JPH07503297A - ブリード弁用リニアアクチュエータ - Google Patents

ブリード弁用リニアアクチュエータ

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JPH07503297A
JPH07503297A JP5513186A JP51318693A JPH07503297A JP H07503297 A JPH07503297 A JP H07503297A JP 5513186 A JP5513186 A JP 5513186A JP 51318693 A JP51318693 A JP 51318693A JP H07503297 A JPH07503297 A JP H07503297A
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ムーア ロバート ガードナー ジュニア
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アライド シグナル インコーポレイテッド
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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】 ブリート弁用リニアアクチュエータ 本発明は、可変面積コンプレッサの静翼が所望の作動条件に相当するコンプレッ サ排圧の関数として変化するタービンエンジン用の制御装置に関する。 この制 御装置では、コンプレッサ排圧から誘導された作動差圧がアクチュエータに作用 して、線形な力を生じ、可変面積コンプレッサの静翼及びそれに応じて生じる排 圧を変える。
高性能軸流式コンプレッサガスタービンエンジンでは、特にエンジンの加速中に コンプレッサを通る多量な空気流れを制御して、コンプレッサの特徴的な不安定 な作動を回避することがしばしば必要である。空気流れは、米国特許第3849 021号に開示されているようにコンプレッサの段を適当に比較的低圧のドレン ソースにブリード或いは通気させることによって、或いは米国特許第28709 56号に開示されているようにコンプレッサ流入口の有効な流れ面積を変化させ て、コンプレッサへの多量な空気流れを増減させることによって制御される。か かる加圧空気のブリード或いはコンプレッサへの空気流れの制限は、エンジンの 効率及び動力に望ましくない影響を有し、従ってエンジンの作動中、最小に制限 されるべきであることが認識されている。
種々の先行技術のコンプレッサ静翼変更手段が、米国特許第3172259号、 36467′53号及び3849021号のような先行技術に開示されている。
これらのアクチュエータは、選択されたエンジン作動パラメータに応答して1つ 或いはそれ以上のブリード弁を全開成いは全閉位置まで作動させるようになって いる。後に制御装置が開発され、ブリード弁への入力は一連の増分ステップによ って制御された。しかしながら、増分ステップでさえ、コンプレッサブリード弁 の開閉は、コンプレッサの作動に望ましくない影響を有する。
本発明では、可変面積静翼の開閉は、アクチュエータ組立体によってニアコンプ レッサに生じたコンプレッサ排圧の修正を通じて生じる線形の入力によって制御 される。アクチュエータ組立体は内部にボアを備えたハウジングを有する。ボア は排圧と周囲環境の流体圧力との間の第1差圧から誘導された第1流体圧力を受 けるように連結された流入ボートと、周囲環境に連結された流出ポートとを存す る。ボア内に設置されたピストンは、流入ボートに連結された第1チヤンバを流 出ポートに連結された第2チヤンバから分離する。流出ボート内に設置された副 流部は、流体圧力の第2チヤンバから環境への連通を制御する。ハウジング内に 設置されたスリーブは、内部に半径方向スロットを有する。シャフトはスリーブ 内で支障された第1端とハウジングを貫通する第2端とを有する。シャフトはコ ンプレッサ排出流体圧力を受けるように連結された盲ボアと、スリーブ内の半径 方向スロットと同一平面内に整列した、盲ボアからの開口とを有する。シャフト はピストンに連結され、それによって第2差圧によって、ピストンの直線運動の 関数として回転し、開口を半径方向スロットに対して位置決めし、盲ボアから第 2チヤンバへの可変開口を生じる。弾性部材は第2差圧に抗してピストンを第1 チヤンバの方に付勢する。第2流体圧力は、盲ボアから可変開口を通って第2チ ヤンバの中に流れるコンプレッサ排出流体圧力によって生し、同時に第2チヤン バ内の流体圧力は、流出ポート内の副流部を通って周囲環境へ流れる。ピストン とシャフトを移動させる第2差圧は、シャフトの第2端を通ってニアコンプレッ サに連結されたリンクに伝わり、ニアコンプレッサの静翼を線形に変化させる。
半径方向スロットとシャフトの開口との関係は、可変開口は第1流体圧力の発生 を制御して、コンプレッサ排出流体圧力の損失を防止し或いは減じ、タービンに よって生じる最大力がタービンエンジンの推力を生じるのに利用しうろことを保 証する弁と同様に、エンジンの初期及び最大運転中間しるようなものである。
本発明の目的は、コンプレッサ排圧或いはタービンの馬力の突然の変化を防止す るために線型動作を備えたアクチュエータ組立体を有する、可変静翼のニアコン プレッサを有するタービンエンジン用の制御装置を提供することにある。
本発明のさらなる目的は、タービンの初期成いは最大運転中コンプレッサ排圧の 損失を除去する手段を提供することにある。
本発明のなおさらなる目的は、タービンエンジンの動作を線型に増加させること によって所望のエンジン速度に応答するアクチュエータ組立体を備えた、可変静 翼のニアコンプレッサ用の制御装置を提供することにある。
本発明の目的及び利点は、図面を参照しながらこの明細書を読めば明らかになる であろう。
図1は、本発明の原理による可変面積静翼部材用のアクチュエータ組立体を備え たガスタービンエンジンの概略図である。
図2は、図1のアクチュエータ組立体用のアクチュエータ組立体の拡大図である 。
図3は、圧縮排圧を環境に連通ずるオリフィスと、圧縮排圧Pc及び周囲環境の 圧力Paの間に生じた第1差圧に応答する弁の面との関係を示す、図2の線3− 3における断面図である。
図4は、圧縮排圧がアクチュエータ組立体のチャンバに伝わる可変オリフィスを 生じさせるための、スリーブのスロットとシャフトの開口との間の関係を示す、 図2の線4−4における断面図である。
図5は、圧力比Pc/Paに対する可変静翼位置を示す曲線である。
図6は、エンジン速度Nに対する可変幾何位置を示す曲線である。
図7は、可変面積静翼部材を作動させるためのリンクに供給されたときの、図1 のアクチュエータ組立体の圧力出力P8を示す曲線である。
従来のガスタービンエンジン20用の図1に示す制御装置lOは、加圧空気流を 1つ或いはそれ以上の燃焼チャンバ26に排出する多段軸流コンプレッサ24か ら上流に空気流入口ηを有する。燃焼チャンバ26内で発生し、且つそこから排 出される熱い動力ガスが、コンプレッサ24を駆動させるようにシャフト29を 介して連結されたガスタービン28を通る。ガスタービン28からの排出ガスは 、排出ノズル30から放出され、それによって航空機用の所望の推進力を作る。
一定流量の燃料流れが燃料インジェクションノズル32を介して燃焼チャンバ2 6に供給され、ノズル32はノズル32に連結された燃料マニホルド34によっ て加圧燃料が供給され、且つ全体的に参照番号38で指示する燃料制御装置の流 出口から通じる燃料供給管36を有する。
燃料制御装置38は、適当なギア及びシャフト40によるエンジン回転連節、ス ロットルレバー42による動力要求及び制御装置38とコンプレッサ24の排出 部分との間の流通を与える導管44による圧力Peのコンプレッサ加圧空気を含 む制御入力信号を受信するようになっている。
コンプレッサ24の選択した1つ或いは複数の段に適当に連結された、1つ或い はそれ以上の従来のコンプレッサエアブリード弁46が、コンプレッサ加圧空気 をそこから、流体圧力P、を有する大気或いは周囲環境のような、比較的低圧の 適当なドレンソースへ通気する。可変面積静翼装置46か、図2により明瞭に示 す、アクチュエータ組立体50に連結されたリンク48によって作動される。
燃料制御装置38は、従来のもので、且つ構造の特定な詳細及び燃料制御装置3 8の作動については、米国特許第3526091号及びより最近では米国特許第 5072578号に示されるような適当なタイプのものであるのがよい。制御装 置38とアクチュエータ組立体50の間の作動関係を示すために、制御装置38 の一部がバラしである。
燃料制御装置38は、導管36に連結した流出口54と、燃料タンク及びエンジ ン被駆動燃料ポンプを有するのがよい加圧燃料ソースに連結された流入口56と を備えたケーンン乃2を有する。燃料は流入口56から流路58を備えた導管手 段、可変面積燃料計量オリフィス60、流路62及び燃料カットオフ弁64を介 して流出口54に流れる。オリフィス60前後の燃料圧力差に応答する、全体的 に参照番号66で指示した燃料バイパス弁手段は、図示しない燃料ポンプの流入 口と連通ずる燃料バイパス流出口68に非計量の燃料圧力P1で燃料を迂回させ 、それによってオリフィス60の流れ有効面積に係わらずオリフィス60前後の 差圧を所定の一定値に維持する。
燃料計量弁70は、オリフィス60に適当に連結され、オリフィスに対して移動 して、オリフィスの流れ面積を変えて、オリフィスを通る燃料流れの流量を制御 する。
弁70は、全体的に参照番号72で指示するリンク機構によって作動され、リン ク機構はガバナーベロー74と、ステム78によって互いに強固に結合された、 比較的少量排気する小さい加速ベロー76とに応答する。ベロー74は、コンプ レッサ排圧Pcで空気から誘導された空気圧力P、及びPYに応答し、排気ベロ ー76は、空気圧力PYに応答する。一定の面積制流部82を含む導管80は、 コンプレッサ排出空気圧力P。で導管44を、大気圧力P、を有する比較的低圧 のドレンソースと連通させる。流路80の排出端の流れ有効面積は、レバー86 によって作動されるフラッパー弁84によって制御される。レバー86は、動力 要求レバー42の動きに応答して移動するガバナーバネ88によって力が負荷さ れ、シャフト29によってエンジン速nて回転するように連結されたギアと駆動 シャフト40によって駆動されるガバナー遠心ウェイト92と対向する。この仕 方では、ベロー74が応答する制流部82と弁84の中間の空気圧力P、は、要 求エンジン速度と実際のエンジン速肺との間の誤差の関数として変化させられる 。一定面積制流部96を含む導管94は、コンプレッサ排出空気圧力PCの導管 44を比較的低圧のドレンソース或いは大気圧力P、と連通させる。流路94の 排出端の流れ有効面積は、レバー100によって作動されるフラッパー弁98に よって制御され、レバー100はレバー100及び86に連結された引っ張りバ ネ102によって力が負荷され、それによってレバーlOOのレバー86に対す る所定の運動を与える。
可変静翼部材46用のアクチュエータ組立体50は、図2、図3及び図4に最も 良く示されている。 アクチュエータ組立体50はコンプレッサ排IEPCを受 けるように流路116によって接続された流入ポー[14を備えたハウジング1 08を有する。ハウジング108は、流入ボート114をボア112に連結する 流路110を有する。
流路116はボア112をボア112と軸方向に整列したボア120に連通させ る。流路110内に設置された制流部118は、流入ボート+14からボア11 2の中へのコンプレッサ排fEPeの流れを制御する。コンプレッサ排圧Pcは 同時にボア120から弁座122を経て、及びボア112から弁座126を経て 、大気圧力P、のチャンバ124に通じる。米国特許第3733825号に開示 されたタイプのレバー装置128は、ハウジング108に回動自在に連結された 第1端132と、弁座122及び126に垂直な平面内に設置された第2端とを 備えた第ルバー130を存する(図3参照)。流入ボート+14に接続されたチ ャンバ138をチャンバ124からシールするダイアフラム部材136は、第1 端132の回動連結部から一定距離の位置でレバー130に係合するピン或いは ロッド140を有する。コンプレッサ排圧PcとP、との間に生じる第1差圧は 、ダイアフラム部材136に作用して、レバー130に作用するそれに応じた力 を与え、弁座122に隣接した端+34の面135を位置決めし、コンプレッサ 排IIEP0のチャンバ124への流れを制御する。レバー130の端134に 取り付けられたポペット142は、弁座126の開口を貫通するステムを存し、 ヘッド144をボア112内に設置する。ヘッド1440面と弁座126間及び レバー130の端134の面135と弁座122間の距離は、同じであるように 設計され、PCか一定圧力レベル以下のときに、バネ146がレバー130を閉 鎖位置の方に付勢する力を与えるとしても、弁座120及び126を通る流れが 同時に終わるようにレバー130に釣合い効果を与える。
大気圧力P、−の変化を補償するために、ハウジング108に回動自在に連結さ れた第2レバー148が、環境の流体圧力に応答する排気ベロー152に連結さ れた第1i150と、フィードバックローラ手段156を介して第ルバー130 に連結された第2端154とを有する。
ハウジング108は導管或いは流路164によってボア112に連結された流入 ボート162を備えたボア160を有し、レバー130の端134と、ポペット +42と、内部に制流部166を備えた流出ボート164によって、弁座122 及び126を通るコンプレッサ排圧P、の流れの制限によって生じるような修正 コンプレッサ排圧を受ける。ピストン168が、流入ボート162を流出ボート 164から分離するために、ハウジング108のボア160内に設置され、第1 チヤンバ+70及び第2チヤンバ172を確立する。
ハウジング108内に設置されたスリーブ174は、図4にもっとも良く示すよ うに半径方向スロット176を有する。シャフト178は、スリーブ174内に 支障された第1端180と、ハウジング10Bを貫通する第2端182とを有す る。シャフト178は、導管186によって流入ボート114に連結された盲ボ ア184を有し、コンプレッサ排出流体圧力PCを受ける。シャフト178は、 スリーブ174内の半径方向スロット176と同一平面上に整列した盲ボア18 4からの開口(三角形だが、他の形状でも同じ様に良く働0188を有する。シ ャフト178は、ロッド190によってピストン168に連結され、それによっ てピストン168の直線運動の関数として回転する。シャフト178の回転は、 194によって行わ托レバー130と関連したローラ156をフィードバックさ せつつ、チャンバ172内に設置されたバネ或いは弾性手段+92は、ピストン 168を第1チヤンバ170の方に付勢する。ハウジング108内に設置された ストップポルト196.196 ”は、ピストン16Bの直線運動によるシャフ ト178の回転を制限し、第2端182に取り付けられたリンク48への最大入 力を制御する。
燃料制御装置38の作動の特定な詳細については米国特許第3526091号を 参照されたい。しかし、本発明にとって、レバー86と100がある方向に不釣 り合いで、それぞれフラッパー弁84と98を閉じる結果、タービンエンジン2 0が加速されることを認識すれば十分である。従って、圧力P、及びPアは圧力 Pcまで増加し、それによってガバナーベローの前後の圧力差Pア−Pxを減し 、且つ加速ベロー76を加圧し、加速ベローは計量弁64がコンプレッサ排IE P、の関数として開方向に移動し、燃料流れを増加させ、且つエンジンをそれに 応じて加速させる。
エンジンカルバ−42の位置に相当する選択されたエンジン速度に近づくとき、 バネ88はウェイト92によって打ち負かされ、レバー86を移動させそれによ ってフラッパー弁84を開き、弁84が圧力P、の減少を引き起こし、ガバナー ベロー74をその前後の増加した差IEP e−P 、に応答して膨張させ、そ れによって計量弁64を閉方向へ付勢し、燃料流れを減じ、エンジンを減少した 割合で加速し、且つ選択した速度に安定させる。
可変面積静翼装置46は、アクチュエータ組立体50によって、特にピストン1 68に課される差IEP 、 −P 、に応答して作動される。調整されたコン プレッサ排圧Pcの関数として誘導された圧力P、は、ダイアフラム部材136 の前後に作用する、制御された差[EP c−P 、としてボア112及び11 6からの流れによって修正される。最初は、タービンエンジン20が始動すると き、ダイアフラム部材136に作用する差[P c−P 、によって生じた力及 びフィードバックローラ156の位置は、レバー130が弁座122及び126 を通るコンプレッサ排圧の流れがないように位置決めされるようなものである。
これと同時に、バネ192は開口188及び176が整列せず、且つコンプレッ サ排出流体圧力のチャンバ172への流れがないように、ピストン168を第1 チヤンバ170の方に付勢する。エンジンが加速するとき、コンプレッサ排圧の 増加は、図6に示すようにタービンエンジン速胆の関数としてコンプレッサ圧力 比Pc/Pヮの増加を生じる。弁座122のレバー130の面135と面126 のポペット144で、修正されたコンプレッサ流体圧力P8は、流入ポート14 に現れるコンプレッサ流体圧力PCと略同じである。修正されたコンプレッサ流 体圧力P、は、チャンバ170に連通し、比5.0のような差圧P、−P、でバ ネ192に打ち勝つのに十分で、ピストン168をチャンバ172の方へ直線的 に移動させ、この時点でチャンバ172内は、実質的に流体圧力P、を有する。
ピストン168が直線的に移動すると、ロッド190はシャフト178を回転さ せ、開口18Bをスロット176に対して移動させ、可変開口を生し、そこを通 って盲ボア+84内に存在するコンプレッサ排出流体圧力か、チャンバ172の 中に流れる。シャフト178の回転は、ロット194を介してローラフィードバ ック手段+56に伝えられ、レバー130を移動させ、且つホア112及び12 0内に存在するコンプレッサ排圧をチャンバ124の中へ流す。チャンバ172 の中へのコンプレッサ排出流体圧力Pc流れは、開口188の半径方向スロット 176に対する位置決めによって生じた可変開口で生じた制流部の関数であり、 −力流体圧力は、流出ポート164内の制流部166を通って周囲環境までの流 れの関数としてチャンバ172から流出し、流体圧力P8を発生させる。差圧P 、−P、によるピストン168の移動は、シャフト178及びリンク48を介し て伝えられ、それに応じて可変面積静翼装置46を位置決めする。アクチュエー タ組立体50によるシャフト178の回転は、シーレベルの曲線200及び20 000フイートの曲線200′によって図7に示す。曲線加0及び200′は、 先行技術による作動を示す、シーレベルの曲線202と2000フイートの曲線 202−と比較すれば、滑らかで且つ一様な力が供給され、可変面積静翼装置4 6を作動させることを示す。
コンプレッサ排丑。のチャンバ172への連通のために、レバー装置128及び シャツl−178とスリーブ174との間に生じた可変開口の適当な選択によっ て、可変面積静翼装置46は、所定の圧力比P。/P、て閉じ始め、第2の所定 比P。/P。
て完全に閉じるようにされる。図5に示すように、可変面積静翼装置46は圧力 比P C/P、か略6,0より上て完全に開いている。5.0から6.0の範囲 では、可変面積静翼装置は、比P C/P、に比例して部分的に位置を占め、そ れによってコンプレッササージを引き起こす望ましくない傾向を有する、可変面 積静翼装置46の突然の閉鎖を回避する。本質的に、可変面積静翼装置46はP  C/P、の関数として位置決めされ、一方P、/P、の圧力は、シャフト17 8の位置の関数として変化し、シャフト178は可変面積静翼装置46を位置決 めするための力を与える。さらに、P、/P、の圧力比は、可変面積静翼装置4 6を開閉するのに利用できる力を確立する。
タービンエンジン20の加速は、圧力P、の増加によってアクチュエータ組立体 50のコンプレッサ排圧Peに伝えられる。コンプレッサ排圧の増加は、ロッド 140を介してレバー130に加えられる力にそれに応じた増加を生し、レバー 装置に不釣合いを生じ、弁座122及び126を通るコンプレッサ排出流体の流 れが面+35及びポペット146によって制限され、P3の流体圧力を増加させ る。フィードバックローラ156によって供給された入力によってレバー装置1 28内で力の釣合いが再び達成されるまで、流体圧力P、の増加は、ピストンに 作用する新しい第2差圧を生じ、ピストン168を直線運動させ、シャフト17 8を回転させる。
最大速度からアイドル速度へのエンジンの減速は、前述の作動と逆を生じる。
ブリード弁46は、エンジン速度作動範囲が前述の第1所定圧力比P c /P 、 5.o以下である際に全閉で、エンジン速度作動範囲が前述の第2所定圧力 比P。/P、 6゜0以上である際に全開であることが理解される。第1及び第 2所定圧力比P C/P、が5乃至6の速度範囲では、シャフト178からの入 力は、可変面積静翼装置46を圧力比P c/P、に比例して中間開閉位置に位 置決めする。
国際調査報告 。l’T/I+。。、l+、、、。。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)可変静翼のエアコンプレッサを有するタービンエンジン用の制御装置であ って、弁装置は、第1流体圧力のアクチュエータ組立体への連通を制御するため に、前記エアコンプレッサによって生じた排出流体圧力と環境流体圧力との間で 生じた第1作動差圧に応答する第1部材を有し、前記アクチュエータ組立体は、 前記第1流体圧力と前記排出流体圧力の修正によって生じた第2流体圧力との間 に生じた第2作動差圧に応答し、前記第2差圧は、リンクによって連結された出 力部材に作用して、前記エアコンプレッサの静翼をそれに応じて変化させる力を 与える制御装置において、アクチュエータ組立体は、前記第1流体圧力を受ける ように連結された流入ポートと、周囲環境に連結された出力ポートとを備えた、 内部にボアを有するハウジングと、前記ボアを前記流入ポートに連結された第1 チャンバと前記流出ポートに連結された第2チャンバとに分離するための、前記 ハウジング内に設置されたピストンと、 前記第2チャンバ内の流体圧力の環境への連通を制御するための、前記流出ポー ト内に設置された制流部と、 前記ハウジング内に設置され、半径方向スロットを内部に有するスリーブと、前 記スリーブ内に支障された第1端と、前記ハウジングを貫通する第2端とを有し 、コンプレッサ排出流体圧力を受けるように連結された盲ボアを内部に有し、前 記スリーブ内の前記半径方向スロットと同一平面内に整列した、前記盲ボアから の開口を有し、前記ピストンに連結され、それによって第2差圧によるピストン の直線運動の関数として回転し、前記開口を前記半径方向スロットに対して位置 決めし、それに応じて前記盲ボアから前記第2チャンバヘの可変の開口を生じ、 前記第2端は前記リンクを介して前記可変静翼のエアコンプレッサに連結された シャフトと、 前記ピストンを前記第2差圧に抗して前記第1チャンバの方に付勢するための弾 性手段とを有し、 前記第2流体圧力は、前記盲ボアから前記可変開口を通って前記第2チャンバの 中に流入するコンプレッサ排出流体圧力と、前記流出ポート内の前記制流部を通 って周囲環境に流れる、前記第2チャンバ内の流体圧力とによって生じ、前記第 2差圧は、前記ピストン及びシャフト及び対応する前記リンクを移動させ、前記 エアコンプレッサの静翼を線形変化させることを特徴とする制御装置。
  2. (2)入力の力を与えて、前記第1部材に作用する第1差圧によって生じた力に 釣り合い、且つ前記第1流体圧力をコンプレッサ流体圧力の流れの関数として、 第2可変開口を通る周囲環境まで生じさせる、前記シャフトと前記弁装置とを連 結するフィードバック手段をさらに有する、請求項1に記載の、可変静翼のエア コンプレッサを有するタービンエンジン用の制御装置。
  3. (3)前記シャフトの前記開口は、前記スリーブの前記半径方向スロットの中心 に整列した頂点を備えた三角形形状を有し、前記シャフトは、前記コンプレッサ 排圧が前記第2チャンバに伝わることによって、前記頂点を前記半径方向スロッ トに対して生じた前記可変開口まで移動させる、請求項2に記載の、可変静翼の エアコンプレッサを有するタービンエンジン用の制御装置。
  4. (4)前記弁手段は、コンプレッサ流体圧力を受けるように連結され、それぞれ 環境への第1開口と第2開口とを備えた第1及び第2流路と、回動自在に前記ハ ウジングに連結された第1端と、前記第1開口に隣接して設置された第2端とを 有し、前記第1部材は、前記第1端から一定距離の位置で係合する第1レバーと 、 前記第2端に取りつけられ、且つ前記第2開口に整列したポペットと、環境の流 体圧力に応答する排気ベローに連結された第1端と、前記フィードバクを介して 前記第1レバーに連結された第2端とを有し、前記第1差圧は前記第1部材を介 して伝わる力を生じて、前記第1レバーを移動させ、前記第2端を前記第1開口 に対して、さらに前記ポペットを前記第2端に対して位置決めし、前記第1流体 圧力を前記コンプレッサ流体排圧の関数として生じさせる、請求項3に記載の、 可変静翼のエアコンプレッサを有するタービンエンジン用の制御装置。
  5. (5)前記ピストンの運動による前記シャフトの回転を制限するための、前ハウ ジングに連結されたストップ手段をさらに有する、請求項3に記載の、可変静翼 のエアコンプレッサを有するタービンエンジン用の制御装置。
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