CN114761670A - 用于飞行器的具有对转式涡轮的涡轮机 - Google Patents

用于飞行器的具有对转式涡轮的涡轮机 Download PDF

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奥利维耶·贝尔蒙蒂
罗迈因·特鲁科
奥利维尔·福米卡
法布里斯·约尔·卢克·舍维约
克莱门特·保罗·雷内·尼普塞龙
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Abstract

用于飞行器的具有对转式涡轮的涡轮机(10),该涡轮机包括对转式涡轮(22),对转式涡轮的第一转子(22a)被构造成在第一旋转方向上旋转并且连接到第一涡轮轴(36),对转式涡轮的第二转子(22b)被构造成在相反的旋转方向上旋转并且连接到第二涡轮轴(38),第一转子包括涡轮盘,该涡轮盘交错在第二转子的涡轮盘之间,所述第一轴(36)由安装在该第一轴和定子壳体之间的至少两个引导轴承(60,62)引导,所述第二轴(38)由安装在该第二轴和另一个定子壳体(28)之间的至少两个引导轴承(56,58)引导。

Description

用于飞行器的具有对转式涡轮的涡轮机
技术领域
本发明涉及一种用于飞行器的具有对转式涡轮的涡轮机。
背景技术
特别地,现有技术包括文献US-A1-2019/085701、EP-A1-3 447 243、EP-A1-2 975213以及WO-A1-2013/147977。
通常,飞行器的涡轮机在气体流的方向上从上游到下游包括风扇、低压压缩机、高压压缩机、环状燃烧室、高压涡轮以及低压涡轮。低压压缩机的转子由低压涡轮的转子驱动,高压压缩机的转子由高压涡轮的转子驱动。
从发动机性能和燃料消耗点来看,使低压涡轮的转速最大化是有利的,因为这会导致涡轮的更高效率。然而,增加涡轮的转速意味着增加涡轮上的离心力,从而使涡轮的设计变得非常复杂。
在不增加涡轮的转速的情况下,提高涡轮的效率的一个建议是使用对转式涡轮。低压涡轮由具有第一转子和第二转子的双转子涡轮代替,第一转子被构造成在第一旋转方向上旋转并且连接到第一涡轮轴,第二转子被构造成在相反的旋转方向上旋转并且连接到第二涡轮轴。第一转子具有插入在第二转子的涡轮轮部之间的涡轮轮部。
在涡轮直接驱动风扇的常规架构中,低压涡轮可以具有约4,000rpm的起飞转速,或者在涡轮通过减速装置驱动风扇的架构中,低压涡轮可以具有约10,000rpm的起飞转速。由转子分别以约3,000rpm和7,000rpm的起飞速度旋转的对转式涡轮来代替上述低压涡轮使得能够具有10,000(3000+7000)rpm的相对速度,同时具有在上述速度区间的低范围内的绝对速度。
因此,这种对转式涡轮包括低速转子和高速转子。低速转子驱动风扇,高速转子与行星式周转机械减速装置啮合,行星式周转机械减速装置的输入部和输出部是对转的(旋转的环形齿轮、固定的行星架、旋转的太阳齿轮)。
减速装置将高速转子联接到低速转子,使得动力能够从高速转子转移到低速转子。这利用了高速涡轮的更高的效率,同时不是通过减速装置而是通过轴将大部分动力从涡轮转移到风扇。
由于这种架构的机械集成,该架构是复杂的:机械减速装置位于涡轮机的下游,在径向上位于定子壳体(被称为排气壳体)的内部。
现有的集成解决方案特别复杂,因为存在许多特别难以润滑的轴间轴承。涡轮的径向载荷很可能穿过径向地保持两个轴的齿轮箱,这对减速装置的良好性能极为有害。最后,空间需求没有得到优化,特别是在减速装置的行星齿轮或太阳齿轮下方存在轴承的情况下空间需求没有得到优化,这限制了减速装置的径向集成。
发明内容
本发明提供了对上述技术的改进,该改进表示了对上述问题的至少一些问题的简单、有效且经济的解决方案。
本发明提出了一种用于飞行器的具有对转式涡轮的涡轮机。
该涡轮机包括对转式涡轮,对转式涡轮的第一转子被构造成在第一旋转方向上旋转并且连接到第一涡轮轴,对转式涡轮的第二转子被构造成在相反的旋转方向上旋转并且连接到第二涡轮轴,第一转子包括涡轮轮部,该涡轮轮部交错在第二转子的涡轮轮部之间。
该涡轮机进一步包括行星式周转机械减速装置,行星式周转机械减速装置包括:太阳齿轮,太阳齿轮由所述第二轴驱动旋转;环形齿轮,环形齿轮由所述第一轴驱动旋转;以及行星架,行星架被附接到该涡轮机的第一定子壳体,第一定子壳体相对于涡轮机中的气体流的方向位于对转式涡轮的上游。
涡轮机包括用于引导第一轴和第二轴的轴承,
其特征在于,所述第一轴由至少两个引导轴承引导,引导轴承被安装在该第一轴与位于对转式涡轮的下游的第二定子壳体之间,或者被安装在该第一轴与连接到第二定子壳体的元件之间,所述第二轴由至少两个引导轴承引导,至少两个引导轴承被安装在该第二轴与所述第一定子壳体之间,或者被安装在该第二轴与连接到所述第一定子壳体的元件之间,
因此,自由式涡轮的两个转子中的每一个转子由两个轴承引导成旋转,这与现有技术的一些架构中的单个轴承不同。
特别地,由于以下原因,这种解决方案是有利的:
-因为在装配期间由轴承对为第一轴和第二轴中的每一个提供了定位在中心,因此涡轮机更易于装配;
-因为减速装置可以由刚性的力路径承载的轴承形成框架,因此减速装置在重力和操纵下更好地保持;
根据本发明的涡轮机可以包括以下特征中的一个或多个,这些特征彼此独立地被采用或彼此组合地被采用:
-所述第二轴仅由两个引导轴承引导;
-第二轴的两个引导轴承分别为上游滚珠轴承和下游滚子轴承;
-第二轴的两个引导轴承中的一个引导轴承与油膜压缩阻尼系统相关联,例如为下游滚子轴承;
-第二轴的两个引导轴承在径向上位于第一转子和第二转子的内部;这是有利的,因为这使得能够避免在操纵下会产生显著的间隙消耗的悬臂,并且还能够更好地控制涡轮的动力(在运行范围内该涡轮的轴没有弯曲模态,能够更好地阻尼涡轮的悬挂模态);此外,在这些轴承分别被布置成与涡轮的上游级和下游级成直线的情况下,这些轴承将确保对涡轮的更好的支撑;
-所述第一轴仅由两个引导轴承引导;
-第一轴的第一引导轴承位于减速装置的上游,第一轴的第二引导轴承位于减速装置的下游;
-第一轴的第一引导轴承位于垂直于涡轮机的纵向轴线的第一平面中,第一平面穿过所述第一转子和所述第二转子的下游,以及所述减速装置和所述第二壳体的上游,并且第一轴的所述第二引导轴承位于垂直于该轴线的第二平面中,第二平面位于所述减速装置和所述第二壳体的下游;
-第一轴的两个引导轴承为滚子轴承;
-第一轴的两个引导轴承中的一个引导轴承与油膜压缩阻尼系统相关联,例如为上游轴承;
-所述第一轴连接到所述第一转子的下游级,和/或所述第二轴连接到所述第二转子的下游级;这使得扭矩能够穿过最后的转子的级,最后的转子的级比第一级或上游级冷得多,
-第一轴的引导轴承中的至少一个引导轴承被成形为在径向方向上具有一定的柔性;该柔性可以由该轴承的环的具有C形横截面的环状部分提供,
-第二轴的引导轴承中的至少一个引导轴承被成形为在径向方向上具有一定的柔性;该柔性可以由该轴承的环的具有C形横截面的环状部分提供,
-环形齿轮架和行星架中的至少一个被成形为具有一定的径向柔性和一定的倾斜柔性(围绕垂直于马达轴线的轴线旋转的柔性);该柔性可以由环形齿轮架的具有C形横截面或S形横截面的环状部分提供,或者由行星架(如果该行星架被集成在环形齿轮架中)的具有C形横截面或S形横截面横截面的环状部分提供,优选地,该柔性被集成在从环形齿轮架的下游端部到轴承的力路径的外部,
-所述第一轴连接到减速装置的环形齿轮和涡轮机的风扇的驱动轴,
-第一轴的引导轴承中的一个引导轴承位于圆周上,该圆周的直径大于穿过该第一轴的引导轴承中的另一个引导轴承的圆周的,并且优选地,大于减速装置的外直径,并且
-第二轴的引导轴承位于具有不同直径的圆周上,下游轴承位于具有较小的直径的圆周上,该较小的直径可以小于减速装置的内直径。
有利地,油膜压缩阻尼系统用于阻尼轴或转子的动态不平衡模态。
优选地,该涡轮机为具有单个涵道式风扇类型的涡轮机,第一轴驱动该单个风扇旋转。
附图说明
通过阅读以非限制性示例的方式给出的以下描述并且参照附图,本发明将被更好地理解,并且本发明的其他细节、特征和优点将会变得更加清楚,在附图中:
[图1]图1是根据本发明的一个实施例的具有对转式涡轮的涡轮机的非常示意性视图,
[图2]图2是图1的对转式涡轮的放大视图,
[图3]图3是图1的涡轮机的轴的引导轴承的示意性轴向截面视图,
[图4]图4是图1的涡轮机的另一个轴的引导轴承的示意性轴向截面视图,以及
[图5]图5是图1的涡轮机的轴的另一个引导轴承的示意性轴向截面视图。
具体实施方式
图1以非常示意性的方式示出了用于飞行器的具有对转式涡轮的涡轮机10。
该涡轮机10在气体流的方向上从上游到下游包括风扇12、低压压缩机14、高压压缩机16、环状燃烧室18、高压涡轮20以及对转式涡轮22。
附图标记24指的是位于压缩机14和16之间的中间壳体。附图标记26指的是位于涡轮20和22之间的涡轮壳体(TVF型的涡轮壳体,TVF是涡轮叶片框架(Turbine Vane Frame)的缩写,涡轮叶片框架型的涡轮壳体表示装配有形成整流叶片的臂的涡轮壳体)。最后,附图标记28指的是排气壳体(TRF型的排气壳体,TRF是涡轮后部框架(Turbine Rear Frame)的缩写,涡轮后部框架型的排气壳体表示最后的涡轮壳体)。这些壳体形成了涡轮机的结构:这些壳体支撑引导旋转轴的轴承,并联接到涡轮机的悬架。
高压涡轮20的转子通过高压轴30驱动高压压缩机16的转子旋转,该高压轴通过轴承(例如上游滚珠轴承32和下游滚子轴承34)被定位在中心并且被引导成旋转。轴承32安装在轴30的上游端部和中间壳体24之间,轴承34安装在轴30下游端部和涡轮壳体26之间。
对转式涡轮22包括第一转子22a和第二转子22b,第一转子具有轮部22aa、被构造成在第一旋转方向上旋转并且连接到第一涡轮轴36,第二转子具有轮部22ba、被构造成在相反的旋转方向上旋转并且连接到第二涡轮轴38,转子22b的轮部22ba交错在转子22a的轮部22aa之间(参见图2)。
每个涡轮轮部包括环状排的叶片,叶片中的每一个叶片具有有压力侧和吸力侧的空气动力学轮廓,压力侧和吸力侧接合以形成涡轮流中的气体的前缘和后缘。
第一轴36驱动风扇12和低压压缩机14的转子旋转。该第一轴36进一步与行星式周转机械减速装置42的环形齿轮40啮合。
第二轴38与减速装置42的太阳齿轮44或行星齿轮啮合。
减速装置42进一步包括太阳齿轮41,该太阳齿轮分别与太阳齿轮44和环形齿轮40啮合,并由附接到涡轮壳体26的行星架46承载。
壳体26和28中的每一个壳体通常包括中心毂和外环部,外环部围绕毂并且通过一系列臂连接到毂,这些臂大致径向于涡轮机的纵向轴线。壳体28的中心毂围绕减速装置42的至少一部分延伸。
在所示的示例中,高压轴30分别通过两个上游滚珠轴承32和滚子轴承33以及下游滚子轴承34被定位在中心并且被引导成旋转。轴承32、33安装在轴30的上游端部和中间壳体24之间,轴承34安装在轴30的下游端部和涡轮壳体26之间。
减速装置42的行星架46附接到涡轮壳体26。行星架46因此通过圆柱形壁50连接到涡轮壳体26,有利地,该圆柱形壁是刚性的。该壁50轴向地穿过转子22a、22b和第二轴38。
如上所述,第二轴38的下游端部与太阳齿轮啮合,并且还连接到第二转子22b的最后的级或下游级,即连接到该转子的最后的轮部22ba1。
第二轴38通过两个引导轴承(分别为上游引导轴承56和下游引导轴承58)在该壁50上被定位在中心并且被引导成旋转。这些轴承56、58的设计的示例将在下面参照图5更详细地描述。
第一轴36的下游端部固定到减速装置的环形齿轮40,并且第一轴的上游端部固定到第一转子22a的最后的级或下游级,即固定到该转子的最后的轮部。环形齿轮40还固定到环形齿轮架40a的上游端部,环形齿轮架的下游端部固定到轴36的下游端部或与轴36的下游端部啮合。
行星架46在此可以在减速装置42的下游侧上包括具有C形横截面或S形横截面的环状部分,以特别是在径向方向上以及在倾斜中通过弹性形变赋予行星架一定的柔性(围绕垂直于马达轴线的轴线旋转的柔性)。由于行星架46提供的这种柔性,减速装置42的环形齿轮架40a可以是刚性的。在某些条件下,相反的情况是可能的。在这种情况下,环形齿轮架40a将是柔性的或提供柔性,而行星架46将是刚性的。因此,环形齿轮架40a将包括具有C形横截面或S形横截面的环状部分,以特别是在径向方向上以及在倾斜中通过弹性形变赋予环形齿轮一定的柔性(围绕垂直于马达轴线的轴线旋转的柔性)。在该第二构型中,有利地,柔性被集成在从环形齿轮架40a的下游端部到轴承60的力路径的外部。
轴36在上游通过安装在该轴和中间壳体24之间的轴承52、54而被引导。这些轴承中的第一轴承例如是上游滚子轴承52,这些轴承中的第二轴承例如是下游滚珠轴承54。
轴36还通过两个引导轴承(分别为上游引导轴承60和下游引导轴承62)被定位在中心并且被引导成旋转。有利地,这些轴承被布置在减速装置42的两侧。下面参照图3和图4更详细地描述这些轴承60、62的设计的示例。
图3示出了引导轴承60(例如具有滚子的引导轴承)的更详细的示例。优选地,该轴承60位于减速装置42的上游。更准确地,该轴承可以位于垂直于涡轮机的轴线的平面P1上,该平面位于涡轮22的下游、减速装置42以及排气壳体28的上游(也参见图1)。
轴承60包括与轴36成一体的内环60a,以及与固定到壳体28的壳部28a成一体的外环60b。有利地,该壳部28a具有向下游端部展开的大致截头圆锥形形状。该壳部28a形成轴承60的支撑部。
有利地,轴承60与油膜压缩阻尼系统70相关联。在所示的示例中,该系统70存在于轴承的外环的水平处、在该环60b和壳部28a的径向内端部之间。油膜形成在环60b的外圆柱形表面和环部72的内圆柱形表面之间延伸的环状空间中,该环部围绕环安装,通过适当的方法向该空间供应油。
外环60b进一步成形为向轴承60提供一定的柔性。在所示的示例中,外环的轴向端部中的一个轴向端部(在这种情况下是下游端部)具有C形轴向横截面或销钉形轴向横截面,这使得环60b能够通过形变而具有径向柔性。
图4示出了引导轴承62(例如具有滚子的引导轴承)的更详细的示例。优选地,该轴承62位于减速装置42的下游。更准确地,该轴承可以位于垂直于涡轮机的轴线的平面P2中,该平面位于减速装置42以及排气壳体28的下游(参见图1)。
轴承62包括与轴64的下游端部成一体的内环62a,以及与固定到壳体28的壳部28b成一体的外环62b。有利地,该壳部28b具有向上游端部展开的大致截头圆锥形形状。该壳部28b形成轴承62的支撑部。
如上所述,轴承62参与引导轴64,由于轴36特别地通过环形齿轮架40a连接到轴64,因此该轴承还参与引导该轴36。
壳部28b或壳部28b的下游轴向延伸部可以与由轴64承载的动态密封件74或附接到该轴的下游端部的元件配合。
轴承60位于圆周C1上,圆周C1的直径大于轴承62所在的圆周C2的直径。
图5示出了引导轴承56、58的更详细的示例。上游轴承56是滚珠轴承,下游轴承58是滚子轴承。优选地,这些轴承位于减速装置42的上游,并且在径向上位于涡轮22的内部。上游轴承56可以位于涡轮22的上游端部或上游级部,下游轴承58可以位于涡轮22的下游端部或下游级。
轴承56、58中的每一个轴承包括与固定到轴38的环状壁76成一体的内环56a、58a,以及与固定到壳体26的壳部26a成一体的外环56b、58b。有利地,该壳部26a具有向上游展开的大致截头圆锥形形状。该壳部26a形成轴承56、58的支撑部。
有利地,轴承58与具有油膜压缩的阻尼系统78相关联。在所示的示例中,该系统78存在于轴承58的外环58b的水平处、在该环58b和壳部26a的径向内端部之间。油膜形成在环58b的外圆柱形表面和环部80的内圆柱形表面之间延伸的环状空间中,该环部围绕环58b安装,通过适当的方法向该空间供应油。
外环58b进一步成形为向轴承58提供一定的柔性。在所示的示例中,外环的轴向端部中的一个轴向端部(在这种情况下为上游端部)具有C形轴向横截面或销钉形轴向横截面,这使得环58b能够通过形变而具有径向柔性。
轴承56位于圆周C3上,圆周C3的直径大于轴承58所在的圆周C4的直径。
因此,本发明提出了一种具有对转式涡轮和具有轴承定位的减速装置的涡轮机,该涡轮机使得能够解决动力学、操纵下的间隙消耗和不对准的问题,同时提出了各种部件的更好的机械集成。
本发明使得能够解决或避免现有技术的多个问题,包括:
·包括由单个轴承引导轴中的每一个轴的解决方案是令人不满意的,原因如下:
·无论是在重力、操纵或动力作用下,减速装置不会或仅轻微地出现严重的不对准。这将在啮合的齿中产生过载,这对减速装置(机械、质量)的设计是有害的;
·减速装置可以安装在相对柔性的环境中(在行星架和输入轴中建立的柔性,以使得减速装置能够容纳行星架和输入轴的移位,从而避免齿的过载)。这需要可能对马达的长度有害的空间要求;
·高速转子不由单个的轴承保持,这可能会在装配期间导致高速转子的居中问题;这也可能导致在操纵下涡轮间间隙的显著消耗,这将再次使该架构的性能劣化;
·等。

Claims (21)

1.一种用于飞行器的具有对转式涡轮的涡轮机(10),
所述涡轮机包括对转式涡轮(22),所述对转式涡轮的第一转子(22a)被构造成在第一旋转方向上旋转并且连接到第一涡轮轴(36),所述对转式涡轮的第二转子(22b)被构造成在相反的旋转方向上旋转并且连接到第二涡轮轴(38),所述第一转子包括涡轮轮部,所述涡轮轮部交错在所述第二转子的涡轮轮部之间,
所述涡轮机进一步包括行星式周转机械减速装置(42),所述行星式周转机械减速装置包括:太阳齿轮(44),所述太阳齿轮由所述第二轴(38)驱动旋转;环形齿轮(40),所述环形齿轮由所述第一轴(36)驱动旋转;以及行星架(46),所述行星架被附接到所述涡轮机的第一定子壳体(26),所述第一定子壳体相对于所述涡轮机中的气体流的方向位于所述对转式涡轮的上游,
所述涡轮机包括用于引导所述第一轴和所述第二轴的轴承(56-62),
其特征在于,所述第一轴(36)由至少两个引导轴承(60,62)引导,所述至少两个引导轴承被安装在该第一轴与位于所述对转式涡轮的下游的第二定子壳体(28)之间,或者被安装在该第一轴与连接到所述第二定子壳体的元件之间,所述第二轴(38)由至少两个引导轴承(56,58)引导,所述至少两个引导轴承被安装在该第二轴与所述第一定子壳体之间,或者被安装在该第二轴与连接到所述第一定子壳体的元件之间。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(10),其中,所述第二轴(38)仅由两个引导轴承(56,58)引导。
3.根据权利要求2所述的涡轮机(10),其中,所述第二轴(38)的所述两个引导轴承(56,58)分别是上游滚珠轴承和下游滚子轴承。
4.根据权利要求2或3所述的涡轮机(10),其中,所述第二轴(38)的所述两个引导轴承(56,58)中的一个引导轴承与油膜压缩阻尼系统(78)相关联,例如为下游滚子轴承(58)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的涡轮机(10),其中,所述第二轴(38)的所述两个引导轴承(56,58)在径向上位于所述第一转子和所述第二转子(22a,22b)的内部。
6.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机(10),其中,所述第一轴(36)仅由两个引导轴承(60,62)引导。
7.根据权利要求6所述的涡轮机(10),其中,所述第一轴(36)的第一引导轴承(60)位于所述减速装置(42)的上游,所述第一轴的第二引导轴承(62)位于所述减速装置的下游。
8.根据权利要求7所述的涡轮机(10),其中,所述第一轴(36)的所述第一引导轴承(60)位于垂直于所述涡轮机的纵向轴线的第一平面(P1)中,所述第一平面穿过所述第一转子和所述第二转子(22a,22b)的下游,以及所述减速装置(42)和所述第二壳体(28)的上游,并且所述第一轴的所述第二引导轴承(62)位于垂直于该轴线的第二平面(P2)中,所述第二平面位于所述减速装置和所述第二壳体的下游。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的涡轮机(10),其中,所述第一轴(36)的所述两个引导轴承(60,62)为滚子轴承。
10.根据权利要求9所述的涡轮机(10),其中,所述第一轴(36)的所述两个引导轴承中的一个引导轴承(60)与油膜压缩阻尼系统(70)相关联,例如为上游轴承。
11.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机(10),其中,所述第一轴(36)连接到所述第一转子(22a)的下游级,和/或所述第二轴(38)连接到所述第二转子(22)的下游级。
12.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机(10),其中,所述第一轴(36)的所述引导轴承(60,62)中的至少一个引导轴承被成形为在径向方向上具有一定的柔性。
13.根据前一项权利要求所述的涡轮机(10),其中,所述第一轴(36)的所述引导轴承(60,62)中的至少一个引导轴承的柔性由该轴承的环的具有C形横截面的环状部分提供。
14.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机(10),其中,所述第二轴(38)的所述引导轴承(56,58)中的至少一个引导轴承被成形为在径向方向上具有一定的柔性。
15.根据前一项权利要求所述的涡轮机(10),其中,所述第二轴(38)的所述引导轴承(56,58)中的至少一个引导轴承的柔性由该轴承的环的具有C形横截面的环状部分提供。
16.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机(10),其中,所述行星架(46)和支撑所述环形齿轮(40)的环形齿轮架(40a)中的至少一个被成形为具有一定的径向柔性和倾斜柔性。
17.根据前一项权利要求所述的涡轮机(10),其中,所述元件中的所述至少一个的柔性由该元件的具有C形横截面或S形横截面的环状部分提供。
18.根据前一项权利要求所述的涡轮机(10),其中,所述第一轴(36)的所述引导轴承中的一个引导轴承(60)位于圆周(C1)上,所述圆周的直径大于穿过该第一轴(36)的所述引导轴承中的另一个引导轴承(62)的圆周(C2)的直径,并且优选地,大于所述减速装置(42)的外直径。
19.根据前一项权利要求所述的涡轮机(10),其中,所述第二轴(38)的所述引导轴承(56,58)位于具有不同直径的圆周(C3,C4)上,下游轴承(58)位于具有较小的直径的圆周上,所述较小的直径能够小于所述减速装置(42)的内直径。
20.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机(10),其中,所述第一轴(36)连接到所述减速装置的所述环形齿轮(40)和所述涡轮机的风扇(12)的驱动轴。
21.根据前一项权利要求所述的涡轮机(10),其中,所述涡轮机为具有单个涵道式风扇(12)类型的涡轮机,所述第一轴(36)驱动该单个风扇旋转。
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