《Aerospace Science and Technology》：Advanced Optimization for Enhancing Energy, Exergy, and Sustainability in Commercial Turbofan Engine
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针对全球碳减排需求，本研究提出基于嵌套优化的商用涡扇发动机全包线飞行任务性能优化方法，通过设计参数与可调变量的联合优化，结合能量、熵效率和污染物排放分析，建立组件级热力学模型。仿真显示优化后发动机全任务燃料消耗减少239.22kg，污染物排放降低3.3%。
陈浩颖|刘伟|陈思静|崔和强|张海波
中国江苏省南京市航空航天大学航空航天动力系统重点实验室，南京210016。
摘要
在全球碳排放法规日益严格的背景下，提高商用航空发动机的经济性能并减少污染物和碳排放已成为航空领域的研究重点。为此，本文提出了一种基于嵌套发动机性能优化的全包线飞行任务性能优化方法，适用于商用涡扇发动机。该方法从发动机性能、能量、熵效率和经济可持续性的角度，研究了发动机设计和可调参数对设计点及全包线飞行任务性能的影响。首先，根据空气热力学原理对高涵道比涡扇发动机进行了设计点性能计算；随后开发了一个具有污染物排放预测功能的组件级空气热力学仿真模型，并纳入了低压涡轮流动特性的调整。最后，通过分析发动机效率、能量和熵效率，验证了所提出方法的有效性。以典型的1905公里双引擎民用飞机飞行任务为例，优化后的发动机在整个飞行过程中减少了239.22公斤的燃油消耗，并降低了约3.3%的污染物排放。该方法符合航空行业向低排放和低污染发展的趋势，具有适用于其他类型航空发动机设计的潜力。
引言
在全球能源转型以及人们对减少碳基燃料排放需求的背景下，航空业面临着控制运营成本和满足环境合规标准的日益增长的压力[[1], [2], [3]]。特别是商用涡扇发动机，需要实现更高的经济效率和更低的排放，以提升整体能源利用效率。目前，航空业约占全球二氧化碳排放总量的2%；若考虑氮氧化物（NO?）和颗粒物（PM）等其他温室气体，其贡献比例上升至3% [4,5]。2022年，全球民用航空碳排放量已超过7亿吨，如果不加以干预，到2050年这一数字可能激增至26亿吨，占1.5°C温控目标下全球碳排放总量的5% [[6], [7], [8]]。航空发动机在燃烧过程中不仅会排放碳化合物，还会产生破坏臭氧层并加剧温室效应的NO?污染物 [9,10]。从伦敦到纽约的单程飞行所产生的人均排放量相当于驾驶汽车数月的排放量。同时，全球航空运输需求以每年3%至5%的速度增长，其中长途飞行（>1500公里）占全球航空燃料消耗量的约70% [11,12]。客流量大的国际机场每年的碳排放量可与多个发电厂的排放量相当。作为航空燃料消耗的唯一来源，商用发动机是民用航空碳排放的主要贡献者 [[13], [14], [15]]。尽管涡扇发动机的污染物排放目前难以完全避免，但通过提升其空气热力学性能可以显著降低排放。鉴于国际减排承诺，提高商用发动机的能源效率和环境性能已成为并将继续成为航空技术进步的关键方向 [16]。
近年来，全球开展了大量研究以提升商用航空发动机的经济性能、能源效率和排放特性。提出了多种策略来提高高涵道比涡扇发动机的燃油效率并减少排放。Aygun研究了在不同 bleed air 比率（1%至6%）下，发动机在恒定转速和恒定推力条件下的性能变化 [17]，结果表明保持恒定推力会略微降低燃油效率，而较高的 bleed air 比率会导致燃烧室熵效率下降，从而影响发动机性能。Akdeniz 使用煤油和氢气作为燃料，分析了PW4056高涵道比涡扇发动机的能量、熵效率和可持续性指标 [18]，发现煤油的能源效率虽比氢气高6.04%，但污染物排放量也显著增加。Sasi 评估了改装为使用氨燃料的Airbus A350-1000型飞机的性能 [19]，结果显示对于430 kN推力级别的发动机，起飞时需要2.1 MW的热能来调节氨燃料，这突显了燃料调节对未来氨燃料涡扇发动机的设计挑战。Turan 研究了涡扇发动机在巡航条件下的能源利用效率和污染物排放 [20]，开发了循环分析方程和NOx排放预测方法，发现9公里高度时发动机燃油消耗率为19.65 g/kN·s，NOx排放指数为16.66 g/kg；而在11公里高度时，燃油消耗率略微上升至19.68 g/kN·s，NOx排放指数降至13.93 g/kg。这些研究强调了分析高涵道比涡扇发动机能源效率和污染物排放的重要性。然而，现有研究大多关注当前发动机配置，未提出优化策略以提升性能和减少排放。
为了提高发动机性能和减少飞行过程中的污染物排放，通常采用两种方法来优化涡扇发动机。一种方法是从设计点开始优化发动机设计循环参数，以提升设计点性能。Jiang等人采用这种方法显著提升了涡扇发动机在设计点的整体性能 [21]，但在非设计点的性能提升并不明显，因为非设计点可控变量的调整策略仍遵循原有方法，导致某些非设计点的性能提升有限。另一种方法是在非设计点飞行条件下调整发动机可控变量的控制策略，以提升性能和减少污染物排放。Zheng等人使用FSQP算法调整了燃油流量和喷嘴喉部面积，使喷嘴的污染物排放系数降低了5%，CO排放减少了5%，NOx排放减少了6.5%以上 [22]，但该研究主要关注非设计点的性能提升，未优化设计点参数。现有发动机性能优化研究表明，如果不同时优化设计点和非设计点的性能，发动机的潜力无法得到充分发挥。因此，需要一种综合考虑设计点和非设计点性能优化的综合方法。
除了发动机推力和燃油消耗率外，能源利用效率也是提升发动机经济性能的关键因素。为了评估发动机在设计和飞行操作过程中的能源利用效率，现有研究大多采用能量和熵分析方法。Korba等人对CFM56-3系列高涵道比涡扇发动机进行了能量、熵、环境和经济分析 [23]，结果显示其能源效率为35.37%，能量损失率为64.63%，环境影响因子和生态影响因子分别为2.001和3.001。这些结果为评估发动机能源效率提供了重要参考。Balli等人对不同型号的高涵道比涡扇发动机在不同飞行任务阶段的能量和熵进行了分析 [24]，表明能量和熵分析是提升整体发动机性能和指导节能减排工作的关键工具。然而，现有发动机分析文献中很少将发动机能源效率和能量损失作为优化目标。这导致了显著的能源利用损失，阻碍了发动机性能的进一步提升和能源消耗的增加。
总之，优化高涵道比涡扇发动机的设计参数并根据飞行任务要求调整控制策略对于提升商用飞机的飞行性能至关重要 [[25], [26], [27], [28], [29]]。为此，本文提出了一种新的嵌套优化设计方法，该方法全面分析了设计参数和调整策略优化对飞行任务中发动机性能的影响，从能量、熵和污染物排放的角度进行了研究。论文基于空气热力学原理建立了设计点和非设计点性能的组件级数学模型，并深入探讨了飞行条件和发动机运行状态如何通过能量、熵和排放指标影响性能效率、经济可行性和环境影响。此外，提出了一种嵌套优化框架，通过同时优化设计参数和调整策略有效提升了商用涡扇发动机的任务段性能。本研究的优势在于开发了一种通用的发动机性能优化方法，可扩展应用于其他类型的航空发动机。
高涵道比分离排气涡扇发动机组件级性能的数学建模
高涵道比分离排气涡扇发动机和涡桨发动机具有高推进效率、低燃油消耗和低排放的特点，使其成为现代商用飞机的主要推进系统 [30,31]。但由于涡桨发动机无法支持高速飞行，因此在民用航空应用中适用性较低。综合考虑巡航速度、燃油经济性和噪音排放等因素，分离排气涡扇发动机更为合适
高涵道比涡扇发动机的能量和熵分析
为了全面评估发动机在整个飞行任务中的推进效率和性能，必须对其进行能量和熵分析。能量分析有助于识别各组件的输入输出关系，从而提高燃油利用效率和经济性能 [37,38]；熵分析则揭示了能量损失和不可逆过程的来源，有助于准确评估
商用涡扇发动机经济性能和低排放的嵌套优化方法
基于对能量、熵和污染物排放的初步分析，CFM56涡扇发动机的飞行性能仍有较大提升潜力。为此，本文提出了一种涡扇发动机的嵌套优化方法，旨在优化循环参数和控制变量。
所提出的优化方法以全飞行包线内的总燃油消耗量为外层循环目标，通过调整
仿真结果与分析
为验证所提出嵌套优化方法的可行性，以Airbus A320典型双引擎飞行任务为例进行了全包线任务段数值仿真。主要任务段包括发动机预热、滑出、水平加速、爬升加速、巡航、下降和滑入，总飞行时间约为110分钟
结论
本研究建立了高涵道比分离排气涡扇发动机在设计点和非设计条件下的空气动力学和热力学数学模型，包括对各个组件的详细空气热力学分析。通过能量、熵和污染物排放分析，识别了不同任务阶段下发动机各组件及整机的熵效率和排放变化
CRediT作者贡献声明
陈浩颖：撰写初稿、验证、软件开发、资源获取、方法论制定、资金申请、正式分析、数据整理、概念构思。
刘伟：验证、软件开发、调查、正式分析、概念构思。
陈思静：方法论制定、正式分析、数据整理。
崔和强：验证、方法论制定、正式分析。
张海波：监督、概念构思。
