(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジンの少なくとも１つのマウントに接続された中間タービンフレームは、第１の軸受からの第１の負荷および第２の軸受からの第２の負荷をマウントに伝達する。【解決手段】中間タービンフレーム（１２）は、負荷伝達ユニット（２２）と、負荷伝達ユニット（２２）内に回転可能に配置されたトルクボックス（２４）と、複数の支柱（２６）と、を備える。負荷伝達ユニット（２２）は、第１の係止要素（３８）を備え、第１の負荷および第２の負荷を結合負荷へと組み合わせる。トルクボックス（２４）は、負荷伝達ユニット（２２）の第１の係止要素（３８）と係止可能な第２の係止要素（４２）を有する。複数の支柱（２６）は、トルクボックス（２４）とマウント（１６）との間に接続され、トルクボックス（２４）からの結合負荷をマウント（１６）に伝達する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の軸受からの第１の負荷および第２の軸受からの第２の負荷をガスタービンエンジンの少なくとも１つのマウントに伝達させるために、前記マウントに接続された中間タービンフレームであって、
前記第１の負荷および前記第２の負荷を結合負荷へと組み合わせるとともに、第１の係止要素を有する負荷伝達ユニットと、
前記負荷伝達ユニット内に回転可能に配置され、前記負荷伝達ユニットの前記第１の係止要素と係合可能な第２の係止要素を有するトルクボックスと、
前記結合負荷を前記トルクボックスから前記マウントに伝達させるために、前記トルクボックスと前記マウントとの間に接続された複数の支柱と、
を備え、
前記第１の係止要素は、リブまたは溝の少なくとも一方であり、前記第２の係止要素は、リブおよび溝の少なくとも一方であることを特徴とする中間タービンフレーム。
【請求項２】
前記負荷伝達ユニットは、Ｕ字状であることを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
【請求項３】
前記トルクボックスが、Ｕ字状であることを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
【請求項４】
前記負荷伝達ユニットが、複数の第１の係止要素を有し、前記トルクボックスが、複数の第２の係止要素を有することを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
【請求項５】
複数のトルクボックスをさらに備え、前記複数のトルクボックスの各々が、前記負荷伝達ユニットの前記第１の係止要素と係合可能な第２の係止要素を有することを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
【請求項６】
前記負荷伝達ユニットの前記第１の係止要素および前記トルクボックスの前記第２の係止要素が、係止機構および垂直負荷伝達機構として機能することを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
【請求項７】
前記中間タービンフレームが、セグメント化されたリング構造を有することを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
【請求項８】
前記トルクボックスが、前記負荷伝達ユニットからの前記結合負荷を前記複数の支柱に伝達することを特徴とする請求項６に記載の中間タービンフレーム。
【請求項９】
第１の負荷および第２の負荷をエンジンケーシングに伝達する多方向負荷伝達機能を有する中間タービンフレームであって、
前記第１の負荷および前記第２の負荷を結合するとともに、第１の係止要素を有する負荷伝達構造体と、
前記負荷構造体からの結合負荷を伝達するとともに、前記負荷伝達構造体の前記第１の係止要素と係合する第２の係止要素を有する調整可能なトルクボックスと、
前記調整可能なトルクボックスを前記エンジンケーシングに接続する複数の支柱と、
を備えることを特徴とする中間タービンフレーム。
【請求項１０】
前記負荷伝達構造体および調整可能なトルクボックスが、Ｕ字状であることを特徴とする請求項９に記載の中間タービンフレーム。
【請求項１１】
前記第１の係止要素が、リブまたは溝の少なくとも一方であり、前記第２の係止要素が、リブまたは溝の少なくとも一方であることを特徴とする請求項９に記載の中間タービンフレーム。
【請求項１２】
前記負荷伝達構造体が、複数の第１の係止要素を有し、前記調整可能なトルクボックスが、前記負荷伝達構造体の前記複数の第１の係止要素と係合する複数の第２の係止要素を有することを特徴とする請求項９に記載の中間タービンフレーム。
【請求項１３】
前記中間タービンフレームが、セグメント化されたリング構造を有することを特徴とする請求項９に記載の中間タービンフレーム。
【請求項１４】
前記負荷伝達構造体の前記第１の係止要素および前記調整可能なトルクボックスの前記第２の係止要素が、係止機構および負荷伝達機構として機能することを特徴とする請求項１０に記載の中間タービンフレーム。
【請求項１５】
エンジンケーシング内に収容され、第１の軸受からの第１の負荷および第２の軸受からの第２の負荷を結合して、前記エンジンケーシングへと伝達する中間タービンフレームであって、
前記第１の負荷および前記第２の負荷を結合し、かつ吸収する第１の係止要素を有する負荷伝達構造体と、
前記負荷伝達構造体の前記第１の係止要素と係合する第２の係止要素を有するトルクボックスと、
第１の端および第２の端を有する少なくとも１つの支柱であって、前記支柱の前記第１の端は、前記トルクボックスに接続され、前記支柱の前記第２の端は、前記エンジンケーシングに接続され、前記支柱は、前記第１の負荷および前記第２の負荷を前記エンジンケーシングに伝達する、少なくとも１つの支柱と、
を備えることを特徴とする中間タービンフレーム。
【請求項１６】
前記負荷伝達構造体が、複数の第１の係止要素を有し、前記トルクボックスが、前記負荷伝達構造体の前記複数の第１の係止要素と係合する複数の第２の係止要素を有することを特徴とする請求項１５に記載の中間タービンフレーム。
【請求項１７】
前記負荷伝達構造体および前記トルクボックスが、Ｕ字状であることを特徴とする請求項１５に記載の中間タービンフレーム。
【請求項１８】
前記第１の係止要素が、リブまたは溝の少なくとも一方であり、前記第２の係止要素が、リブおよび溝の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１５に記載の中間タービンフレーム。
【請求項１９】
前記負荷伝達構造体の前記第１の係止要素および前記トルクボックスの前記第２の係止要素が、係止機構および負荷伝達機構として機能することを特徴とする請求項１５に記載の中間タービンフレーム。
【請求項２０】
前記トルクボックスが、前記負荷伝達構造体内において調整可能であることを特徴とする請求項１５に記載の中間タービンフレーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンの分野に関する。特に、本発明は、ジェットタービンエンジン用の中間タービンフレームに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボファンは、ジェット機のような航空機に一般的に用いられるガスタービンエンジンの一種である。ターボファンは、通常、高圧圧縮機および低圧圧縮機と、高圧タービンおよび低圧タービンと、高圧回転シャフトと、低圧回転シャフトと、ファンと、燃焼器と、を備える。  高圧圧縮機（ＨＰＣ）は、高圧回転シャフトによって高圧タービン（ＨＰＴ）に接続され、高圧システムとして共に機能する。同様に、低圧圧縮機（ＬＰＣ）は、低圧回転シャフトによって低圧タービン（ＬＰＴ）に接続され、低圧システムとして共に機能する。低圧回転シャフトは、高圧回転シャフト内に収容されてファンに接続され、これによって、ＨＰＣ、ＨＰＴ、ＬＰＣ、ＬＰＴ、高圧回転シャフトおよび低圧回転シャフトは、同軸に配列される。
【０００３】
外気が、ファン、ＬＰＣおよびＨＰＣによってジェットタービンエンジンに取り込まれ、これによって、システム内に取り込まれた空気の圧力が、増大する。次に、高圧空気は、燃焼器に入り、燃料を燃焼し、排気ガスを放出する。ＨＰＴは、燃料を用いて、高圧回転シャフトを回転させることによって、ＨＰＣを直接駆動する。ＬＰＴは、燃焼器内に生じた排気を用いて、低圧回転シャフトを回転させ、空気を継続的にシステム内に送り込むようにファンに動力を供給する。ファンによって取り込まれた空気は、ＨＰＴおよびＬＰＴをバイパスし、ジェット機を前方に推進させるエンジンの推力を増大させるようにも働く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高圧システムおよび低圧システムを支持するために、軸受が、高圧システムおよび低圧システムによって生じた負荷を分配するのを促進するように、ジェットタービンエンジン内に配置される。これらの軸受は、軸受支持構造体によって、ＨＰＴとＬＰＴとの間に配置された中間タービンフレームを収容するエンジンケーシングに接続される。軸受支持構造体は、例えば、軸受コーンである。軸受支持構造体からの負荷は、中間タービンフレームを介して、エンジンケーシングに伝達される。エンジンケーシングの重量を軽減させることによって、ジェットタービンエンジンおよびジェット機自体の効率を著しく増大させることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ガスタービンエンジンの少なくとも１つのマウントに接続された中間タービンフレームは、第１の軸受からの第１の負荷および第２の軸受から第２の負荷を該マウントに伝達する。中間タービンフレームは、負荷伝達ユニットと、負荷伝達ユニット内に回転可能に配置されたトルクボックスと、複数の支柱と、を備える。負荷伝達ユニットは、第１の係止要素を有し、かつ第１の負荷および第２の負荷を組み合わせて結合負荷とする。トルクボックスは、負荷伝達ユニットの第１の係止要素と係合可能な第２の係止要素を有する。複数の支柱は、トルクボックスとマウントとの間に接続され、結合負荷をトルクボックスからマウントに伝達する。第１の係止要素および第２の係止要素は、リブまたは溝の少なくとも一方である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、ガスタービンエンジン１０の軸中心線の周りの該エンジン１０の中間部分の部分断面図を示している。ガスタービンエンジン１０は、一般的に、中間タービンフレーム１２と、エンジンケーシング１４と、マウント１６と、第１の軸受１８と、第２の軸受２０と、を備える。ガスタービンエンジン１０の中間タービンフレーム１２は、第１の軸受１８および第２の軸受２０からの負荷を、この中間タービンフレーム１２を介して、エンジンケーシング１４に効率的に伝達するように、設計されている。中間タービンフレーム１２は、ガスタービンエンジン１０内において剛性駆動体として機能する回転可能な組込み式のセグメント構造を有する。
【０００７】
中間タービンフレーム１２は、ガスタービンエンジン１０のエンジンケーシング１４内に収容され、エンジンケーシング１４と、第１の軸受１８および第２の軸受２０とに接続される。エンジンケーシング１４は、中間タービンフレーム１２を周囲の環境から保護すると共に、中間タービンフレーム１２からの負荷をマウント１６に伝達する。中間タービンフレーム１２のこの設計によれば、中間タービンフレーム１２を軽量化すると共に、製造を容易にし、組立中に、中間タービンフレーム１２をエンジンケーシング１４内に組み込むことができる。
【０００８】
第１の軸受１８および第２の軸受２０は、それぞれ、中間タービンフレーム１２の下方において、ガスタービンエンジン１０の前端および後端に配置される。第１の軸受１８および第２の軸受２０は、ガスタービンエンジン１０内に配置された高圧ロータおよび低圧ロータからのスラスト負荷、垂直張力、側方ジャイロ負荷および振動負荷を支持する。第１の軸受および第２の軸受２０によって支持された全ての負荷が、中間タービンフレーム１２を介して、エンジンケーシング１４およびマウント１６に伝達される。第２の軸受２０は、典型的には、第１の軸受１８よりも大きい負荷を支持するように設計される。従って、中間タービンフレーム１２は、第２の軸受２０が極限状況下にある場合を想定した剛性および構造的な適用性が確保されるように設計される。
【０００９】
図２および図３は、それぞれ、中間タービンフレーム１２の斜視図および分解図を示している。以下、これらの図を互いに関連させて説明する。中間タービンフレーム１２は、セグメント化されたリング構造を有し、一般的に、負荷伝達ユニット２２と、複数のトルクボックス２４と、複数の支柱２６と、を備える。中間タービンフレームの各セグメントは、１つの支柱２６を負荷伝達ユニット２２に接続する１つのトルクボックス２４を備える。（図１に示される）第１の軸受１８および第２の軸受２０は、それぞれ、（図４に示される）第１の軸受コーン２８および第２の軸受コーン３０によって、中間タービンフレーム１２の負荷伝達ユニット２２に接続される。第１の軸受コーン２８および第２の軸受コーン３０は、連続的に回転する高圧ロータおよび低圧ロータに対して静止している。中間タービンフレーム１２は、セグメント化されているので、トルクボックス２４および支柱２６を負荷伝達ユニット２２とは別に製造することができ、これによって、製造を簡素化することができる。
【００１０】
負荷伝達ユニット２２は、Ｕ字状であり、かつ第１軸受コーン２８からの負荷と第２軸受コーン３０からの負荷を結合する。第１の軸受コーン２８および第２の軸受コーン３０は、（図１に示される）第１の軸受１８からの負荷および第２の軸受２０からの負荷を負荷伝達ユニット２２に伝達する。負荷が結合された後、負荷伝達ユニット２２は、この結合負荷をトルクボックス２４に伝達する。トルクボックス２４は、負荷伝達ユニット２２内において調整可能かつ回転可能であり、これによって、第１の軸受１８からの負荷および第２軸受２０からの負荷をトルクボックス２４および支柱２６に効率的に伝達することができる。
【００１１】
各トルクボックス２４は、シェル構造を有し、負荷伝達ユニット２２と支柱２６との間に配置される。トルクボックス２４は、負荷伝達ユニット２２から結合負荷または結合トルクを受け、その結合負荷をトルクボックス２４の周囲に沿って該トルクボックスから延びる支柱２６に伝達する。
【００１２】
中間タービンフレーム１２の支柱２６は、トルクボックス２４から延び、第１の軸受コーン２８および第２の軸受コーン３０から負荷伝達ユニット２２およびトルクボックス２４を介して伝達された負荷を、エンジンケーシング１４に伝達する。支柱２６の各々は、トルクボックス２４に接続される第１の端３２と、エンジンケーシング１４に接続される第２の端３４と、を有する。負荷は、負荷伝達ユニット２２からトルクボックス２４および支柱２６を介して、エンジンケーシング１４に伝達される。一実施形態では、９本の支柱が、トルクボックス２４の周囲に沿って略４０°の間隔で離間して配置される。他の実施形態では、１２本の支柱が、トルクボックス２４の周囲に沿って略３０°の間隔で離間して配置される。図２および図３は、トルクボックス２４に対して直交する支柱２６を示しているが、支柱２６は、本発明の意図された範囲から逸脱することなく、トルクボックス２４に対して傾斜してもよい。
【００１３】
図４は、（図２および図３に示される）中間タービンフレーム１２の負荷伝達ユニット２２の斜視図を示している。負荷伝達ユニット２２は、Ｕ字状であり、かつ第１の軸受コーン２８および第２の軸受コーン３０に接続されている。第１の軸受コーン２８からの負荷および第２の軸受コーン３０からの負荷は、均等化されて、負荷伝達ユニット２２のＵ字形のベースにおいて負荷伝達ユニット２２内に導かれ、これにより負荷は効率的に伝わる。図４から分かるように、負荷伝達ユニット２２は、周方向の接触リブまたは接触リップ３６と、中間タービンフレーム１２の周りに軸方向に延びる複数の均一に離間した係止リブまたは係止リップ３８とを有する。図４は、１つの周方向接触リブ３６を有する負荷伝達ユニット２２を示しているが、負荷伝達ユニット２２は、本発明の意図される範囲から逸脱することなく、複数の周方向接触リブ３６を有してもよい。
【００１４】
図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、（図２および図３に示される）中間タービンフレーム１２のトルクボックス２４の拡大底面図および拡大斜視図を示している。以下、これらの図を互いに関連して説明する。各トルクボックス２４は、Ｕ字状であり、かつ負荷伝達ユニット２２からの結合負荷を支柱２６に伝達する。各トルクボックス２４のＵ字形は、（図２および図３に示される）エンジンケーシング１４に対して周方向における局部的な補剛材として作用し、局部的な膜曲げ（ｍｅｍｂｒａｎｅ−ｂｅｎｄｉｎｇ）剛性を増大させ、これによって、支柱２６からエンジンケーシング１４への局部的な応力再分配および局部的な応力伝達を可能にする。図５Ａおよび図５Ｂから分かるように、トルクボックス２４は、Ｕ字形のベースに沿った周方向の接触溝４０と、トルクボックス２４の各端における軸方向の係止溝４２と、を有する。接触溝４０および係止溝４２は、それぞれ、負荷伝達ユニット２２の接触リブ３６および係止リブ３８と係合可能である。図５Ａおよび図５Ｂは、１つの周方向接触溝４０を有するトルクボックス２４を示しているが、トルクボックス２４は、本発明の意図された範囲から逸脱することなく、複数の周方向接触溝４０を有してもよい。
【００１５】
図６は、中間タービンフレーム１２の代替的実施形態の拡大分解図を示している。図４，図５Ａ，図５Ｂと関連して前述したように、負荷伝達ユニット２２は、複数の接触リブ３６を有してもよく、トルクボックス２４は、複数の接触溝４０を有してもよい。負荷伝達ユニット２２およびトルクボックス２４は、それぞれ、任意の数の接触リブ３６および任意の数の接触溝４０を有してもよい。しかし、負荷伝達ユニット２２に対するトルクボックス２４の適切な係合を確実にするために、少なくとも接触溝４０の数は、接触リブ３６の数と同じでなければならない。
【００１６】
図７は、中間タービンフレーム１２の１つのセグメントの断面図である。作動時に、第１の軸受１８からの負荷および第２の軸受２０からの負荷は、それぞれ、第１の軸受コーン２８および第２の軸受コーン３０を介して伝達され、負荷伝達ユニット２２において結合される。トルクボックス２４は、最初、負荷伝達ユニット２２の接触リブ３６がトルクボックス２４の接触溝４０と係合し、負荷伝達ユニット２２の係止リブ３８がトルクボックス２４の係止溝４２と係合するように、負荷伝達ユニット２２内に配置される。接触リブ３６および接触溝４０は、係止機構および垂直負荷伝達機構として機能する。適所に配置されると、中間タービンフレーム１２のセグメントの前後の回転運動が、係止リブ３８および係止溝４２の連結ジョイントの係合によって得られる軸方向のジョイントによって阻止される。この係止リブ３８および係止溝４２の連結ジョイントによって、トルクボックス２４は、アイドル、温度変化、または圧力変化によるトルク変化が生じるまで、適所に係止して維持される。これらの変化によって、構成部品が、膨張または屈曲し、元の幾何学的な形状に対してずれを生じることがある。これによって、トルクボックス２４の係止溝４２が係止リブ３８から離脱し、その結果、負荷伝達ユニット２２内におけるトルクボックスの周方向の運動が生じることがある。
【００１７】
前述したように、トルクボックス２４は、接触リブ３６および接触溝４０の係止機構によって、軸方向において移動することができないが、周方向において負荷伝達ユニット２２に対して調整可能および回転可能である。第１の軸受コーン２８からのトルク負荷および第２の軸受コーン３０からのトルク負荷は、接触リブ３６と接触溝４０の連結ジョイントおよび係止リブ３８と係止溝４２の連結ジョイントによって、負荷伝達ユニット２２からトルクボックス２４に伝達される。中間タービンフレーム１２は、セグメント化設計されているので、接続チューブまたは接続トンネルを形成するために、係止リブ３８および係止溝４２は、係合されねばならない。中間タービンフレーム１２は、負荷を負荷伝達ユニット２２からトルクボックス２４に伝達するために、この接続管形状を有していなければならない。
【００１８】
トルクボックス２４が負荷伝達ユニット２２に対して周方向に移動することができるので、第１の軸受コーン１８および第２の軸受コーン２０から負荷伝達ユニット２２およびトルクボックス２４への負荷伝達は、調整可能であり、従って、常に均等化される。接触リブ３６が接触溝４０と係合し、係止リブ３８が係止溝４２と係合すると、これらの連結ジョイントによって、負荷伝達ユニット２２からトルクボックス２４への均一な負荷伝達が確実に得られる。中間タービンフレーム１２が、（図４，図５Ａ，図５Ｂに示されるような）単一の接触リブ３６および単一の接触溝４０を有する場合、中間タービンフレーム１２は、負荷伝達ユニット２２からトルクボックス２４への単一の負荷点伝達を確保することができる。中間タービンフレーム１２が（図６に示されるような）複数の接触リブ３６および複数の対応する接触溝４０を有する場合、中間タービンフレーム１２は、負荷伝達ユニット２２に沿った種々の方向からトルクボックス２４への複数の負荷点を有する。トルクボックス２４は、負荷伝達ユニット２２内において移動することができるので、負荷伝達ユニット２２とトルクボックス２４との間の運動を可能にし、特定の負荷集中点への最適な負荷伝達を確実にするという機械的な利点が得られる。
【００１９】
次いで、トルクボックス２４は、結合負荷を支柱２６に伝達し、支柱２６は、この結合負荷をエンジンケーシング１４に伝達する。負荷伝達ユニット２２およびトルクボックス２４の両方がＵ字形に設計されているので、中間タービンフレーム１２およびエンジンケーシング１４を介して、負荷をマウント１６に効率的に伝達することができる。Ｕ字構造が有益なのは、負荷伝達ユニット２２およびトルクボックス２４のシェル構造の膜曲げ効率（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｂｅｎｄｉｎｇ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）によって、中間タービンフレーム１２の全重量を軽減させることができる点である。加えて、負荷伝達ユニット２２およびトルクボックス２４の各々がＵ字形状を有するので、支柱２６は、第１の軸受コーン１８および第２の軸受コーン２０からエンジンケーシング１４への負荷伝達の効率を低下させることなく、トルクボックス２４に対して傾斜させることもでき、あるいは直交させることもできる。トルクボックス２４が負荷伝達ユニット２２内において適所に係止されると、支柱２６は、エンジンケーシング１４と直交し、負荷をトルクボックス２４からエンジンケーシング１４に効率的に伝達する。
【００２０】
中間タービンフレームは、第１軸受および第２軸受からの負荷を１対のエンジンマウントに効率的に分配するセグメント化されたリング構造を有する。中間タービンフレームは、負荷伝達ユニットと、複数のトルクボックスと、複数の支柱と、を備える。トルクボックスは、負荷伝達ユニット内において調整可能かつ回転可能である。中間タービンフレームの負荷伝達ユニットは、Ｕ字状であり、かつ第１の軸受からの負荷と第２の軸受からの負荷を結合し、次いで、結合負荷を同じようにＵ字状の複数のトルクボックスに伝達する。負荷伝達ユニットは、周方向接触リブおよび複数の均等に離間した軸方向係止リブを有し、これらの接触リブおよび係止リブは、それぞれ、トルクボックスの周方向接触溝および軸方向係止溝と係合可能である。リブおよび溝は、係合されると、負荷伝達ユニット内におけるトルクボックスの軸方向の運動および周方向回転を妨げるジョイントを形成する。また、これらのジョイントは、第１の軸受からの負荷および第２の軸受からの負荷を負荷伝達ユニットからトルクボックスに効率的に伝達する垂直負荷伝達ユニットとして機能する。次いで、トルクボックスからの負荷は、複数の支柱を介して、エンジンケーシングに伝達される。
【００２１】
本発明を好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および細部に関する変更がなされてもよいことを認めるだろう。例えば、図示の実施形態では、溝４０，４２がトルクボックス２４に設けられ、リブ３６，３８が負荷伝達ユニット２２に設けられているが、これらの溝およびリブの位置は、逆であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ガスタービンエンジンの中間部の部分断面図である。
【図２】中間タービンフレームの斜視図である。
【図３】中間タービンフレームの分解斜視図である。
【図４】中間タービンフレームの負荷伝達ユニットの斜視図である。
【図５Ａ】中間タービンフレームのトルクボックスの拡大斜視図である。
【図５Ｂ】中間タービンフレームのトルクボックスの拡大底面図である。
【図６】中間タービンフレームの代替的実施形態の拡大分解図である。
【図７】中間タービンフレームの断面図である。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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