轮机的发展经历了专门设计和航空发动机改装两种途径,前者是对航空发动机作整机舰用化改装,后者是利用航空发动机的技术进行舰船专用燃气轮机的设计。英美由于航空工业发达,涡轮发动机型号众多,其舰用燃气轮机始终走航空发动机舰改之路。前苏联海军早期的舰用燃气轮机采用航空发动机改装,后来则采用专门设计的舰用燃气轮机油。
1.1欧美舰船燃气轮机的发展
英国海军从1967年开始广泛采用燃气轮机作为舰船动力,燃气轮机的型号众多,如SM2C燃气轮机、奥林普斯TM2B型燃气轮机、船用太因RMIC型燃气轮机和FT-8型燃气轮机等。WR-21燃气轮机和MT-30舰船燃气轮机是英国Rolls-Royce研制的新一代舰用燃气轮机。通用电气公司(GE)在20世纪60年代末期开发了LM2500燃气轮机。LM2500燃气轮机由C-5“银河”运输机的TF39涡轮风扇发动机改装而成,额定功率为21MW,耗油率为250g/(kW?h),是美军20世纪90年代前装备舰船最多的燃气轮机。
1.2前苏联和乌克兰舰船燃气轮机的发展
前苏联舰船燃气轮机的研制工作起步于1954年,一直采用专门设计的舰船燃气轮机。在1970年前先后完成第一代M-1,M-2和M-3及第二代M-5,M-6等船用燃气轮机并大量装备舰船,是世界上首先采用全燃气轮机动力装置的国家,也曾是世界海军燃气轮机舰船数量最多的国家。
乌克兰曙光机器设计科研生产联合体研制的M70,M80和M90系列燃气轮机是前苏联主力舰艇的动力装置。原苏联50%以上的主力舰艇都采用了GT-15000燃气轮机,目前俄罗斯大型水面舰艇般装备的GT-16000燃气轮机额定功率为16300kw在5200r/min转速时),耗油率为280g/(kW?h)。乌克兰独立后,曙光机器设计科研生产联合体研制了新一代大功率燃气轮机UGT-25000,该机是采用航空发动机技术专门为舰艇设计的燃气轮机。UGT-25000重16t,额定功率为24260kW(在3270r/min转速时),耗油率为275g/(kW?h),是6kt以上大型舰艇的理想动力,耗油率及热力参数均与LM2500差不多,先进性也基本上属同一级别。
1.3国产燃气轮机的发展
我国船用燃气轮机研发在相当一段时期内是采取专用设计和航空改装并举的方针。根据《国防科学技术十年规划》,我国从1958年开始规划燃气轮机的发展,并在1960年以原苏联M-1燃气轮机为蓝本,重点研制4410kW的燃气轮机,开创了我国燃气轮机自行设计的先河。此后根据航空发动机的发展情况,对涡喷、涡桨和涡扇等不同类型的航空发动机进行了船用化改装研究。目前国内应用的燃气轮机主要用于发电,少部分用于油气田的注水、进气、增压以及船舶动力。
2燃气轮机油的规格与主要性能
舰用燃气轮机通过高温燃气推动自由涡轮,经传动装置(减速器)输出功率。由于动力涡轮和减速器相对独立,因此使用两种润滑油,分别用于润滑燃气轮机推力轴承和减速齿轮。舰用燃气轮机润滑系统一般是由润滑油循环柜、润滑油冷却器润滑油过滤器、润滑油温控阀和润滑油补充油箱等组成。每台燃气轮机的润滑系统独立设置,按照燃气轮机润滑油循环量、消耗量和寿命等要求设计满足燃气轮机规定的续航能力的润滑油消耗。
2.1国外燃气轮机润滑油
航空发动机油规格的发展是与航空发动机技术发展相适应的。不同的航空发动机制造商分别推出并发展了各自的航空发动机油规格,如Pratt&Whitney公司的PWA521规格、GE公司的D50TF1规格以及Allison公司的EMS53规格等。SAEE34组织也制订了一个航空燃气透平机的核心技术规范SAEAS5780,该规范规定了适用于涡轮发动机或涡轮驱动的船舶及工业装置的运动粘度为5mm²/s的燃气透平机油的使用性能”。
总体而言,国外航空燃气发动机润滑油的发展都是以美军标准为主导,基础油从最初的矿油,半合成油逐渐发展到双酯型合成油,直到目前的新戊基多元醇酯合成油。美军使用的ESSON2380和飞马Ⅱ号均属于Ⅱ型中粘度油,可满足MIL-L-
23699C规范。ESSON2380的基础油是三羟甲基丙烷酯,而飞马Ⅱ号油的基础油为季戊四醇酯,基础油的不同使得两种油品的粘温特性、低温性能都有明显的不同。
前苏联和俄罗斯航空涡轮发动机使用的润滑油主要有IMM-10航空润滑油,BHMMHN-50-1-4φ润滑油和B-3B合成润滑油等。IMM-10与BHHHHII-50-1-4φ润滑油的100℃运动粘度不小于3.0mm²/s,同属I型油;从组成上看,TMM-10是合成烃润滑油,BHHMHII-50-1-
4φ是双酯润滑油。B-3B合成润滑油属于Ⅱ型油,其100℃运动粘度不小于5.0mm²/s。
舰用燃气轮机从航空发动机派生而来,最初都采用航空涡轮发动机润滑油。舰用燃气轮机的工作环境要比航空发动机更为恶劣,在结构上也比航空发动机更为复杂一些,需要增加很多航空发动机所没有的设备,因此强调高温性能的涡轮发动机润滑油显然不适应海洋环境下燃气轮机的使用要求。受潮湿和高盐雾海洋气候的影响,燃气轮机轴承润滑系统有可能发生腐蚀和锈蚀,特别是停航时所面临的静态腐蚀问题,因此要求燃气轮机润滑油比航空涡轮发动机润滑油有更好的防腐性能。舰用燃气轮机热负荷小于同类航空发动机,工作温度有明显的降低,因此润滑系统温度相应降低,如LM2500燃气轮机供油温度为57℃~104℃,回油温度为92℃~149℃,而同类航空发动机的回油温度一般都在150℃~200℃。此外燃气轮机润滑油的油箱容量也大于飞机的油箱,循环周期长,油温低于航空发动机润滑油的温度,因此对船用燃气轮机润滑油高温性能的要求有所降低。
发达国家海军一般使用专门的船用燃气轮机润滑油,这种船用燃气轮机润滑油是在原航空润滑油配方的基础上,针对海上特殊的使用环境,改进防腐性能,使之具有更好的抗腐蚀能力,并逐渐发展成专用的舰船燃气机油。英军在2005年发布的国防标准01-5(第14版)包含了两种舰船燃气轮机润滑油的国防部规范DefStan91-93和DefStan91-101,规范对舰船燃气轮机润滑油的沉积物、橡胶相容性、负荷承载能力、微量元素、酸值、高温氧化安定性、热稳定性、水解稳定性、轴承清洁性、自燃点和结焦等使用性能和发动机试验作了明确要求。这两个舰船燃气轮机润滑油规范共涵盖三个代号的油品,其中DefStan91-101合成航空涡轮发动机润滑油标准包含了同一粘度等级的两种润滑油,其中一个是舰船燃气轮机专用润滑油,军用代号为OX-28;另外一个是航空产品,军用代号为0X-27。0X-28与OX-27的主要区别在于OX-28增加了防腐性能要求。符合DefStan91-93规范的合成润滑油只有一个产品,英军标号为OX-22。英军DefStan91-93和DefStan91-101对以上3种军用油品的使用范围有明确要求,规定OX-28用于英国舰船上的燃气轮机,并可取代OX-27用于航空涡轮发动机,但OX-27不能替代OX-28用于舰船燃气轮机。OX-22可以和OX-28混用,但OX-22不能用于甲板上的设备和航空涡轮发动机。前苏联舰用燃气轮机润滑油规范TOCT10289自1962年颁布以来,到目前为止已经修订过3次。与英国海军燃气轮机润滑油规范相比,TOCT10289规范不能充分反映燃气轮机对使用性能的要求,从标准上难于判断润滑油的实际工作性能。据悉,俄罗斯也在研究中粘度合成船用燃气轮机润滑油,以取代目前使用的石油基舰船燃气轮机润滑油。
美国海军没有发展专门的船用燃气轮机润滑油,其舰用燃气轮机一直使用符合MIL-L-23699或DOD-L-85734规定的航空涡轮发动机润滑油。根据《LM2500型燃气轮机系统技术手册》规定,LM2500燃气轮机一般使用美军标准MIL-L-23699规定的润滑油。为解决海洋环境下的燃气轮机的腐蚀间题,美军LM2500燃气轮机维护规程规定,在停航30天以上时,必须向燃气轮机润滑油中加入5%的防腐剂Brayco599(洛杉矶Bray油料公司生产)。
2.2国内燃气轮机润滑油
国产5mm²/s航空涡轮燃气轮机润滑油规格GJB1263-1991是在参照美军标准MIL-L23699C的基础上制订的,包括4106、4050.和925等3种不同研制背景和参考对象的航空润滑油。
4106航空润滑油是为国家708工程涡扇-8发动机的需要,由中国石化润滑油重庆分公司在上世纪70年代研发的。4050航空润滑油属Ⅱ型中粘度油,采用三羟甲基丙烷酯为基础油,解决了三叉戟飞机发动机用油的国产化问题。925航空润滑油是为解决波音707、波音737等飞机发动机的润滑问题而研制的,基础油是季戊四醇酯,具有良好的抗氧化安定性、粘温特性和润滑性。
由于燃气轮机发展较慢,因此我国还没有制定用于大型燃气轮机的润滑油标准。船舶上使用燃气轮机是船舶动力发展的必然趋势,我国对船用燃气轮机润滑油的研究还是一个空白。因此应根据我国的实际情况,借鉴国外发达国家在燃气轮机润滑油研究方面的成功经验,在合成航空润滑油的基础上,研制国产船用型燃气轮机润滑油。
2.3国内燃气轮机润滑油使用情况
目前国内舰船动力仍然以柴油机为主,但是随着技术的进步和舰船动力的发展,舰船上使用燃气轮机是船舶动力发展的必然趋势,未来我国海军舰船动力也将以燃气轮机为主。润滑油被誉为“发动机的血液",能对发动机起到润滑、清洁、冷却、密封、减摩、防锈、防蚀等作用。海军正在大量使用的润滑油是舰船通用柴油机油和68号防锈汽轮机油。舰船动力以燃气轮机为主后,舰船燃气轮机润滑油将逐步取代这些润滑油。
由于舰船燃气轮机源自航空涡轮发动机技术,舰船燃气轮机都由发展成熟的航空发动机改型研制而成,因而燃气轮机润滑油也是在航空涡轮发动机润滑油的基础上发展起来的。与航空发动机相比,舰船燃气轮机由于在海洋环境下工作,受高湿和高盐雾的影响,润滑系统极易发生腐蚀状况,因此舰船燃气轮机润滑油在防锈性能上提出了更高要求。
以前燃气轮机没有使用统一牌号的润滑油,而是分别使用不同型号、标准的润滑油。XA型燃气轮机及其起动机使用的润滑油为壳牌555发动机润滑油;XB型燃气轮机使用航空喷气机润滑油8A或8B。壳牌555和8A/8B润滑油是符合不同标准或黏度等级的航空润滑油。
同时因舰船出海时间较长,人员要在舰船上生活,一些生活用设施上也需要润滑油,如冷冻机用46号冷冻机油、舵机用液压油、齿轮箱用18号齿轮油、空压机用透平油和调速器与增压器用润滑油等。其中有部分进口设备,润滑油随设备附带,不同厂家或同一厂家的不同设备附带不同的润滑油,而导致舰船用润滑油种类繁多。
XB型燃气轮机选用的润滑油为航空润滑油,由于与航空发动机的使用环境不同,使用过程中经常出现轴承锈蚀问题。目前正在使用的航空喷气机润滑油8A/8B都没有添加防锈剂,在海洋潮湿和盐雾条件下,发动机的零部件容易被氧化腐蚀而生锈。发动机零部件被腐蚀后,会增加发动机使用的安全隐患,严重影响发动机的使用寿命。因此,舰船燃气轮机选用航空喷气机润滑油8A/8B不能满足使用需求。XA型燃气轮机和XB型燃气轮机在使用过程中都发现轴承腔存在不同程度结焦和油泥过多现象,证明正在使用的滑油高温性能不能满足使用需求。
3 舰船用燃气轮机润滑油
舰船燃气轮机具有功率大、体积小、质量轻、启动迅速、加速性和机动性好、操控简单、工作稳定可靠、效率高、润滑油消耗少、使用寿命长等优点,有效改善了舰船的战术技术性能,使舰船的速度大大提高。目前,世界发达国家海军在役的舰船绝大多数采用了全燃动力或柴燃联合动力装置,舰船上使用燃气轮机是船舶动力发展的必然趋势。未来国内海军舰船动力也将以燃气轮机为主,预计采用电力推进系统,发电机为4台燃气轮机。随着国产化的XB型燃气轮机的装船服役,国产燃气轮机将成为未来国内海面舰艇主动力。
国内海军舰船动力以燃气轮机为主后,舰船燃气轮机润滑油将被大量使用。受潮湿和高盐雾海洋气候的影响,燃气轮机轴承润滑系统有可能发生腐蚀和锈蚀,特别是停航时所面临的静态腐蚀问题,所以要求燃气轮机润滑油比航空润滑油有更好的防腐性能。同时,舰船上其他设施选配时,也应考虑相应润滑油的使用情况,尽量能够在舰船上使用统一的润滑油,便于管理和使用。
GB 11120-2011《涡轮机油》增加了油品品种和性能要求,使其更能满足发电设备的使用需要。标准扩展了油品品种,同时包括了燃气轮机油和联合循环用油,增加了L?TSE、L?TGA、L?TGE、L?TGSB和L?TGSE品种。
TGSE是具有极压性要求的耐高温氧化安定性和高温热稳定性的燃/汽轮机油。主要适用于共用润滑系统的燃气-蒸汽联合循环涡轮机。也可单独用于蒸汽轮机或燃气轮机。
标准对涡轮机油的外观和黏度指数改进剂的使用做了一般要求的规定:
◊ 外观要求为“在室温可见光下,交货油品外观应清亮透明,不含任何可见颗粒物”;
◊ 规定“不含黏度指数改进剂”。由此可以避免一些油品生产商采用一些质量较差的低黏度指数基础油并通过添加黏度指数改进剂来达到标准规定的黏度指数改进剂被剪切而导致油品黏度下降,降低了油膜厚度,导致轴承磨损,进而影响机组正常运行。
标准规定了油品的检验规则,即将油品检验规则分为出厂检验和型式检验,并规定了检验项目。出厂批次检验项目包括:外观、色度、运动黏度、黏度指数、密度、闪点、酸值、水分、泡沫性、空气释放值、抗乳化性、铜片腐蚀、液相锈蚀、旋转氧弹和清洁度。在原材料、生产工艺没有发生可能影响产品质量的变化时,出厂周期检验项目包括:过滤性、承载能力和高温氧化安定性每年至少测定一次。
标准比较大的修订在于增加了过滤性、清洁度、旋转氧弹和油泥指标:
◊ 润滑油通过精细过滤器而不发生堵塞的能力称为过滤性。在现代涡轮机的润滑油循环系统中均装有如离心机、高级纸过滤器、纤维筒过滤器等过滤装置。如果在用
润滑油受到污染,则会影响其过滤性,造成供油不足等危害。涡轮机油新油的过滤性好坏表征了油品的洁净度,特别是湿法过滤性更能反映涡轮机油中添加剂的水解稳定性以及是否被污染(如混入少量其他润滑油等)。污染对涡轮机油的过滤性会产生影响,特别是加水的湿法过滤性。
◊ 清洁度指标也与润滑油的洁净度有关。影响润滑油清洁度的主要因素是颗粒污染物,包括外界杂质、氧化产物、水分等。润滑油中颗粒污染物多,容易堵塞过滤器;有些小颗粒污染物会进入摩擦副,引起磨损。如有些小颗粒进入调速系统,会造成调速系统卡涩,影响机组正常运行。在国内外涡轮机油运行油要求中,均对油液清洁度有严格的要求。因此修订的GB 11120?2011标准也对涡轮机油新油规定了清洁度指标,以更好地适应当前涡轮机的用油要求。
◊ 旋转氧弹是反映涡轮机油氧化安定性的一个重要指标。一般氧化安定性好的涡轮机油,其旋转氧弹值高。在涡轮机油运行油监控中,国内外标准多以旋转氧弹值下降到25%初始值作为监控值。因此旋转氧弹值不仅能反映新油的氧化安定性,还是运行油监控的一个重要参照值。
◊ 油泥是油品氧化的产物,表征了油品的氧化安定性。在用润滑油中产生的油泥会造成过滤器堵塞,如油泥沉积在轴承上,会影响轴承散热,增加磨损。因此,现代涡轮机油要求的氧化安定性不仅是长的氧化安定性时间,还要求有更低的油泥析出趋势。
3结束语
由于受海洋环境的影响,船用燃气轮机润滑油对防腐性能要求苛刻。英国和前苏联为此专门制定了船用燃气轮机润滑油规范,而美国海军则采取航空发动机润滑油添加防腐剂的方法来解决燃气轮机润滑油的腐蚀问题。
TGSE 燃气轮机油系列产品是以深度精制馏分油为基础油,加入抗氧剂、抗磨剂和防锈剂等调制而成,产品适用于船舶、电力、工业及其他工业燃气轮机、气压机的润滑和密封。
性能特征
●优良的高温抗氧化性能,保证润滑油的优良品质在持续使用的过程中保持稳定,延长油品使用寿命;
●良好的防锈及防腐蚀性能。
●良好的油水分离性能.精心选择特殊的基础油和品质优良的添加剂,保证其具有良好的油水分离性能。