(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エーロフォイル（１０２）と翼根部（１０４）と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）のプラットフォーム冷却機構（１３０）であって、前記ロータブレード（１００）が、前記翼根部（１０４）の、冷却剤供給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、前記ロータブレード（１００）内に形成された内部冷却通路（１１６）を備え、作動中、前記内部冷却通路（１１６）が、少なくとも、高圧冷却剤領域と、低圧冷却剤領域とを備え、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面（１１４）を備えており、当該プラットフォーム冷却機構（１３０）が、
プレート上面（１３４）を備え、前記プレート上面（１３４）が前記プラットフォーム下面（１１４）に取外し可能に連結されているプレート（１３２）と、
前記プレート上面（１３４）に形成されたチャネル（１３３）であり、前記チャネル（１３３）が、上流端部（１３８）と、下流端部（１３９）とを備え、前記プレート上面（１３４）を貫通して開口し、それによって、前記プレート（１３２）を前記プラットフォーム（１１０）に取り付けると、前記プラットフォーム下面（１１４）がチャネルの天井（１４０）を構成するチャネル（１３３）と、
前記チャネル（１３３）の前記上流端部（１３８）を前記内部冷却通路（１１６）の前記高圧冷却剤領域に接続する高圧接続部（１４８）と、
前記チャネル（１３３）の前記下流端部（１３９）を前記内部冷却通路（１１６）の前記低圧冷却剤領域に接続する低圧接続部（１４９）と
を備えるプラットフォーム冷却機構（１３０）。
【請求項２】
前記プレート（１３２）および前記プラットフォーム（１１０）が、一体に形成されていない構成要素から成り、
前記プラットフォーム（１１０）が、平坦な上面と、平坦な下面とを備え、
前記内部冷却通路（１１６）が蛇行内部冷却通路を備え、
使用中、前記内部冷却通路（１１６）が冷却剤流れ方向を有するように構成され、前記冷却剤流れ方向に対して、前記高圧冷却剤領域が前記内部冷却通路（１１６）の上流部分を備え、前記低圧冷却剤領域が前記内部冷却通路（１１６）の下流部分を備える、
請求項１記載のプラットフォーム冷却機構（１３０）。
【請求項３】
前記プラットフォーム下面（１１４）が、軸方向および円周方向に延在する平坦な表面を備え、
前記プレート上面（１３４）が、軸方向および円周方向に延在する平坦な表面を備え、
前記プレート上面（１３４）に形成された前記チャネル（１３３）が、蛇行チャネルを備え、
前記エーロフォイル（１０２）が、圧力側（１０６）と、負圧側（１０５）とを備え、
圧力側スラッシュフェース（１２６）が、前記エーロフォイル（１０２）の前記圧力側に対応する前記プラットフォーム（１１０）の縁部を備え、
前記プレート（１３２）が、前記エーロフォイル（１０２）の前記圧力側に対応する前記プラットフォーム下面（１１４）の領域に配置され、
前記ロータブレード（１００）の前後方向に対して、前記チャネル（１３３）の前記上流端部（１３８）が前方位置を占め、前記チャネル（１３３）の前記下流端部（１３９）が後方位置を占める、
請求項１記載のプラットフォーム冷却機構（１３０）。
【請求項４】
外形において、前記プレート（１３２）が、湾曲縁部（１５１）と、直線縁部（１５２）とを備え、前記湾曲縁部（１５１）が、前記エーロフォイル（１０２）が前記プラットフォーム（１１０）に連結するところの前記エーロフォイル（１０２）の湾曲外形に形状でほぼ対応し、前記直線縁部（１５２）が、前記圧力側スラッシュフェース（１２６）の直線外形に形状でほぼ対応し、
前記プレート（１３２）の前記湾曲縁部（１５１）および前記直線縁部（１５２）の配置が、前記エーロフォイル（１０２）の湾曲外形および前記圧力側スラッシュフェース（１２６）の直線外形の配置に対して並置関係にあり、
前記チャネル（１３３）がスラッシュフェース部分（１５５）を備え、前記スラッシュフェース部分（１５５）が、前記プレート（１３２）の前記直線縁部（１５２）に近接して平行に存在する前記チャネル（１３３）の部分を備える、
請求項３記載のプラットフォーム冷却機構（１３０）。
【請求項５】
前記スラッシュフェース部分（１５５）の上流端部が前記チャネル（１３３）の前記上流端部（１３８）に近接して存在し、
前記スラッシュフェース部分（１５５）が、前記プレート（１３２）の前記直線縁部（１５２）に近接して平行に存在する長さが、スラッシュフェース部分のチャネル長さを構成し、
前記スラッシュフェース部分のチャネル長さが、前記圧力側スラッシュフェース（１２６）の長さの０．７５より長く、
前記スラッシュフェース部分（１５５）を過ぎると、前記チャネル（１３３）が、第１の折返し部（１５８）と、前記第１の折返し部（１５８）の下流に、前記プレート（１３２）の中央領域に存在する内部部分（１５９）とを備え、
前記内部部分（１５９）が、前記第１の折返し部（１５８）の直ぐ下流に直線部分と、前記直線部分の下流に第２の折返し部（１５８）とを備え、
前記第２の折返し部（１５８）が、前記チャネル（１３３）の前記下流端部（１３９）に近接して存在する、
請求項４記載のプラットフォーム冷却機構（１３０）。
【請求項６】
前記チャネル（１３３）の前記上流端部（１３８）が、チャネル幅が増加した上流プレナム（１３８）を備え、
前記チャネル（１３３）の前記下流端部（１３９）が、チャネル幅が増加した下流プレナム（１３９）を備え、
前記高圧接続部（１４８）が前記上流プレナムに接続され、前記低圧接続部（１４９）が前記下流プレナムに接続されている、
請求項５記載のプラットフォーム冷却機構（１３０）。
【請求項７】
前記プレート（１３２）が外側壁（１４４）を備え、前記外側壁（１４４）が、前記プレート（１３２）の外周を廻って切れ目なく延在する連続した壁を備え、
前記高圧接続部（１４８）が、前記プラットフォーム下面（１１４）に形成された第１の下面チャネル（１６１）を備え、前記第１の下面チャネル（１６１）が、前記プラットフォーム下面（１１４）を貫通して開口し、それによって、前記プレート（１３２）を前記プラットフォーム下面（１１４）に取り付けると、前記プレート上面（１３４）が、前記第１の下面チャネル（１６１）の少なくとも一部分に対して下面チャネルの床（１６２）を構成し、
前記低圧接続部（１４９）が、前記プラットフォーム下面（１１４）に形成された第２の下面チャネル（１６１）を備え、前記第２の下面チャネル（１６１）が、前記プラットフォーム下面（１１４）を貫通して開口し、それによって、前記プレート（１３２）を前記プラットフォーム（１１０）に取り付けると、前記プレート上面（１３４）が、前記第２の下面チャネル（１６１）の少なくとも一部分に対して下面チャネルの床（１６２）を構成する、
請求項１記載のプラットフォーム冷却機構（１３０）。
【請求項８】
前記第１の下面チャネル（１６１）の下流端部が、前記チャネル（１３３）の前記上流端部（１３８）と、軸方向および円周方向に、少なくとも部分的に重なり、ただし半径方向には互いにずれ、
前記第２の下面チャネル（１６１）の上流端部が、前記チャネル（１３３）の前記下流端部（１３９）と、軸方向および円周方向に、少なくとも部分的に重なり、ただし半径方向には互いにずれている、
請求項７記載のプラットフォーム冷却機構（１３０）。
【請求項９】
前記プレート（１３２）が外側壁（１４４）を備え、前記外側壁（１４４）が、該外側壁（１４４）を貫通して延在する、側壁入口（１６５）と、側壁出口（１６６）とを備え、
前記側壁入口（１６５）が、前記チャネル（１３３）の前記上流端部（１３８）を前記高圧接続部（１４８）に接続するように構成され、
前記側壁出口（１６６）が、前記チャネル（１３３）の前記下流端部（１３９）を前記低圧接続部（１４９）に接続するように構成されている、
請求項１記載のプラットフォーム冷却機構（１３０）。
【請求項１０】
エーロフォイル（１０２）と翼根部（１０４）と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）のプラットフォーム冷却機構（１３０）を生成する方法であって、前記ロータブレード（１００）が、前記翼根部（１０４）の、冷却剤供給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、前記ロータブレード（１００）内に形成された内部冷却通路（１１６）を備え、作動中、前記内部冷却通路（１１６）が、少なくとも、高圧冷却剤領域と、低圧冷却剤領域とを備え、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面（１１４）を備えており、当該方法が、
出口を前記内部冷却通路（１１６）の前記高圧冷却剤領域に接続する高圧接続部（１４８）を機械加工するステップであり、前記出口が、前記プラットフォーム（１１０）の内側の第１の所定の位置に配置される、ステップと、
入口を前記内部冷却通路（１１６）の前記低圧冷却剤領域に接続する低圧接続部（１４９）を機械加工するステップであり、前記入口が、前記プラットフォーム（１１０）の内側の第２の所定の位置に配置される、ステップと、
プレート（１３２）の上面（１３４）を前記プラットフォーム下面（１１４）に固定するステップであり、前記プレート（１３２）が、前記プレート上面（１３４）に形成され、上流端部（１３８）と、下流端部（１３９）とを備えるチャネル（１３３）を具備し、前記チャネル（１３３）が、前記プレート上面（１３４）を貫通して開口し、それによって、前記プレート（１３２）を前記プラットフォーム（１１０）に取り付けると、前記プラットフォーム下面（１１４）がチャネルの天井（１４０）を構成する、ステップと
を含み、
前記プレート（１３２）が、前記チャネル（１３３）の前記上流端部（１３８）が前記高圧接続部（１４８）の前記出口に接続され、前記チャネル（１３３）の前記下流端部（１３９）が前記低圧接続部（１４９）の前記入口に接続されるように構成され、
前記チャネル（１３３）が蛇行チャネルを備える、
プラットフォーム冷却機構（１３０）を生成する方法。
【請求項１１】
外形において、前記プレート（１３２）が、湾曲縁部（１５１）と、直線縁部（１５２）とを備え、前記湾曲縁部（１５１）が、前記エーロフォイル（１０２）が前記プラットフォーム（１１０）に連結するところの前記エーロフォイル（１０２）の湾曲外形に形状でほぼ一致し、
さらに、
前記エーロフォイル（１０２）の圧力側（１０６）にほぼ対応する位置の前記プラットフォーム下面（１１４）に平坦な天井部をもつ陥凹（１３１）を機械加工するステップであって、前記平坦な天井部をもつ陥凹（１３１）が、前記プレート（１３２）の外形に対応する外形形状を有する、ステップと、
作動中、前記チャネル（１３３）を通って流れる実質的に全ての冷却剤が、前記内部冷却通路（１１６）に戻るように前記チャネル（１３３）を封止するステップと
を含み、
前記プレート（１３２）が、前記平坦な天井部をもつ陥凹（１３１）内に収まるように、前記プラットフォーム下面（１１４）に取り付けられる、
請求項１０記載のプラットフォーム冷却機構（１３０）を生成する方法。
【請求項１２】
前記チャネル（１３３）がスラッシュフェース部分（１５５）を備え、前記スラッシュフェース部分（１５５）が、前記プレート（１３２）の前記直線縁部（１５２）に近接して平行に存在する前記チャネル（１３３）の部分を備え、前記スラッシュフェース部分（１５５）の上流端部が前記チャネル（１３３）の前記上流端部（１３８）に近接して存在する、請求項１１記載のプラットフォーム冷却機構（１３０）を生成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、一般に、燃焼タービンエンジンに関し、その燃焼タービンエンジンには、本明細書で用いられる限り、また別段特に言及されない限り、発電用および航空機用エンジンに使用されるような全てのタイプの燃焼タービンエンジンが含まれる。より具体的には、それに限定はされないが、本願は、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装置、システム、および／または方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、通常、圧縮機、燃焼器、およびタービンを備える。圧縮機およびタービンは、一般に、軸方向に段として積み重ねられた複数列のエーロフォイルまたはブレードを備える。各段は、通常、円周方向に離隔され、固定された一列のステータブレードと、円周方向に離隔され、中心軸またはシャフトの周りに回転する１組のロータブレードとを備える。作動中、圧縮機のロータブレードは、シャフトの周りに回転して、空気の流れを圧縮する。圧縮された空気は、次いで、燃焼器内で、供給された燃料を燃焼させるために使用される。燃焼プロセスから生じる高温ガスの流れは、タービンを通りながら膨張し、それによってロータブレードは、ロータブレードが取り付けられているシャフトを回転させる。このようにして、燃料に含まれているエネルギーが、回転するシャフトの機械的エネルギーに変換され、次いでそのエネルギーを、たとえば、発電機のコイルを回転させるのに使用し、発電することができる。
【０００３】
図１および２を参照すると、タービンロータブレード１００は、一般に、エーロフォイル部分またはエーロフォイル１０２と、翼根部分または翼根部１０４とを備える。エーロフォイル１０２は、凸状負圧面１０５と、凹状正圧面１０６とを有するものとして表すことができる。さらに、エーロフォイル１０２は、前方端である前縁１０７と、後方端である後縁１０８とを有するものとして表すことができる。翼根部１０４は、ブレード１００をロータシャフトに固定する構造体（その構造体は、図示のように、通常、ダブテール１０９を備える）と、エーロフォイル１０２がそこから延在するプラットフォーム１１０と、ダブテール１０９とプラットフォーム１１０との間の構造体を備えるシャンク１１２とを有するものとして表すことができる。
【０００４】
図示のように、プラットフォーム１１０は実質的に平坦であり得る。より具体的には、プラットフォーム１１０は平坦な上面１１３を有することがあり、平坦な上面１１３は、図１に示すように軸方向および円周方向に延在する平らな面を備え得る。図２に示すように、プラットフォーム１１０は平坦な下面１１４を有することがあり、平坦な下面１１４もまた、軸方向および円周方向に延在する平らな面を備え得る。プラットフォーム１１０の上面１１３および底面１１４は、互いに実質的に平行になるように形成することができる。図示のように、プラットフォーム１１０は、通常、薄い半径方向外形を有する、すなわち、プラットフォーム１１０の上面１１３と底面１１４との間の半径方向距離が比較的短いことが理解されよう。
【０００５】
一般に、プラットフォーム１１０は、タービンロータブレード１００上で、ガスタービンの高温ガス通路部の内側流路境界面を形成するために用いられる。プラットフォーム１１０は、さらに、エーロフォイル１０２を構造的に支持する。作動中、タービンの回転速度によって、プラットフォーム１１０に沿って高応力領域を生み出す機械的荷重が生じ、その高応力領域が高温と結び付くと、最終的に、酸化、クリープ、低周波疲労亀裂など、作動上の欠陥を形成する原因になる。これらの欠陥は、当然、ロータブレード１００の有効寿命に悪影響を与える。これらの厳しい作動条件、すなわち、高温ガス通路の過酷な温度への露出および回転するブレードに伴う機械的荷重は、十分に機能すると共に製造に関して費用効果的であり、高耐久性を有し長寿命なロータブレードプラットフォーム１１０を設計するときに大きな難問を生じることが理解されるであろう。
【０００６】
プラットフォーム領域１１０の耐久性をより向上する通常の一解決法は、作動中に圧縮空気の流れまたは他の冷却剤でプラットフォーム領域１１０を冷却することであり、このタイプの様々なプラットフォームの設計が知られている。しかし、当業者は理解するであろうが、プラットフォーム領域１１０は、この方式で冷却することを難しくするいくつかの設計上の問題を提起する。大きくは、これは、この領域の厄介な形状に起因し、すなわち、既述のように、プラットフォーム１１０が、ロータブレードの中心コアから離れて存在する周辺構成要素であり、通常、構造的に健全ではあるが薄い半径方向厚さを有するように設計されているためである。
【０００７】
冷却剤を循環させるために、ロータブレード１００は、通常、翼根部１０４およびエーロフォイル１０２を貫通することを含めて、少なくともブレード１００のコアを半径方向に貫通する１つまたは複数の中空の内部冷却通路１１６（図３、４、５、および７を参照）を備える。より詳細に以下に説明するように、熱交換を強化するために、その種内部冷却通路１１６は、他の構成も可能であるが、ブレード１００の中央領域を屈曲して通る蛇行経路を有するように形成することができる。作動中、冷却剤は、翼根部１０４の内径寄りの部分に形成された１つまたは複数の入口１１７を経由して中央内部冷却通路に流入することができる。冷却剤は、ブレード１００の中を循環し、エーロフォイルに形成された出口（図示せず）を通って、かつ／または翼根部１０４に形成された１つまたは複数の出口（図示せず）を経由して出て行くことができる。冷却剤は、加圧することができ、たとえば、加圧空気、水を混合した加圧空気、蒸気などを含み得る。多くの場合、冷却剤は、他の供給源も可能であるが、エンジンの圧縮機から分岐された圧縮空気である。より詳細に以下に説明されるが、これらの内部冷却通路は、通常、高圧冷却剤領域と、低圧冷却剤領域とを備える。高圧冷却剤領域は、通常、より高い冷却剤圧力を有する、内部冷却通路の上流部分に対応し、低圧冷却剤領域は、相対的に低い冷却剤圧力を有する下流部分に対応する。
【０００８】
場合によっては、冷却剤は、内部冷却通路１１６から、隣接するロータブレード１００同士のシャンク１１２およびプラットフォーム１１０の間に形成された空洞１１９の中に導かれることもある。そこから、冷却剤を、ブレードのプラットフォーム領域１１０を冷却するために使用することができ、その従来の設計が図３に示されている。このタイプの設計では、通常、内部冷却通路１１６の１つから空気を引き出し、その空気を、シャンク１１２／プラットフォーム１１０間に形成された空洞１１９を加圧するために使用する。加圧されれば、次いで、この空洞１１９が、プラットフォーム１１０を貫通して延在する冷却チャネルに冷却剤を供給する。プラットフォーム１１０を通り抜けた後、冷却空気は、プラットフォーム１１０の上面１１３に形成された膜冷却孔を通って空洞から出て行くことができる。
【０００９】
しかし、このタイプの従来の設計はいくつかの欠点を有することが理解されるであろう。第１に、隣接する２つのロータブレード１００が組み立てられた後にのみ冷却回路が形成されるので、冷却回路が、一部で自己充足的でないことである。これは、装着、および装着前の流れ検査に大幅な困難および複雑さを付加する。第２の欠点は、隣接するロータブレード１００間に形成される空洞１１９の完全性が、空洞１１９の周囲が如何に十分に封止されるかに依拠することである。不十分な封止は、不十分なプラットフォームの冷却、および／または冷却空気の浪費を生じ得る。第３の欠点は、高温ガス通路のガスが、空洞１１９またはプラットフォーム１１０自体の中に吸い込まれる可能性があるという本来的な危険性である。これは、空洞１１９が、作動中、十分に高い圧力に維持されていない場合に生じ得る。空洞１１９の圧力が、高温ガス通路内の圧力より低下した場合、高温ガスがシャンク空洞１１９、またはプラットフォーム１１０自体の中へ吸い込まれ、それによって、通常、これらの構成要素が、高温ガス通路条件への露出に耐えるようにそれらは設計されていないので、損傷を受ける。
【００１０】
図４および５は、プラットフォーム冷却の別のタイプの従来の設計を示す。この場合、冷却回路は、図示のように、ロータブレード１００の内部に包含され、シャンク空洞１１９は含まない。冷却空気は、ブレード１１０のコアを通って延在する内部冷却通路１１６の１つから引き出され、プラットフォーム１１０の内部に形成された冷却チャネル１２０（すなわち「プラットフォーム冷却チャネル１２０」）を通って後方に導かれる。複数の矢印によって示されるように、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、プラットフォーム１１０の後縁１２１の出口を通り、または負圧側縁部１２２に沿って配置された出口から出て行く。（矩形のプラットフォーム１１０の縁部または面を記述しまたはそれらに言及するとき、それぞれは、エーロフォイル１０２の負圧面１０５および正圧面１０６に対するその位置に基づき、かつ／または、ブレード１００が装着された後のエンジンの前方向および後方向に基づいて表されることに留意されたい。したがって、当業者は理解するであろうように、プラットフォームは、図４および５に示されるように、後縁１２１、負圧側縁部１２２、前縁１２４、および圧力側縁部１２６を備え得る。さらに、負圧側縁部１２２および圧力側縁部１２６はまた、通常「スラッシュフェース」と呼称され、隣接するロータブレード１００が装着されるとそれらの間に形成される細い空洞は、「スラッシュフェースキャビティ」と呼称されることもある。）
図４および５の従来の設計は、それらが組立または装着状態の変化によって影響を受けないという点で、図３の設計に勝る利点を有することが理解されるであろう。しかし、この特性をもつ従来の設計は、いくつかの制約または欠点を有する。第１に、図示のように、ただ１つだけの回路がエーロフォイル１０２のそれぞれの側に設けられ、したがって、プラットフォーム１１０の様々な位置に使用される冷却空気の量の制御が限定されるという欠点がある。第２に、このタイプの従来の設計は、一般に、適用範囲が限定されている。図５の蛇行経路は、適用範囲の点で図４より改善されているが、それでも、プラットフォーム１１０内に冷却されずに残る無効領域が存在する。第３に、複雑に形成されたプラットフォーム冷却チャネル１２０を用いてより良い適用範囲を達成するためには、特に、冷却チャネルの形状が、形成するのに鋳造工程を必要とする場合に、製造コストが劇的に増加する。第４に、これら従来の設計は、通常、冷却剤を、使用後、それを完全に利用し尽くす前に、高温ガス通路中に廃棄し、そのことが、エンジンの効率に悪影響を及ぼす。第５に、この特性をもつ従来の設計には、一般に、柔軟性が殆どない。すなわち、チャネル１２０は、プラットフォーム１１０の一体部分として形成され、作動条件が変化したとき、その機能または構成を変更できる機会は殆どないかまたは全くない。さらに、これらタイプの従来の設計は、修理または改修が困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７４１６３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
その結果、従来のプラットフォーム冷却設計は、１つまたは複数の重要な領域で不十分である。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かつ効率的に冷却し、一方さらに、製造に関し費用効果的で、用途に柔軟性があり、耐久性の高い改良された装置、システム、および方法が依然として求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
したがって、本願は、エーロフォイルと翼根部との境界にプラットフォームを有するタービンロータブレードのプラットフォーム冷却機構であって、ロータブレードが、翼根部の、冷却剤供給源との接続部から、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、ロータブレード内に形成された内部冷却通路を備え、作動中、内部冷却通路が、少なくとも、高圧冷却剤領域と、低圧冷却剤領域とを備え、プラットフォームが、内径寄りの面に沿ったプラットフォーム下面を備える、プラットフォーム冷却機構を提示する。そのプラットフォーム冷却機構は、プレート上面を備え、そのプレート上面がプラットフォーム下面に取外し可能に連結されているプレートと、プレート上面に形成されたチャネルであって、チャネルが、上流端部と、下流端部とを備え、プレート上面を貫通して開口し、それによって、プレートをプラットフォームに取り付けると、プラットフォーム下面がチャネルの天井を構成するチャネルと、チャネルの上流端部を内部冷却通路の高圧冷却剤領域に接続する高圧接続部と、チャネルの下流端部を内部冷却通路の低圧冷却剤領域に接続する低圧接続部とを備え得る。
【００１４】
本願は、エーロフォイルと翼根部との境界にプラットフォームを有するタービンロータブレードのプラットフォーム冷却機構を生成する方法であって、ロータブレードが、翼根部の、冷却剤供給源との接続部から、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、ロータブレード内に形成された内部冷却通路を備え、作動中、内部冷却通路が、少なくとも、高圧冷却剤領域と、低圧冷却剤領域とを備え、プラットフォームが、内径寄りの面に沿ったプラットフォーム下面を備える、プラットフォーム冷却機構を生成する方法をさらに提示する。その方法は、出口を内部冷却通路の高圧冷却剤領域に接続する高圧接続部を機械加工するステップであって、出口が、プラットフォームの内径寄りの第１の所定の位置に配置されるステップと、入口を内部冷却通路の低圧冷却剤領域に接続する低圧接続部を機械加工するステップであって、入口が、プラットフォームの内径寄りの第２の所定の位置に配置されるステップと、プレートの上面をプラットフォーム下面に固定するステップであって、プレートが、プレート上面に形成され、上流端部と、下流端部とを備えるチャネルを具備し、そのチャネルが、プレート上面を貫通して開口し、それによって、プレートをプラットフォームに取り付けると、プラットフォーム下面がチャネルの天井を構成するステップとを含み得、プレートが、チャネルの上流端部が高圧接続部の出口に接続され、チャネルの下流端部が低圧接続部の入口に接続されるように構成され、チャネルが蛇行チャネルを備える。
【００１５】
本願のこれらおよび他の特徴は、図面および添付特許請求の範囲と併せて、好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を検討することにより明らかになるであろう。
【００１６】
本発明のこれらおよび他の特徴は、添付図面と併せて、本発明の例示的実施形態のより詳細な以下の説明を慎重に考察することによって、より完全に理解し認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態を用いることができる例示的タービンロータブレードの透視図である。
【図２】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視図である。
【図３】従来の設計による冷却システムを有する隣接するタービンロータブレードの断面図である。
【図４】従来の設計による内部冷却通路をもつ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視図である。
【図５】別の従来の設計による内部冷却通路をもつ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視図である。
【図６】本願の実施形態による、タービンロータブレード、および蛇行冷却チャネルを有するプレートの透視図である。
【図７】本願の実施形態によるプラットフォーム冷却機構の上視断面図である。
【図８】本願の実施形態による、蛇行冷却チャネルを有するプレートの透視図である。
【図９】本願の実施形態を実行することができる、未修正の従来のプラットフォームの側視断面図である。
【図１０】本願の例示的プレートの実施形態を受け入れるために、どのようにプラットフォームが修正され得るかを示す、図９のプラットフォームの側視断面図である。
【図１１】本願の例示的実施形態による、図１０の修正されたプラットフォームに取り付けられ得たときのプレートを示す、図９のプラットフォームの側視断面図である。
【図１２】本願の代替実施形態による蛇行冷却チャネルを有するプレートの透視図である。
【図１３】本願の代替実施形態による、取り付けられ得たときの図１２のプレートを示す、プラットフォームの側視断面図である。
【図１４】本願の実施形態によるプラットフォーム冷却機構を生成する例示的方法の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
冷却剤が内部循環することによって冷却されるタービンブレードは、いくつかの従来の冷却設計に関連して上記で説明したように、通常、翼根部からプラットフォーム領域を通ってエーロフォイル内に、半径方向外向きに延在する内部冷却通路１１６を備えることが理解されるであろう。本発明のいくつかの実施形態は、効果的、積極的なプラットフォーム冷却を強化しまたは可能にするために、従来の冷却剤通路に併せて使用することができ、本発明が、通常の設計、すなわち、屈曲または蛇行構成を有する内部冷却通路１１６と関連して説明されることが理解されるであろう。図６、８、および９に示すように、蛇行通路は、通常、冷却剤を一方向に流すように構成され、冷却剤と周囲のロータブレード１００との熱交換を促進する機能を備える。作動中、加圧された冷却剤が、翼根部１０４を貫通して形成された接続部を通って内部冷却通路１１６へ供給され、その冷却剤は、通常、圧縮機から抽気された加圧空気（蒸気などの他のタイプの冷却剤もまた、本発明の実施形態で使用することができるが）である。その圧力が、冷却剤を内部冷却通路１１６を通して圧送し、冷却剤が周囲の壁から熱を対流伝達させる。
【００１９】
冷却剤が内部冷却通路１１６を通って移動すると、冷却剤は圧力を失い、内部冷却通路１１６の上流部分の冷却剤は、下流部分の冷却剤より高い圧力を有することが理解されるであろう。より詳細に以下に説明されるように、この圧力差が、プラットフォーム内に形成された内部冷却通路の両端間を、またはそれを通して、冷却剤を圧送するために使用され得る。本発明は、様々な構成の内側内部冷却通路を有するロータブレード１００に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ないことが理解されるであろう。したがって、本発明に使用される用語「内部冷却通路」は、冷却剤がロータブレード内をそれを通って循環することができるあらゆる通路または中空のチャネルを含むものとする。本明細書に示されるように、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、少なくとも１つの相対的に高い冷却剤圧力領域（それは、以降「高圧領域」と呼称され、ある場合には、蛇行通路内の上流部分であり得る）と、少なくとも１つの相対的に低い冷却剤圧力領域（それは、以降「低圧領域」と呼称され、高圧領域に対して、蛇行通路内の下流部分であり得る）とを備え得る。
【００２０】
一般に、従来の内側内部冷却通路１１６の様々な設計は、ロータブレード１００内のある領域に対し積極的な冷却を形成するには効果的である。しかし、当業者は理解するであろうように、プラットフォーム領域はより問題であることが分かっている。これは、少なくとも一部では、プラットフォームの厄介な形状、すなわち、その狭い半径方向高さ、および、それがロータブレード１００のコアまたは本体から若干離れている態様に起因する。しかし、高温ガス通路の過酷な温度、および高い機械的負荷にそれが曝されていることを考慮すると、プラットフォームの冷却の必要性は重要である。上記のように、従来のプラットフォーム冷却設計は、この領域に関する特定の問題を扱うことができないので効果的でなく、その冷却剤の利用法が非効率的であり、かつ／または製造に費用が掛かる。
【００２１】
次いで、図６〜１４を参照すると、本発明の例示的実施形態のいくつかの図が示されている。図６は、本発明の実施形態による、タービンロータブレード１００、および蛇行冷却チャネル１３３を有するプレート１３２の透視図を示す。図示のように、プレート１３２は、プラットフォーム１１０に取り付けることができる。より具体的には、プレート１３２は、プラットフォーム下面１１４に取り付けることができる。プラットフォーム１１０の上面１１３と同様に、プラットフォーム下面１１４は、軸方向および円周方向に延在する平坦な面を備え得る。（本明細書で使用される「平坦な」は、ほぼ、または実質的に平面形状であることを意味することに留意されたい。たとえば、プラットフォームは、僅かに湾曲し凸状の外径面を有するように構成することができ、その湾曲は、ロータブレードの半径方向位置でのタービンの円周に対応することを当業者は理解するであろう。その湾曲の半径は、プラットフォームに平らな外観を与えるほどに十分に大きいので、本明細書で使用される限り、このタイプのプラットフォーム形状は、平坦であると見なされる。）本願の実施形態では、平たい陥凹１３１をプラットフォーム下面１１４に配置することができ、そのことが図９〜１１に示されている。平たい陥凹１３１は、それに限定されないが、機械加工、鋳造など、１つまたは複数の製造方法によって形成することができる。たとえば、既存のロータブレードを、適切な平たい陥凹１３１が形成されるように機械加工することができる。本願の実施形態では、平たい陥凹１３１は、ブレード１００のエーロフォイル１０２の圧力側に実質的に対応するプラットフォーム下面１１４の領域に配置することができる。平たい陥凹１３１は、本発明によるプレート１３２を受け入れるように構成することができる。
【００２２】
図８および１２に示されるように、プレート１３２は、チャネル１３３が形成されている平坦な上面１３４を有する半径方向に薄い構造体を備え得る。平坦な上面１３４は、プラットフォーム下面１１４に装着されると、軸方向および円周方向に延在し得る。一実施形態では、チャネル１３３は、他の構成も可能であるが、蛇行または屈曲経路を備える。チャネル１３３は、図示のように、プレート１３２の表面に形成されており、すなわち、プレート１３２内に完全に包含されてはいない。したがって、チャネル１３３は、プレートの上面１３４を貫通して開口したままになっているものとして表すことができる。プレート１３２をプラットフォーム下面１１４に取り付けると、それにより、プラットフォーム下面１１４がチャネル１３３を封じ込めることが理解されるであろう。すなわち、プラットフォーム下面１１４は、２つの面が合体すると、チャネル１３３に対して天井１４０を形成することができる。
【００２３】
チャネル１３３は、上流端部１３８と、下流端部１３９とを有することができる。高圧接続部１４８が、チャネル１３３の上流端部１３８を内部冷却通路１１６の高圧冷却剤領域に接続することができる。低圧接続部１４９が、チャネル１３３の下流端部１３９を内部冷却通路１１６の低圧冷却剤領域に接続することができる。ロータブレード１００の前後方向に対して、チャネル１３３の上流端部１３８は相対的に前方位置を占め得、チャネル１３３の下流端部１３９は後方位置を占め得る。
【００２４】
既述のように、エーロフォイル１０２は、圧力側１０６および負圧側１０５を有するとして表すことができ、圧力側のスラッシュフェース１２６は、エーロフォイル１０２の圧力側１０６に対応するプラットフォーム縁部を構成し得る。一実施形態では、プレート１３２は、図７に示すように、エーロフォイルの圧力側に対応するプラットフォーム下面１１４の領域に配置される。さらに、図７、８、および１２に示されるように、外形では（すなわち、図７の視点からは）、プレート１３２は、湾曲縁部１５１と、直線縁部１５２とを備え得る。湾曲縁部１５１は、エーロフォイル１０２の圧力側１０６がプラットフォーム１１０に連結されるところのエーロフォイル１０２の湾曲外形に形状がほぼ対応し得ることが理解されるであろう。一方、直線縁部１５１は、圧力側スラッシュフェース１２６の直線外形に形状がほぼ対応し得る。より詳細には、いくつかの実施形態では、プレート１３２の湾曲縁部１５１および直線縁部１５２の配置は、エーロフォイル１０２の湾曲外形および圧力側スラッシュフェース１２６の直線外形の配置に対応する。
【００２５】
いくつかの実施形態では、チャネル１３３は、スラッシュフェース部分１５５を備えるように形成される。スラッシュフェース部分１５５は、プレート１３２の直線縁部１５２に近接して平行に存在するチャネルの部分を備え得る（したがって、装着されると、図７に示されるように、圧力側スラッシュフェース１２６に近接して位置する）。スラッシュフェース部分１５５の上流端部は、チャネル１３３の上流端部１３８に近接して存在し得る。スラッシュフェース部分１５５が、プレート１３２の直線縁部１５２に沿って延在する長さは、「スラッシュフェース部分のチャネル長さ」と呼ぶことができる。好ましい実施形態では、スラッシュフェース部分のチャネル長さは、スラッシュフェース１２６の長さの少なくとも０．５であり得る。より好ましくは、スラッシュフェース部分のチャネル長さは、スラッシュフェース１２６の長さの０．７５より長くなり得る。チャネルのこの部分をこのように配置することによって、いくつかの性能上の利点が提供されることが理解されるであろう。たとえば、スラッシュフェース部分１５５が、チャネル１３３の上流端部１３８近くに配置されているので、供給冷却剤はこの領域を最初に流れざるを得ず、それによって、この領域が、チャネル１３３の下流部分より低い温度を有する冷却剤を受けることになる。この領域は、最高作動温度をある程度受けるプラットフォーム領域であり、ロータブレード１００の中央領域から離れているために従来から冷却の困難な領域であるので、このようにこの領域を取り扱うことは、望ましい冷却方針であることが分かる。
【００２６】
スラッシュフェース部分を過ぎると、チャネル１３３は、折返し部１５８（すなわち、ほぼ１８０°の鋭い転向部）を備え、折返し部１５８に続いて、プレート１３２の中央領域に入り込んで行き、それはチャネル１３３の内部部分１５９と呼ぶことができる。内部部分１５９は、第１の折返し部１５８の下流の直線部分と、その下流に、第２の折返し部１５８とを備え得、それらの組合せが、効果的にプレート１３２の中央領域を有効範囲とする。第２の折返し部１５８は、チャネル１３３の下流端部１３９に近接して位置する。
【００２７】
いくつかの実施形態では、チャネル１３３の上流端部１３８は上流プレナムを備える。一般に、上流プレナム１３８はチャネルの幅が増加した領域を備える。図示のように、外形において、上流プレナム１３８は事実上円形でよい。上流プレナム１３８は、作動中、複数の冷却剤供給源（存在すれば）をそこで集約し、次いでチャネル１３３に導き入れることができる大きな空間を形成する。また、上流プレナム１３８は、高圧接続部１４８との接続をそれによって行うことができる、より大きな標的外形（ｔａｒｇｅｔ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を形成する。同様に、いくつかの実施形態では、チャネル１３３の下流端部１３９は下流プレナムを備える。一般に、下流プレナム１３９もまたチャネルの幅が増加した領域を備え、図示のように、下流プレナム１３９は円形の外形を有することができる。下流プレナム１３９は、低圧接続部１４９との接続をそれによって行うことができる、より大きな標的外形を形成する。
【００２８】
既述のように、高圧接続部１４８は、チャネル１３３の上流端部１３８に接続され、低圧接続部１４９は、チャネル１３３の下流端部１３９に接続される。この接続は、いくつかの構成を使用して行うことができる。たとえば、好ましい一実施形態では（図８に示すように）、プレート１３２は、その外周を廻って途切れずに延在する外側壁１４４を備える。この場合、図９〜１１に示すように、接続部１４８、１４９は、ブレード１００の内部にある部分と、プラットフォーム１１０に形成された下面チャネル１６１とを備え得る。より詳細には、下面チャネル１６１は、プラットフォーム下面１１４の表面に形成されたチャネルを備える。チャネル１３３と同様に、下面チャネル１６１は、それが位置している面を、この場合は、プラットフォーム下面１１４を貫通して開口したままになっていることが理解されるであろう。下面チャネル１６１は、プレート１３２がプラットフォーム１１０に取り付けられた後に初めて封じ込められるようになる。プレート１３２が取り付けられると、プレート上面１３４は、下面チャネル１６１の床１６２として機能するものとして表すことができることが理解されるであろう。既述のように、この構成は、高圧接続部１４８および低圧接続部１４９の両方に使用することができる。高圧接続部１４８の場合、下面チャネル１６１の下流端部は、それぞれが半径方向にはずれているが、チャネル１３３の上流端部１３８に位置が対応している。低圧接続部１４９の場合、下面チャネル１６１の上流端部は、それぞれが半径方向にはずれているが、チャネル１３３の下流端部１３９に位置が対応している。
【００２９】
別の実施形態では、外側壁１４４は、図１２に示すように、それぞれ外側壁１４４に形成された、側壁入口１６５と、側壁出口１６６とを備え得る。この場合、側壁入口１６５は、チャネル１３３の上流端部１３８を、外側壁１４４を貫通して高圧接続部１４８に直接接続することができる。また、側壁出口１６６は、チャネル１３３の下流端部１３９を、外側壁１４４を貫通して低圧接続部１４９に直接接続することができる。
【００３０】
プレート１３２は、様々な技法を使用してプラットフォーム下面１１４に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、プレート１３２は、プラットフォーム１１０に取外し可能に取り付けられる。本明細書で用いられる限り、このタイプの取付けは、プレート１３２および／またはブレード１００を再使用することができるように、無理なく元に戻すことができるあらゆる取付けを含むものとする。これには、たとえば、いくつかのタイプの溶接、蝋付け、接着、機械的保持などを含めることができる。プレートを取り付けるステップの一部として、形成されたチャネル１３３を封止するために従来のステップを用いることができ、チャネル１３３が接続部１４８、１４９と行う接続の結果、高圧接続部１４８と低圧接続部１４９との間に閉鎖冷却剤回路が実質的に生成され得る。それによって、高圧接続部１４８からチャネル１３３に流入する冷却剤の実質的に全てが、低圧接続部１４９を経由して内部冷却通路１１６に戻されて、さらに使用される。あらゆる封止手段を、プレート１３２とプラットフォーム下面１１４との間に使用することができることを当業者が理解するであろう。たとえば、機械的ガスケット、化学的シール材などを使用することができる。
【００３１】
プラットフォーム冷却機構１３０は、プレート１３２およびプラットフォーム１１０が、一体に形成される構成要素ではないので、既存のタービンロータブレードを効率的に改造するために使用することができることを当業者は理解するであろう。さらに、プラットフォーム冷却機構１３０は、タービンロータブレード１００の既存の内部冷却通路１１６を利用することができ、既存のブレードまたは新しいブレードに本発明の実施形態を採用することに対して柔軟性を提供する。プレート１３２はまた、鋳造後の変更によっても適合させることができる。プレート１３２およびチャネル１３３の様々な態様は、プラットフォーム１１０の冷却を最適化するために変更することができる。したがって、プラットフォーム冷却機構１３０は、様々なタービンロータブレード構成に適合するように個別仕様化することができる。プラットフォーム冷却機構１３０は、プレート１３２をタービンロータブレードの様々な構成要素から独立して製造することができるので、費用効果的かつ効率的に製造することができる。さらに、プレート１３２は、事前に製作し、後に現場で組み込むことができる。
【００３２】
図１４は、本願の実施形態による、プラットフォーム冷却機構１３０を生成する例示的方法を表す流れ図２００を示す。流れ図２００は、必要なら、平たい陥凹１３１をプラットフォーム下面１１４の所定の位置に機械加工するステップ２０２から開始することができる。いくつかの実施形態では、好ましい位置は、エーロフォイル１０２の圧力側１２６に対応する。この機械加工工程は、図９〜１１に示されている。図９は、陥凹１３１が形成される前のプラットフォーム１１０の断面を表す。図示のように、多くの既存のプラットフォーム１１０は平坦な下面１１４を備えるが、所望の冷却適用領域を得るような大きさを有するプレート１３２に対して十分な余地を得るためには、ある程度の機械加工が必要になり得る。図１０は、除去の対象になり得る領域を示す。平たい陥凹１３１は、エーロフォイル１０２の圧力側１０６の外形に実質的に対応する外形形状を有することができ、また、形成されるプレート１３２の外形に対応し得る。場合によっては、平たい陥凹１３１は、鋳込み細工としてブレード１００に事前に存在してもよいことが理解されよう。
【００３３】
ステップ２０４では、高圧接続部１４８および低圧接続部１４９を形成することができる。高圧接続部１４８は、いずれの場合でも、それが、内部冷却通路１１６の高圧冷却剤領域を、プレートチャネル１３３の上流端部１３８またはプレート１３２の側壁入口１６５の最終的な位置に接続するような、所定の構成および位置を有することができる。側壁入口１６５が存在しない場合、上記のように、高圧接続部１４８の形態は、下面チャネル１６１の形態を備え得る。同様に、低圧接続部１４９は、いずれの場合でも、それが、内部冷却通路１１６の低圧冷却剤領域を、プレートチャネル１３３の下流端部１３９または側壁出口１６６の最終的な位置に接続するような、所定の構成および位置を有することができる。側壁出口１６６が存在しない場合、上記のように、低圧接続部１４９の形態は、下面チャネル１６１の形態を備え得る。接続部１４８、１４９の形成は、特に、平たい陥凹１３１の形成が完成した後、プレート１３２が取り付けられる前に可能になるブレード１００の関連領域へのアクセスを考慮すれば、比較的安価な機械加工工程を使用して完成することができることが理解されよう。
【００３４】
ステップ２０６では、プレート１３２を、所望の仕様によって製作することができる。プレート１３２を独立に製作することによって、製造工程が簡略化されることが理解されるであろう。たとえば、チャネル１３３は、簡単な機械加工または鋳造工程を用いることによって、プレート１３２上に形成することができる。一方、一体成形のプラットフォーム内に同じチャネルを形成すると、通常、より大幅に複雑で費用の掛かる鋳造工程が必要になるであろう。
【００３５】
ステップ２０８では、プレート１３２をプラットフォーム下面１１４に取り付けることができ、その結果、プレート１３２が、プラットフォーム下面１１４の内側に収まり、それによって、チャネル１３３をプレート１３２とプラットフォーム下面１１４との間に封じ込める。プレート１３２は、平たい陥凹１３１内に収まるようにプラットフォーム下面１１４に取り付けることができる。最後に、ステップ２１０で、チャネル１３３を封止するために付加的ステップを行うことができる。既述のように、チャネル１３３の封止、およびチャネル１３３が接続部１４８、１４９と行う接続の結果、高圧接続部１４８と低圧接続部１４９との間に閉鎖冷却剤回路が実質的に生成され得る。本発明は、特に、１つまたは複数の下面チャネル１６１が、チャネル１３３を冷却剤供給源に接続するために使用されるとき、プレート１３２とプラットフォーム下面１１４との間に生成される封止を強化するために作動中に発生する遠心荷重を利用することが理解されるであろう。
【００３６】
当業者は理解するであろうように、いくつかの例示的実施形態に関する上記多数の様々な特徴および構成は、本発明の他に可能な実施形態を形成するために、さらに、選択的に利用することができる。簡略化のため、また当業者の能力を考慮して、考えられる全ての繰返しは行わず、またはそれを詳細に説明しないが、添付または別様の複数の特許請求の範囲に包含される全ての組合せまたは可能な実施形態は、本願の一部であるものとする。さらに、本発明のいくつかの例示的実施形態に関する上記の説明から、当業者は、改良形態、変更形態、修正形態を考え付くであろう。当技術分野の技量内のそのような改良形態、変更形態、修正形態は、やはり添付の特許請求の範囲によって包含されるものとする。さらに、上述の事項は本願に記載された実施形態のみに関するものであり、添付特許請求の範囲およびその同等物によって定義される本願の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の事項に多数の変更および修正を加えることができることは明らかであろう。
【符号の説明】
【００３７】
１００  タービンロータブレード
１０２  エーロフォイル
１０４  翼根部
１０５  負圧面
１０６  正圧面
１０７  エーロフォイル前縁
１０８  エーロフォイル後縁
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面
１１４  プラットフォーム下面
１１６  内部冷却通路
１１７  内部冷却通路入口
１１９  空洞
１２０  プラットフォーム冷却チャネル
１２１  プラットフォーム後縁
１２２  プラットフォーム負圧側縁部
１２４  プラットフォーム前縁
１２６  プラットフォーム圧力側縁部
１３０  プラットフォーム冷却機構
１３１  平たい陥凹
１３２  プレート
１３３  蛇行冷却チャネル
１３４  プレート上面
１３８  上流端部
１３９  下流端部
１４０  チャネルの天井
１４４  外側壁
１４８  高圧接続部
１４９  低圧接続部
１５１  湾曲縁部
１５２  直線縁部
１５５  スラッシュフェース部分
１５８  折返し部
１５９  内部部分
１６１  下面チャネル
１６２  下面チャネルの床
１６５  側壁入口
１６６  側壁出口
２００  流れ図
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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