CN109415941A - 飞行器发动机翼型件中的非牛顿材料 - Google Patents

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Abstract

提供部件(40)用于涡轮发动机。该部件可包括限定表面(101)的翼型件和位于翼型件表面上或翼型件内的能量吸收复合物(114)。能量吸收复合物(114)包括遍布在基质(212)中的剪切增稠流体(210)。

Description

飞行器发动机翼型件中的非牛顿材料
技术领域
本主题一般涉及燃气涡轮发动机翼型件。更具体地，本主题涉及集成到燃气涡轮发动机翼型件，特别是风扇叶片中的非牛顿材料。
背景技术
喷气发动机应用中使用的风扇叶片易受外来物体冲击损害，例如鸟类吸入事件。由石墨纤维增强复合材料制成的叶片由于其高的总体比强度和刚度而具有吸引力。然而，石墨复合物由于其低延展性而特别容易在外来物体冲击期间发生脆性断裂和分层(或称为脱层、叶裂，即delamination)。刀片前缘、后缘和尖端由于在这些区域中通常较低的厚度和层压复合物对自由边缘分层的众所周知的易感性而特别敏感。此外，叶片几何形状和相对于飞行器速度的高旋转速度导致被吸入的物体打击叶片前缘附近。由于通常与这种事件相关的局部弯曲变形，复合物的吸力和压力表面附近的材料最容易断裂。
已知粘合到复合物叶片上的金属防护件提供冲击损坏保护。然而，这些材料的高密度限制了它们的使用。此外，通过局部或在大面积上增加翼型件厚度，可以使叶片坚固。叶片增厚导致空气动力学恶化以及重量恶化。
因此，需要一种燃气涡轮发动机部件，特别是用于风扇叶片的燃气涡轮发动机部件，其可以保持或改善结构性能，包括振动响应、噪声和重量减少，同时减轻或消除对改进的发动机性能和可操作性的挑战或妥协。
发明内容
本发明的各方面和优点将在下面的说明中部分地阐明，或者可由说明书是明显的，或可通过本发明的实践而习得。
通常提供用于涡轮发动机的部件。在一个实施例中，该部件包括限定表面的翼型件，以及定位在翼型件的表面上或翼型件内的能量吸收复合物。能量吸收复合物包括遍布在基质中的剪切增稠流体。
参考接下来的说明和所附的权利要求，将更好地理解本方面的这些和其它特征、方面和优点：包括在并作为该说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，并且结合说明用于解释本发明的原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其参考附图，其中：
图1是根据本主题的各种实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性横截面图；
图2是示例性风扇叶片的透视图，该风扇叶片根据一个实施例具有位于其翼型件表面上的能量吸收复合物；
图3是另一示例性风扇叶片的透视图，该风扇叶片根据一个实施例具有位于其翼型件表面内的能量吸收复合物；
图4是示例性出口导向导叶的侧视图，该导向导叶根据一个实施例具有位于其翼型件表面上的能量吸收复合物；
图5是另一示例性出口导向导叶的横截面图，该导向导叶根据一个实施例具有位于其翼型件表面内的能量吸收复合物；
图6是示例性能量吸收复合物的横截面侧视图，该能量吸收复合物根据一个实施例具有遍布于基于固体发泡合成聚合物的基质的剪切增稠流体；并且
图7是示例性能量吸收复合物的横截面侧视图，该能量吸收复合物根据一个实施例具有遍布于基于固体发泡合成聚合物的基质的剪切增稠流体；并且
在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。提供每个实施例是为了解释本发明，而不是限制本发明。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变型。
在本公开中，除非明确相反地表述，当层被描述为在另一层或基板“上”或“上方”时，应理解这些层可以彼此直接接触或者在层之间具有另一层或特征。因此，这些术语仅仅描述了层彼此的相对位置，并不一定意味着“在...的顶上”,因为在上方或下方的相对位置取决于装置相对于观察者的取向。
如本文使用的那样，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换地使用来将一个部件与另一个部件区分开，且不意在表示独立部件的位置和重要性。
术语“上游”和“下游”指的是相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”指液体流自的方向，且“下游”指流体流至的方向。
燃气涡轮发动机的翼型件(例如风扇叶片)通常设置有集成在其中和/或其上的非牛顿材料。非牛顿材料可以保持期望的结构性能和振动响应，同时不会不利地影响发动机重量、燃料燃烧、性能和可操作性，并且因此通过减少结构要求和空气动力学理想型之间的限制和妥协可以产生优于现有翼型件构造的技术优势。例如，交错层、表面材料或泡沫芯可以在发动机操作条件的变化之后产生增强的振动隔离或自调节机械响应，以及产生抗冲击性。在收入服务(或称为运营服务，即revenue service)中随时间的退化或特定地归因于在某些环境条件下(例如沙漠、高海拔起飞、高空气盐度)的运行的退化后或在发动机事故(例如鸟类吸入、风扇叶片飞出、冰雹吸入，冰板吸入、压缩机喘振或失速)后可能产生发动机运行条件的变化。
现在参考附图，图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。更具体地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机是高旁通涡轮风扇喷气发动机10，在此称为“涡轮风扇发动机10”。如图1中所示，涡轮风扇发动机10限定轴向方向A(平行于提供用于参考的纵向中心线12延伸)和径向方向R。通常，涡轮风扇10包括风扇区段14和设置在风扇区段14下游的核心涡轮机发动机16。尽管下面参考涡轮风扇发动机10进行描述，但是本公开一般适用于涡轮机械，包括涡轮喷气、涡轮螺旋桨和涡轮轴燃气涡轮发动机，包括工业和船用燃气涡轮发动机和辅助动力单元。
所表述的示例性核心涡轮发动机16通常包括基本上管状的外壳体18，其限定环形入口20。外壳体18以串联流动关系包围：压缩机区段，其包括增压器或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段，其包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30；和喷气排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或卷轴34将HP涡轮28驱动地连接到HP压缩机24。低压(LP)轴或卷轴36将LP涡轮30驱动地连接到LP压缩机22。
对于所示的实施例，风扇区段14包括可变节距风扇38，其具有以间隔开的方式联接到盘42的多个风扇叶片40。如图所示，风扇叶片40通常沿径向方向R从盘42向外延伸。每个风扇叶片40借助于使风扇叶片40可操作地联接到构造成共同一致地改变风扇叶片40的节距的合适的致动构件而相对于盘42绕着俯仰轴线P可旋转。风扇叶片40、盘42和致动构件44一起可通过LP轴36跨过可选的动力齿轮箱46而绕纵向轴线12旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，用于将LP轴36的旋转速度逐步降低到更有效的旋转风扇速度。
仍然参考图1的示例性实施例，盘42由可旋转的前发动机舱48覆盖，该前发动机舱48在空气动力学上轮廓构造成以提升通过多个风扇叶片40的气流。另外，示例性风扇区段14包括环形风扇壳体或外发动机舱50，其周向地围绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应该理解的是，发动机舱50可以构造成通过多个周向间隔开的出口导向导叶52相对于核心涡轮发动机16支撑。此外，发动机舱50的下游区段54可以在核心涡轮发动机16的外部上方延伸，以在其间限定旁通气流通道56。
在涡轮风扇发动机10运行期间，一定体积的空气58通过发动机舱50的相关入口60进入涡轮风扇10和/或风扇区段14。当空气58的体积通过风扇叶片40时，如箭头62所示的空气58的第一部分被引导或导引到旁通气流通道56中，并且如箭头64所示的空气58的第二部分被引导或导引到LP压缩机22中。空气的第一部分62和空气的第二部分64之间的比率通常称为旁通比。然后，当空气的第二部分64导引通过高压(HP)压缩机24并进入燃烧区段26(在那里它与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66)中时，空气的第二部分64的压力增加。
燃烧气体66导引通过HP涡轮机28，在此来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分通过HP涡轮转子叶片70和HP涡轮定子导叶68的连续级而提取，该HP涡轮定子导叶68联接到外壳体18，该HP涡轮转子叶片70联接到HP轴或卷轴34，从而使HP轴或卷轴34旋转，从而支持HP压缩机24的运行。然后燃烧气体66导引通过LP涡轮机30，在此通过LP涡轮转子叶片74和LP涡轮定子导叶72的连续级从燃烧气体66中提取热能和动能的第二部分，该LP涡轮定子导叶72联接到外壳体18，该LP涡轮转子叶片74联接到LP轴或卷轴36，从而导致LP轴或卷轴36旋转，从而支持LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
随后，燃烧气体66导引通过核心涡轮发动机16的喷气排气喷嘴区段32，以提供推进推力。同时，空气的第一部分62的压力基本上增加，因为空气的第一部分62在从涡轮风扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被导引通过旁通气流通道56，也提供推进推力。HP涡轮机28、LP涡轮机30和喷气排气喷嘴区段32至少部分地限定热气体路径78，用于将燃烧气体66导引通过核心涡轮发动机16。
图2示出了用于在图1的发动机中使用的示例性风扇叶片40的一个实施例的透视图。风扇叶片40具有前缘100和后缘102。风扇叶片还具有第一侧104和第二侧106，第一侧104和第二侧106在前缘100和后缘102之间延伸。诸如防护件或涂层的附加部件可以施加于第一侧104和第二侧106。在所示的实施例中，风扇叶片40的大部分由在前缘100和后缘102之间延伸的纤维复合物层(例如，碳纤维层)制成。纤维复合物层从前缘100向翼弦方向延伸到后缘102，并且从根部108向翼展方向延伸到尖端110。还在图2中示出，风扇叶片10包括加强件112，加强件112是固定到前缘100的金属防护件。应理解，加强件112可定位在前缘100、后缘102和尖端110中的一个或多个处，并且可由除金属之外的材料制成。
能量吸收复合物114示出在图2的实施例中定位在翼型件40的表面101上。在图3的备选实施例中，示出了翼型件40，其具有位于翼型件40的表面101内(即，在翼型件的构造内，例如如图3中所示在第一侧104内)的能量吸收复合物114。应该理解的是，风扇叶片取向和构造除了图2和3中所示的那些也被包含在本主题中。
图4示出了示例性出口导向导叶52的侧视图，该出口导向导叶52包括在侧表面200上的能量吸收复合物114，其特别适合于减震。图5示出了另一示例性出口导向导叶52的横截面图，该出口导向导叶52在侧表面200,202之间的其构造内包括能量吸收复合物114。这样，风扇叶片40和出口导向导叶52中的每个包括翼型件99，翼型件99在其相应表面上或内部具有能量吸收复合物114。
在一个实施例中，能量吸收复合物114是非牛顿材料，其可以在发动机事故或退化的运行条件之后产生增强的振动隔离，提供自调节机械响应或抗冲击性。因此，能量吸收复合物114可用于减轻发动机性能随时间退化的不利影响和发动机事故造成的损坏，包括来自内部物体碎片(DOD)或外来物体碎片(FOD)的损坏。这些益处还可以通过抑制过度振动和通过发动机部件复合结构中的非牛顿材料的增强的振动隔离和自调节特性来减少或消除不期望的振动模式来防止额外的燃气涡轮发动机劣化。
在一个实施例中，能量吸收复合物114包括遍布在基质中的剪切增稠流体。表现出与时间无关的粘度的非牛顿材料被称为剪切增稠，因为材料的表观粘度响应于应力的增加而增加。这种行为(或称为特性，即behavior)在设计翼型件以承受突然冲击时可能是特别期望的。
如所述，能量吸收复合物114可以施加到风扇叶片40的外表面101上，或者可以结合在风扇叶片40的构造内。当施加于表面101时，能量吸收复合物114可以以多种方式附接，包括以下的任何组合：将能量吸收复合物114机械紧固到表面101，将能量吸收复合物114粘接到风扇叶片40等。
图6显示了示例性能量吸收复合物114，其具有遍布在整个由固体发泡合成聚合物214形成的基质212中的剪切增稠流体210。在一个实施例中，固体发泡合成聚合物214可包括合成弹性体，诸如弹性体聚氨酯。在一个具体实施例中，固体发泡合成聚合物214可包括至少两种不同合成弹性体诸如第一聚合物基弹性材料和第二聚合物基弹性材料的组合。例如，第一聚合物基弹性材料可以是乙烯乙酸乙烯酯和/或烯烃聚合物，第二聚合物基弹性材料可以是具有膨胀特性的硅酮聚合物(例如硼酸化硅酮聚合物)。
备选地，图7显示遍布在整个基质212中的剪切增稠流体210，其包括分别由多个纤维222a,222b,222c,222d形成的多个织物片220a,220b,220c,220d。在每个片中，多个纤维222a,222b,222c,222d可以形成网络(例如，编织网络，非编织网络(例如，随机或平行)，或另一种取向)。特别地，能量吸收复合物114可由高强度和高模量纤维构成，诸如对位芳香族聚酰胺合成纤维(即可从E.I. duPont de Nemours and Company获得的KEVLAR纤维)、金属纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、对苯二甲酰胺纤维(p-phenylenetherephtalamide fibers)、芳族聚酰胺纤维(aromatic polyamide fibers)、碳化硅纤维、石墨纤维、尼龙纤维或其混合物。合适的纤维的另一个示例包括超高分子量聚乙烯，例如由Honeywell International Inc.制造的SPECTRA纤维。
能量吸收复合物114的纤维可具有高度定向的高拉伸强度和高模量，从而得到非常光滑的纤维表面，其表现出低摩擦系数。当形成织物层时，这种纤维在冲击事件期间通常表现出到相邻的纤维的差的能量转移。除非解决，否则这种能量转移的缺乏可能关联于耗散移动物体的动能的效率降低，从而需要使用更多的材料来实现完全耗散。
此外，在一个特定实施例中，能量吸收复合物114的基质212浸渍有剪切增稠流体210，以改善能量吸收复合物114的抗冲击性。在一个示例性实施例中，整个能量吸收复合物114在整个厚度上浸渍有剪切增稠流体。然而，在其他实施例中，仅能量吸收复合物114的一部分浸渍以剪切增稠流体。例如，邻近翼型件表面的最内织物片220d可以用剪切增稠流体浸渍，和/或与翼型件表面相对的最外织物片220a可以用剪切增稠流体浸渍。
通常，剪切增稠流体是非牛顿的、膨胀的和可流动的液体，其含有悬浮在载体中的颗粒，该载体的粘度随变形速率增加。随着变形的速率的增加，这些特征增加了能量吸收复合物114内的纤维之间的能量传递。这种能量传递可以体现为应变、应变速率、振动、两者都是频率和幅度相关的、压力、能量(即大距离上的低力和短距离上的高力都能引起响应)以及能量传递速率(更高的速率引起更大的响应)。因此，在低变形速率下，具有剪切增稠流体的能量吸收复合物114可以根据处理和安装的需要而变形。然而，在高变形速率下，例如在冲击或损坏事件期间，具有剪切增稠流体的能量吸收复合物114转变为具有增强的保护特性的更粘稠的、在某些情况下刚性的材料。因此，用剪切增稠流体浸渍的能量吸收复合物114有利地提供了在安装期间可工作的、轻且柔性的但是在冲击期间是刚性的和保护性的结构。
如上所述，剪切增稠流体210通常包括悬浮在溶剂中的颗粒。可以提供任何合适的浓度，并且在一个实例中，剪切增稠流体包括至少约50％重量的颗粒。示例性颗粒可包括气相二氧化硅、高岭土、碳酸钙和二氧化钛，并且示例性溶剂包括水和乙二醇。剪切增稠流体的颗粒可以是用以在能量吸收复合物114的纤维之间浸渍的任何合适的尺寸。例如，颗粒可以是平均直径为约1至约1000纳米的纳米颗粒，或平均直径为约1至约1000微米的微粒(或称为微米颗粒，即microparticles)。
剪切增稠流体的颗粒的其他实例包括聚合物，诸如聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯、或来自乳液聚合的其它聚合物。颗粒可以在溶液中稳定或通过电荷、布朗运动，吸附而分散。颗粒形状可包括球形颗粒、椭圆形颗粒或盘状颗粒。
在一个实施例中，对于静电稳定的或聚合物稳定的颗粒溶剂实质上是含水的(即含有或不含有盐诸如氯化钠和用于控制pH的缓冲剂的水)。在其他实施例中，溶剂可以是有机的(例如乙二醇、聚丙二醇、甘油、聚乙二醇、乙醇)或硅基的(例如硅油、苯基三甲基硅氧烷(phenyltrimethicone))。溶剂也可以由相容的溶剂的混合物组成，并且可以含有游离的表面活性剂、聚合物和低聚物。剪切增稠流体的溶剂通常是稳定的，以便与能量吸收复合物114保持一体。对于一般制备，将溶剂、颗粒和任选的凝固剂或粘合剂混合并除去任何气泡。
剪切增稠流体可以以多种方式嵌入能量吸收复合物114中。例如，剪切增稠流体可以通过用诸如刮刀辊、浸涂、反向辊筛网涂层机、施覆和刮涂、喷涂和完全浸没的技术涂覆能量吸收复合物114来施覆。能量吸收复合物114可以进行进一步的操作，例如反应/固定(即将化学物质结合到基板上)、洗涤(即除去过量的化学物质和辅助化学物质)、稳定和干燥。例如，能量吸收复合物114的纤维可以用剪切增稠流体与热固性树脂连结，所述热固性树脂可以用紫外(UV)或红外(IR)辐射固化。通常，这种固化不会导致能量吸收复合物114和剪切增稠流体的硬化，使得能量吸收复合物114在安装之前保持可工作。可以提供额外的涂层，例如使能量吸收复合物114防火或防焰、防水、防油、不起皱、防缩、防腐、防滑、折叠保持、抗静电、或等等。
能量吸收复合物114可以在安装之前用剪切增稠流体浸渍，例如，作为预浸渍件，其中浸渍以剪切增稠流体，作为一卷连续材料包装和销售。能量吸收复合物114的长度可以被确定尺寸、切割和安装，并且可以跟随所需的那么多个层。由于剪切增稠流体是可流动和可变形的，因此它可以填充复杂的体积并适应弯曲和旋转。
在某些实施例中，剪切增稠流体包括膨胀剂，其具有非牛顿特性，其中流体的粘度随着剪切应变速率的增加而增加。膨胀剂通常包括在流体(例如液体或气体)中分配的颗粒。在一种剪切增稠行为理论下，膨胀剂内的颗粒处于平衡状态中。当剪切力施加到流体时，只要不超过临界剪切速率，颗粒将保持有序平衡。换句话说，剪切增稠流体中的颗粒将保持牛顿流动特性(例如充当液体)，只要施加的力的速率不超过某一阈值(即临界剪切速率)即可。然而，如果膨胀剂经历的剪切速率大于其临界剪切速率，则流体中的颗粒将不再保持在有序的平衡状态中，而是表现为固体。在大的、突然的、瞬时力(例如，物体冲击、冲击、压力振荡或加速度的突然变化)可以施加于包含膨胀浸渍基质的发动机部件时，这种行为通常是可观的。通常具有低剖面(low profile)和高柔性，包含膨胀剂的发动机部件可另外受益于增加的吸震，同时最小化有害的副作用，诸如增加的发动机部件重量或更大的剖面。
膨胀剂中包含的颗粒的尺寸、形状和材料可以变化，以适应发动机部件的要求。不希望受任何特定理论的束缚，相信膨胀流体行为高度依赖于悬浮在流体内的颗粒的体积分数(或称为容积率，即volume fraction)，颗粒的尺寸或总体积影响引发剪切增稠行为所需的剪切量。对于燃气涡轮发动机部件，悬浮在流体中的可流动液体中的聚合物颗粒、气相二氧化硅、高岭土、碳酸钙、二氧化钛或其平均直径为约1nm至约1000μm的混合物可表现出对于发动机部件诸如翼型件、壳体或结构构件所需的行为。
前面已经描述了一种发动机部件，其包括在用于燃气涡轮发动机的发动机部件上或内部分布的在基质中的剪切增稠流体和/或膨胀剂。此书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则意在使这些其他示例处于权利要求的范围内。

Claims (20)

1. 一种用于涡轮发动机的部件，所述部件包括：
限定表面的翼型件；和
能量吸收复合物，其位于所述翼型件的表面上或所述翼型件内，其中，所述能量吸收复合物包括遍布在基质中的剪切增稠流体。
2.根据权利要求1所述的部件，其中，所述能量吸收复合物位于所述翼型件的构造内。
3.根据权利要求1所述的部件，其中，所述能量吸收复合物位于所述翼型件的表面的至少一部分上。
4.根据权利要求3所述的部件，其中，所述能量吸收复合物位于所述翼型件的前缘上、所述翼型件的侧表面上或两者上。
5.根据权利要求1所述的部件，其中，所述基质包括固体发泡合成聚合物基质。
6.根据权利要求5所述的部件，其中，所述固体发泡合成聚合物基质包括合成弹性体。
7.根据权利要求6所述的部件，其中，所述合成弹性体包括弹性体聚氨酯。
8.根据权利要求6所述的部件，其中，所述合成弹性体包括第一聚合物基弹性材料和第二聚合物基弹性材料。
9.根据权利要求8所述的部件，其中，所述第一聚合物基弹性材料包括乙烯乙酸乙烯酯或烯烃聚合物，并且其中，所述第二聚合物基弹性材料包括具有膨胀特性的硅酮聚合物。
10.根据权利要求5所述的部件，其中，所述能量吸收复合物还包括聚合物基膨胀剂。
11.根据权利要求10所述的部件，其中，所述聚合物基膨胀剂包括具有膨胀特性的硅酮聚合物。
12.根据权利要求10所述的部件，其中，所述聚合物基膨胀剂包含硼酸化硅酮聚合物。
13.根据权利要求1所述的部件，其中，所述剪切增稠流体是气体。
14.根据权利要求1所述的部件，其中，所述基质包括多个织物片，每个织物片包括纤维网。
15.根据权利要求14所述的部件，其中，所述纤维包括对位芳香族聚酰胺合成纤维、超高分子量聚乙烯、金属纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、对苯二甲酰氨基纤维、芳族聚酰胺纤维、碳化硅纤维、石墨纤维、尼龙纤维或其混合物。
16.根据权利要求14所述的部件，其中，所述多个织物片包括邻近翼型件的表面的最内织物片，并且其中，所述最内织物片包括浸渍以所述剪切增稠流体的纤维网。
17.根据权利要求14所述的部件，其中，所述多个织物片包括与所述翼型件的表面相对的暴露的最外织物片，并且其中，所述暴露的最外织物片包括浸渍以所述剪切增稠流体的纤维网。
18.根据权利要求1所述的部件，其中，所述剪切增稠流体包括含有悬浮在载体中的颗粒的可流动液体，其中，所述颗粒具有为约1nm至约1000μm的平均直径。
19.根据权利要求18所述的部件，其中，所述颗粒包括聚合物颗粒、气相二氧化硅、高岭土、碳酸钙、二氧化钛或其混合物。
20.一种燃气涡轮发动机，包括根据权利要求1所述的部件。
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