JP6556157B2 - 減速ギヤによって駆動される複数流のターボジェットエンジンのようなターボ機械のためのファンロータ - Google Patents

減速ギヤによって駆動される複数流のターボジェットエンジンのようなターボ機械のためのファンロータ Download PDF

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Description

本発明の分野は、航空のタービンエンジン、より詳細には、ファンまたはプロペラをそれぞれ駆動するための減速ギヤを備える複数流のターボジェットエンジンまたはターボプロップエンジンの分野である。
従来、タービンエンジンは、初めに、上流から出発して、連続して配置された1つ以上の圧縮機モジュールを備え、空気入口に吸入された空気を圧縮する。その後、空気は、燃料と混合される燃焼チャンバの中に導入され、燃焼される。燃焼ガスは、圧縮機を駆動する1つ以上のタービンモジュールを通り抜ける。ガスは、最後に、推進力のある力を生み出すために排気ノズルの中に、またはプロペラシャフトから回収される動力を生み出すために使用されていないタービンに放出される。
高いバイパス比率を有する最新のバイパスターボジェットエンジン、またはターボファンは、ファンロータ、および複数の圧縮機段、特にエンジンの第1のボディに属する低圧(LP)圧縮機および高圧(HP)圧縮機を備える。低圧圧縮機の上流に、低圧圧縮機および高圧圧縮機を通り抜ける、第1の流れを有する第1ダクト、および第2の排気ノズルと呼ばれる低温流排気ノズルに向かって直接方向付けられた低温の流れまたは第2の流れを有する第2ダクトの両方を供給する、大きな可動のブレードホイールまたはファンが配置されている。ファンは、低圧ボディの回転シャフトによって駆動され、一般に、前記シャフトと同一の速度で回転する。しかしながら、空気力学的にファンを良好に適合させるために、特に、ファンが極めて大きいとき、低圧シャフトよりも遅い回転速度でファンを回転することは、有利であるかもしれない。この目的のために、減速ギヤは、低圧シャフトとファンを支持するファンシャフトとの間に配置されている。このような設計は、詳細には、2012年2月23日に出願された仏国特許出願第20120051655号明細書、および仏国特許出願第20120051656号明細書に記載されている。
減速ギヤを有するターボジェットエンジンは、したがって、明白な利点を有するが、いくつかの困難がさらに克服されなければならない。
詳細には、前記減速ギヤは、損傷されることなく、前記減速ギヤの適切な作動を保証するために、潤滑され冷却されなければならない。最近、減速ギヤを備えたターボジェットエンジンの運転を保証することが必要とされる油の量が、減速ギヤを備えていないターボジェットエンジンの場合よりも2倍多いということが見積もられた。この油は、特に、タービンエンジンの可動の構成要素を潤滑し冷却する機能を果たすことを可能にする。
「surface air cooled oil cooler(表面空気が冷却される油冷却器)」という用語の略語である「SACOC」という名前によっても知られている空気/油表面交換器によって前記油を冷却することが知られている。交換表面領域は、一般に、ターボジェットエンジンの空気を循環するためのチャネル中に形成されている。前記交換器には、冷却される油が循環する複数のチャネルが設けられている。熱交換は、チャネルの壁を通じて熱伝導によって実行される。したがって、空気および油は混合されない。
既知の熱交換器では、熱交換器は、ファンの下流に、ターボジェットエンジンの第2ダクトに配置されている。減速ギヤを設けることなく設計されたターボジェットエンジンでは、油を冷却することが必要とされる空気流の速度は、第2ダクトにおいて実質的に圧力損失を生じないほど十分に遅い。
しかしながら、減速ギヤを備えたターボジェットエンジンは、はるかに速い速度の空気流、例えば減速ギヤを備えていないターボジェットエンジンの空気流の速度よりも2倍速い速度の空気流を必要とする。
油が潤滑チャンバの内部に保持されているということを保証するために、周囲空隙に対して過剰な圧力の下で維持されている潤滑チャンバに油が収容されている転がり軸受の潤滑に関する仏国特許発明第2965299号明細書が知られている。前記過剰な圧力は、圧縮空気をチャンバの中に注入することによって得られる。前記圧縮空気は、潤滑されるべきタービンエンジンの構成要素に対して、油の均一な分配を可能にする油のミストを作り出すことも可能にする。構成要素の効果的な冷却を可能にするように圧縮空気が過度に高い温度を有することを回避するために、この文献は、ファンの上流で空気を取り込むことを提案する。
しかしながら、取り込まれた空気は、そのままでは、潤滑油および冷却油の効果的な冷却を保証するほど十分に低温ではない。さらに、空気は、第1ダクトで空気を取り込むことを必要とするジェットポンプによって油チャンバの中に吸入される。したがって、このような装置の運転は、特に、取り込まれる空気がかなりの量を有するとき、第1ダクトでの空気流を妨害する傾向がある。
タービンエンジンの減速ギヤの潤滑油を冷却するための装置を記載し示す米国特許第4722766号明細書も知られている。前記装置は、回転軸線を中心に回転するように装着され、ハブ、およびハブの上流で装着され、空気を駆動するためのポンプを供給する空気チャネルに開口する空気取り込み開口が形成された錐体を備え、エンジンによって駆動され、減速ギヤの油が循環する交換器にパワーを供給することが意図されているファンロータを備える。
前記開口および前記チャネルによって錐体の表面で取り込まれる空気は、タービンエンジンから動力のいくらかを取り込む機械的ポンプによって前記空気を圧送することが必要であるような程度まで交換器が十分な供給を有するということを保証するには不十分な流れの速度を有して取り込まれる。
仏国特許出願第20120051655号明細書 仏国特許出願第20120051656号明細書 仏国特許発明第2965299号明細書 米国特許第4722766号明細書
本発明は、ファンの上流で空気を取り込むための向上した手段を備えるタービンエンジンファンロータを提案することによって、この欠点を改善する。
したがって、これらの問題を解決するために、本発明は、
回転軸線を中心に回転するように装着されることが意図されているタービンエンジンファンロータであって、ロータは、
ハブと、
ハブの上流で装着された錐体と
を備え、
錐体は、上流端部部分が空気を駆動するための機械的手段を備える空気チャネルに開口する空気取り込み開口を備える、タービンエンジンファンロータであって、空気取り込み開口は、ファンロータの回転軸線に同軸である環状形を有し、錐体は、取り込み開口によって前方頂点部分および後方円錐台形部分に分割されていることを特徴とする、タービンエンジンファンロータを提案する。
本発明によれば、駆動手段は、例えば吸入口の方法で、空気チャネルで空気を駆動することを可能にする。前記手段は、チャネルに入る空気流の旋回を誘発するように構成されることができる。
ファンロータの他の特徴によれば、
頂点部分は、ブレードによって、錐体の円錐台形部分に取り付けられ、したがって、前記ブレードは前記錐体の部分間の連結を保証し、したがって、ブレードは、構造的役割を有する。頂点部分は、飛行時に前記部分に衝突する可能性がある異物を逸らすことを可能にする、
空気チャネルの上流端部部分は、ファンロータの回転軸線に同軸である環状の断面を有し、径方向のブレードのリングは、上流端部部分に間置され、ブレードは、共回転するようにハブに連結されている、
ブレードのリングは、前記錐体に配置されている、
空気チャネルは、ロータの回転軸線上に中心が置かれている。
本発明は、前に記載したタイプのファンロータと、圧縮機シャフト、特に低圧圧縮機シャフトの少なくとも一部分とを備える、タービンエンジン、特に複数流のターボジェットエンジンの上流軸線方向ボディであって、空気チャネルは、ファンロータを越えて上流軸線方向ボディの中で延び、空気チャネルは、空気チャネルの中で循環する空気流と油冷却壁を通して熱を交換することによって油を冷却することが意図されている少なくとも1つの油冷却壁を備えることを特徴とする、上流軸線方向ボディにも関する。
上流軸線方向ボディの他の特徴によれば、
冷却壁は、空気を駆動するための機械的手段の下流に位置する、
圧縮機シャフトの回転トルクは、減速ギヤによってファンのロータに伝達され、減速ギヤは、前記冷却壁との接触を通じて冷却された油によって潤滑される。
最後に、本発明は、前に記載されたタイプの上流軸線方向ボディ、および少なくとも1つの中空中央シャフトを備え、空気チャネルの中で循環する空気流は、下流で前記中空中央シャフトの中に排出されるタービンエンジンに関する。
したがって、空気チャネルは、ボディの回転軸線上に中心が置かれ、全体として直線的である軸線を有し、ボディの回転軸線に平行である。したがって、空気チャネルは、環状の取り込み開口によって独占的に空気が供給される。
本発明の他の特徴および利点は、理解するために添付図面に対して参照が行われる以下の詳細な説明を読んだときに、明らかになるだろう。
タービンエンジン全体の概略的な軸線方向部分である。 減速ギヤを備え本発明の教示に従って配置された冷却壁を備えるターボジェットエンジンの前方端部部分を示す軸線方向の片側断面図である。 冷却壁に供給するように空気取り込み開口を有する回転錐体を備えた図2からの前方端部部分を示す斜視図である。
説明の残りの部分では、タービンエンジン10の回転軸線「X」に沿って方向付けられた軸線方向の方向「A」、およびタービンエンジン10の回転軸線「X」から外側に向かって方向付けられた径方向の方向が、限定されないやり方で採用されるだろう。軸線方向の方向「A」は、図1で右手側に位置する後方から、図1で左手側に位置する前方に向かって方向付けられ、空気は、タービンエンジン10の前方を通って入り、後方を通って再度タービンエンジン10を出ていく。
「上流」および「下流」という用語は、タービンエンジンの空気チャネル32およびダクトにおける空気流の方向に言及して使用される。
図1は、タービンエンジン10を示す。前記タービンエンジンは、航空機の推進力に使用されるバイパスターボジェットエンジンである。
エンジン14は、第1の低圧ボディおよび第2の高圧ボディを備えるツインスプールエンジンである。2つのボディは、中央軸線「X」を中心に同軸上に回転するように装着されている。このような構造は、従来技術から周知である。
低圧ボディは、第1の共通の中央軸線方向シャフト15Cによって軸線「X」を中心に回転するように連結された前方圧縮機15Aおよび後方タービン15Bを備える。同様に、高圧ボディは、中空である第2の共通の中央軸線方向シャフト17Cによって軸線「X」を中心に回転するように連結された前方圧縮機17Aおよび後方タービン17Bを備える。低圧ボディのシャフト15Cは、このケースでは、高圧ボディの中空シャフト17Cの内部と同軸に配置されている。
ファン16は、低圧圧縮機15Aの上流でエンジン14および環状ケーシングで中央軸線「X」を中心に回転するように装着されている。ファン16は、外側に向かって径方向に延びるブレード20のリングを支持する中央ハブ18を備える。
ファン16は、第2ダクト21と第1ダクト23との間で下流に分配される入射空気F1を圧縮する。
第1ダクト23で軸線方向に循環する空気流は、燃焼チャンバ25に入る前に、タービンエンジン10の連続する圧縮機段15A,17Aによって圧縮される。燃焼エネルギーは、圧縮機15A,17Aおよびファン16を駆動するタービン17B,15Bを通して、機械的エネルギーに変換される。第2ダクト21の中で循環する空気流は、それに関する限り、タービンエンジン10の推進力を提供することに関わる。
エンジン14の前部は、図2でより詳細に示されている。エンジン14の前方端部は、共回転するようにファン16のハブ18に装着された錐体22または前方端部円錐部分を備える。錐体22は、中央軸線「X」を有する非対称の形を有し、先端は上流に向けられている。
したがって、ファンの前方端部錐体22およびハブ18は、軸線「X」を中心に回転するファンロータ27を形成する。
ファン16は、低圧タービン15Bによって回転させられる。
低圧ボディよりもゆっくりとファン16を回転させることができるようにするように、低圧タービン15Bの回転トルクは、低圧圧縮機15Aのシャフト15Cを介して、例えば遊星歯車列を有する減速ギヤ24によって、ファン16に伝達される。減速ギヤ24は、ファン16と低圧圧縮機15Aとの間に、軸線方向に配置されている。
図2および図3で示された実施形態では、ファン16、減速ギヤ24、および低圧圧縮機15Aのシャフト15Cの少なくとも一部分を備える上流端部軸線方向ボディ29は、エンジン14の残りの部分から独立して予め組み立てられ、後の段階で特に低圧回転アセンブリおよび高圧回転アセンブリ並びに燃焼チャンバ25を備える、エンジン14の他のモジュールとともに組み立てられることが意図されたモジュールを形成する。
減速ギヤ24は、極めて速い速度でひずみを受けて置かれている。これは、減速ギヤ24の様々な構成要素の極めて著しい加熱を引き起こす。したがって、さらに、減速ギヤ24を潤滑することを可能にする油を噴霧することによって、前記構成要素を冷却することが提供される。
図面に示された例では、前記油は、図2に示されるように、特に、ファン16の駆動シャフトの前方端部部分を支持するベアリング26のための、タービンエンジン10の他の要素を潤滑し冷却するためにも使用される。
潤滑される様々な構成要素、特に、減速ギヤ24の構成要素は、タービンエンジン10のチャンバ28に収容されている。前記チャンバ28は、水密な方法で油を収容するように設計されており、したがって油がタービンエンジン10の残りの部分に漏洩することを回避する。このケースにおける油チャンバ28は、ファンのハブ18と減速ギヤ24との間に軸線方向に間置されている。
前記チャンバ28は、チャンバ28の内部と「冷却チャネル32」として参照される空気チャネル32との間の分離隔壁を形成する冷却壁30として参照される壁30によって部分的に区切られている。冷却チャネル32は、ガスタービンエンジン14の内部に配置されている。冷却チャネル32は、例えば、ロータ27の駆動シャフトの内部、および/または低圧圧縮機15Aのシャフト15Cの内部に形成されている。
冷却壁30は、図2で2つの矢印「F2」によって示されるように、前記冷却壁30の第1表面との接触を通じて冷却チャネル32の中で循環する低温の空気流と、前記冷却壁30の反対側である第2表面との接触を通じてチャンバ28に収容された油との間の熱伝導によって、油を冷却することが意図されている。
空気との熱交換のための表面領域を増加させるように、冷却チャネル32の内部を形成する冷却壁30の表面は、(図示されていない)フィンが点在している。
冷却壁30は、軸線方向に錐体22の後方に配置されている。
油の冷却は、冷却チャネル32において、速度を上げた空気流を必要とする。第1ダクト12における圧力損失を生じることを回避するために、本発明は、ファン16の上流で空気を取り込むことを提案する。
したがって、図2に示されるように、冷却ダクト32は、ファン16のハブの前方に配置された少なくとも1つの上流空気取り込み開口34によって空気が供給される。
冷却チャネル32の上流端部部分32Aは、空気流を冷却壁30まで案内するために、ファンロータ27を貫通し、したがって端部錐体22を貫通し、その後、ファン16のハブ18を貫通する。したがって、上流端部部分32Aは、ロータ27を越えて上流軸線方向ボディ29で軸線方向に延びている。したがって、冷却チャネル32の上流端部部分32Aは、ガスタービンエンジン14の軸線「X」を中心に回転する壁によって径方向に区切られている。
チャネルの上流端部部分32Aは、空気を駆動するための機械的手段を備える。空気流が冷却壁30と接触する前に前記空気流を加速させるように、駆動手段は、冷却壁30の上流に位置する。
図面に示された例では、冷却チャネル32は、空気取り込み開口34によって独占的に空気が供給される。
図示されていない本発明の変形形態では、冷却チャネルは、第1に、ファンのハブの前方で取り込まれた空気が供給され、第2に、第1ダクトで取り込まれた空気が供給される。
図2および図3に示された例では、冷却チャネル32は、より詳細には、軸線方向に前方に向かってガスタービンエンジン14の端部錐体22に開口する単一の空気取り込み開口34を備える。
このケースでは、空気取り込み開口34は、ファン16の回転軸線「X」に同軸である環状形を有する。したがって、錐体22は、取り込み開口34によって前方頂点部分22Aおよび後方円錐台形部分22Bに分割されている。
本発明の限定されない実施形態では、ファンを駆動するための減速ギヤを備える10MWのパワーを有するタービンエンジン10に対して、油を効率的に冷却するために必要とされる空気流の速度は、約2kg・s−1であることが見積もられている。航空機が離陸する間にこの速度の流れが達成されることができるように、すなわち、タービンエンジン10に対して比較的遅い、後方に向かう空気移動の速度で、断面における空気取り込み開口34の領域は前方端部錐体22の表面領域の10%よりも小さくするべきであるということが計算されている。
図3に示されるように、空気を駆動するための手段は、このケースでは、チャネルの上流端部部分32Aに間置された径方向の駆動ブレード36のリングによって形成されている。ブレード36は、ファン16の回転中に入る空気を駆動することを可能にするように、共回転するようにファンロータ27に連結されている。
駆動ブレード36は、このケースでは、ファン16の回転中に冷却チャネル32で空気を駆動するように、環状の取り込み開口34の前方に直接、錐体22に配置されている。ブレード36の傾きは、冷却壁30を通じて熱を交換することによる油の十分な冷却のために必要とされる最小限の速度の空気流に従って決定される。
例として、ブレード36は、航空機の巡航速度での空気流の流れに対して、可能な限り中立の効果を有するように寸法が決められており、最大でも空気の旋回を与える。
航空機の遅い移動速度に対して、ブレード36は、空気流に大きな旋回を与える一方で、冷却チャネル32の内部の空気流を駆動することを可能にする。
冷却チャネル32におけるこの空気の旋回は、有利に、冷却壁30を通じての油の冷却を向上させる大きな対流を作り出すことを可能にする。しかしながら、この旋回は、冷却チャネル32における圧力損失を制限するために制御されなければならない。
このブレード36の配置は、錐体22の円錐台形部分22Bに頂点部分22Aを取り付けることを可能にする。
錐体22の頂点部分22Aは、ブレード36を偏向させることによって、異物が開口34を通って入ることを回避できるようにするので、この構造は有利である。
リングのブレード36の全てが、必ずしも同一の構造を有する必要はない。前に見られたように、ブレード36の配置は、錐体22の円錐台形部分22Bに頂点部分22Aを取り付けることを可能にし、これをするために、例えば、頂点部分22Aと円錐台形部分22Bとを一体化するように形成されることによって、前方頂点部分22Aを円錐台形部分22Bに連結するには、いくつかのブレード36、すなわち少なくとも3つのブレード36に対してのみで十分である。他のブレード36は、2つの頂点部分22Aおよび円錐台形部分22Bに必ずしも同時に堅く結合される必要なく、例えば、薄い外形を有することができる。例えば、このようなブレード36は、置換できるようにするように、取り外し可能なやり方で、単一の頂点部分22Aに取り付けられることによって、開口34に取り外し可能に装着されることができる。
この構造では、冷却チャネル32の上流端部部分32Aは、したがって、タービンエンジン10の軸線「X」に同軸である環状の断面を有する上流端部部分を有する。上流端部部分32Aは、円形の断面を有する下流端部部分32Bに開口するように、軸線方向に下流で収束する。図2に示された例では、冷却壁30は、冷却チャネル32の下流端部部分32Bに配置されている。
頂点部分22Aは、先細りし例えば円錐形を有する部分23Aを下流に有する。この構造は、内側に向かって、すなわち、冷却壁30に近い、タービンエンジン10の軸線「X」に向かって、戻るように空気を径方向に移動させることを可能にする。
取り込み開口34と冷却壁30との間に収容された冷却チャネル32の上流端部部分32Aは、短く、全体として直線的である。したがって、冷却チャネル32の中で循環する空気流は、冷却チャネル32への入口と冷却壁30の領域での冷却チャネル32の通路との間での圧力損失をあまり生じない。
冷却チャネル32の下流端部部分32Bは、軸線「X」上に中心が置かれた円形の断面を有して直線的である。したがって、冷却壁30と接する冷却チャネル32の通路の後、冷却空気は、外気に出力するために、(図示されていない)下流開口までタービンエンジン10の中空中央シャフトの中で後方に向かって軸線方向に排出される。これは、冷却壁30の領域で空気を通すための高速の流れを維持することを可能にする。
したがって、冷却チャネル32の中で循環する空気流は、図2の矢印「F3」によって示されるように、上流から下流に軸線方向に流れる。
タービンエンジン10の運転中、ファン16は回転させられる。冷却チャネル32に入る低温の空気は、駆動ブレード36によって駆動される。したがって、駆動ブレード36によって駆動される低温の空気流は、冷却チャネル32の中で下流に軸線方向に冷却壁30まで流れる。高温の油の熱は、冷却壁30を通して低温の空気流に移動される。その後、この方法で加熱された空気流は、前記流れが外気の中に排出されるまで冷却チャネル32の中で後方に向かって軸線方向に流れ続ける。
本発明の教示に従って作製されるタービンエンジン10は、第2ダクト21の空気流を妨害することなく、冷却チャネル32の中で高速の空気流を循環させることを可能にする。したがって、これは、極めて効率的に油を冷却することを可能にする。
前方端部錐体22上での空気取り込み開口34の配置は、特に、例えばマッハ0.5からマッハ0.6の軸線方向の速い速度で、前方端部錐体22の入口で空気取り込み開口34の中に流れる空気から利益を得ることを可能にする。
さらに、錐体22は、冷却チャネル32に入る空気を吸入するために、ブレード36を回転させる。速い吸気速度は、冷却チャネル32の中で高速の空気流を得ることを可能にする。
さらに、冷却チャネル32の上流部分は、短く、実質的に真っ直ぐであり、これは、入口開口34と冷却壁30との間での空気流からの圧力損失を回避することを可能にする。

Claims (9)

  1. 回転軸線(X)を中心に回転するように装着されることが意図されているタービンエンジン(10)ファン(16)ロータ(27)にして、ロータ(27)は、
    ハブ(18)と、
    ハブ(18)の上流で装着された錐体(22)と、
    を備え、
    錐体(22)は、上流端部部分(32A)が空気を駆動するための機械的手段を備える空気チャネル(32)に開口する空気取り込み開口(34)を備える、タービンエンジン(10)ファン(16)ロータ(27)であって、空気取り込み開口(34)は、ファン(16)ロータ(27)の回転軸線(X)に同軸である環状形を有し、錐体(22)は、取り込み開口(34)によって前方頂点部分(22A)および後方円錐台形部分(22B)に分割されていることを特徴とする、タービンエンジン(10)ファン(16)ロータ(27)。
  2. 前記空気を駆動するための機械的手段がブレード(36)であり、頂点部分(22A)が、ブレード(36)によって、錐体(22)の円錐台形部分(22B)に取り付けられていることを特徴とする、請求項1に記載のファン(16)ロータ。
  3. 前記空気を駆動するための機械的手段がブレード(36)であり、空気チャネル(32)の上流端部部分(32A)が、ファン(16)ロータ(27)の回転軸線(X)に同軸である環状の断面を有し、これらの径方向のブレード(36)のリングは、上流端部部分(32A)に間置され、これらのブレード(36)は、共回転するようにハブ(18)に連結されていることを特徴とする、請求項1または2に記載のファン(16)ロータ(27)。
  4. ブレード(36)のリングが、前記錐体(22)に配置されていることを特徴とする、請求項3に記載のファン(16)ロータ。
  5. 空気チャネル(32)が、ロータ(27)の回転軸線(X)上に中心が置かれていることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載のファン(16)ロータ。
  6. 請求項1から5のいずれか一項のファン(16)ロータ(27)と、圧縮機シャフト(15C)の少なくとも一部分とを備える、タービンエンジン(10)の上流軸線方向ボディ(29)であって、空気チャネル(32)は、ファンロータ(27)を越えて上流軸線方向ボディ(29)の中で延び、空気チャネル(32)は、空気チャネル(32)の中で循環する空気流と油冷却壁(30)を通して熱を交換することによって油を冷却することが意図されている少なくとも1つの油冷却壁(30)を備えることを特徴とする、上流軸線方向ボディ(29)。
  7. 冷却壁(30)が、空気を駆動するための機械的手段(36)の下流に位置することを特徴とする、請求項6に記載の上流軸線方向ボディ(29)。
  8. 圧縮機シャフト(15C)の回転トルクが、上流軸線方向ボディに置かれた減速ギヤ(24)によってファン(16)のロータ(27)に伝達され、減速ギヤ(24)が、前記冷却壁(30)との接触を通じて冷却された油によって潤滑されることを特徴とする、請求項7に記載の上流軸線方向ボディ(29)。
  9. 請求項6から8のいずれか一項に記載の上流軸線方向ボディ(29)、および少なくとも1つの中空中央シャフトを備えるタービンエンジン(10)であって、空気チャネル(32)は、下流で中空中央シャフトに開口し、空気チャネル(32)の中で循環する空気流は、下流で前記中空中央シャフトの中に排出されることを特徴とする、タービンエンジン(10)。
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