(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械のロータの径方向に延びる、ガイドベーンリングのガイドベーンのガイドベーン軸線周りで、前記ガイドベーンリングを形成するためにグループ化された複数のガイドベーンを回転させるためのガイドベーン調節装置であって、
駆動モータが連結することができる駆動シャフト（２６）であって、前記駆動モータを介して駆動可能である、駆動シャフト（２６）と；
前記ガイドベーンリング（２０）のガイドベーン（２１）を回転させるために、前記駆動シャフト（２６）の回転を前記ガイドベーン（２１）に伝達する制御リング（２７）と；
を有し、
前記駆動シャフト（２６）が、前記ガイドベーンリングの前記ガイドベーンのうちの１つが前記制御リング（２７）の介在なく前記駆動シャフト（２６）から直接的に回転可能となるように、前記ガイドベーンリング（２０）の前記ガイドベーン（２１）のうちの１つに直接的に連結され；
前記駆動シャフト（２６）、又は前記駆動シャフト（２６）から直接的に駆動可能な前記ガイドベーン（２１）が、関節方式で伝達レバー（２８）を介して前記制御リング（２７）に連結され；前記伝達レバー（２８）が、複数パーツで構成され、且つ第１セグメント（３１）及び第２セグメント（３２）を備え、前記複数パーツの伝達レバー（２８）の前記第１セグメント（３１）が、関節方式で前記複数パーツの伝達レバー（２８）の前記第２セグメント（３２）に連結され；
前記駆動シャフト（２６）が、前記ガイドベーンリングの他の前記ガイドベーンが前記制御リング（２７）の介在により前記駆動シャフト（２６）から間接的に回転可能となるように、前記ガイドベーンリング（２０）の他の前記ガイドベーン（２１）に間接的に連結され；
前記駆動シャフト（２６）から間接的に駆動可能な前記ガイドベーン（２１）が、関節方式でさらなる伝達レバー（２９）を介して前記制御リング（２７）に連結され；
前記制御リング（２７）が、周方向及び軸方向において移動可能であり、このため、前記制御リング（２７）と、関節方式で前記制御リング（２７）に連結された前記伝達レバー（２８，２９）と、の間の連結ポイントでの力が、前記伝達レバー（２８，２９）に対して垂直に伝わり、
前記複数パーツの伝達レバー（２８）の前記第１セグメント（３１）と前記複数パーツの伝達レバー（２８）の前記第２セグメント（３２）との間には、２つの球面継手支承部（３３）が形成され、前記複数パーツの伝達レバー（２８）の前記第２セグメント（３２）と前記制御リング（２７）との間には、１つのみの球面継手支承部（３４）が形成され、
前記駆動シャフト（２６）から間接的に駆動可能な前記ガイドベーン（２１）が、関節方式で一体部品の弾性変形可能な伝達レバー（２９）を介して前記制御リング（２７）に連結され、
前記一体部品の弾性変形可能な伝達レバー（２９）の各々と前記制御リング（２７）との間には、継手支承部（４２）が形成され、前記一体部品の弾性変形可能な伝達レバー（２９）の各々が、それぞれの前記ガイドベーン（２１）に剛性連結されていることを特徴とするガイドベーン調節装置。
【請求項２】
運動ブレードを備えるロータと、ガイドベーンを備えるステータと、を有するターボ機械であって、
前記ガイドベーンが、少なくとも１つのガイドベーンリングを形成し、少なくとも１つのガイドベーンリングの少なくとも前記ガイドベーンが、ガイドベーン調節装置により調節可能であり、
前記ガイドベーン調節装置が、請求項１に従って形成されていることを特徴とするターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械のためのガイドベーン調節装置及び当該ガイドベーン調節装置を有するターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
慣例から公知のターボ機械は、ロータ及びステータを備えている。ターボ機械のロータは、シャフトと、シャフトとともに回転する複数の運動ブレードと、を備え、運動ブレードは、少なくとも１つの運動ブレード列を形成する。ターボ機械のステータは、ハウジングと、複数の固定型ガイドベーンと、を備え、ガイドベーンは、少なくとも１つのガイドベーンリングを形成する。
【０００３】
慣例から、ガイドベーンがロータの径方向に延びるガイドベーン軸線周りに回転可能となるように、ガイドベーン調節装置を介してターボ機械のガイドベーンリングのガイドベーンを調節することが、すでに公知である。
【０００４】
慣例から公知のガイドベーン調節装置は、駆動モータが連結される駆動シャフトを備え、駆動シャフトが駆動モータを介して駆動可能である。慣例から公知のガイドベーン調節装置では、駆動モータを介する駆動シャフトの回転は、制御リングを用いてガイドベーンリングのすべてのガイドベーンに伝達され、このため、結果として、ガイドベーンリングのすべてのガイドベーンが、制御リングの介在により駆動シャフトから間接的に調節又は回転される。ここで、慣例から公知のガイドベーン調節装置の制御リングは、周方向に回転可能であるが、軸方向及び径方向には移動可能ではない。
【０００５】
慣例から公知のガイドベーン調節装置は、これら装置にかなりの摩擦が生じるという欠点を有する。さらに、前記ガイドベーン調節装置は、大きいねじり荷重を受ける。この理由のために、慣例から公知のガイドベーン調節装置は、適切に大きい寸法とされなければならない。しかしながら、これは、ターボ機械上で利用可能な設置空間が制限されることを考慮すると、欠点である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここから始まって、本発明は、ターボ機械のための新たなタイプのガイドベーン調節装置と、当該ガイドベーン調節装置を有するターボ機械と、を創出するという目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１に記載のガイドベーン調節装置を通じて解決される。
【０００８】
駆動シャフトが、ガイドベーンリングのガイドベーンのうちの１つが制御リングの介在なく駆動シャフトから直接的に回転可能となるように、ガイドベーンリングのガイドベーンのうちの１つに直接的に連結されている。駆動シャフト、又は駆動シャフトによって直接的に駆動可能なガイドベーンが、関節方式で伝達レバーを介して制御リングに連結されている。駆動シャフトが、ガイドベーンリングの他のガイドベーンが制御リングの介在により駆動シャフトから間接的に回転可能となるように、ガイドベーンリングの他のガイドベーンに間接的に連結されている。間接的に駆動可能なガイドベーンが、関節方式でさらなる伝達レバーを介して制御リングに連結されている。制御リングが、周方向及び軸方向において移動可能であり、このため、制御リングと、関節方式で制御リングに連結された伝達レバーと、の間の連結ポイントでの力が、伝達レバーに対して垂直に伝わる。
【０００９】
上記の特徴は、互いに組み合わせて、摩擦及びねじれ荷重の発生を低減することを可能にする。ガイドベーンリングのガイドベーンのうちの１つは、制御リングの介在なく駆動シャフトによって直接的に回転可能である。ガイドベーンリングの他のガイドベーンは、制御リングの介在により駆動シャフトから間接的に回転可能である。直接的に回転可能であるか又は駆動シャフトに直接的に連結されたガイドベーンは、関節方式で伝達レバーを介して制御リングに連結されている。さらに、間接的に回転可能であるか又は駆動シャフトに間接的に連結された、ガイドベーンリングのガイドベーンは、関節方式で伝達レバーを介して制御リングに連結されている。ここで、制御リングは、周方向及び軸方向に移動可能に、且つ径方向にのみ移動可能でなく実現される。これに起因して、制御リングと、関節方式で制御リングに連結された伝達レバーと、の間の連結ポイントでの力が、常に伝達レバーに対して垂直に伝わり、このため、ガイドベーンの支承部が寄生力成分によって荷重をかけられないことが完全に保証される。それにより、完全に、ガイドベーン調節装置は、より小さい設置空間要件を有するように、より小さい寸法とすることができる。
【００１０】
本発明の有利なさらなる発展によれば、駆動シャフト、又は駆動シャフトによって直接的に駆動可能なガイドベーンが、関節方式で複数パーツの伝達レバーを介して制御リングに連結され、複数パーツの伝達レバーの第１セグメントが、駆動シャフトに、又は駆動シャフトによって直接的に駆動可能なガイドベーンに剛性連結され、複数パーツの伝達レバーの第２セグメントが、関節方式で制御リングに連結されている。優先的には、複数パーツの伝達レバーの第１セグメントが、２パーツの伝達レバーを形成することを受けて、関節方式で複数パーツの伝達レバーの第２セグメントに連結されている。これは、駆動シャフトを、又は駆動シャフトによって直接的に駆動可能なガイドベーンを制御リングに特に有利に連結することをもたらす。
【００１１】
本発明の第１型式によれば、駆動シャフトによって間接的に駆動可能なガイドベーンが、関節方式で一体部品の弾性変形可能な伝達レバーを介して制御リングに連結されている。あるいは、本発明の第２型式によれば、駆動シャフトによって間接的に駆動可能なガイドベーンが、複数パーツの伝達レバーを介して制御リングに間接方式で連結され、これら複数パーツの伝達レバーの各々の第１セグメントが、それぞれのガイドベーンに剛性連結され、これら複数パーツの伝達レバーの各々の第２セグメントが、関節方式で制御リングに連結されている。第２型式では、それぞれの複数パーツの伝達レバーの第１セグメントが、優先的には、２パーツの伝達レバーを形成することを受けて、関節方式でそれぞれの複数パーツの伝達レバーの第２セグメントに連結されている。これら２つの型式は、間接的に回転可能なガイドベーンを制御リングに有利に連結することをもたらす。制御リングと、駆動シャフトによって間接的に駆動可能なガイドベーンと、の間の一体部品の伝達レバーを有する第１型式は、複数パーツの伝達レバーを有する第２型式よりも構成がシンプルである。しかしながら、複数パーツの伝達レバーを有する第２型式は、よりコンパクトな構成である。
【００１２】
ターボ機械が、請求項１０で規定されている。
【００１３】
本発明の好ましいさらなる発展は、従属請求項及び以下の説明で得られる。本発明の例示的な実施形態が、図面に限定されることなく図面を用いてより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ガイドベーンリングと、ガイドベーンリングのガイドベーンのためのガイドベーン調節装置と、の領域でのターボ機械の抜粋斜視図である。
【図２】第１段階にある、図１の構成の平面図である。
【図３】抜粋の形態での図２の側面図である。
【図４】第２段階にある、図１の構成の平面図である。
【図５】抜粋の形態での図４の側面図である。
【図６】別のガイドベーン調節装置の部分的な断面図である。
【図７】図１に対して９０°だけオフセットされた、図６のガイドベーン調節装置の部分的な断面図である。
【図８】ハウジングのない図７の構成の斜視図である。
【図９】図８の細部である。
【図１０】ガイドベーン調節装置の細部である。
【図１１】図１０の細部の代替案である。
【図１２】図８の構成の代替案である。
【図１３】図１２の細部である。
【図１４】図１３の細部の代替案である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、ターボ機械のためのガイドベーン調節装置及び当該ガイドベーン調節装置を少なくとも１つ有するターボ機械に関する。
【００１６】
当業者は、本明細書で扱われるターボ機械の基本的な構造を熟知している。完全性のために、本明細書では、ターボ機械が、ロータ側に運動ブレードを有するロータと、ステータ側にガイドベーンを有するステータと、を備えていることが言及される。
【００１７】
ロータの運動ブレードは、少なくとも１つの運動ブレード列を形成し、１つ以上のブレード列は、ロータのシャフトとともに回転する。ステータのガイドベーンは、ステータ側でハウジングに結合された少なくとも１つのガイドベーンリングを形成する。
【００１８】
図１は、複数のガイドベーン２１からなるガイドベーンリング２０の領域でのターボ機械の抜粋を示す。ガイドベーン２１の各々は、ベーン基部又はベーンピン２２及びベーンリーフ２３を備え、それぞれのガイドベーン２１のベーンピン２２は、径方向外側に位置決めされ、且つターボ機械のハウジング構造体２４に作用する。
【００１９】
ここで、本発明は、上記ガイドベーンリング２０のガイドベーン２１のためのガイドベーン調節装置に関し、ガイドベーン調節装置により、ガイドベーン２１は、図示されないターボ機械のロータの径方向に延びている、ガイドベーン２０のガイドベーン軸線２５周りに回転することができる。
【００２０】
結果として、ガイドベーン２１のベーン基部２２は、ハウジング構造体２４内に回転可能に取り付けられており、すなわち、ガイドベーン２１の各々が、径方向に延びるそれぞれのガイドベーン軸線２５周りに回転することができるように、ハウジング構造体２４内に回転可能に取り付けられている。
【００２１】
径方向に延びる、ガイドベーン２１のガイドベーン軸線２５周りにガイドベーンリング２０のガイドベーン２１を回転させるためのガイドベーン調節装置は、駆動シャフト２６を備え、駆動シャフト２６は、図示されない駆動モータに連結され、且つ駆動モータによって駆動することができる。
【００２２】
駆動シャフト２６は、ガイドベーンリング２０のガイドベーン２１のうちの１つに直接的に連結され、すなわち、ガイドベーンリング２０のこのガイドベーン２１が駆動シャフト２６から直接的に回転可能であるように、ガイドベーンリング２０のガイドベーン２１のうちの１つに直接的に連結されている。
【００２３】
駆動シャフト２６は、優先的には、この直接的に回転可能なガイドベーン２１のベーンピン２２と同軸上に、又はこの直接的に回転可能なガイドベーン２１のベーン軸線２５と同軸上に延びている。
【００２４】
ガイドベーン調節装置は、制御リング２７をさらに備えている。駆動シャフト２６、又は駆動シャフト２６によって直接的に駆動可能なガイドベーン２１は、関節方式で伝達レバー２８を介して制御リング２７に連結されている。
【００２５】
駆動シャフト２６は、ガイドベーンリング２０の残りのガイドベーン２１が駆動シャフト２６から間接的に回転可能となるように、すなわち駆動シャフト２６の回転をガイドベーンリング２０の残りのガイドベーン２１に伝達する制御リング２７の介在によりガイドベーンリング２０の残りのガイドベーン２１が駆動シャフト２６から間接的に回転可能となるように、制御リング２７を介してガイドベーンリング２０の他のガイドベーン２１と間接的に連結されている。駆動シャフト２６から間接的に駆動可能又は回転可能である、ガイドベーンリング２０のこれらガイドベーン２１は、関節方式でさらなる伝達レバー２９を介して制御リング２７に連結されている。
【００２６】
制御リング２７には、一方では、伝達レバー２８を介して駆動シャフト２６から直接的に調節可能なガイドベーン２１が結合され、他方では、駆動シャフト２６から間接的に回転可能なガイドベーン２１が伝達レバー２９を介して結合され、制御リング２７は、周方向Ｕ及び軸方向Ａに移動可能である。制御リング２７が周方向Ｕ及び軸方向Ａでこのように移動可能であることと、伝達レバー２８，２９を制御リング２７に関節結合していることと、を通じて、ガイドベーン２１の回転中に制御リング２７と、制御リング２７に関節方式で連結された伝達レバー２８，２９と、の間の連結ポイントに作用する力は、伝達レバー２７，２８に対して常に垂直に伝わる。
【００２７】
ガイドベーン調節装置の上記の特徴を通じて、ガイドベーン調節装置上での摩擦は減少され、従来技術によれば伝達レバーに作用する寄生力成分は回避される。これに起因して、ガイドベーンの支承部３０はより小さい荷重を受け、ガイドベーンは支承部３０を介してハウジング構造体２４内に回転可能に取り付けられている。図６によれば、各ガイドベーンは、２つの支承部３０によって２つの場所に径方向及び軸方向で取り付けられている。
【００２８】
駆動シャフト２６、又はガイドベーン２１のベーンピン２２によって直接的に駆動可能なガイドベーン２１は、関節方式で複数パーツの伝達レバー２８を介して制御リング２７に連結されている。この複数パーツの伝達レバー２８は、少なくとも１つの第１セグメント３１と、第２セグメント３２と、を備え、第１セグメント３１は、駆動シャフト２６に、又は駆動シャフト２６から直接的に駆動可能なガイドベーン２１に剛性連結され、第２セグメント３２は、関節方式で制御リング２７に連結されている。優先的には、この伝達レバー２８は、直接的に回転可能なガイドベーン２１又は駆動シャフト２６を制御リング２７に連結するために働き、２パーツの伝達レバーとして実現され、そして、伝達レバー２８の第１セグメント３１及び第２セグメント３２は、関節方式で連結されている。示される好ましい例示的な実施形態では、２つの球面継手支承部３３が、２パーツの伝達レバー２８の第１セグメント３１と２パーツの伝達レバー２８の第２セグメント３２との間に形成されている。さらに、さらなる球面継手支承部３４が、この伝達レバー２８の第２セグメント３２と制御リング２７との間に形成されている。
【００２９】
図１〜図９に示されるガイドベーン調節装置の例示的な実施形態では、駆動シャフト２６から間接的に駆動可能なガイドベーン２１は、伝達レバー２９を介して制御リング２７に連結され、図１〜図９の例示的な実施形態の伝達レバー２９は、同様に複数パーツの伝達レバー２９として実現されている。これら伝達レバー２９の各々は、それぞれのガイドベーン２１に剛性連結された第１セグメント３５と、関節方式で制御リング２７に連結された第２セグメント３６と、を備え、図１〜図９の例示的な実施形態では、これら伝達レバー２９は、伝達レバー２８と同様に、２パーツの伝達レバー２９として構成されている。この場合、それぞれの伝達レバー２９の第１セグメント３５は、関節方式で伝達レバー２９の第２セグメント３６に接続され、図１〜図９の示される例示的な実施形態によれば、それぞれの伝達レバー２９の第１セグメント３５と伝達レバー２９のそれぞれの第２セグメント３６との間には２つの球面継手支承部３７が形成され、それぞれの伝達レバー２９の第２セグメント３６と制御リング２７との間には球面継手支承部３８が形成されている。
【００３０】
すでに上述したように、制御リング２７は、ハウジング構造体２４に対して周方向及び軸方向に移動可能であり、且つ径方向においてはガイドされるか又は単に固定される。図１０及び図１１は、このような制御リング２７を単独の描写で示しており、図１０の制御リング２７の内側走行面３９は、優先的には、内側走行面３９上での摩擦を低減するために、滑りニス又はＰＴＦＥ素材でコーティングされている。
【００３１】
図１１は、制御リング２７の別の形態を示し、この形態は、図１０と比較すると、単一パーツではなく複数パーツで形成され、且つ複数のいわゆる滑りパッド４０を備えており、滑りパッド４０は、図１１の制御リング２７の基礎本体４１に取り外し可能に接続されている。滑りパッド４０は、軸方向及び周方向での制御リング２７の運動中に制御リング２７の傾斜を防止し、且つ制御リング２７を遊びなくハウジング構造体２４上に組み付けることを可能にする。滑りパッド４０は、交換可能に製造され、優先的には良好な滑り特性、結果として低摩擦値を有する材料から製造される。滑りパッド４０は、滑りパッドホルダ４０ａを介して関節方式で基礎本体４１に接続され、このため、それら滑りパッド４０は、周方向に対して接線方向に且つ制御リング２７の回転軸線に対して垂直に位置する軸線周りに各々回転可能に取り付けられる。
【００３２】
すでに上述したように、図１〜図９に示される例示的な実施形態のすべての伝達レバー２８，２９は、２つのパーツで各々実現され、伝達レバー２８は、駆動シャフト２６、又は駆動シャフト２６から直接的に駆動されるガイドベーン２１を制御リング２７に連結し、伝達レバー２９は、制御リング２７を、伝達シャフト２６から間接的に駆動されるガイドベーン２１に連結し、伝達レバー２８，２９の各々の領域では、３つの球面継手支承部が、それぞれ形成され、球面継手支承部により、図３及び図５の比較によって特に明らかなように、制御リング２７の回転及び軸方向の移動中に変化する、それぞれの伝達レバー２８，２９と制御リング２７との間の高さ方向のオフセット又は径方向のオフセットを補償することが可能になる。
【００３３】
図１２〜図１４は、本発明の例示的な実施形態を示し、これらの実施形態では、駆動シャフト２６から間接的に駆動されるガイドベーン２１を制御リング２７に連結するために働く伝達レバー２９は、一体部品の弾性変形可能な伝達レバー２９として形成される。結果として、図１２及び図１３の例示的な実施形態では、一体部品の弾性変形可能な伝達レバー２９は、固定された一端でそれぞれのガイドベーン２１に連結され、他端で球面継手支承部４２を介して制御リング２７に連結されている。それぞれの伝達レバー２９のこれら２つの端部の間の移行セクション４３では、伝達レバー２９は、弾性変形可能であり、これにより、制御リング２７と、間接的に移動可能なガイドベーン２１と、の間の制御リング２７の周方向の移動及び軸方向の移動中に変化する、高さ方向のオフセット又は径方向のオフセットを補償する。
【００３４】
図１４の例示的な実施形態は、伝達レバー２８，２９の具体的な実施形態により、図１２及び図１３の例示的な実施形態と異なっている。
【００３５】
図１２及び図１３の例示的な実施形態では、図１〜図９の例示的な実施形態と同様に、伝達レバー２８のセグメント３１，３２は、実質的に、軸方向において並んで位置決めされているが、図１４の例示的な実施形態では、伝達レバー２７のこれらセグメント３１，３２は、実質的に、径方向において重なって位置決めされている。
【００３６】
図１４の例示的な実施形態と図２及び図３の例示的な実施形態との間のさらなる差異は、一体部品の伝達レバー２９の幾何学的輪郭にあり、一体部品の伝達レバー２９は、伝達レバー２９の２つの端部の間の移行セクション４３において弾性変形可能であり、従って他のセクションと比較するとこの移行セクション４３において相対的に薄い壁とされて実現されている。
【００３７】
すべての例示的な実施形態は、ガイドベーンリング２０のガイドベーン２１が駆動シャフト２６から直接的に駆動可能であることで共通している。ここで、駆動シャフト２６又は直接的に駆動されるガイドベーン２１は、制御リング２７に連結されている。この連結は、優先的には、優先的に３つの球面継手支承部を有する２パーツの回動レバー２８を介して行われる。ガイドベーンリング２０のすべての残りのガイドベーン２１は、制御リング２７を介して駆動シャフト２６から間接的に駆動可能であり、これらガイドベーン２１は、さらなる伝達レバー２９を介して制御リング２７に連結されている。制御リング２７は、径方向において、図示されないロータの回転軸線と同軸上に取り付けられ、且つ重ね合わせた方式で軸方向の直線運動及び周方向での回転運動を行うことができる。間接的に調節可能なガイドベーンを制御リング２７に連結するために働く伝達レバー２９は、直接的に調節可能なガイドベーン２１を制御リング２７に結合するために働く伝達レバー２８と同様に、複数パーツで、あるいは一体部品で実現することができる。伝達レバー２８，２９の領域での球面継手支承部の使用が好ましいが、ヒンジ継手が採用されてもよい。
【００３８】
図１〜図５では、伝達レバー２８，２９は、ハウジング構造体２４の外側でベーン基部の径方向外側端部に作用する。図６及び図７では、伝達レバー２８，２９が伝達レバー２８，２９の支承部３０の間で作用する。
【００３９】
本発明によるガイドベーン調節装置により、ガイドベーンリングのガイドベーンを最適に調節すること、すなわち寄生力を回避するとともに全体的な低摩擦及び低ねじれ荷重を保証することを可能にする。ここで、本発明のガイドベーン調節装置は、構成要素の低い荷重でガイドベーンリングのガイドベーンを移動させるための効果的な運動力学を提供し、この結果、ガイドベーン調節装置を利用するターボ機械では、高い吸引圧力を利用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
２０  ガイドベーンリング、２１  ガイドベーン、２５  ガイドベーン軸線、２６  駆動シャフト、２７  制御リング、２８  伝達レバー、２９  さらなる伝達レバー、３１  第１セグメント、３２  第２セグメント、３３  継手支承部、３４  継手支承部、３５  第１セグメント、３６  第２セグメント、３７  継手支承部、３８  継手支承部、４２  継手支承部
【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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