JPS59141728A - 軸流入口粒子分離装置 - Google Patents

軸流入口粒子分離装置

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JPS59141728A
JPS59141728A JP58245004A JP24500483A JPS59141728A JP S59141728 A JPS59141728 A JP S59141728A JP 58245004 A JP58245004 A JP 58245004A JP 24500483 A JP24500483 A JP 24500483A JP S59141728 A JPS59141728 A JP S59141728A
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    • F02C7/04Air intakes for gas-turbine plants or jet-propulsion plants
    • F02C7/05Air intakes for gas-turbine plants or jet-propulsion plants having provisions for obviating the penetration of damaging objects or particles
    • F02C7/052Air intakes for gas-turbine plants or jet-propulsion plants having provisions for obviating the penetration of damaging objects or particles with dust-separation devices
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  • Treatment Of Liquids With Adsorbents In General (AREA)
  • Filtering Of Dispersed Particles In Gases (AREA)

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】 発明の背崇 [発明の分野] 本発明はガスタービンエンジンに入る空気から砂等の異
物を除去する入口粒子分離装置として知られる装置に関
し、特に、入口粒子分離装置の改良流路形状に関する。
[先行技術の背景] 航空機のガスタービンエンジンはエンジン空気入口に尋
人される異物による損傷を極め°C受けやすい。この問
題は、比較的大きな異物、例えば石、じゃり、鳥、あら
れについて従来量も重大であった。
ガスタービンから動力を受けるヘリコプタやその他の垂
直離着陸(VTOL)航空機の出現とともに、比較的小
粒の異物、例えば砂や氷が、主として、このようなVT
OL航空機がしばしば用いられる状態の故に、ますます
やっかいなものとなってきた。V −r OL能力の利
点により、このような航空機は通常の空港が存在しない
地域において特に有用であり、これは孤立した無人地帯
でよくあることCある。VTOL航空機はまた陸上や海
上での低高度飛行に特に適しCいる。
これらおよび他の類似の状態では、かなりの量の砂、氷
等の小さな異物が、ガスタービン1ンジンに入る空気に
混入しうる。これらの異物粒子は個別にはエンジンに比
較的わずかしか影響を与えないが、エンジンに多量に吸
入されると甚大な損傷をひき起こり。例えば、最近の経
験によれば、砂漠で低高廉飛行中のヘリコプタのエンジ
ンは、はこりや砂の粒子の吸入によるエンジン翼の浸食
によって非常に急速に性能が低下するおそれがある。塩
水上方での飛行時にも同様な問題が生じつる。というの
は、タービン構造体の腐食と破壊的な浸食をひき起こす
おそれのある塩水滴が多量に吸入されるからである。
この問題を解決しようとして様々な入口粒子弁!!装置
が様々な種類のガスタービンエンジン用として開発され
てきた。継続的な開発の当然の結果として、様々な改良
と、より効果的な分1311装置が出現した。これらの
装置の幾つかは異物の除去には非常に有効であるが、エ
ンジン性能に悪影響を及ぼすという点でしばしば幾つか
の欠点がある。
高度に有効な分離をもたらす一手段は、粒子が混入した
入口空気がエンジン中心部に入る前にその空気を遠心力
を与える送風機をエンジン人口に装着することである。
ひとたび粒子混入空気が高い遠心速度に加速されると、
比較的きれいな空気が遠心流の内側部分からコアエンジ
ン自体内に吸収されうる。異物自体はその密度の故に、
空気はど急速には半径方向内方に吸引されえず、その代
わり異物粒子は外径部の元来の軌道に従って捕集室に入
る傾向をもつ。
この装置は異物を効率よく分離するが、送風機に関連す
る幾つかの欠点と、送風機自体に動力を与えることによ
る性能上の欠点とが存在しうる。
従って、本発明の目的は、異物を分離するためにエンジ
ン入口空気の遠心加速を製しない入口粒子分離装置流路
を提供することである。
本発明の他の目的は、送風装置において多量のエンジン
動力を用いることなく異物を効率よく分離する改良エン
ジン入口粒子分離装置を提供すること′Cある。
本発明の伯の目的は、送風機に多量の異物を通さないこ
とにより送風機の劣化の問題を解決した装置を用いてエ
ンジン人口空気から異物を効率よくかつ効果的に分離す
る入口粒子分離装置を提供することぐある。
発明の概要 ガスタービンエンジンの中心部に導入しようとする空気
の流れから異物を除去するための改良入口粒子分離装置
をガスタービンエンジンに設ける。
この改良分離装置は2段の分離を利用する。第1段は軸
流分離装置であり、これは空気流を軸方向に加速するこ
とを意味し、その後空気流路は半径方向内方に鋭く転向
する。これにより、異物はその大きな密度の故に軸方内
に流れ続けるのに対し、空気自体はより容易に向きを変
えられ、内方に向かってエンジン中心部内に流入しつる
比較的汚染された空気は軸方向に流れ続けて捕集室に流
入する。この捕集室内で第2段の分離が生ずる。第2段
の分離は遠心分離であり、送風機によってパワーを与え
られる。送風機は空気を遠心的に加速する。この場合も
、異物はその高密度の故に最初の加速り向に流れ続け、
従つC1異物粒子は遠心力によつC半径り内外方に向か
う。送風機は捕集室の半径り向内側部分内に設けられる
ので、高度に汚染された空気は送風機をバイパスする。
分離装置の空気流路は次の点で独得である。すなわち、
その内側境界を形成する中央ハブの寸法が漸増してハブ
最大直径に達し、その間空気流は軸方向に加速される。
ハブ最大直径の下流には分離部が存し、そこで比較的き
れいなコアエンジン用空気が半径方向内方に向けられる
。分流突端部が比較的汚染された空気の流れを比較的き
れいな空気から分離する。この分離過程を促進するため
、ハブの最大直径は少なくとも分流突端部の直径より大
ぎい。ハブ最大直径が分流突端部直径より10%以上大
きければ分離は特に効果的であることがわかった。
本発明は添付図面と関連する以下の説明からより良く理
解されよう。
好適実施例の説明 第1図は本発明の諸特徴を包含する入口粒子弁1bft
装置10を示す。この人口粒子分離装置10は航空機エ
ンジン(図示せず)の前端に装着されるように設計され
た完全に着脱自在な装置である。
1ンジン中46線11が第1図に示しであるが、これは
入口粒子分離装置10の中心線でもある。入口粒子分離
装置10の目的はエンジン入口空気から異物を分離しそ
してその結果生じた比較的汚染されない空気をエンジン
中心部内に向けることである。
外の空気すなわち入日空気は入口粒子分離装置10内に
吸入され環状人口12を通る。入口12から流入ゞ空気
は入口通路部14内を流れる。この通路部の外側境界は
外側ケーシング16によ・って形成され、そしてその内
側境界はハブ部18によって形成されている。第1図か
らただちにわかるように、ハブ部18の直径は入口通路
部14に沿って下流方向に漸増する。また、外側ケーシ
ング16の直径もこの区域で幾分増加する。
ハブ部18の直径が入口通路部14において増大する態
様と程度は幾分変えうるちのであるが、後述の幾つかの
設計考慮事項がある。
ハブ部18の直径は漸増を続けC最大直径20の点に達
し、その復、ハブ直径は急速に減少する。
入口粒子分離装置10のこの直径減少部分は分離部22
と呼びうるものである。分離部22は、エンジン入口空
気内の異物を物理的に分離して、エンジン中心部(図示
せず)に最終的に流入する比較的きれいな空気の第2流
を作る区域である。この区域で異物の分離が生ずるのは
、入口空気が急速に加速されてハブ最大直径20の点を
過ぎた後半径方向内方に曲げられて圧縮機人口24に向
かうからである。
エンジンの圧縮機は簡単のため図ボしてないが、その位
置は圧縮機人口24の位置のすぐ下流にある。
再び分離部22について説明すると、異物の固体状粒子
の運動ωはこれらの粒子が空気と共に曲がることを妨げ
る。従っC1粒子は軸方向に進み続けて掃気装置28の
捕集室26に入る。異物が掃気装置28に導入されると
、その粒子は集められて外へ放出される。
分離効率を高めるために、入口粒子分離装置10は流入
空気に混入している異物から圧縮機人口24を「隠す」
ように設8Iされた流路を有する。
また、掃気装置28は、異物が掃気装置28の構造要素
に衝突した後前りにはね返って圧縮機入口に入る可能性
を減らすように設計された捕集装置を有する。
スクロール羽根30が掃気装置28の入口に装着されて
いる。スクロール羽根3oは、外側ケーシング16の周
囲に設けられたスクロール構造体32を含む掃気装置2
8に比較的汚染された空気が入るときその空気の流れ方
向を円周方向に変えるように設けられている。
汚染空気はスクロール構造体32に入るにつれて円周方
向に加速され、従って、異物はスフロール32構造体の
外周部に向かっC半径方向外方に加速される。こうして
遠心分離装置の形態の第2分離段が形成され、これによ
り、掃気装置28内の比較的汚染された空気は再び、高
度に汚染された空気の第3流とそれよりも少なく汚染さ
れた空気の第4流とに分けられる。さらに詳述すると、
高度に汚染された空気の流れである第3流はスクロール
構造体32の半径方向外側部分内に生じ、それよりも少
なく汚染された空気の流れである第4流はスクロール構
造体32の半径方向内側部分内に生ずる。送風機(第1
図に示しでない)が掃気装置28を通る汚染空気に流動
力を与える〃めに設けられている。この送風機は、比較
的少なく汚染された空気の第4流だけが送風機自体を通
ることによってその使用寿命が延びるように装着される
。この送Millの装着については後に詳述する。
第2図には、入口粒子分離装置1oの上側部分を通る空
気の内部流路が、分離過程を詳しく説明するために断面
図C゛示されている。図からただちにわかるよに、図示
の分離装置は軸流型分離装置であって何ら羽根をもたな
い。これは入口空気流を横切る支持構造体が無いことを
意味する。入口粒子分離装置10の羽根がないという特
徴により、妨害のない人口流路を設けることができ、そ
してじゃまな羽根構造体がある場合にそれらによって入
口空気流に生ずる抗力((1’ra(1)の問題が無く
なる。
前述のように、人口空気は入口12を通って分離装置1
0に入る。内部流路は外側ケーシング16により半径り
内外側境界が、そし−Cハブ部18により半径方向内側
境界が形成される。人口12からハブ部18は直径がし
だいに増加し始め、従って、内部流路はエンジン中心線
からの半径方向距離が増加する。図示の実施例ではこの
直径の増加は漸進的である。この増加の最大傾斜がエン
ジン中心線に対しU15%を超えないようにするのが有
利であることがわかった。ハ/直径はハブ部18が第2
図に20′c示される最大直径の位置に達するまで増加
づる。このハブ最大直径20の位置は入口粒子分離装置
の流路の他の部分と重要な関係をもつ。この段階′C″
認識すべき重要なことは、様々な種類の異物が混入して
いる空気流が人口12からハブ最大直径20まで進む間
にその空気流が加速されているということである。入口
12からハブ最大直径20まCの全域を既述のように入
口通路部14と呼ぶ。人口通路部14内では分離は起こ
らないが、入口空気は、ハブ最大直径20のすぐ下流に
生じ始める実際の分離過程に適するようにされる。
その次の部分は既述のように分離部22と呼ばれる。こ
れは入口粒子分離装置10内で第1段の粒子分離が生ず
る区域である。ハブ最大直径20の点から、ハブ直径は
急減するので流路は急変する。分離部22においで外側
ケーシングコロの直径は幾分減少するが、ハブの直径程
急減しない。
分離部22では入口空気の流れは2つの別々の流路に、
従って、2つの別々の空気流に分かれることを認識され
たい。第1流は第2流の半径方向外側に位置する。また
、人口粒子分離装置における第2空気流の下流には既述
のエンジン圧縮機部(図示せず)があることも認識され
たい。エンジンの圧縮機は、その名称が示すように空気
を圧縮するもので、その過程におい−C多最の空気を吸
込む。この過程は圧縮機の上流の空気流に大いに影響し
、そして人口粒子分離装置10全体にわたって空気流に
影響を与える。入口空気流の全体的な   ′加速゛は
人口12C′始まり、人口通路部14とハブ最大直径2
0を通過するまで続き、その後、空気は半径方向内方に
鋭く向きを変えて圧縮機入口24に向かう。
圧縮機は、一般に流れ効率の過大な損失なしに空気を半
径方向内方に吸引する。他方、人口空気流に混入してい
る異物は固体状粒子からなるので、当然、それが混入し
Cいるガス流よりはるかに密度が高い。この高い密度(
単位体積当りの質量)のため、異物の運動母により粒子
は元来の流れ方向に流れ続ける傾向がより大きく、ハブ
最大直径20を過ぎた後空気自体のように半径方向内方
に鋭く曲がることはない。従って、異物は軸方向に流れ
続ける傾向をもち、掃気装置28に流入づ”る。
分流突端部40が流路を掃気装置28とコアエンジン流
路38とに分割する。分流突端部40に対するハブ最大
直径20の相対的な半径方向位置は非常に重要である。
効果的な分離を促進づるためには、ハブ最大直径20の
半径方向位置は、1ンジン中心線に対しで分流突端部4
0の半径り面位置より外側になければならない。ハブ最
大直径20の半径り面位置がエンジン中心線に対して分
流突端部40の半径の10%以上分流突端部の半径方向
位置を超過すれば所望の分離特性が得られることがわか
った。
比較的汚染された空気が掃気装置28に流入する際、そ
の空気は円周方向に列をなすスクロール羽根30を通過
する。前述のように、スクロール羽根は、比較的汚染さ
れた空気流がスクロール構造体32に入る時に円周方向
に転向するように設【Jられる。掃気装置28はスフ[
l一層構造体32の内側で異物粒子を集めて外に放出す
る。比較的汚染された空気流を円周り向に転向させるこ
とにより、掃気装置28内に遠心分離器の形態の第2の
分離段を形成しつる。第2分離段を設けることは、掃気
装置28内に装着した諸要素を保護するために望ましい
ことである。さらに詳述すると、図示の掃気装置は空気
を掃気装置内に吸引するための送風機を利用する。この
送風機を、スクロール構造体32の内、比較的少なく汚
染された空気の第41を受入れる部分に設けることが望
ましい。
こうすると、送風機の諸要素、例えば、インペラ羽根が
砂のような粒子の絶えざる衝突によって劣化しない。こ
のような送風機装置については後に詳述する。
再び流路の分離部22を説明すると、入口空気は分流突
端部40によって2つの流れに分けられる。実行可能な
装置の一実IM態様は入口空気流の80%をコアエンジ
ン流路38および圧縮機人口24に導入することがわか
った。この空気流は比較的汚染されCいない空気流であ
る。入口空気の残りの20%は高度に汚染された空気で
、掃気装置28に導入され、スクロール32I!造休に
入る。
第3図はスクロール構造体32の一員体例を示す。この
例は単方向スクロール構造体である。これは、スクロー
ル構造体に入る空気流が単一方向だけに流れることを意
味する。なお、第1図に示すスクロール構造体は単方向
スクロール構造体である。再び第3図について説明する
と、高度に汚染された空気がスクロール構造体32に入
る際、その空気はスクロール羽根30(第3図に示して
ない)によって円周方向に流れるようにされる。
空気はスクロール構造体の長さ全体にわたって流れ続け
、最後に単純なダクト42を通ってスクロール構造体を
出る。このダクトはエンジンで駆動される送風機に連結
している。高度に汚染された空気流が円周方向に流され
ると、比較的密度の高い異物がスクロール構造体32の
外局部に集まる傾向があることは理解されよう。従って
、符号44で示す半径方向外側部分は高度に汚染された
空気の第3流を含む。逆に、符号46で示す半径方向内
側部分はそれよりも少なく汚染された空気の第4流を含
む。
次に第5図について説明すると、ダクト42は半径方向
外側部分44と半径方向内側部分46とに分割されるよ
うに図示されている。第5図に示すダクト42の下部は
第3図に示すダクトの下流端に連結されつる。前述のよ
うに、ダクト42の半径方向外側部分44に入る空気流
は高度に汚染された空気の第3流である。ひとたび流れ
をこのように分けると、送風機48とそのインペラ羽根
56が、高度に汚染された空気流を受けないように送風
vs4Bをダクト42の半径方向内側部分に設けること
は比較的簡単なことである。これは送風機のインペラ羽
根を保護してそして送風機の寿命を長くする。
第4図はスフ[I−ル構造体32の代替具体例を示す。
この代替例は、2つの互いに逆の遠心方向にスクロール
構造体の内部を通る2h向空気流または分割空気流をも
たらす。スクロール構造体32を通る空気の流れを分割
することによって圧力損失が低下すると言うことができ
、従って、掃気装置28を動作させるために送風機が必
要とする動力量を減らしうる。スクロール4F4造体3
2からの出口通路50を第4図に破線ぐ示ツ。この出口
′  50はスクロール構造体32の半径方面内側に比
較的接近して設けることができ、これにより、スクロー
ル構造体32の半径方向外側部分に集まる高度に汚染さ
れた空気流を回避する。前述のように、送風機は、比較
的少なく汚染された空気流を受けるように出口50の下
流のダクト内に装着されつる。
再び第2図を参照して、図示の入口粒子分離装置におけ
る流路の幾つかの独得な利点を説明する。
ハブ部18の外周が比較的大きく、特にハブ最大直径2
0の箇所でそうであるから、ハブは様々な機能のために
利用されつる非常に石川な空間を提供する。このような
機能の一つは、ハブ部18の内側を、エンジン軸と歯車
箱の形態で行いつるエンジンからの動力抽出の場所とし
て用いることである。多くの代表的なエンジン用途にお
いてエンジンの最前部のエンジン入口の近くでエンジン
による動力源を設けることは非常に望ましいことeある
また、分離部22における分離効率を大いに高める、図
示の入口粒子分離装置の実施例における空気流路の他の
利点は、分流突端部40とハブ18の最大直径20の箇
所との間の(半径方向ではなく)軸方向の位置関係であ
る。分流突端部40とハブ18の最大直径20の箇所と
の間の軸方向間隔は、第2図に符号52′c示した中心
抽気面積として記述されうる。中心抽気面積52は、入
口空気がコアエンジン流路38に入りさらにコアエンジ
ン自体に入るようにする分流突端部40の流れに直交す
る面積rある。
これに対し、ハブ最大直径20の位置における外側ケー
シング16とハブ部18との間の流路断面積は遷移流路
面積と呼びうるもので、第2図において符号54で表さ
れている。
中心抽気面積52と遷移流路面積54の比は分離部22
内での分離の促進に重要である。良好な分離特性は、分
流突端部40がハブ部18に対して次のような距離ずれ
ているとき、すなわち、両者間の流路面積である中心抽
気面積52がハブ最大外周(20)における遷移流路面
積54の50%にほぼ等しいかまたはそれより小さくな
るような距離ずれているときに得られるということがわ
かった。
中心抽気面積52は遷移流路面積54の50%よりかな
り小ざくすることができるが、こうすることは一般に、
良好な分離をもたらすが、十分な量の空気をコアエンジ
ン流路38に導入し得ないおそれがあることがわかった
以上、本発明の特定実施例を説明したが、もちろん、本
発明の範囲内で様々な改変が可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は入口粒子分離装置の部分破断斜視図、第2図は
第1図に示す入口粒子分離装置の一部分の断面図、第3
図は入口粒子分離装置用のスクロール構造体の断面図、
第4図は入口粒子分離装置用のスクロール構造体の代替
例を示す断面図、第5図は人口粒子分離装置用の掃気装
置のスクロール構造体の一部分とバイパス送風機の断1
面図である。 (主な符号の説明) 10・・・人口粒子分離装置、 12・・・環状入口、   14・・・入口通路部、1
8・・・ハ1部、    20・・・ハブ最大直径、2
2・・・分離部、     26・・・捕集室、28・
・・掩気装置、   30・・・スクロール羽根、32
・・・スクロール構造体、 40・・・分流突端部、  48・・・送風機。 特許出願人 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ代理人 (76
30)  生 沼 徳 二第1頁の続き 0発 明 者 ロパート・パトリック・タメオアメリカ
合衆国マサチュセツツ 州ピーボディ・マードック・ド ライブ25番 188−

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 最初にエンジン人口空気を比較的汚染された空
    気の第1流と比較的きれいな空気の第2流とに分ける第
    1粒子分離装置と、前記第1流または前記第2流のいず
    れかを分子illする第2分M装置とからなる入口粒子
    分離装置を有するガスタービンエンジン。
  2. (2) 最初にエンジン入口空気を比較的汚染された空
    気の第1流と比較的きれいな空気の第2流とに分ける軸
    流分離装置と、比較的汚染された空気の前記第1流を受
    入れる昂気装置と、前記第1空気流を高度に汚染された
    空気の第3流とそれよりも少なく汚染された空気の第4
    流とに分けるために前記掃気装置内に設けた遠心分離装
    置とからなる入口粒子分離装置を有するガスタービンエ
    ンジン。
  3. (3) 前記遠心分離装置が送風機によってパワーを与
    えられ、そして高度に汚染された空気の前記第3流は前
    記送風機をバイパスする、特許請求の範囲第(2)項記
    載のガスタービンエンジン。
  4. (4) 前記遠心分離装置内の比較的汚染された空気の
    前記第1流が2つの互いに逆向きの円周方向の分割流と
    してスクロール構造体を通って流れる、特許請求の範囲
    第(2)項記載のガスタービンエンジン。
  5. (5) エンジン入口空気を受入れる入口と、この入口
    の内側境界を形成するハブと、前記エンジン入口空気か
    ら異物粒子を分離する粒子分離装置とを有するガスター
    ビンエンジンであって、前記粒子分離装置には、前記ハ
    ブによって形成された内側境界を有していて、前記ハブ
    が前記人口から最大ハブ直径まで漸増するハブ直径を有
    するような入口通路と、前記ハブ直径が漸減する分離部
    と、エンジン入口空気を比較的汚染された空気の第1流
    と比較的きれいな空気の第2流とに分けるように前記分
    離部内に設けられた分流突端部とで構成されて、前記ハ
    ブ最大直径の位置が該分流突端部よりも半径方向外方に
    ある空気流路を゛備えているガスタービンエンジン。
  6. (6) 前記ハブ最大直径は前記分流突端部の直径の少
    なくとも10%だけ前記分流突端部の直径よりも大きい
    、特許請求の範囲第(5)項記載のガスタービンエンジ
    ン。
  7. (7) 前記エンジン入口と前記ハブ最大直径の位置と
    の間の前記ハブの直径がエンジン中心線に対して15%
    最大傾斜を有する、特許請求の範囲第(5)項記載のガ
    スタービンエンジン。
  8. (8) 前記入口粒子分離装置は入口通路部と分、li
    1部とに分けられており、前記分流突端部は前記ハブ最
    大直径、の位置における前記入口通路部内の流路面積の
    50%以下の流路面積を前記分流突端部と前記分離部内
    の前記ハブとの間に形成するように前記ハブに対して位
    置がずれている、特許請求の範囲第(5)項記載のガス
    タービンエンジン。
  9. (9) 前記ガスタービンエンジンから機械的動力を取
    出すために歯車箱が前記ハブ内に収納きれている、特許
    請求の範囲第(5)項記載のガスタービンエンジン。
  10. (10)  エンジン入口空気を受入れる入口と、この
    入口の内側境界を形成するハブと、前記エンジン入口空
    気から異物粒子を分離する粒子分離装置とを有するガス
    タービンであって、前記粒子分離装置は、前記ハブによ
    って形成された内側境界を有する入口通路を含み、この
    入口通路内では前記ハブが前記エンジン入口とハブ最大
    直径の位置との間で漸増するハブ直径を有しそしCエン
    ジン中心線に対し−U15%の最大傾斜を有しており、
    更に前記粒子分離装置は、前記ハブ内に収納した歯車箱
    と、前記ハブ直径が急減する分離部と、エンジン入口空
    気を比較的汚染された空気の第1流と比較的きれいな空
    気の第2流とに分けるように前記分離部内に設けられた
    分流突端部を含み、前記ハブが前記分流突端部の直径よ
    りも少なくとも10%大ぎい最′大直径を有しており、
    前記粒子分離装置が更に、比較的汚染された空気の前記
    第1流を受入れる掃気装置と、前記7第1流を高度に汚
    染された空気の第3流とそれよりも少なく汚染された空
    気の第4流とに分けるために前記帰気装眩内に設けた遠
    心分離装置と、高度に汚染された空気の前記第3流が当
    該送風機をバイパスするようにして前記遠心分離装置に
    パワーを与える送l虱機とを含んでいる、ガスタービン
    エンジン。
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