JPH0343630A - 航空機エンジンを非航空用エンジンに転換する方法および非航空用エンジン - Google Patents

航空機エンジンを非航空用エンジンに転換する方法および非航空用エンジン

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JPH0343630A
JPH0343630A JP2120172A JP12017290A JPH0343630A JP H0343630 A JPH0343630 A JP H0343630A JP 2120172 A JP2120172 A JP 2120172A JP 12017290 A JP12017290 A JP 12017290A JP H0343630 A JPH0343630 A JP H0343630A
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turbine
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combustor
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は動力プラント、とくにガスタービンエンジンを
備えた動力プラントに関する。
[従来技術] ガスタービンエンジンは、電力用および工業勤カプラン
ト用を含む種々の目的の為に使用されている。これらの
ガスタービンエンジンは通常二つの基本的構造がある。
単軸方式と称せられる一つの構造は単一のタービンに直
接連結された単一の圧縮機を使用し、タービンまたは圧
縮機は直接負荷に連結される。代替的に、他の方式はタ
ービン下流に設置されその出力に空気力学的に組み合わ
された自由出力タービンを使用している。出力タービン
を利用するこれらの方式は単一のタービンに連結された
単一の圧縮機、または低圧タービン連結の低圧圧縮機と
高圧タービン連結の高圧圧縮機のような複数の圧縮機を
備えている。しかしながら、出力タービンを使用する方
式において、出力タービンは独立に作用し圧縮機に連結
されたタービンとは独立に回転する。これら二つの構造
は各々利点および欠点を有する。たとえば、船舶用のよ
うな種々の用途では、装置が非回転負荷に連結され大量
のトルクが加わった時には大きな停止トルクを有するこ
とが望ましい。エンジンが出力タービンとは独立に運転
され、したがってたとえ出力タービンが停止しても大量
のトルクが出力タービンを通して負荷に加えられるよう
な方式では、大量の停止トルクが得られる。反対に、単
軸方式は負荷が直接タービンおよび圧縮機に連結されて
いるため停止トルクを有しない。したがって、負荷が非
回転の時、圧縮機およびタービンも回転せず動力は負荷
に伝達されない。これらの方式では、エンジンを始動す
るため圧縮機、タービンおよび負荷を回転する大形の始
動モータが必要である。
しかしながら、単軸方式は、自由出力タービンを備える
方式より、周囲温度が上昇したとき得られる性能のよう
な利点を有する。一般に、負荷が発電機であるとき、出
力タービンを有する方式は、発電機が回転子したがって
比較的一定の速度で回転する圧縮機およびタービンであ
る、単軸方式より一層大きい出力低下を生ずることが知
られている。単軸方式はまた負荷量の突然の低下に対し
て有利である。単軸方式において負荷がタービンから電
気的もしくは機械的にしゃ断されたとき、タービンは圧
縮機に連結されたま\であり、したがって過速度をいく
ぶん防止する。しかしながら、出力タービン方式におい
ては、負荷がしゃ断されたとき、出力タービンは圧縮機
のような他の過速度を制限する要素に連結されてなく、
したがって出力タービンは急激に速度超過を生じ、出力
タービンに限界的応力が生ずるとき出力タービンしたが
って全動力プラントの破壊を生ずる。
[発明が解決しようとする課題] ガスタービンエンジンの開発および選択に関する他の課
題にはコスト、信頼性およびガスタービンエンジンが得
た経験の蓄積がある。多くの工業用動力プラントは航空
機エンジンに由来するエンジンを使用し、したがってこ
れらの工業用エンジンは航空機エンジンの経験から多く
、のちのを得ている。さらに航空機に基づくエンジンの
使用は比較的軽量のエンジンをもたらし、該エンジンは
成る用途にとりとくに有用である。これらの航空機エン
ジンに基づく方式は、出力タービンの使用に関連して、
利点を有する一方、付加的出力タービンを供給するコス
ト増大に関連する欠点を有する。
さらに、これらの出力タービンはこれら工業エンジンが
基礎とする航空機エンジンには通常使用されず、したが
って付加的設計および方式の変更が必要である。これら
の最新の航空機用ガスタービンエンジンは屡々、中空軸
を介して高圧タービンに取付けられた高圧圧縮機および
この高圧中空軸を通って延びる軸を介して低圧タービン
に取付けられた低圧圧縮機を備える、複数の圧縮機を利
用している。多くの用途において、圧縮機上流に設置さ
れた負荷を駆動する軸を備えることが望ましい。たとえ
ば、エンジンに噴射する蒸気を発生するためボイラをエ
ンジン下流に設置することができる。しかしながら、負
荷を動力タービン下流に設置すると、ボイラを加熱する
空気流を発生するため、流路に対し必要であるが好まし
くない変化が生ずる。残念なことに、複数の軸を備えた
これら最新ガスタービン設計において、動力タービンか
らエンジンを通って圧縮機上流の負荷に連結されるよう
な追加の軸を設けることは実際的でない。
さらに、航空機に由来するエンジンは通常、空気流の変
化およびノズル面積の変更ならびに圧縮機段数の変更を
屡々含む他の変化に適合するように、タービンの変更を
必要とする。現状の航空機エンジン構造からの変化また
は変形が必要であるときはいつでも、前記変形または変
更は設計変更及び製造の変更となり、これは経費の増加
、信頼性、検査および夫々の航空機エンジンに基づく経
験からは直接得られない構造の使用に対応する、別の信
頼性の検討を必要とする。
したがって、小袖および動力タービン構造の欠点を回避
するとともにその多くの利点を保有する方式とすること
が望ましい。さらに、現状の航空機エンジン技術に対し
必要な変形を最少にする方式とすることが望ましい。
[課題を解決するための手段] 本発明の動力プラントは、下流への軸方向流を発生する
第1圧縮機、前記第1圧縮機下流に設置された第2圧縮
機および前記第2圧縮機下流に設置された燃焼器を含ん
でいる。第1タービンは前記燃焼器の下流に設置され、
前記第1タービンは第1軸を介して前記第2圧縮機に駆
動的に連結されている。第2タービンは前記タービンの
下流に設置され、第2軸を介して前記第1圧縮機に駆動
連結されている。本発明の動力プラントは負荷を取り付
ける手段を有し、該負荷は本来下流の軸方向推力に対抗
するように回転しまた該負荷は前記第2軸に連結される
本発明はまた非航空用エンジンを提供し、該エンジンは
、下流への軸方向流を発生する第1圧縮磯、前記第1圧
縮機下流に設置される第2圧縮機、前記第2圧縮機下流
に設置される燃焼器を有する。
第1タービンは前記燃焼器下流に設置され、前記第1タ
ービンは第1軸を介して前記第2圧縮機に駆動的に連結
されている。第2タービンは前記第1タービン下流に設
置され、第2軸を介して前記第1圧縮機に駆動連結され
ている。動力プラントは負荷を前記第2軸に連結する手
段を備えている。
本発明はさらに、ファン、および前記ファンに隣接して
設置され下流への流れを発生する圧縮機を有する航空機
ターボファンエンジンを非航空用に転用する方法を提供
し、前記方法は前記エンジンの軸から前記ファンを外し
、負荷を前記ファンが外された軸に組み合わせる手段を
取り付ける各工程を有する。
【実施例] 第1図において、本発明の動力プラント10は、下流へ
の軸方向流を発生する第1圧縮機20およびその下流に
設置された第2圧縮機22を備えた非航空用エンジンを
有する。燃焼器24は圧縮機22の下流に設置され、第
1タービン28は燃焼器24の下流に設置され、第1軸
32を介して第2圧縮機22に駆動連結され、第2ター
ビン36は第1タービン28の下流に設置され第2軸4
0を介して第1圧縮機20に駆動連結されている。
動力プラントは負荷を第2軸40に連結する手段44を
有する。好ましくは、第2軸40に連結される負荷は元
来下流方向の軸方向推力に対抗するように回転する。
第1および第2圧縮機20.22、燃焼器24、第1お
よび第2タービン38.36、第1および第2軸32.
40は第2A図、第2B図に示されるようなゼネラル・
エレクトリック・カンバニイによって製造されるCF6
−80C2エンジンのような航空機エンジンから製作さ
れるのが好ましく、航空機エンジン200は下流への軸
方向流を発生するファン218を有し、第1圧縮機22
0はファン218の下流に設置され、第2圧縮機222
は第1圧縮機220の下流に設置され、燃焼器224は
第2圧縮機222の下流に設置され、第1タービン22
8は燃焼器224の下流に設置され第1軸232を介し
て第2圧縮機222に駆動連結され、第2タービン23
6は第1タービン228の下流に設置され第2軸240
を介して第1圧縮機ならびにファン218に駆動連結さ
れている。通常第1圧縮機220はその一端がファン2
18を介して第2軸240に組み合わされている。全体
的に第2タービン236の下流には円筒形後方フレーム
260が設けられ、後方フレーム260は渦流防止形支
柱を有し、支柱に当業界において公知のようにガスター
ビンノズルが通常取付けられている。後方フレーム26
0は第二タービン下流のエンジンの軸方向中心に向かっ
て湾曲している。
第3A図および第3B図には変形ガスタービンエンジン
が図示され、同じ符号は第2A図および第2B図の同様
の要素に対応している。好ましくはエンジンに対するい
かなる変形も第1圧縮機220の上流または第2タービ
ン236の下流にあり、こうして航空機エンジンに対す
る変更を最少にしている。しかしながら、第1圧縮機2
20の現状のブレードを別のブレードと交換して効率を
最大にし空気の流れ特性の変化に適合させることが好ま
しい。翼形状のみが変更され、ブレードの取り付けおよ
び固定装置のような他のすべての圧縮機の要素あるいは
実際の流れ通路は変更されないま\であることが好まし
い。第1圧縮機220の上流でファン218が取外され
、通常ディスク310が第2軸240から第1圧縮機2
20に連結され、第1圧縮機220を支持しかつ駆動す
る。
釣合ピストン320が第1圧縮機220の上流に設置さ
れるのが好ましく、釣合ピストン320は通常第1部材
322によって形成され、第1部材322は入口ケーシ
ング340に連結され、第1部材は第2軸240まで延
びその間にシールが設置される。二つのシールおよび通
気用空所を形成するように第1部材を形成するのが好ま
しく、そこには第1側壁が入口ケーシング340から第
2軸240に隣接した第1シールまで延在し、第1側壁
から離れた第2側壁は人口ケーシングから第2軸240
に隣接して位置決めされた第2シールまで延在して、そ
の間に孔を形成し、その間にエンジンから出る配管が設
けられる。代替的には、第1部材322は二つの空所を
形成する三重シールを使用して形成される。第1空所は
通気用空所であり、第2空所は低温低圧空気源に連通し
ている。釣合ピストン320は通常、第2軸240に連
結され第1部材322に向かって延びかつその上流に設
置され、第1部材322および第2部材324間に空所
326を形成するように位置決めされた第2部材324
を有する。通常、第2圧縮機の抽気弁330からの空気
は配管332によって空所内に連通し、この空気は第2
軸240に上流向きの力を加えてファン218が除去さ
れたのを補償する。フランジ330もまたm21d12
40に連結され、負荷を第2軸240に連結する手段と
して作用する。釣合ピストン320または負荷を軸に連
結する手段もまた第2タービン236の後方に設置しう
るが、しかしながら高温状態に対する配慮を回避するた
め、通常これらの要素を第1圧縮機220の前方に設置
することが好ましい。
可変人口案内ベーン370が第1圧縮機220の前方に
設置されて流通する空気流を制御し、案内ベーン370
の上流には圧縮機220への空気取入用入口ケーシング
340が設けられる。
第2タービン後方の変更もまた通常最少であり、後方フ
レーム260は通常タービン下流の直径が拡大するかま
たは略同じである変形後方フレーム360と交換するの
が好ましい。
設計段階で航空機ターボファンエンジンを変更して非航
空エンジンに構成することを理解されたい。したがって
、ファンを取外し航空エンジンに対して、非航空エンジ
ンの実際の組み立ての際に必要な他の変更をすることが
設計工程であり、工ンジンは転用の変更を組込んである
計画に従って組み立てられる。
作用を説明すると、空気は人口ケーシング340を通っ
て進入し、入口案内ベーン370を通って圧縮機220
に達し、ついで第2圧縮機222を通って下流に流れる
。次に空気は燃焼器224で加熱され、燃焼器224は
第1および第2タービン228.236に夫々動力を与
える。タービンは第1および第2軸232,240を夫
々駆動する。第1軸232は第2圧縮機222を駆動し
、第2軸240は第1圧縮a220およびフランジ33
0に連結の負荷を駆動する。通常、負荷は本来軸方向下
流向き推力に対抗する様に回転する。
たとえば、負荷は発電機、工業用圧縮機または船舶用推
進用の伝動装置に連結された軸とすることができる。し
たがって、通常ターボファンエンジンのバイパス空気を
付勢するため使用される動力は非ファンまたは非プロペ
ラ装置を直接付勢するため使用される。さらに、ターボ
ファンの効率が技術とともに上昇するとき、これらの効
率の上昇は、特に高いバイパス流がこれらの効率を得る
ため使用されるとき、非航空用用途に直接にかつ容易に
転化される。付加的動力が、後方フレーム260をター
ビン下流の直径が増加またははシ一定である変形後方フ
レーム360に交換することによっても得られる。航空
機エンジンにおいて、後方フレームの外側流路壁はエン
ジンの中心に向かって内方に湾曲して渦流防止支柱によ
り生ずる速度減少を補償する。しかしながら、船舶用ま
たは工業用用途においては速度低下を補償する必要はな
く、またこれらQ用途では低い速度に対して通常デフユ
ーザが使用され、出力を増加するためタービンの両端で
大きい圧力降下を得て、変形後方フレーム360はこの
速度低下を生ずる。
釣合ピストン320はファン218が第2軸240から
取外したとき生ずる下流向きの軸方向力を補償する。釣
合ピストンは、釣合ピストンの高圧空気の内部シールか
らの漏洩により、エンジン流路への温かい空気の噴射を
減少する技術をも備える。たとえば、通気用空所を備え
た二重シール装置において、空所に進入する温かい空気
はエンジン流路外側に流れる。そうでなければ、三つの
シールおよび通気空所の装置において温かい空気はエン
ジン流路外側に流れて、冷たい低圧空気が第2空所に進
入し、エンジン流路に進入する空気の温度をさらに低下
させる。
本発明の「直接駆動独立コア」動力プラントは他の工業
用および船舶用エンジンよりも多数の利点を有する。た
とえば、停止トルクがゼロである単軸装置と比較して、
本発明の装置は、第2圧縮機222および第1タービン
228と軸232が負荷に連結の第2軸240と独立に
回転するときかなりの量のトルクを生じ、トルクが負荷
に加えられる。動力プラントでは、しばしば望ましくは
エンジンモータをきわめて低速でそれ自体を冷却させる
ことが有効であり、またこれは、一方の圧縮機およびタ
ービンが負荷に対して自由に回転するため本発明では容
易に達成される。しかし単軸装置において、この′ため
に負荷を駆動する大量の動力を必要とする。さらに、負
荷が発電機であ、る装置において、本発明は、出力ター
ビン方式に比較して、周囲の温度が上昇するとき改善し
た性能出力が発揮される。本発明の装置によれば、発電
機負荷は第2軸を介して第1圧縮機に連結され、したが
って発電機は第1圧縮機にエンジンへの比較的一定の空
気流を導入し、エンジンは周囲温度の上昇による悪影響
を減少する。さらに、本発明は負荷が軸から遮断される
とき、第2タービン236がまた第1圧縮機220に連
結されそれにより過速度を制限するのに役立つ、成る種
の過速度保護をも実現する。本発明の装置はまた、最新
のガスタービン設計を利用する装置であり、また負荷が
圧縮機上流に取付けられ負荷が下流にある装置によって
生ずる空気流の方向の所要の変形を回避する。さらに、
本発明の装置はまた、船舶用推進のような特定の用途に
おいて望ましい負荷をタービン下流に設置するように、
使用することもできる。この負荷を圧縮機上流またはタ
ービン下流に随時選択的に取付けることがガスタービン
を、「二重端」発電装置410に使用するような整合式
装置に使用出来るようにし、第4図に示すように第1動
カプラント420はその下流の発電機430に連結され
、発電機はまた第2動カプラント440にその圧縮機上
流で連結される。従来は、同じ動力プラントが発電機両
側に設置され、実際には出力タービンが発電機に連結さ
れていた。出力タービンの使用においては一方の出力タ
ービンは他方の出力タービンと反対方向に回転すること
が必要である。したがってこの反対回転は設計および他
方の出力タービンの機械設備の変更を必要とし、経費が
増加となる。しかしながら、本発明においては、エンジ
ンが利用され、発電機の前方及び後方の取り付けのみに
起る相異が有る。本発明は、現在利用しうる航空機エン
ジン設計を最少の変更量で最大限に利用できることがと
くに有利である。航空機エンジンの変更を最少にするこ
とにより、主として第1圧縮機220前方または第2タ
ービン236後方に流路に対する変更は最少となり、信
頼性における経験の蓄積および既に証明された技術設計
は最大に利用できる。さらに、このことは付加的な設計
変更を、これらの変更に夫々必然的に付随するコストと
ともに最少にする。
さらに、この設計はまた出力タービンの使用の廃止に伴
なう重要なコスト改善をもたらす。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の概略図である。 第2A図および第2B図は航空機ガスタービンエンジン
の断面略図である。 第3A図および第3B図は本発明の一実施例の断面略図
である。 第4図は本発明を利用する「二重端」動力プラント形状
の概略図である。 主な符号の説明 10・・・プラント、20・・・第1圧縮機、22・・
・第2圧縮機、24・・・燃焼器、28・・・第1ター
ビン、32・・・第1軸、36・・・第2タービン、4
0・・・第2軸、44・・・連結手段、200・・・航
空機エンジン、218・・・ファン、220・・・第1
圧縮機、222・・・第2圧縮機、224・・・燃焼器
、228・・・第1タービン、232・・・第1軸、2
36・・・第2タービン、240・・・第2軸、260
・・・フレーム、270・・・案内ベーン、320・・
・釣合ピストン、330・・・抽気弁、332・・・配
管、340・・・ケーシング、360・・フレーム、3
70・・・案内ベーン、410・・・双端発電機方式、
420・・・第1プラント、430・・・発電機、44
0・・・第2プラント。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、下流向き軸方向流を発生する第1圧縮機、前記第1
    圧縮機の下流に設置された第2圧縮機、前記第2圧縮機
    の下流に設置された燃焼器、前記燃焼器の下流に設置さ
    れ第1軸を介して前記第2圧縮機に駆動連結されたター
    ビン、 前記第1タービン下流に設置され第2軸を介して前記第
    1圧縮機に駆動連結された第2タービン、本来下流向き
    軸方向推力に対抗するように回転する前記第2軸に組み
    合わされた負荷手段 を有する動力プラント。 2、前記負荷手段は前記第2タービン反対側の前記第1
    圧縮機に隣接する請求項1記載の動力プラント。 3、前記負荷は前記第1圧縮機の反対側の前記第2ター
    ビンに隣接する請求項1記載の動力プラント。 4、前記負荷は前記第1圧縮機および前記第2タービン
    の双方に隣接する請求項1記載の動力プラント。 5、前記負荷が発電機である請求項1記載の動力プラン
    ト。 6、前記負荷は圧縮機である請求項1記載の動力プラン
    ト。 7、前記負荷は船舶用推進に使用する軸である請求項1
    記載の動力プラント。 8、前記動力プラントは前記圧縮機上流に設置された釣
    合ピストンを有する請求項1記載の動力プラント。 9、前記第1および第2圧縮機、燃焼器および前記第1
    および第2タービンは航空機エンジンに由来する請求項
    1記載の動力プラント。 10、下流の軸方向流を発生する第1圧縮機、前記第1
    圧縮機下流に設置された第2圧縮機、前記第2圧縮機下
    流に設置された燃焼器、 前記燃焼器の下流に設置され第1軸を介して前記第2圧
    縮機に駆動連結された第1タービン、前記第1タービン
    下流に設置され前記第2軸を介して前記第1圧縮機に駆
    動連結された第2タービン、 負荷を前記第2軸に組み合わせる手段 を有する非航空機用エンジン。 11、下流への軸方向流を発生する第1圧縮機、前記第
    1圧縮機下流に設置された第2圧縮機、前記第2圧縮機
    下流に設置された燃焼器、 前記燃焼器下流に設置され中空第1軸を介して前記第2
    圧縮機に駆動連結されたタービン、前記第1タービン下
    流に設置され、中空第1軸を通って延びる第2軸を介し
    て前記第1圧縮機に駆動連結された第2タービン、 前記第2軸に組合わされた発電機 を有する工業用動力プラント。 12、下流向き軸方向流を発生する第1圧縮機、前記第
    1圧縮機下流に設置された第2圧縮機、前記第2圧縮機
    下流に設置された燃焼器、 前記燃焼器下流に設置され中空第1軸を介して前記第2
    圧縮機に駆動連結された第1タービン、前記第1タービ
    ン下流に設置され、中空第1軸を通して延びる第2軸を
    介して前記第1圧縮機に駆動連結された第2タービン、 前記第2軸に組合わされた圧縮機 を有する工業用動力プラント。 13、ファン、および前記ファンに隣接して設置され下
    流への流れを発生する圧縮機を有する航空機ターボファ
    ンエンジンを非航空用に変換する方法であって、前記方
    法が 前記エンジンから前記ファンを取外し、そして負荷を前
    記ファンが外された軸に連結する手段を取り付ける 各工程を有する航空機ターボファンエンジンを非航空機
    用に転用する方法。 14、前記エンジンの第1圧縮機を前記軸に連結する手
    段を挿入する工程をさらに含む請求項13項に記載の方
    法。 15、負荷を軸に連結する手段を取り付ける前記工程が
    前記圧縮機の前記軸上流にフランジを取り付けることを
    含む請求項13記載の方法。 16、前記軸に組み合わされた釣合ピストンを前記ファ
    ンの除去を補償するように構成する工程を含む請求項1
    3記載の方法。 17、前記釣合ピストンは前記圧縮機上流に形成された
    請求項16記載の方法。 18、貫通する空気流を制限するため前記圧縮機の上流
    に可変ステータベーンを形成する工程をさらに含む請求
    項13記載の方法。 19、前記方法が後方フレームを前記タービン下流で直
    径が増大する変形後方フレームと交換する工程をさらに
    含む、前記ターボファンが前記圧縮機下流に、燃焼器を
    、前記燃焼器下流にタービンを、また前記タービン下流
    に後方フレームを有し、前記後方フレームは前記タービ
    ン下流で直径が減少する請求項13記載の方法。 20、後方フレームを直径がほゞ一定の変形された後方
    フレームと交換する工程をさらに含む、前記ターボファ
    ンエンジンが前記燃焼器の下流に燃焼器を、前記燃焼器
    の下流にタービンを、そして前記タービン下流に後方フ
    レームを有し、前記後方フレームが前記タービン下流で
    直径が減少する請求項13記載の方法。 21、ファン、前記ファン下流の第1圧縮機、前記第1
    圧縮機下流の第2圧縮機、前記第2圧縮機下流の燃焼器
    、第1軸を介して前記第2圧縮機に組み合わされた第1
    タービンおよび第2軸を介して前記第1タービンおよび
    前記ファンに組み合わされた前記第1タービン下流の第
    2タービンを有する航空機ターボファンエンジンを非航
    空用に変換する方法であって、 前記方法が 前記ファンを前記第2軸から外すこと、 負荷を第2軸に組み合わせる装置を取り付けること、お
    よび 前記ファンの除去を保障するため前記第2軸に力釣合装
    置を取り付けること の各工程を含む航空機ターボファンエンジンを非航空用
    に転用する方法。 22、下流への軸方向流を発生する圧縮機、燃焼器およ
    び軸を通して前記圧縮機に組み合わされたタービンを有
    し負荷を取り付ける装置が前記タービンに隣接しかつそ
    の下流で前記軸に組み合わされた第1エンジン、 下流への軸方向流を発生する圧縮機、燃焼器および軸を
    介して前記圧縮機に組み合わされたタービンを有し負荷
    を取り付ける装置が前記圧縮機に隣接しかつその上流で
    前記軸に組み合わされた第2エンジン、 前記第1エンジンおよび第2エンジンの前記取り付け装
    置に組み合わされた発電機 を有する双端式動力プラント。
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