CN113330670A - 具有用于使永磁体强制退磁的装置的电机 - Google Patents

具有用于使永磁体强制退磁的装置的电机 Download PDF

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CN113330670A CN201980089424.0A CN201980089424A CN113330670A CN 113330670 A CN113330670 A CN 113330670A CN 201980089424 A CN201980089424 A CN 201980089424A CN 113330670 A CN113330670 A CN 113330670A
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托马斯·克洛诺夫斯基
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Abstract

本发明涉及一种用于飞行器的电机,该电机包括定子和转子,该转子相对于定子可旋转地移动,转子或定子包括多个永磁体,该电机包括用于使永磁体退磁的退磁装置,该退磁装置适合于实现永磁体的温度的临时升高,以在温度的临时升高期间限制由永磁体产生的励磁磁通。本发明进一步涉及一种组件,该组件包括如下组件:该组件包括电机和热流体源,该热流体源适合于将热流体输送到电机的退磁装置。热流体源可以是涡轮发动机的气体流道。

Description

具有用于使永磁体强制退磁的装置的电机
技术领域
本发明涉及用于产生能量或使飞行器机动化的电机领域,该飞行器特别是直升机型、竖直起降或VTOL型、短距起降或STOL型的,或具有电力推进的飞行器。
背景技术
目前的做法是在具有电力或热/电混合推进的飞行器中携带电机。在混合电力架构中,发电机能够由燃气涡轮类型的热力发电系统驱动。
为了减小飞行器上的整体质量,优选地用于这些应用的电机为具有永磁体的同步电机,该具有永磁体的同步电机的每单位质量具有高功率密度。
图1给出了(例如在直升机上携带的)具有永磁体的同步电机的横截面视图。该同步电机在此是径向磁通型电机,并且整体上具有轴线为A的圆柱形的形状。该同步电机具有转子2,该转子围绕轴线A做旋转运动并且被定位在固定的定子4内。在此,同步电机包括四个永磁体3。
在该示例中,磁体3位于转子上并且面对被定位在定子的内周上的绕组。
磁体3形成两对北/南磁极。还已知的是电机具有三对以上的磁极。在电机的发电机运行中,磁体相对于绕组的强制旋转产生励磁磁通,进而在绕组的终端处产生反电动势。
在图1的电机中,在绕组短路的情况下,或者在大幅度降低绕组的阻抗的另一事件的情况下,由于永磁体继续旋转,所述绕组的终端处的电压并不会像电阻率一样迅速下降。
因此,在绕组中流通的电流的强度迅速增加,从而使绕组面临过热、绝缘体熔化等风险。这些风险对于要求设备具有高水平的可靠性的航空应用来说是不可接受的。
因此,已经寻求在绕组短路期间保护永磁同步电机的绕组的解决方案。
已经提出过通过向绕组添加铜质量和/或通过加强绝缘来确定绕组的电气电路尺寸,使得电路能够耐受高强度的电流。然而,该解决方案增加了对电机的质量的影响,并且使绕组的制造更加复杂。
另一种现有的解决方案包含在电机的转子和热机的驱动转子的动力轴之间实现瞬时的机械解耦。例如,通过离合器或爪式联轴器来实现解耦,以使得能够紧急停止转子的旋转。在申请人名下的专利申请FR 3 057029中、特别是在图2中描述了一种该类型的解决方案,图2示出了在发电机和螺旋桨轴之间的解耦装置23。然而,该类型的装置体积很大,并且减少了飞行器的可运输的有效载荷。
在这些极端的情况下,还可以完全停止驱动转子的热机。然而,如果所述热机还要确保直升机螺旋桨的运动,则在飞行期间停止热机是不可行的。
还考虑用绕线转子电机代替永磁同步电机,其优点是通过切断转子绕组的电源,以能够快速消除励磁旋转磁通。然而,位于转子处的滑环的存在限制了转子的速度。这就是为什么绕线转子电机的每单位质量的功率密度不能与永磁电机的功率相比的原因。
发明内容
因此,需要一种旨在搭载在飞行器上的电机,该电机中的绕组发生故障事件时,不会使绕组面临损坏的风险。
在绕组短路的情况下,特别希望避免感应电流强度的过度增加。
所需的电机必须满足航空领域的特定限制,从而对飞行器的质量和体积具有最小的影响。
所需的解决方案还必须对飞行器内的可运输的有效载荷具有最小的影响。
为此,本发明的第一个目的是提供一种用于飞行器的电机,该电机包括定子和转子,该转子相对于定子旋转,该转子或定子包括多个永磁体,
该电机包括用于使永磁体退磁的退磁装置,该退磁装置适合于实现永磁体的临时温度升高,
以在临时温度升高期间限制由永磁体产生的励磁磁通。
根据本发明的电机包括退磁装置,该退磁装置使得能够通过升高磁体的温度,来快速降低由磁体产生的励磁磁通。有利地利用了磁性材料在温度升高期间退磁的固有性质。所谓“退磁”是指消除磁体的磁感应。
特别地,被称为居里温度的阈值温度消除了永磁体的磁感应。
因此,在绕组故障的情况下,由磁体产生的磁通能够迅速减小。在绕组有缺陷的情况下,在绕组的终端处的反电动势保持较高的时间被大大减少。
优选地,电机的每个永磁体与退磁装置相关联,以便使磁体的总磁通能够快速减小。
本发明的电机具有以下可选的和非限制性的特征,这些特征可以单独使用或以任何一种技术上可行的组合使用:
-退磁装置被配置为使热流体在永磁体的附近或在永磁体内流通。
-退磁装置包括管道,该管道的终端部分通向永磁体的表面或通入到永磁体的内部体积中。
该变体的优点是管道的质量轻,对可运输的有效载荷的影响较小。
-管道的一部分垂直于转子的轴的轴线从电机的外部延伸到定子的内表面。
-管道的一部分沿着转子的轴的轴线延伸,管道的终端部分在转子中从所述部分延伸到永磁体。
-电机为径向磁通型电机,转子具有圆柱形的形状。
-电机为轴向磁通型电机,转子具有盘状的形状。
-永磁体具有居里温度,并且退磁装置适合于实现使永磁体的临时温度升高而超过居里温度。
-电机进一步包括绕组,该绕组被布置为在转子的旋转期间,在由永磁体产生的励磁磁通的影响下,使得感应电流在绕组中流通,
该电机进一步包括绕组故障传感器,退磁装置被配置为在检测到绕组故障期间实现永磁体的温度升高。
本发明的第二个目的是提供一种组件,该组件包括如上所述的电机以及热流体源,该热流体源适合于向电机的退磁装置供应热流体。
该组件具有以下可能的和非限制性的特征,这些特征可以单独使用或以任何一种可能的组合使用:
-该组件进一步包括气体/气体热交换器或气体/液体热交换器,该热交换器被定位在热流体源和电机之间。
-该组件包括涡轮机,该涡轮机具有在涡轮机的运行期间用作热流体源的气体流道,并且该组件包括在气体流道中的热气抽取元件。
-抽取元件适合于允许热气体从垂直于涡轮机的轴线限定的抽取平面进入,抽取平面选自:
被称为平面P3的平面,该平面P3在涡轮机的最终压缩机级的出口上方延伸,该最终级直接位于涡轮机的燃烧室的上游;
被称为平面P2.5的平面,该平面P2.5在涡轮机的、不同于最终压缩机级的压缩机级的出口上方延伸;
-抽取元件适合于允许热气体从位于涡轮机的排气喷嘴中的抽取点进入;
-该组件进一步包括抽吸装置,该抽吸装置位于抽取元件的附近;
-涡轮机适合于驱动组件的电机的转子。
本发明还涉及一种飞行器,该飞行器包括如上文限定的组件,该飞行器通常是直升机或热/电混合发电的飞行器。
附图说明
通过下面的纯粹是说明性的而不是限制性的描述,并且伴随上文已经呈现的图1以及其他附图进行的描述,本发明的其他特征、目的和优点将被显现,在其他附图中:
图2是根据本发明的第一实施例的同步永磁电机的纵向截面示意图;
图3以纵向截面示出了直升机的涡轮机,该直升机的涡轮机被配置为驱动图2的同步电机的转子,以向图2的同步电机的退磁装置供应热气体;
图4是特定的永磁体的退磁特性曲线,横坐标轴线示出了退磁场,纵坐标轴线示出了永磁体的感应;
图5是根据本发明的第二实施例的同步永磁电机的纵向截面示意图。
具体实施方式
下面的描述描述了同步永磁电机的示例,在示例中,永磁体位于转子上并且相对于定子被驱动旋转。
下文中的示例涉及在发电机模式下的同步电机,转子被驱动旋转以与定子发生相互作用并且产生电能。此外,下文描述的是一种径向磁通同步电机,其中转子总体上具有圆柱形的形状并且被定位在定子的内部。
然而,本发明以同样的优点应用于永磁体被固定并且位于定子中的电机的情况和/或应用于电机具有轴向磁通的情况。更普遍地,本发明能够应用于包括任何数量的磁体的任何电机。
还应当注意,在下文的示例中,如果主要在绕组发生故障的情况下激活退磁装置,则可以考虑在需要快速减少由磁体产生的磁通的任何其他情况下触发退磁装置。
在下文的描述和附图中,相似的元件由相同的字母数字附图标记来表示。
图2示出了根据本发明的第一实施例的同步永磁电机1。在此,电机1被用作直升机的发电机。然而,该电机还能够被用于另一种类型的飞行器,特别是热/电混合发电的飞行器。在图2中,电机1在穿过转子2的轴的轴线A的平面中以纵向截面被看到。
为了更好地理解图,示出了垂直于轴线A的截平面C。截平面C中的横向截面图(附图中未示出)将给出与图1示出的现有技术的电机的结大体构相似的大体结构。
在直升机架构的一个示例中,电机1被集成在PAGB(Power Accessories GearBox)或“动力附件齿轮箱”中。电机1例如能够按照申请人名下的专利申请FR3057029中描述的架构被定位在飞行器中。
电机1包括定子4和转子2,该转子相对于定子4移动。转子2的轴由位于直升机中的涡轮机的动力轴驱动旋转。电机1具有径向磁通,转子2总体上是圆柱形并且被定位在定子4的内部。转子和定子位于壳体7中,该壳体界定电机。替代地,电机能够具有轴向磁通,并且转子2能够是盘状类型的。
在一种可能的配置中,电机1的转子2的轴由燃气涡轮驱动。然后,将电机1安装在变速箱上,该变速箱由连接到燃气涡轮的主轴的动力输出轴驱动。
转子包括多个永磁体3。在此,转子包括四个磁体,该四个磁体包括两个沿直径相对的北磁体和两个沿直径相对的南磁体。
在此,磁体3规律地被分布在转子的轴的中心部分22上方的表面上,两个连续的磁体间隔90°。转子的轴的中心部分相对于轴的端部部分21具有较大的半径。磁体3a(顶部)和磁体3b(底部)在图2的视图中可见。
应当理解,能够考虑磁体的其他几何形状:径向或正交径向的磁体、埋入式磁体、被插入用于异步启动的鼠笼式构型中的磁体。
电机具有径向磁通,定子4具有中空圆柱体的大体形状。磁极规律地被分布在定子的内表面上,沿着转子的方向延伸。绕组(例如包括铜线)被缠绕在磁极中的每个磁极的周围。电流能够在每个绕组内流通。
圆柱形轴环30位于磁体中的每个磁体的表面上,以保持磁体。距离E(被称为空气间隙)将轴环的外表面与定子4的磁极的内周间隔开。优选地,空气间隙E介于0.5毫米到10毫米之间。在此,没有滑环。
在图2所示的转子的角位置处,磁体3a位于绕组5a的附近,磁体3b位于绕组5b的附近。
壳体7通常是圆柱形的形状。壳体沿轴线A被穿孔,用于使转子2插入。定子4与壳体7成一体。在转子2相对于由定子4和壳体7形成的组件旋转时,转子2由轴承8支撑。
根据本发明,电机1包括用于使永磁体3a退磁的装置。退磁装置的功能是根据命令实现永磁体3a的临时温度升高。临时温度升高限制了由运动中的磁体3a的磁场和定子的绕组的磁场之间的相互作用产生的励磁磁通。
实际上,磁体3a的温度升高减小了磁体的矫顽磁场,或者减小了消除磁体的磁感应的退磁场的水平。超过磁体的居里温度,即使没有退磁场,磁体的磁感应也被消除。
“磁感应”是指磁体的磁性行为的磁矩特性的体积密度,由磁体和定子的相对运动产生的励磁磁通取决于该体积密度。“退磁场”则是施加到磁体上以消除磁体的磁感应的磁场。
在图2的示例中,退磁装置被配置为使热流体在永磁体3a的附近流通。更精确地,退磁装置包括管道60,该管道延续到管道60的多个终端部分61中,该多个终端部分分别具有相互平行的轴线B1、B2和B3。终端管道部分中的每个终端管道部分通向磁体3a的内部体积内。
磁体3a的内部体积与管道60的左侧端部流体连通。因此,管道60和终端部分61提供通道,该通道用于接纳来自电机外部的源的热流体(通常是热空气),并且将该热流体带到磁体的附近。
管道组件允许使热流体流尽可能地靠近磁体3a。
在图2的示例中,管道60沿着转子的轴的轴线A延伸。在图2中,管道的左侧端部穿过转子的轴的左侧端部。管道延续直到转子2的轴的中心部分22的右侧端部附近的平面。
上述的管道组构成用于永磁体3a的强制退磁装置。
在一个有利的变体中,永磁体3a具有一个或多个贯穿该永磁体的内部通道,该内部通道适合于允许流体(例如传热流体)进入。因此,在磁体的内部体积中能够进行热交换,这减少了磁体对由退磁装置提供的热量的响应时间。从而加速退磁。这些内部通道例如在磁体的内部体积中沿基本上平行于轴线A的方向纵向地延伸。
此外,应当注意,可以通过在定子处的磁通的作用来完成退磁装置的作用,以产生退磁场。
优选地,阀63位于管道60的左侧端部处,以控制热流体的进入。阀63可以例如通过直升机中携带的机载计算机以电子方式被控制。阀63可以是开/关型的阀,或者是比例阀。
当热流体被允许进入管道60时,该热流体将热量传递到磁体3a的内部体积,以触发磁体的温度升高。
为了排空壳体7内的热流体,有利的是布置排空管道70,排空管道的第一端部通向壳体的内部体积内,并且排空管道的第二端部通向壳体外。排空的激活可以通过与直升机的计算机相关联的排空阀71控制。管道70使得能够避免壳体7内的超压。
在发电机运行中,感应电流在磁体(特别是磁体3a)的励磁磁通的影响下在绕组5a中流通。在绕组5a短路的情况下,如果磁体继续旋转(并因此产生磁通),则非常高强度的感应电流(大于绕组的能够达到数百安培的损坏阈值)能够在绕组中循环。
有利地,电机1包括绕组损坏传感器50。传感器50能够将数据传输到直升机的计算机。退磁装置被配置为(经由阀63)在有绕组损坏的风险的情况下(例如短路事件期间)触发永磁体3a的温度升高。因此能够保护短路的绕组。
在优选的配置中,电机1的永磁体3中的每个永磁体能够通过退磁装置加热。例如,管道60能够延续到其他终端部分(未示出)中,这些其他终端部分通向永磁体中的每个永磁体的附近,特别是通向永磁体3b的附近。
这种变体的一个优点是能够限制、甚至完全地消除由绕组中的所有永磁体产生的感应电流。
优选地,电机的每个绕组具有损坏传感器,以便在短路的情况下能够保护绕组中的每个绕组。
在一种可能的变体中(图中未示出),退磁装置能够连结到气体/气体或气体/液体热交换器,气体例如是空气,液体例如是油、燃料或水。然后,热交换器被布置在热流体源(下文示例中的燃气涡轮发动机)和电机之间。热交换器使得能够控制和调节被允许从外部热源进入到电机中的流体的输入温度。
图3是直升机的燃气涡轮发动机10的截面示意图。燃气涡轮发动机10包括转子,该转子具有轴线D,该转子驱动图2的电机1的转子2。在该示例中,燃气涡轮发动机10是具有多个级和离心压缩机的燃气涡轮发动机。
按照燃气涡轮发动机运行时的空气流动顺序,燃气涡轮发动机包括空气入口11、第一离心压缩机12、第二离心压缩机13、燃烧室14、气体发生器涡轮15和自由涡轮16。
在此,燃气涡轮发动机10具有双线轴。双线轴包括对应于自由涡轮16的第一线轴17和对应于压缩机和气体发生器涡轮的第二线轴18。
燃气涡轮发动机10包括直到位于自由涡轮16的出口处的排气喷嘴(未示出)的气体流道,该气体流道形成用于被允许进入入口11的空气的流动路径。
非常有利地,在燃气涡轮发动机的运行期间,气体流道作为热流体源,以供应用于使永磁体3a退磁的装置。
在图3的示例中,气体抽取元件64被定位在燃气涡轮发动机10的气体流道中,以抽取气流中的热气体,并将热气体供应到管道60。元件64与管道60的一端串联定位。在此,元件64是管道,该管道一方面连接到燃气涡轮发动机10的气体流道的一部分,另一方面连接到图2所示的管道60。
元件64有利地被布置在燃气涡轮发动机10的压缩机的出口处,以便回收先前由燃气涡轮发动机的构件压缩的热空气。
在图3的示例中,元件64在垂直于轴线D并且穿过第二离心压缩机13的出口的平面(通常被称为“平面P3”)处通入到燃气涡轮发动机10的流中。由于第二离心压缩机13直接位于燃烧室14的上游,因此该配置的一个优点是在非常高的温度下回收气体。
作为替代方案或组合地,能够在垂直于轴线D并且穿过第一离心压缩机12的出口的平面(通常被称为“平面P2或P2.5”)中和/或在涡轮机的排气喷嘴(平面P5和/或P6)上进行气体的抽取。可选地,抽吸装置被添加到元件64附近的气体抽取点。如果在低压水平处(例如在排气喷嘴处)抽取热气体,则该抽吸装置是特别有利的。
作为替代方案,能够在另一种类型的涡轮机的流上完成气体的抽取,以供应永磁体的退磁装置。
使用直升机的涡轮机作为退磁装置的热源是有利的,因为即使在没有退磁装置的情况下,该热源也已经存在。因此,在驱动电机的转子的功能和使磁体强制退磁的功能之间实现了协同作用。此外,从涡轮机中抽取热气对总质量和推进组件的可靠性影响很小。
图4示出了磁体3a的磁性材料的磁感应的特性曲线,该磁感应作为磁性材料的温度的函数。在该示例中,磁性材料是Nd2Fe14B。磁感应J.B(在此以千高斯为单位)随着退磁场H(在此以千安培每米为单位)的绝对值的增加而减小。随着温度的升高,退磁场的绝对值越来越小(在100℃时约为1380kA/m,在210℃时约为360kA/m),磁感应被消除。
如上所述,超过磁体的居里温度,即使没有退磁场,磁体的磁感应也被消除。
举例来说,多种磁性材料的居里温度如下:NdFeB的居里温度为140℃到220℃、SmCo5的居里温度为280℃、Sm2Co17的居里温度为350℃到550℃、l’AlNiCo的居里温度为550℃、锶型铁氧体的居里温度为250℃、钡型铁氧体的居里温度为100℃到240℃。
电机1的退磁装置优选地适合于实现与其相关联的永磁体的温度升高,使温度超过根据磁体的居里温度确定的温度。
例如,退磁装置被配置为使磁体达到介于其居里温度的95%到105%之间的温度,从而强烈地限制磁体的磁感应。
优选地,退磁装置使磁体能够达到居里温度,从而消除磁体的磁感应。
事实上,当磁体处于其居里温度的100%时,允许在没有任何外部退磁场的情况下使永磁体的退磁达到最佳效果。
因此,退磁装置提供了一种即使磁体继续旋转也能临时和快速消除由磁体的旋转产生的磁通的方法。因此,能够在短路事件期间保护绕组。
图5给出了根据本发明的第二实施例的同步永磁电机1’的纵向截面图。截平面穿过转子2的轴的轴线A。
电机1’的内部结构,特别是转子2和定子的布置,与上述关于图2的电机1的描述一致。
代替管道60,电机1’包括多个管道62。与管道60类似,管道62将热流体源置于电机的外部,与位于永磁体3a附近的体积流体连通。在此,管道62分别沿着垂直于转子的轴的轴线A的相互平行的轴线B1、B2和B3延伸。
管道62中的每个管道通过壳体7并且通过定子4从壳体7的外部延伸到定子4的内表面。管道62通过通孔40穿过定子4。
因此,管道62的端部通到永磁体3a的表面上。
阀63优选地位于管道62的外端部,以控制热流体通过这些管道的进入。这些管道可以例如通过直升机中的机载计算机以电子方式被控制。
作为替代方案,可以使用单个管道62或任何数量的管道。
可以使用管道62来代替具有终端部分61的管道60或作为其补充。结合管道的两个定向的结构使得更大总质量的热流体流能够进入到一个或多个永磁体的附近,这加速了温度的升高。
因此,热气体的喷射能够相对于转子的轴的轴线A轴向地和/或径向地完成。
更普遍地,退磁装置的管道的形状和布置能够根据电机的结构、质量和体积限制或将磁体的温度升高的需要而调整。
热流体不一定用作退磁装置的热源。可以设想多种类型的热源。特别地,可以用电阻器代替管道60,该电阻器位于永磁体的附近,对于该永磁体,磁通将被消除。

Claims (15)

1.一种用于飞行器的电机,所述电机包括定子(4)和转子(2),所述转子能够相对于所述定子(4)旋转,所述转子或所述定子包括多个永磁体,
所述电机的特征在于,所述电机包括用于使永磁体(3a)退磁的退磁装置,所述退磁装置适合于实现所述永磁体的临时温度升高,以在临时温度升高期间限制由所述永磁体(3a)产生的励磁磁通。
2.根据权利要求1所述的电机,其中,所述退磁装置被配置为使热流体在所述永磁体(3a)的附近或在所述永磁体内流通。
3.根据权利要求2所述的电机,其中,所述退磁装置包括管道(60),所述管道的终端部分(61)通向所述永磁体(3a)的表面或通入到所述永磁体(3a)的内部体积中。
4.根据权利要求3所述的电机,其中,所述管道(60)的一部分沿着所述转子(2)的轴的轴线(A)延伸,所述管道的终端部分(61)在所述转子(2)中从所述管道部分延伸到所述永磁体(3a)。
5.根据权利要求3所述的电机,其中,所述管道的一部分(62)垂直于所述转子(2)的轴的轴线(A)从所述电机的外部延伸到所述定子(4)的内表面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电机,所述电机是径向磁通型电机,所述转子(2)具有圆柱形的形状。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的电机,所述电机是轴向磁通型电机,所述转子具有盘状的形状。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电机,其中,所述永磁体具有居里温度,并且所述退磁装置适合于实现使所述永磁体(3a)的临时温度升高而超过所述居里温度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电机,所述电机进一步包括绕组(5a),所述绕组被布置为在所述转子(2)的旋转期间,在由所述永磁体(3a)产生的励磁磁通的影响下,使得感应电流在所述绕组(5a)中流通,
所述电机进一步包括绕组故障传感器(50),所述退磁装置被配置为在检测到绕组故障时实现所述永磁体的温度升高。
10.一种组件,所述组件包括根据权利要求1至9中任一项所述的电机(1),并且所述组件包括热流体源,所述源适合于向所述电机的所述退磁装置供应热流体。
11.根据权利要求10所述的组件,所述组件进一步包括气体/气体交换器或气体/液体热交换器,所述热交换器被定位在所述热流体源和所述电机之间。
12.根据权利要求10或11所述的组件,所述组件包括涡轮机(10),所述涡轮机包括在所述涡轮机的运行期间用作热流体源的气体流道,并且所述组件包括在所述气体流道中的热气抽取元件(64)。
13.根据权利要求12的组件,其中,所述抽取元件适合于允许热气体从垂直于所述涡轮机的轴线(D)限定的抽取平面进入,所述抽取平面选自:
-被称为平面P3的平面,所述平面P3在所述涡轮机的最终压缩机级(13)的出口上方延伸,所述最终级直接位于所述涡轮机的燃烧室(14)的上游;
-被称为平面P2.5的平面,所述平面P2.5在所述涡轮机的、不同于所述最终压缩机级的压缩机级(12)的出口上方延伸。
14.根据权利要求12所述的组件,其中,所述抽取元件适合于允许热气体从位于所述涡轮机的排气喷嘴中的抽取点进入。
15.一种飞行器,所述飞行器包括根据权利要求10至14中任一项所述的组件,其中,所述飞行器例如是直升机或热/电混合发电的飞行器。
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