(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼形部（１０２）と根元（１０４）の間の境界にプラットフォーム（１１０）を有するタービンロータブレード（１００）におけるプラットフォーム冷却装置（１３０）であって、前記タービンロータブレード（１００）が前記根元（１０４）における冷却媒体源との接続部から少なくとも前記プラットフォーム（１１０）の半径方向高さまで延在する内部冷却通路（１１６）を備えており、作動中に前記内部冷却通路（１１６）が高圧冷却媒体領域及び低圧冷却媒体領域を含んでおり、前記プラットフォーム（１１０）がその内側表面に沿ってプラットフォーム下側面（１１４）を備えており、当該プラットフォーム冷却装置（１３０）が、
前記プラットフォーム下側面（１１４）から内側に間隔を置いて存在する第１のプレート（１３２）であって前記プラットフォーム下側面（１１４）との間に第１のプレナム（１３３）が形成されるように構成された第１のプレート（１３２）と、
前記第１のプレート（１３２）から内側に間隔を置いて存在する第２のプレート（１３８）であって前記第１のプレート（１３２）との間に第２のプレナム（１３９）が形成されるように構成された第２のプレート（１３８）と
を備えており、前記第２のプレナム（１３９）が、前記内部冷却通路（１１６）の高圧冷却媒体領域に接続された少なくとも１つの入口チャネル（１４１）を含み、前記第１のプレナム（１３３）が、前記内部冷却通路（１１６）の低圧冷却媒体領域に接続された少なくとも１つの出口チャネル（１４２）を含み、前記第１のプレート（１３２）が、複数のインピンジメントアパーチャ（１４０）を含んでいる、プラットフォーム冷却装置（１３０）。
【請求項２】
前記第１のプレート（１３２）と第２のプレート（１３８）とプラットフォーム（１１０）とが、非一体形に形成された構成要素を含んでおり、前記第１のプレート（１３２）及び第２のプレート（１３８）が、前記プラットフォーム（１１０）に取外し可能に連結される、請求項１記載のプラットフォーム冷却装置（１３０）。
【請求項３】
前記プラットフォーム（１１０）が平面形状を含み、前記内部冷却通路（１１６）が、蛇行内部冷却通路（１１６）を含み、使用中に、前記内部冷却通路（１１６）が、冷却媒体流れ方向を有するように構成され、前記冷却媒体流れ方向に対して、前記高圧冷却媒体領域が前記内部冷却通路（１１６）の上流部分を含みかつ前記低圧冷却媒体領域が前記内部冷却通路（１１６）の下流部分を含む、請求項１記載のプラットフォーム冷却装置（１３０）。
【請求項４】
前記プラットフォーム下側面（１１４）が、軸方向及び円周方向に延在する平面表面を含み、前記第１のプレート（１３２）が、一側面上に、所望のインピンジメント冷却特性に対応する所定の間隙を該第１のプレート（１３２）と前記プラットフォーム下側面（１１４）の間に維持するように構成された隆起部分（１４４）を備えた平面プレートを含み、前記第２のプレート（１３８）が、一側面上に、所望の第２のプレナム（１３９）高さ寸法に対応する所定の間隙を該第２のプレート（１３８）と前記第１のプレート（１３２）の間に維持するように構成された隆起部分（１４６）を備えた平面プレートを含み、前記第１のプレート（１３２）とプラットフォーム下側面（１１４）の間の所定の間隙が、該プラットフォーム下側面（１１４）の得られたインピンジメント冷却が所望の熱伝達特性を含む間隙に基づいており、前記第１のプレート（１３２）の隆起部分（１４４）が外側端縁部リップを含み、前記第１のプレート（１３２）の外側端縁部リップが該第１のプレート（１３２）の外周の周りで延在し、前記第１のプレート（１３２）の外側端縁部リップが前記プラットフォーム下側面（１１４）に対してシールを形成しかつそれによってその周辺部に沿って前記第１のプレナム（１３３）をシールするように構成され、前記第２のプレート（１３８）の隆起部分（１４６）が外側端縁部リップを含み、前記第２のプレート（１３８）の外側端縁部リップが該第２のプレート（１３８）の外周の周りで延在し、前記第２のプレート（１３８）の外側端縁部リップが、前記第１のプレート（１３２）に対してシールを形成しかつそれによってその周辺部に沿って前記第２のプレナム（１３９）をシールするように構成される、請求項１記載のプラットフォーム冷却装置（１３０）。
【請求項５】
前記インピンジメントアパーチャ（１４０）が、前記第１のプレート（１３２）の厚さを貫通して延在して、加圧冷却媒体の供給が前記第２のプレナム（１３９）内に導入された時に該インピンジメントアパーチャ（１４０）が該加圧冷却媒体をインピンジさせる細いアパーチャを含み、前記インピンジメントアパーチャ（１４０）が、それを通る冷却媒体の流れが前記プラットフォーム下側面（１１４）に対して集束される、請求項１記載のプラットフォーム冷却装置（１３０）。
【請求項６】
前記第１のプレート（１３２）がインピンジメントプレートを含み、前記第２のプレート（１３８）がクローズアウトプレートを含み、前記第１のプレナム（１３３）がインピンジメント後冷却媒体プレナムを含み、前記第２のプレナム（１３９）がインピンジメント前冷却媒体プレナムを含み、前記第１のプレナム（１３３）の出口チャネル（１４２）が、機械加工低圧コネクタ（１４２）を介して前記内部冷却通路（１１６）の低圧冷却媒体領域に接続され、該低圧コネクタ（１４２）を通して、作動中にインピンジメント後冷却媒体が、前記内部冷却通路（１１６）を通る冷却媒体の流れと再合流し、前記第２のプレナム（１３９）の入口チャネル（１４１）が、機械加工高圧コネクタ（１４１）を介して前記内部冷却通路（１１６）の高圧冷却媒体領域に接続され、該高圧コネクタ（１４１）を通して、作動中にインピンジメント前冷却媒体が、前記内部冷却通路（１１６）から抽出されかつ前記第２のプレナム（１３９）に供給され、前記第１のプレナム（１３３）及び第２のプレナム（１３９）が、それらを通って流れる前記冷却媒体のほぼ全てが前記内部冷却通路（１１６）に戻されるようにシールされる、請求項１記載のプラットフォーム冷却装置（１３０）。
【請求項７】
翼形部（１０２）と根元（１０４）の間の境界にプラットフォーム（１１０）を有するタービンロータブレード（１００）用のプラットフォーム冷却装置（１３０）の製造方法であって、前記タービンロータブレード（１００）が前記根元（１０４）における冷却媒体源との接続部から少なくとも前記プラットフォーム（１１０）の半径方向高さまで延在する内部冷却通路（１１６）を備えており、作動中に前記内部冷却通路（１１６）が高圧冷却媒体領域及び低圧冷却媒体領域を含んでおり、前記プラットフォーム（１１０）がその内側表面に沿ってプラットフォーム下側面（１１４）を備えており、当該方法が、
前記ロータブレード（１００）に対して第１のプレート（１３２）を、該第１のプレート（１３２）が前記プラットフォーム下側面（１１４）から内側に平行に間隔を置いて存在して該第１のプレート（１３２）とプラットフォーム下側面（１１４）の間に第１のプレナム（１３３）を形成するように取付けるステップと、
前記第１のプレート（１３２）に対して第２のプレート（１３８）を、該第２のプレート（１３８）が前記第１のプレート（１３２）から内側に平行に間隔を置いて存在して該第２のプレート（１３８）と第１のプレート（１３２）の間に第２のプレナム（１３９）を形成するように取付けるステップと
を含んでおり、前記第１のプレート（１３２）が、複数のインピンジメントアパーチャ（１４０）を含み、前記インピンジメントアパーチャ（１４０）が、前記第１のプレート（１３２）の厚さを貫通して延在して、加圧冷却媒体の供給が前記第２のプレナム（１３９）内に導入された時に該インピンジメントアパーチャ（１４０）が該加圧冷却媒体をインピンジさせて前記プラットフォーム（１１０）の下側面（１１４）に対して導かれる冷却媒体噴流を形成する細いアパーチャを含む、プラットフォーム冷却装置（１３０）の製造方法。
【請求項８】
前記第１のプレート（１３２）を取付ける前に、前記第１のプレナム（１３３）が形成されると前記内部冷却通路（１１６）の低圧冷却媒体領域を該第１のプレナム（１３３）に接続する所定の構成及び位置を有する低圧コネクタ（１４２）を機械加工するステップと、前記第２のプレート（１３８）を取付ける前に、前記第２のプレナム（１３９）が形成されると前記内部冷却通路（１１６）の高圧冷却媒体領域を該第２のプレナム（１３９）に接続する所定の構成及び位置を有する高圧コネクタ（１４１）を機械加工するステップとをさらに含む、請求項７記載のプラットフォーム冷却装置（１３０）の製造方法。
【請求項９】
前記第１のプレート（１３２）が、該第１のプレート（１３２）の外周の周りで切れ目ない状態で延在しかつほぼ一定である所定の高さを有する外側端縁部リップを含み、前記第２のプレート（１３８）が、該第２のプレート（１３８）の外周の周りで切れ目ない状態で延在しかつほぼ一定である所定の高さを有する外側端縁部リップを含み、当該方法が、前記第１のプレート（１３２）の外側端縁部リップ及び前記プラットフォーム下側面（１１４）の接触部に沿って前記第１のプレナム（１３３）をシールするステップと、
前記第２のプレート（１３８）の外側端縁部リップ及び前記第１のプレート（１３２）の接触部に沿って前記第２のプレナム（１３９）をシールするステップとをさらに含んでいて、前記第１のプレナム（１３３）及び第２のプレナム（１３９）をシールするステップが、前記高圧コネクタ（１４１）と低圧コネクタ（１４２）の間に閉回路を生じさせる、請求項８記載のプラットフォーム冷却装置（１３０）の製造方法。
【請求項１０】
輪郭において、前記第１のプレート（１３２）が、湾曲端縁部（１５４）及び直線端縁部（１５５）を含み、前記湾曲端縁部（１５４）が、前記翼形部（１０２）が前記プラットフォーム（１１０）に連結された箇所における該翼形部（１０２）の湾曲輪郭にその形状がほぼ一致しており、当該方法が、前記翼形部（１０２）の正圧側面（１０６）と一致した部位における前記プラットフォーム下側面（１１４）内に、前記第１のプレート（１３２）の輪郭と一致した輪郭形状を有する平坦なポケット（１３１）を機械加工するステップをさらに含んでいて、前記第１のプレート（１３２）が、該第１のプレート（１３２）が前記ポケット（１３１）内に存在するように前記プラットフォーム下側面（１１４）に取付けられる、請求項８記載のプラットフォーム冷却装置（１３０）の製造方法。
【請求項１１】
前記第２のプレート（１３８）が、前記第１のプレート（１３２）とほぼ同一の輪郭を有し、前記第２のプレート（１３８）が、前記第１のプレート（１３２）に対して、該第１のプレート（１３２）及び第２のプレート（１３８）の輪郭がほぼ整列するように取付けられる、請求項１０記載のプラットフォーム冷却装置（１３０）の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、本明細書で使用する場合にはかつ特にそうでないことを記載していない限り、総括的には発電及び航空機エンジンで使用するもののようなあらゆるタイプの燃焼タービンエンジンを含む燃焼タービンエンジンに関する。より具体的には、それに限定されないが、本出願は、タービンロータブレードのプラットフォーム領域を冷却するための装置、システム及び／又は方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは一般的に、圧縮機、燃焼器及びタービンを含む。圧縮機及びタービンは一般的に、段として軸方向に積重ねられた翼形部又はブレードの列を含む。各段は一般的に、固定された円周方向に間隔を置いて配置されたステータブレードの列と、中心軸線又はシャフトの周りで回転する円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードの組とを含む。作動中に圧縮機内のロータブレードは、シャフトの周りで回転して空気の流れを加圧する。加圧した空気は次に、燃焼器内で使用されて供給燃料を燃焼させる。燃焼過程により生じた高温ガスの流れは、タービンを通って膨張しかつロータブレードがそれらブレードを取付けたシャフトを回転させる。このようにして、燃料内に含有されたエネルギーが、回転シャフトの機械的エネルギーに変換され、この回転シャフトは例えば、発電機のコイルを回転させて発電するのに使用することができる。
【０００３】
図１及び図２を参照すると、タービンロータブレード１００は一般的に、翼形部分又は翼形部１０２及び根元部分又は根元１０４を含む。翼形部１０２は、凸面形負圧面１０５及び凹面形正圧面１０６を有するものとして記述することができる。翼形部１０２はさらに、前方端縁部である前縁１０７及び後方端縁部である後縁１０８を有するものとして記述することができる。根元１０４は、ブレード１００をロータシャフトに固定するための構造体（図示するように、一般的にはダブテール１０９を含む）と、それから翼形部１０２が延在するプラットフォーム１１０と、ダブテール１０９及びプラットフォーム１１０間の構造体を含むシャンク１１２とを有するものとして記述することができる。
【０００４】
図示するように、プラットフォーム１１０は、ほぼ平面とすることができる。より具体的には、プラットフォーム１１０は、平面上側面１１３を有することができ、この平面上側面１１３は、図１に示すように軸方向及び円周方向に延在する表面を備えることができる。図２に示すように、プラットフォーム１１０は、平面下側面１１４を有することができ、この平面下側面１１４もまた、軸方向及び円周方向に延在する表面を備えることができる。プラットフォーム１１０の上側面１１３及び底側面（下側面）１１４は、その各々が他方に対してほぼ平行になるように形成することができる。図示するように、プラットフォーム１１０は一般的に薄い半径方向輪郭を有し、つまり該プラットフォーム１１０の上側面１１３及び底側面１１４間に比較的短い半径方向距離が存在することは当業者には分かるであろう。
【０００５】
一般的にプラットフォーム１１０は、タービンブレード１００上で使用してガスタービンの高温ガス通路セクションの内側流路境界を形成する。プラットフォーム１１０はさらに、翼形部１０２に対して構造的支持を与える。作動中に、タービンの回転速度は、プラットフォーム１１０に沿って高応力領域を発生させる機械的負荷作用を含み、この高応力領域は、高温と組合さって最終的に酸化、クリープ、低サイクル疲労割れ及びその他のような作動上欠陥部の形成を引き起こす。言うまでもなく、これらの欠陥部は、ロータブレードの有効寿命に悪影響を与える。これらの過酷な作動条件、つまり高温ガス通路の極度の温度への露出及び回転ブレードに関連する機械的負荷作用は、良好に作動すると共に製造するのに費用効果がある耐久性がありかつ長持ちするロータブレードプラットフォーム１１０を設計する上での大きな課題を発生させることが分かるであろう。
【０００６】
プラットフォーム領域１１０をより耐久性があるようにする１つの一般的な解決法は、作動時に該プラットフォーム領域１１０を加圧空気又はその他の冷却媒体の流れで冷却することであり、種々のそれらのタイプのプラットフォーム設計が公知である。しかしながら、当業者には分かるように、プラットフォーム領域１１０は、このようにして冷却するのを困難にする一部の設計課題を提示する。可なりの部分において、このことは、説明するようにプラットフォーム１１０がロータブレードの中心コア部から離れて存在する周辺構成要素でありかつ一般的に構造的に健全であるが薄い半径方向厚さを有するように設計される点において、この領域の厄介なジオメトリに起因している。
【０００７】
冷却媒体を循環させるために、ロータブレード１００は一般的に、最低でも根元１０４及び翼形部１０２を貫通することを含むブレード１００のコア部を貫通して半径方向に延在する１つ又はそれ以上の中空冷却通路１１６（図３、図４及び図５参照）を含む。以下により詳細に説明するように、熱の交換を増大させるためにそのような冷却通路１１６は、ブレード１００の中心領域を通って曲がりくねった蛇行通路を有する状態で形成することができるが、その他の構成も実施可能である。作動中に、冷却媒体は、根元１０４の内寄り部分内に形成された１つ又はそれ以上の入口１１７を介して中心冷却通路に流入することができる。冷却媒体は、ブレード１００を通って循環しかつ翼形部上に形成された出口（図示せず）を通って並びに／或いは根元１０４内に形成された１つ又はそれ以上の出口（図示せず）を介して流出することができる。冷却媒体は、加圧することができ、例えば加圧空気、水と混合した加圧空気、蒸気及び同様のものを含むことができる。多くのケースでは、冷却媒体は、エンジンの圧縮機から送給された加圧空気であるが、その他の供給源も実施可能である。以下により詳細に説明するように、これらの冷却通路は一般的に、高圧冷却媒体領域及び低圧冷却媒体領域を含む。高圧冷却媒体領域は一般的に、より高い冷却媒体圧力を有する冷却通路の上流部分に対応し、一方、低圧冷却媒体領域は、比較的より低い冷却媒体圧力を有する下流部分に対応する。
【０００８】
幾つかのケースでは、冷却媒体は、冷却通路１１６から隣り合うロータブレード１００のシャンク１１２及びプラットフォーム１１０間に形成された空洞１１９内に導くことができる。そこから、冷却媒体を使用して、ブレードのプラットフォーム領域１１０を冷却することができ、その従来型の設計を図３に表している。このタイプの設計は一般的に、冷却通路１１６の１つから空気を取出しかつその空気を使用してシャンク１１２／プラットフォーム１１０間に形成された空洞１１９を加圧する。加圧されると、この空洞１１９は次に、プラットフォーム１１０を貫通して延在する冷却チャンネルに冷却媒体を供給する。プラットフォーム１１０を横断した後に、冷却空気は該プラットフォーム１１０の上側面１１３内に形成されたフィルム冷却孔を通して空洞から流出する。
【０００９】
しかしながら、このタイプの従来型の設計は、幾つかの欠点を有することが分かるであろう。第１に、冷却回路は２つの隣り合うロータブレード１００が組立てられた後にのみ形成されるので、冷却回路は、１つの部品内における内蔵型でない。このことにより、据付け及び据付け前流れテストが非常に困難かつ複雑なものになる。第２の欠点は、隣り合うロータブレード１００間に形成された空洞１１９の一体性が、該空洞の周囲を如何に上手にシールするかに依存していることである。不適切なシールにより、不十分なプラットフォーム冷却及び／又は冷却空気の浪費が生じる可能性がある。第３の欠点は、高温ガス通路ガスが空洞１１９又はプラットフォーム１１０自体内に吸込まれる可能性があるという固有のリスクである。これは、空洞１１９が作動中に十分高い圧力に維持されていない場合に発生する可能性がある。空洞１１９の圧力が高温ガス通路内の圧力以下に低下した場合には、高温ガスがシャンク空洞１１９又はプラットフォーム１１０自体内に吸込まれ、それにより、これら構成要素が高温ガス通路条件への露出に耐えるように設計されていない場合には、これら構成要素が損傷を受けることになる。
【００１０】
図４及び図５は、プラットフォーム冷却用の別のタイプの従来型の設計を示している。このケースでは、冷却回路は、図示するように、ロータブレード１００内に内蔵されかつシャンク空洞１１９を含まない。冷却空気がブレード１００のコア部を貫通して延在する冷却通路１１６の１つから取出されかつプラットフォーム１１０内に形成された冷却チャネル１２０（つまり、「プラットフォーム冷却チャネル１２０」）を通して後方に導かれる。幾つかの矢印で示すように、冷却空気は、プラットフォーム冷却チャネル１２０を通って流れかつプラットフォーム１１０の後方端縁部１２１内の出口を通して又は負圧側面端縁部に沿って配置された出口から流出する。（矩形プラットフォーム１１０の端縁部又は面を説明する又は言及する上で、それら端縁部又は面の各々は、翼形部１０２の負圧面１０５及び正圧面１０６に対するその位置に基づいて並びに／或いはブレード１００を据付けた場合にはエンジンの前方及び後方方向に基づいて描写することができることに注目されたい。従って、当業者には分かるように、プラットフォームは、図３及び図４に示すように、後方端縁部１２１、負圧側面端縁部１２２、前方端縁部１２４及び正圧側面端縁部１２６を含むことができる。加えて、負圧側面端縁部１２２及び正圧側面端縁部１２６はまた一般的に、「スラッシュ面」と呼ぶことができ、隣り合うロータブレード１００を据付けるとそれらの間に形成された狭い空洞は、「スラッシュ面空洞」と呼ぶことができる。）
図４及び図５の従来型の設計は、それらが組立て又は据付け状態における変動によって影響を受けない点において、図３の設計に勝る利点を有することが分かるであろう。しかしながら、この手の従来型の設計は、幾つかの限界又は欠点を有する。第１に、図示するように、翼形部１０２の各側面上には、単一の回路のみが設けられ、従ってプラットフォーム１１０内の異なる位置で使用される冷却空気の量の制御には限界があるという欠点が存在する。第２に、このタイプの従来型の設計は、一般的に限られたカバー範囲を有する。図５の蛇行通路は、図４に勝るカバー範囲に関する改良であるが、プラットフォーム１１０内には依然として非冷却状態のままになったデッド区域が存在する。第３に、複雑に形成したプラットフォーム冷却チャネル１２０でより良好なカバー範囲を得るために、特に冷却チャネルが形成するのに鋳造プロセスを必要とする形状を有する場合には、製造コストが劇的に増加する。第４に、これらの従来型の設計は一般的に、使用後であってかつ冷却媒体が完全に排出される前に冷却媒体を高温ガス通路内に放出し、このことは、エンジンの性能に悪影響を与える。第５に、この手の従来型の設計は一般的に、自由度が殆どない。つまり、チャネル１２０は、プラットフォーム１１０の一体形部分として形成されかつ作動条件が変化した時にそれらの機能及び構成を変更する機会が殆ど又は全く可能でない。加えて、これらのタイプの従来型の設計は、補修又は改造するのが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７，４１６，３９１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
その結果、従来型のプラットフォーム冷却設計は、１つ又はそれ以上の重要な区域に欠点がある。タービンロータブレードのプラットフォーム領域を効果的にかつ効率的に冷却すると同時に、構成するのに費用効果があり、適用に自由度がありかつ耐久性がある改良型の装置、システム及び方法に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
従って、本出願は、翼形部及び根元間の接合部にプラットフォームを有しかつ根元における冷却媒体源との接続部からプラットフォームの少なくともほぼ半径方向高さまで延在する内部冷却通路を備え、作動中に内部冷却通路が高圧冷却媒体領域及び低圧冷却媒体領域を備え、プラットフォームが内側表面に沿ってプラットフォーム下側面を備えたタービンロータブレードにおけるプラットフォーム冷却装置について記述する。本プラットフォーム冷却装置は、内側寄りにかつプラットフォーム下側面に間隔を置いた関係で存在しまた該プラットフォーム下側面との間に第１のプレナムが形成されるように構成された第１のプレートと、内側寄りにかつ第１のプレートに間隔を置いた関係で存在しまた該第１のプレートとの間に第２のプレナムが形成されるように構成された第２のプレートとを含むことができる。第２のプレナムは、内部冷却通路の高圧冷却媒体領域に接続された少なくとも１つの入口チャネルを含むことができる。第１のプレナムは、内部冷却通路の低圧冷却媒体領域に接続された少なくとも１つの出口チャネルを含むことができる。第１のプレートは、複数のインピンジメントアパーチャを含むことができる。
【００１４】
本出願はさらに、翼形部及び根元間の接合部にプラットフォームを有しかつ根元における冷却媒体源との接続部からプラットフォームの少なくともほぼ半径方向高さまで延在する内部冷却通路を備え、作動中に内部冷却通路が高圧冷却媒体領域及び低圧冷却媒体領域を備え、プラットフォームが内側表面に沿ってプラットフォーム下側面を備えたタービンロータブレード用のプラットフォーム冷却装置の製造方法について記述する。本方法は、ロータブレードに対して第１のプレートを、該第１のプレートが内側寄りに、ほぼ平行にかつプラットフォーム下側面に間隔を置いた関係で存在しまたそれによって該第１のプレート及びプラットフォーム下側面間に第１のプレナムを形成するように取付けるステップと、第１のプレートに対して第２のプレートを、該第２のプレートが内側寄りに、ほぼ平行にかつ該第１のプレートに間隔を置いた関係で存在しまたそれによって該第２のプレート及び第１のプレート間に第２のプレナムを形成するように取付けるステップとを含むことができる。第１のプレートは、複数のインピンジメントアパーチャを含むことができ、インピンジメントアパーチャは、第１のプレートの厚さを貫通して延在して、加圧冷却媒体の供給が第２のプレナム内に導入された時に該インピンジメントアパーチャが加圧冷却媒体をインピンジさせかつそれによってプラットフォームの下側面に対して導かれる冷却媒体噴流を形成する細いアパーチャを含む。
【００１５】
本出願のこれらの及びその他の特徴は、図面及び特許請求の範囲と関連させてなした好ましい実施形態の以下の詳細な説明を精査することにより明らかになるであろう。
【００１６】
本発明のこれらの及びその他の特徴は、添付図面と関連させてなした本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を注意深く検討することによって、一層完全に理解されかつ評価されることになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】その中で本発明の実施形態を使用することができる例示的なタービンロータブレードの斜視図。
【図２】その中で本発明の実施形態を使用することができるタービンロータブレードの下面図。
【図３】従来型の設計による冷却システムを有する隣り合うタービンロータブレードの断面図。
【図４】従来型の設計による内部冷却通路を備えたプラットフォームを有するタービンロータブレードの上面図。
【図５】別の従来型の設計による内部冷却通路を備えたプラットフォームを有するタービンロータブレードの上面図。
【図６】本出願の実施形態によるプラットフォーム冷却装置の断面側面図。
【図７】本出願の実施形態による第１のプレート及び第２のプレートの斜視図。
【図８】本出願の実施形態によるプラットフォーム冷却装置の断面上面図。
【図９】本出願の実施形態によるプラットフォーム冷却装置を形成する例示的な方法を示すフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
冷却媒体の内部循環により冷却されるタービンブレードは一般的に、根元から半径方向外向きにプラットフォーム領域を貫通してかつ翼形部内に延在する内部冷却通路１１６を含むことが分かるであろう。本発明の一部の実施形態は、従来型の冷却媒体通路と組合せて使用して、能動プラットフォーム冷却を強化又は可能にすることができ、共通の設計つまり曲がりくねった又は蛇行した構成を有する内部冷却通路１１６に関して本発明を説明することが分かるであろう。図６、図８及び図９に図示するように、蛇行通路は一般的に、冷却媒体の一方向流れを可能にするように構成されかつ冷却媒体及び周囲のロータブレード１００間の熱の交換を促進する特徴要素を含む。作動中に、一般的には圧縮機から抽気した加圧空気である加圧冷却媒体（本発明の実施形態では、蒸気のようなその他のタイプの冷却媒体もまた使用することができるが、）は、根元１０４を貫通して形成された接続部を通して内部冷却通路１１６に供給される。圧力により内部冷却通路１１６を通して冷却媒体が押し進められて、冷却媒体は、周囲の壁から対流により熱を移動させる。
【００１９】
冷却媒体が冷却通路１１６を通って移動すると、冷却媒体は圧力を喪失して、内部冷却通路１１６の上流部分内の冷却媒体が、下流部分内の冷却媒体よりも高い圧力を有することが分かるであろう。以下により詳細に説明するように、この圧力差を使用して、プラットフォーム内に形成された冷却通路にわたって又は該冷却通路を通して冷却媒体を押し進めることができる。本発明は異なる構成の内部冷却通路を有するロータブレード１００で使用することができ、蛇行形態を有する内部冷却通路に限定されるものではない。従って、本明細書で使用する場合に、「内部冷却通路」又は「冷却通路」と言う用語は、それを通って冷却媒体がロータブレード内を循環することができるあらゆる通路又は中空チャネルを含むことを意図している。本明細書で示すように、本発明の内部冷却通路１１６は、少なくともプラットフォーム１１０のほぼ半径方向高さまで延在し、比較的より高い冷却媒体圧力の少なくとも１つの領域（この領域は今後、「高圧の領域」と呼びかつ幾つかのケースでは蛇行通路内の上流セクションとすることができる。）と、比較的より低い冷却媒体圧力の少なくとも１つの領域（この領域は今後、「低圧の領域」と呼びかつ高圧の領域に対して蛇行通路内の下流セクションとすることができる。）
一般的に、従来型の内部冷却通路１１６の様々な設計は、ロータブレード１００内の特定の領域に対して能動冷却を行なうのに有効である。しかしながら、当業者には分かるように、プラットフォーム領域は、より困難な課題を提示している。この課題は、少なくともその一部は、プラットフォームの厄介なジオメトリ、つまりその狭い半径方向高さ並びに該プラットフォームがロータブレード１００のコア部又は主本体から丁度離れる状態に基因している。しかしながら、高温ガス通路の極度の温度への露出及び高い機械的負荷作用がある場合には、プラットフォームの冷却要求量は大きくなる。上記のように、従来型のプラットフォーム冷却設計は、それらがそのような領域の特定の課題に対処できないので有効でなく、それらの冷却媒体の使用が効率的でなくかつ／又は製作するのに費用がかかる。
【００２０】
再び図面を参照すると、図６〜図９は、本発明の例示的な実施形態の幾つかの図を示している。図６は、本出願の実施形態によるプラットフォーム冷却装置１３０の断面側面図を示しており、一方、図８は、そのプラットフォーム冷却装置１３０の断面上面図を示している。図７は、本出願の実施形態による第１のプレート１３２（「外側プレート」又は「インピンジメントプレート」と呼ぶことができる）及び第２のプレート１３８（「家側プレート」又は「クローズアウトプレート」と呼ぶことができる）の斜視図を示している。図示するように、プラットフォーム１１０は、ロータブレード１００の翼形部１０２及び根元１０４間の接合部に設置することができる。
【００２１】
プラットフォーム１１０は、該プラットフォーム１１０の内側表面に沿ってプラットフォーム下側面１１４を含むことができる。プラットフォームの上側面１１３と同様に、下側面１１４は、軸方向及び円周方向に延在する平面表面を含むことができる。（本明細書で使用する場合の「平面」と言うのは、その形状が大まかに又はほぼ平らであることを意味することに注目されたい。例えば、プラットフォームは、ロータブレードの半径方向位置におけるタービンの外周に対応する曲率を有する状態で僅かに湾曲しかつ凸面形の外側表面を有するように構成することができることは当業者には分かるであろう。本明細書で使用する場合に、このタイプのプラットフォーム形状は、曲率の半径がそのプラットフォームを平坦な外観にするのに十分なほど大きいので平面と見なす。）本出願の実施形態では、プラットフォーム下側面１１４内に、平坦なポケット１３１を設置することができる。平坦ポケット１３１は、それに限定されないが、機械加工、鋳造及び同様のもののような１つ又はそれ以上の製作法によって形成することができる。例えば、既存のロータブレードは、適切な平坦ポケット１３１が形成されるように機械加工することができる。本出願の実施形態では、平坦ポケット１３１は、ブレードの翼形部１０２の正圧側面とほぼ一致したプラットフォーム下側面１１４の領域上に設置することができる。本出願の別の実施形態では、平坦ポケット１３１は、本明細書に説明するように、プラットフォーム冷却装置を形成する少なくとも２つの積重ねプレートを受けるように構成することができる。
【００２２】
図６は、本出願の例示的な実施形態によるプラットフォーム冷却装置１３０の断面図を示している。プラットフォーム冷却装置１３０は、内側寄りにかつプラットフォーム下側面１１４に間隔を置いた関係で存在しまたそれによってプラットフォーム下側面１１４との間に第１のプレナム１３３を形成した第１の又はインピンジメントプレート１３２を含むことができる。第２の又はクローズアウトプレート１３８は、内側寄りにかつインピンジメントプレート１３２に間隔を置いた関係で存在しまたそれによってインピンジメントプレート１３２との間に第２のプレナム１３９を形成することができる。本出願の実施形態では、インピンジメントプレート１３２及び／又はクローズアウトプレート１３８は、ほぼ平面とすることができる。されに、インピンジメントプレート１３２及びクローズアウトプレート１３８は、翼形部１０２の正圧側面とほぼ一致したプラットフォーム下側面１１４の領域に設置することができる。
【００２３】
本出願の実施形態では、インピンジメントプレート１３２は、該インピンジメントプレート１３２の厚さを貫通して延在することができる複数のインピンジメントアパーチャ１４０を含む。インピンジメントアパーチャ１４０は、加圧冷却媒体の供給が第２のプレナム１３９内に導入された時に該インピンジメントアパーチャ１４０が該加圧冷却媒体をインピンジさせ、それによってプラットフォーム下側面１１４に衝突しかつ該プラットフォーム下側面１１４を冷却する冷却媒体噴流を形成するように構成することができる。インピンジメントアパーチャ１４０は、他の作動基準が存在する場合には、例えば冷却媒体のストリームが目標表面に衝突する速度を増大させるような所望の冷却媒体インピンジメント特性が得られるような所定の寸法の断面流れ面積を有することができる。一般的に、インピンジ流れが目標表面に対して導かれた場合には、得られた冷却媒体の高速ストリームの冷却作用が向上することが分かるであろう。インピンジメントアパーチャ１４０はさらに、他の作動基準が存在する場合には、所望の冷却媒体調量特性が得られるような所定の寸法の断面流れ面積を有することができる。本明細書で使用する場合に、「所望の調量特性」というのは、インピンジメントアパーチャ１４０を通る所望の冷却媒体の分配（又は、予期した冷却媒体の分配）を意味する。インピンジメントアパーチャ１４０は、プラットフォーム下側面１１４に対して冷却媒体の流れをほぼ集束させるように構成することができる。そのようなインピンジメント冷却によりプラットフォーム１１０の冷却を強化することができることが分かるであろう。本出願の実施形態では、インピンジメントアパーチャ１４０は、ほぼ円筒形形状のものとすることができる。しかしながら、それに限定されないが、立方形、角柱形及び同様のもののようなインピンジメントアパーチャ１４０のその他の形状もまた、実施可能である。その他の直径寸法もまた、実施可能である。さらに、インピンジメントアパーチャ１４０は、インピンジメントプレート１３２の表面に対してほぼ垂直に配向することができる。インピンジメントアパーチャ１４０はまた、本出願の技術的範囲から逸脱せずにインピンジメントプレート１３２の表面に対して斜めに配向することができる。
【００２４】
本出願の実施形態では、第２のプレナム１３９は、内部冷却通路１１６の高圧領域と流体連通した少なくとも１つの入口又は入口チャネル（高圧コネクタ１４１とも呼ぶことができる）を含むことができる。第１のプレナム１３３は、内部冷却通路１１６の低圧冷却媒体領域と流体連通した少なくとも１つの出口又は出口チャネル（低圧コネクタ１４２とも呼ぶことができる）を含むことができる。本出願の様々な実施形態では、高圧コネクタ１４１及び／又は低圧コネクタ１４２は、例えばそれに限定されないが、機械加工、鋳造及び同様のもののような１つ又はそれ以上の方法によって製作することができる。作動時に、内部冷却通路１１６の高圧冷却媒体領域を通って流れる冷却媒体は、高圧コネクタ１４１を介して第２のプレナム１３９に流入することができる。その後、冷却媒体は、インピンジメントアパーチャ１４０を通って流れかつプラットフォーム下側面１１４に対して衝突することによってプラットフォーム１１０のインピンジメント冷却を実質的に実行する。その後、冷却媒体は、第１のプレナム１３３から低圧コネクタ１４２を介して内部冷却通路１１６の低圧冷却媒体領域に流出することができる。上述したように、プラットフォーム冷却装置１３０の様々な構成要素間の前述の機能関係により第１のプレート１３２は、「インピンジメントプレート」又は「外側プレート」と呼ぶことができ、第２のプレート１３８は、「クローズアウトプレート」又は「内側プレート」と呼ぶことができる。さらに、第１のプレナム１３３及び第２のプレナム１３９は、それぞれインピンジメント後プレナム及びインピンジメント前冷却媒体プレナムと呼ぶことができる。
【００２５】
本出願の実施形態では、インピンジメントプレート１３２は、スペーサ又はスタンドオフとして機能し、それによって第１のプレナム１３３の半径方向高さを設定することができる隆起部分１４４を含むことができる。インピンジメントプレート１３２の隆起部分１４４は、該インピンジメントプレート１３２及びプラットフォーム下側面１１４間に所定の間隙が存在するようなほぼ一定高さのものとすることができる。所定の間隙により、第１のプレナム１３３の所望の構成を得ることができ、かつこの所定の間隙は、プラットフォーム下側面１１４のインピンジメント冷却が所望のインピンジメント冷却及び熱伝達特性を有する間隙に基づくことができる。本出願の別の実施形態では、インピンジメントプレート１３２の隆起部分１４４は、該インピンジメントプレート１３２の周囲の周りで延在する外側端縁部リップを形成することができる。インピンジメントプレート１３２の外側端縁部リップは、組立てると該外側端縁部リップがプラットフォーム下側面１１４に対するシールを形成するように構成することができる。外側端縁部リップは、その周辺部の周りで第１のプレナム１３３をシールしかつ該第１のプレナム１３３からの冷却媒体の漏洩をほぼ防止することができる。
【００２６】
本出願の実施形態では、クローズアウトプレート１３８もまた隆起部分１４６を含むことができる。クローズアウトプレート１３８の隆起部分１４６は、組立てるとインピンジメントプレート１３２及び該クローズアウトプレート１３８間に所定の又は所望の間隙が存在するようなほぼ一定の高さのものとすることができる。所定の間隙により、第２のプレナム１３９の所望の構成を得ることができる。本出願の別の実施形態では、クローズアウトプレート１３８の隆起部分１４６は、該クローズアウトプレート１３８の周囲の周りで延在する外側端縁部リップを含むことができる。クローズアウトプレート１３８の外側端縁部リップ又はリッジは、組立てると該外側端縁部リップ又はリッジがインピンジメントプレート１３２に対するシールを形成するように構成することができる。外側端縁部リップ又はリッジは、その周辺部の周りで第２のプレナム１３９をシールしかつ該第２のプレナム１３９からの冷却媒体の漏洩をほぼ防止することができる。さらに、第１のプレナム１３３及び第２のプレナム１３９をシールすることにより、入口チャネル１４１及び出口チャネル１４２間にほぼ閉回路が形成される。従って、第１のプレナム１３３及び第２のプレナムを通って流れる冷却媒体は、さらなる使用のために内部冷却通路１１６に戻ることができる。インピンジメントプレート１３２及びプラットフォーム下側面１１４間に並びに／或いはインピンジメントプレート１３２及びクローズアウトプレート１３８間に、例えばそれに限定されないが機械的ガスケット、化学的シール材及び同様のもののようなあらゆるその他のシール手段を設けることができることは、当業者には分かるであろう。
【００２７】
本出願の実施形態では、インピンジメントプレート１３２及びクローズアウトプレート１３８は、非一体形に形成された構成要素とすることができる。本出願の別の実施形態では、インピンジメントプレート１３２、クローズアウトプレート１３８及びプラットフォーム１１０は全て、非一体形に形成された構成要素とすることができる。本出願のさらに別の実施形態では、インピンジメントプレート１３２及びクローズアウトプレート１３８は、一体形に形成された構成要素とすることができ、かつこの一体形に形成された第１のプレート及び第２のプレートは、プラットフォーム１１０に対して非一体形形成要素とすることができる。本出願の様々な実施形態では、インピンジメントプレート１３２及び／又はクローズアウトプレート１３８は、例えばそれに限定されないが締まり嵌め、溶接、ロウ付け、接着及び同様のもののような１つ又はそれ以上の方法によってプラットフォーム１１０に固定取付けすることができる。しかしながら、プレート１３２、１３８は、ロータブレード１００のプラットフォーム１１０と一体形でないので、それら各々は、これらタイプの従来型の連結のいずれの場合にも取外し可能な状態に保持される（つまり、再使用、補修、調整、検査のために便利に取外すことができ並びに／或いは継続使用のために再取付けし又は別の同様の又は修正した構成要素と交換することができる）。
【００２８】
図示していないが、幾つかの実施形態では、第１及び第２のプレナム１３３、１３９を形成した外側壁を貫通してフィルム冷却アパーチャを設けることができる。これらのフィルム冷却アパーチャは、隣接するロータブレード１００のスラッシュ面によって形成された空洞内に冷却媒体を噴出するために使用することができる。
【００２９】
プラットフォーム冷却装置１３０は、第１及び第２のプレート１３２及び１３８の少なくとも１つとして既存のタービンロータブレード内に改造することができまたプラットフォーム１１０は、非一体形形成構成部品とすることができることは当業者には分かるであろう。さらに、プラットフォーム冷却装置１３０により、タービンロータブレードの既存の内部冷却通路１１６を利用して既存のブレード又は新規のブレード内で本発明の実施形態を使用する自由度を得ることができる。インピンジメントプレート１３２及びクローズアウトプレート１３８はまた、鋳造後変更により調整可能とすることができる。例えば、それに限定されないが、インピンジメントアパーチャ１４０の数、寸法及び構成、並びに第１及び第２のプレート１３２及び１３８の正確な輪郭のような様々なインピンジメントパラメータは、プラットフォーム１１０のインピンジメント冷却を最適にするように変更することができる。従って、プラットフォーム冷却装置１３０は、様々なタービンロータブレード構成及び／又は変化条件に合せて特注製造することができる。
【００３０】
プラットフォーム冷却装置１３０はまた、第１のプレート１３２及び第２のプレート１３８をタービンロータブレードの様々な構成要素とは別個に製造することができるので、費用効果がありかつ効率的な製造プロセスを伴うことができる。さらに、第１及び第２のプレート１３２及び１３８は、事前製作しかつその後現場で組立てることができる。
【００３１】
図７は、本出願の例示的な実施形態による第１のプレート１３２及び第２のプレート１３８の斜視図を示している。本出願の実施形態では、インピンジメントプレート１３２は、湾曲端縁部１５４及び直線端縁部１５５を含むことができる。本出願の別の実施形態では、湾曲端縁部１５４は、翼形部１０２の湾曲輪郭にその形状がほぼ一致したものとすることができる。本出願のさらに別の実施形態では、クローズアウトプレート１３８は、インピンジメントプレート１３２とほぼ同一の輪郭を有することができかつ湾曲端縁部１５８及び直線端縁部１５９を含むことができる。このことにより、クローズアウトプレート１３８をインピンジメントプレート１３２の下方にほぼ整列させて第２のプレナム１３９を形成するのを可能にすることができる。さらに、平坦ポケット１３１はまた、インピンジメントプレート１３２の輪郭とほぼ一致した輪郭形状を有することができる。
【００３２】
さらに図７に示すように、インピンジメントプレート１３２のインピンジメントアパーチャ１４０は、ほぼ多数列として配置することができる。インピンジメントアパーチャ１４０の列は、インピンジメントプレート１３２の直線端縁部１５５に対してほぼ垂直に又は斜めにすることができる。しかしながら、インピンジメントアパーチャ１４０は、本出願の技術的範囲から逸脱せずにあらゆるその他の構成として（例えば、互い違いに）配置することができる。本出願の実施形態では、インピンジメントプレート１３２は、中央隆起部分１６４を含むことができる。インピンジメントプレート１３２の中央隆起部分１６４は、第１のプレナム１３３をほぼ２つの領域に分割することによって、プラットフォーム１１０のインピンジメント冷却を向上させることができる。本出願の別の実施形態では、クローズアウトプレート１３８もまた中央隆起部分１６６を含むことができる。中央隆起部分１６６は、第２のプレナム１３９からインピンジメントアパーチャ１４０を通って流れる冷却媒体の流れを制御することができる。
【００３３】
図９は、本出願の実施形態による、プラットフォーム冷却装置１３０を製作する例示的な方法を示すフロー図２００を示している。フロー図２００は、ステップ２０２で開始することができ、ステップ２０２において、出口チャネル又は低圧コネクタ１４２を機械加工することができる。出口チャネル１４２は、第１のプレナム１３３が形成されると該出口チャネル１４２が内部冷却通路１１６の低圧冷却媒体領域を該第１のプレナム１３３に接続するような所定の構成及び位置を有することができる。その後、ステップ２０４において、入口チャネル又は高圧コネクタ１４１を機械加工することができる。入口チャネル１４１は、第２のプレナム１３９が形成されると該入口チャネル１４１が内部冷却通路１１６の高圧冷却媒体領域を該第２のプレナム１３９に接続するような所定の構成及び位置を有することができる。
【００３４】
ステップ２０６において、翼形部１０２の正圧側面とほぼ一致した部位においてプラットフォーム下側面１１４内に平坦ポケット１３１を機械加工することができる。さらに、平坦ポケット１３１は、翼形部の正圧側面の輪郭並びにインピンジメントプレート１３２及びクローズアウトプレート１３８の輪郭とほぼ一致した輪郭形状を有することができる。
【００３５】
ステップ２０７において、所望の仕様に従ってインピンジメントプレート１３２及びクローズアウトプレート１３８を製作することができる。
【００３６】
ステップ２０８において、インピンジメントプレート１３２は、該インピンジメントプレート１３２が内側寄りにかつプラットフォーム下側面１１４に間隔を置いた関係で存在し、それによってプラットフォーム下側面１１４との間に第１のプレナム１３３を形成するように該プラットフォーム下側面１１４に取付けることができる。さらに、インピンジメントプレート１３２は、該インピンジメントプレート１３２が平坦ポケット１３１内に存在するようにプラットフォーム下側面１１４に取付けることができる。その後、ステップ２１０において、プレート１３８は、該クローズアウトプレート１３８が内側寄りにかつインピンジメントプレート１３２に間隔を置いた関係で存在し、それによってインピンジメントプレート１３２との間に第２のプレナム１３９を形成するように該インピンジメントプレート１３２に取付けることができる。さらに、クローズアウトプレート１３８は、インピンジメントプレート１３２及び該クローズアウトプレート１３８の輪郭がほぼ整列するように該インピンジメントプレート１３２に取付けることができる。
【００３７】
ステップ２１２において、第１のプレナム１３３は、インピンジメントプレート１３２の外側端縁部リップ３１４及びプラットフォーム下側面１１４の接触部に沿ってシールすることができる。その後、ステップ２１４において、第２のプレナム１３９は、クローズアウトプレート１３８の外側端縁部リップ及びインピンジメントプレート１３２の接触部に沿ってシールすることができる。第１のプレナム１３３及び第２のプレナム１３９をシールするステップは、入口チャネル及び出口チャネル間にほぼ閉回路を生じさせることができる。
【００３８】
当業者には分かるように、幾つかの例示的な実施形態に関して上述した多くの様々な特徴及び構成は、本発明の他の実施可能な実施形態を形成するようにさらに選択的に適用することができる。簡潔にするためにまた当業者の能力を考慮して、実施可能な反復形態の全てを示し又は詳細に論じていないが、幾つかの特許請求項又はその他に包含される全ての組合せ及び実施可能な実施形態は、本出願の一部であることを意図している。加えて、本発明の幾つかの例示的な実施形態の上記の説明から、当業者は、その改良、変更及び修正に気付くであろう。当技術の範囲内のそのような改善、変更及び修正もまた、特許請求の範囲によって保護されることを意図している。さらに、上述の説明は本出願の記載した実施形態のみに関するものであること、並びに提出した特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本出願の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、本明細書において多くの変更及び修正を行なうことができることは明らかであろう。
【符号の説明】
【００３９】
１００  タービンロータブレード
１０２  翼形部
１０４  根元
１０５  負圧面
１０６  正圧面
１０７  前縁
１０８  後縁
１０９  ダブテール
１１０  プラットフォーム
１１２  シャンク
１１３  プラットフォーム上側面
１１４  プラットフォーム下側面
１１６  内部冷却通路
１１７  入口
１１９  空洞
１２０  プラットフォーム冷却チャネル
１２１  後方端縁部
１２２  負圧側面端縁部又はスラッシュ面
１２４  前方端縁部
１２６  正圧側面端縁部又はスラッシュ面
１３０  プラットフォーム冷却装置
１３１  平坦ポケット
１３２  第１のプレート（インピンジメントプレート）
１３３  第１のプレナム（外側プレナム又はインピンジメント後プレナム）
１３８  第２のプレート（クローズアウトプレート）
１３９  第２のプレナム（内側プレナム又はインピンジメント前プレナム）
１４０  インピンジメントアパーチャ
１４１  高圧コネクタ（入口チャネル）
１４２  低圧コネクタ（出口チャネル）
１４４  第１のプレートの隆起部分
１４６  第２のプレートの隆起部分
１５４  第１のプレートの湾曲端縁部
１５５  第１のプレートの直線端縁部
１５８  第２のプレートの湾曲端縁部
１５９  第２のプレートの直線端縁部
１６４  第１のプレートの中央隆起部分
１６６  第２のプレートの中央隆起部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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