KR20190142962A - 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐 - Google Patents

외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐 Download PDF

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Abstract

제안기술은 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진 외측에 장착된 구조물을 이용하여 배기노즐의 외부케이스를 전후방으로 이동하게 함으로써 배기노즐의 출구 노즐목 면적을 가변시킬 수 있는 가변배기노즐에 관한 발명이다.

Description

외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐{Plug type variable exhaust nozzle of external case driven}
제안기술은 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진 외측에 장착된 구조물을 이용하여 배기노즐의 외부케이스를 전후방으로 이동하게 함으로써 배기노즐의 출구 노즐목 면적을 가변시킬 수 있는 가변배기노즐에 관한 발명이다.
일반적으로, 항공기의 추진동력을 생성하는 제트엔진에서 최후방에 위치한 배기노즐은 연소실 내부에서 연료와 압축공기의 연소에 의해 생성된 고압/고속의 배기가스 에너지를 최종적인 추력으로 변환하는 역할을 한다.
이때, 제트엔진의 추력 및 터빈 후방의 배압조건은 배기노즐의 출구 노즐목 면적과 크게 연관된다. 항공기의 비행고도와 속도가 일정한 순항조건에서는 제트엔진의 요구 추력이 일정하기 때문에 배기노즐은 일정한 출구 노즐목 면적을 유지해도 무방하지만, 전투기와 같이 특수기동을 필요로 하는 가변적인 비행조건에서는 배기노즐의 출구 노즐목 면적을 조정함으로써 추력의 가변, 필요한 엔진 내부 압력 및 온도 조건을 생성하게 된다.
또한, 제트엔진을 개발하는 단계에서 배기노즐 출구 노즐목 면적을 조정함으로써 터빈 배압 조건을 달리하여 다양한 조건에서의 시험을 수월하게 수행할 수 있는데 이때, 배기노즐의 출구 노즐목 면적을 가변시킬 수 있는 배기노즐을 가변배기노즐이라 한다.
가변배기노즐은 노즐목 면적 가변구조에 따라 플랩 타입과 플러그 타입으로 구분한다. 플랩 타입의 가변배기노즐은 판형태의 구조물을 오므리거나 펴는 방식으로 배기노즐의 출구 면적을 조절한다. 플러그 타입의 가변배기노즐은 배기 노즐의 중심에 위치한 구조물과 외측 케이스 구조물 간의 간극을 조정함으로써 출구면적을 가변한다.
기존의 플러그 타입 가변배기노즐은 도 1에 도시된 바와 같이 배기 노즐의 중심에 위치한 구조물과 연결된 내부 기어를 작동시킴으로써 배기 노즐의 중심에 위치한 구조물을 전후방으로 이동시켜 배기 노즐의 중심에 위치한 구조물과 외측 케이스 구조물 간의 간극을 조절하는 방식으로 노즐목 면적을 가변하게 된다.
이러한 구조의 경우 노즐 내부에 볼스크류 혹은 리니어가이드 등을 장착하여 선형 움직임을 생성할 수 있어야 하고, 도 2에 도시된 바와 같이 구동력을 제공하기 위한 구동기를 엔진 내부 전방에 배치하거나 외측 케이스 구조물의 스트럿 내부를 통해 구동력을 외측에서 끌어올 수 있는 장치를 필요로 한다.
또한, 배기노즐의 전후방 움직임을 생성하는 기어를 추가로 구성하여야 하고, 수직구조의 스트럿을 배기노즐 주유로에 구성하여야 하기 때문에 노즐 내부 구조가 복잡하며, 주유로 내부 배기가스의 유동을 방해하여 공력 손실을 유발하게 된다.
또한, 엔진 및 노즐 내부에 기어 및 구동장치를 구성함에 있어 장착 공간에 제약에 있으며, 내부 온도 상승에 의한 구동시스템의 운용 제한이 발생하는 문제가 있다.
일본 공개특허 JP2018-508692
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 배기노즐의 출구 노즐목 면적을 가변시키기 위해 배기노즐의 외부케이스를 전후방으로 이동시키는 구조물을 엔진의 외측에 장착함으로써 엔진 내부 주유로에 영향을 주지 않으며, 공간의 제약 없이 구조물을 장착시키는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐에 있어서,
엔진 내부의 주유로를 형성하며, 길이방향 중심축이 엔진의 중심축과 동축인 내부본체;
내부본체의 외측을 감싸며, 내부본체의 전방 및 후방을 향하여 이동하는 외부케이스;
엔진의 외측에 장착되어 외부케이스를 이동시키는 구동기;를 포함하며,
외부케이스의 이동에 의해 외부케이스와 내부본체 사이의 간극이 조절되면서 노즐목 면적이 가변되는 것을 특징으로 한다.
외부케이스는,
엔진의 중심축과 평행하게 장착되는 전단부;
전단부의 후단으로부터 일정 길이 연장되며, 엔진의 중심축을 향하여 일정 각도 경사지게 형성되는 후단부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구동기의 전단은 엔진에 고정되고, 후단은 외부케이스의 전단부에 연결되는 것을 특징으로 한다.
구동기는 전후단 방향으로 인장 또는 수축되는 것을 특징으로 한다.
구동기의 인장에 의해 외부케이스는 후단을 향하여 이동하는 것을 특징으로 한다.
구동기의 수축에 의해 외부케이스는 전단을 향하여 이동하는 것을 특징으로 한다.
구동기가 완전히 인장된 상태일 때, 외부케이스의 후단부와 내부본체의 첨점부 사이의 간극은 최대인 것을 특징으로 한다.
구동기가 완전히 수축된 상태일 때, 외부케이스의 후단부와 내부본체의 첨점부 사이의 간극은 최소인 것을 특징으로 한다.
내부본체는,
엔진 내부의 주유로를 형성하는 직선부;
직선부의 후단으로부터 연장되며, 직선부의 직경보다 큰 직경으로 형성되어 외부케이스의 후단부와 노즐목을 형성하는 첨점부;
첨점부의 후단으로부터 연장되며, 후단으로 갈수록 단면적이 점차 줄어드는 원뿔 형상으로 형성되는 경사부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
경사부의 경사 각도는 외측케이스의 후단부 경사 각도보다 큰 것을 특징으로 한다.
엔진의 외측에는 구동기의 자유도를 구속하는 케이스 가이드가 장착되는 것을 특징으로 한다.
케이스 가이드는,
엔진의 외주면에 형성되며, 엔진의 길이방향으로 일정 길이 형성되는 가이드슬롯;
후단이 외부케이스의 전단부에 고정되는 가이드부;
가이드부의 하측에 장착되며, 가이드슬롯을 따라 이동하는 가이드롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
외부케이스의 이동 시 가이드롤러는 가이드슬롯을 따라 이동하는 것을 특징으로 한다.
케이스 가이드는 외부케이스의 이동방향과 동일한 방향으로 이동하는 것을 특징으로 한다.
구동기는 엔진의 둘레 방향으로 서로 일정 각도 이격되어 복수 개 장착되는 것을 특징으로 한다.
케이스 가이드는 엔진의 둘레 방향으로 서로 일정 각도 이격되어 복수 개 장착되는 것을 특징으로 한다.
케이스 가이드는 어느 하나의 구동기와 다른 하나의 구동기 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 배기노즐의 출구 노즐목 면적을 가변시키기 위해 배기노즐의 외부케이스를 전후방으로 이동시키는 구조물을 엔진의 외측에 장착함으로써 엔진 내부 주유로에 영향을 주지 않으며, 공간의 제약 없이 구조물을 장착시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 배기노즐 외부케이스를 이동시키는 구조물을 엔진의 외측에 장착함으로써 배기노즐 외부케이스의 장착 및 탈착이 용이하기 때문에 다양한 조건의 모사가 필요한 개발 엔진 시험 시 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 일반적인 플러그 타입의 가변배기노즐.
도 2는 도 1의 엔진 내측 상세도.
도 3은 본 발명에 따른 플러그 타입의 가변배기노즐.
도 4는 본 발명에 따른 외부 장착형 구동기.
도 5는 본 발명에 따른 내부 본체.
도 6은 본 발명에 따른 케이스 가이드.
도 7은 본 발명에 따른 가변배기노즐의 정면도.
도 8은 본 발명에 따른 가변배기노즐의 측면도.
도 9는 본 발명에 따른 외부케이스의 이동에 의한 배기노즐 출구 노즐목 면적 가변 예시도.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진 외측에 장착된 구조물을 이용하여 배기노즐의 외부케이스를 전후방으로 이동하게 함으로써 배기노즐의 출구 노즐목 면적을 가변시킬 수 있는 가변배기노즐에 관한 발명이다.
도 3에는 본 발명에 따른 플러그 타입의 가변배기노즐이 도시되어 있다.
노즐목의 단면적을 조절하기 위한 본 발명의 가변배기노즐은, 엔진(2) 내부의 주유로를 형성하며 길이방향 중심축이 엔진(2)의 중심축과 동축인 내부본체(4)와, 상기 내부본체(4)의 외측을 감싸며 상기 내부본체(4)의 전방 및 후방을 향하여 이동하는 외부케이스(12)와, 상기 엔진(2)의 외측에 장착되어 상기 외부케이스(12)를 이동시키는 구동기(18)를 포함하여 구성된다.
상기 외부케이스(12)는, 엔진(2)의 중심축과 평행하게 장착되는 전단부(14)와, 상기 전단부(14)의 후단으로부터 일정 길이 연장되며 상기 엔진(2)의 중심축을 향하여 일정 각도 경사지게 형성되는 후단부(16)를 포함하여 구성된다.
도 4에는 본 발명에 따른 외부 장착형 구동기가 도시되어 있다.
상기 외부케이스(12)를 이동시키기 위한 상기 구동기(18)는 상기 엔진(2)의 둘레 방향으로 서로 일정 각도 이격되어 복수 개 장착되는 것으로, 전단이 상기 엔진(2)에 고정되고, 후단이 상기 외부케이스(12)의 전단부(14)에 연결된다.
상기 구동기(18)는 실린더 및 피스톤 형태로 형성되어 전후단 방향으로 인장 또는 수축되는 것으로, 상기 구동기(18)의 인장에 의해 상기 외부케이스(12)는 후단을 향하여 이동하게 되고, 상기 구동기(18)의 수축에 의해 상기 외부케이스(12)는 전단을 향하여 이동하게 된다.
상기 구동기(18)의 인장 또는 수축 시 상기 구동기(18)의 전단은 상기 엔진(2)에 고정되어 위치 이동이 이루어지지 않으며, 상기 구동기(18) 후단의 위치가 이동하면서 상기 구동기(18)와 연결된 상기 외부케이스(12)의 위치를 이동시키게 된다.
상기 구동기(18)가 상기 엔진(2)의 둘레 방향으로 서로 일정 각도 이격되어 복수 개 장착되는 경우 상기 외부케이스(12)의 자중에 의한 처짐량을 최소화할 수 있으며, 배기노즐에 인가되는 하중을 분산하여 지탱할 수 있기 때문에 구동기(18)의 소형화가 가능하다.
상기 구동기(18)의 인장 및 수축은 어떠한 방법에 의해서도 이루어질 수 있지만 바람직하게는 전기 구동식, 유압 구동식, 공압 구동식 수동식 등의 구동방법에 의해 이루어질 수 있다.
상기 구동기(18)를 작동시키기 위한 전기 장치 등 또한 상기 엔진(2)의 외부에 장착된다.
도 5에는 본 발명에 따른 내부 본체가 도시되어 있다.
상기 내부본체(4)는, 엔진(2) 내부의 주유로를 형성하는 직선부(6)와, 상기 직선부(6)의 후단으로부터 연장되며 상기 직선부(6)의 직경보다 큰 직경으로 형성되어 상기 외부케이스(12)의 후단부(16)와 노즐목을 형성하는 첨점부(8)와, 상기 첨점부(8)의 후단으로부터 연장되며 후단으로 갈수록 단면적이 점차 줄어드는 원뿔 형상으로 형성되는 경사부(10)를 포함하여 구성된다.
상기 직선부(6)의 축방향 길이는 배기가스의 유동 특성을 고려하여 결정하게 되고, 상기 첨점부(8)는 상기 내부본체(4) 중 상기 외부케이스(12)와 가장 가까이 위치하도록 하되 유동의 박리를 최소화하기 위해 곡선형상의 단면을 갖도록 형성된다.
또한, 상기 경사부(10)는 상기 첨점부(8) 이후 배기가스의 유동을 가이드하고 유동박리를 최소화하기 위한 것으로, 상기 외부케이스(12)가 전후방으로 이동하는 과정에서 상기 첨점부(8) 근처에서 노즐목 출구가 형성되도록 하기 위해 상기 경사부(10)의 경사 각도를 상기 외부케이스(12)의 후단부(16) 경사 각도보다 크게 구성해야 한다.
상기 내부본체(4)는 상기 직선부(6), 첨점부(8) 및 경사부(10)가 일체형이 되도록 하나의 파트로 구성할 수도 있으며, 제작 및 조립 용이성에 따라 상기 직선부(6), 첨점부(8) 및 경사부(10)를 각각의 파트로 제작한 후 조립할 수도 있다.
도 6에는 본 발명에 따른 케이스 가이드가 도시되어 있다.
상기 엔진(2)의 외측에는 상기 구동기(18)가 전방 및 후방 이동만이 가능하도록 상기 구동기(18)의 자유도를 구속하는 케이스 가이드(20)가 장착된다.
상기 케이스 가이드(20)는, 엔진(2)의 외부면에 형성되며 상기 엔진(2)의 길이방향으로 일정 길이 형성되는 가이드슬롯(22)과, 후단이 상기 외부케이스(12)의 전단부(14)에 고정되는 가이드부(24)와, 상기 가이드부(24)의 하측에 장착되며 상기 가이드슬롯(22)을 따라 이동하는 가이드롤러(26)를 포함하여 구성된다.
상기 케이스 가이드(20)는 상기 외부케이스(12)의 이동방향과 동일한 방향으로 이동하게 되는 것으로, 상기 외부케이스(12)의 이동 시 상기 가이드롤러(26)는 상기 가이드슬롯(22)을 따라 이동하면서 상기 가이드부(24)를 이동시키게 된다.
도 7에는 본 발명에 따른 가변배기노즐의 정면도가 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명에 따른 가변배기노즐의 측면도가 도시되어 있다.
상기 케이스 가이드(20)는 복수 개 설치될 수 있으며, 상기 케이스 가이드(20)가 복수 개 설치될 때 상기 케이스 가이드(20)는 상기 엔진(2)의 둘레 방향으로 서로 일정 각도 이격되어 장착된다.
상기 케이스 가이드(20)는 상기 구동기(18)의 설치 개수에 따라 설치 개수가 변경될 수 있으며, 어느 하나의 구동기(18)와 다른 하나의 구동기(18) 사이에 위치하게 된다.
상기 구동기(18)의 자유도를 구속시키는 것을 목적으로 하기 때문에 상기 케이스 가이드(20)가 어느 하나의 구동기(18)와 다른 하나의 구동기(18) 사이에 위치할 때, 상기 케이스 가이드(20)와 상기 어느 하나의 구동기(18) 사이의 각도는 상기 케이스 가이드(20)와 상기 다른 하나의 구동기(18) 사이의 각도와 동일해야 한다.
도 9에는 본 발명에 따른 외부케이스의 이동에 의한 배기노즐 출구 노즐목 면적 가변 예시도가 도시되어 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 가변배기노즐은 상기 구동기(18)의 인장 및 수축에 의해 상기 외부케이스(12)가 이동하면서 상기 외부케이스(12)의 후단부(16)와 상기 내부본체(4)의 첨점부(8) 사이의 간극이 조절되어 노즐목 면적을 가변시킬 수 있게 된다.
즉, 상기 구동기(18)가 완전히 인장된 상태일 때, 상기 외부케이스(12)는 최후방에 위치하게 되고 상기 외부케이스(12)의 후단부(16)와 상기 내부본체(4)의 첨점부(8) 사이의 간극은 최대가 되어 최대 노즐목 면적(노즐목2)을 구현할 수 있으며, 상기 구동기(18)가 완전히 수축된 상태일 때, 상기 외부케이스(12)는 최전방에 위치하게 되고 상기 외부케이스(12)의 후단부(16)와 상기 내부본체(4)의 첨점부(8) 사이의 간극은 최소가 되어 최소 노즐목 면적(노즐목1)을 구현할 수 있는 것으로, 상기 구동기(18) 후단의 전후방향 이동 거리를 조절하여 상기 외부케이스(12)의 후단부(16)와 상기 첨점부(8) 사이의 간극을 조절함으로써 노즐목 면적을 가변시킬 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
2 : 엔진
4 : 내부본체
6 : 직선부
8 : 첨점부
10 : 경사부
12 : 외부케이스
14 : 전단부
16 : 후단부
18 : 구동기
20 : 케이스 가이드
22 : 가이드슬롯
24 : 가이드부
26 : 가이드롤러

Claims (17)

  1. 노즐목의 단면적을 조절하는 가변배기노즐에 있어서,
    엔진 내부의 주유로를 형성하며, 길이방향 중심축이 엔진의 중심축과 동축인 내부본체;
    상기 내부본체의 외측을 감싸며, 상기 내부본체의 전방 및 후방을 향하여 이동하는 외부케이스;
    상기 엔진의 외측에 장착되어 상기 외부케이스를 이동시키는 구동기;를 포함하며,
    상기 외부케이스의 이동에 의해 상기 외부케이스와 상기 내부본체 사이의 간극이 조절되면서 노즐목 면적이 가변되는 것
    을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부케이스는,
    엔진의 중심축과 평행하게 장착되는 전단부;
    상기 전단부의 후단으로부터 일정 길이 연장되며, 엔진의 중심축을 향하여 일정 각도 경사지게 형성되는 후단부;를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구동기의 전단은 상기 엔진에 고정되고, 후단은 상기 외부케이스의 전단부에 연결되는 것을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동기는 전후단 방향으로 인장 또는 수축되는 것을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 구동기의 인장에 의해 상기 외부케이스는 후단을 향하여 이동하는 것을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 구동기의 수축에 의해 상기 외부케이스는 전단을 향하여 이동하는 것을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 구동기가 완전히 인장된 상태일 때, 상기 외부케이스의 후단부와 상기 내부본체의 첨점부 사이의 간극은 최대인 것을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 구동기가 완전히 수축된 상태일 때, 상기 외부케이스의 후단부와 상기 내부본체의 첨점부 사이의 간극은 최소인 것을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 내부본체는,
    엔진 내부의 주유로를 형성하는 직선부;
    상기 직선부의 후단으로부터 연장되며, 상기 직선부의 직경보다 큰 직경으로 형성되어 상기 외부케이스의 후단부와 노즐목을 형성하는 첨점부;
    상기 첨점부의 후단으로부터 연장되며, 후단으로 갈수록 단면적이 점차 줄어드는 원뿔 형상으로 형성되는 경사부;를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 경사부의 경사 각도는 상기 외부케이스의 후단부 경사 각도보다 큰 것을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 엔진의 외측에는 상기 구동기의 자유도를 구속하는 케이스 가이드가 장착되는 것을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 케이스 가이드는,
    엔진의 외주면에 형성되며, 상기 엔진의 길이방향으로 일정 길이 형성되는 가이드슬롯;
    후단이 상기 외부케이스의 전단부에 고정되는 가이드부;
    상기 가이드부의 하측에 장착되며, 상기 가이드슬롯을 따라 이동하는 가이드롤러;를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 외부케이스의 이동 시 상기 가이드롤러는 상기 가이드슬롯을 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 케이스 가이드는 상기 외부케이스의 이동방향과 동일한 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 구동기는 상기 엔진의 둘레 방향으로 서로 일정 각도 이격되어 복수 개 장착되는 것을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 케이스 가이드는 상기 엔진의 둘레 방향으로 서로 일정 각도 이격되어 복수 개 장착되는 것을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 케이스 가이드는 어느 하나의 구동기와 다른 하나의 구동기 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 외부케이스 구동방식의 플러그 타입 가변배기노즐.
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