(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸線（１１）を有する回転要素及び固定要素（３０）を備えるアンダクテッド推力発生システム（１０）であって、
前記回転要素が、複数のブレード（２１）を有し、それぞれの前記ブレード（２１）が、前記回転軸線（１１）に近接するブレード根端と、前記回転軸線（１１）から離れたブレード先端と、前記ブレード根端と前記ブレード先端との間で測定されるブレードスパンとを有し、
前記ブレード（２１）が、３０％スパンにおいて、前記ブレード（２１）のブレードキャンバが、５０％スパン〜１００％スパン間の最大ブレードキャンバの、少なくとも９０％であることと、０％スパンでの前記ブレードキャンバが、５０％スパン〜１００％スパン間の最大ブレードキャンバの、少なくとも１１０％であることと、それらの組み合わせとからなる群より選択される特性を有する、アンダクテッド推力発生システム（１０）。
【請求項２】
前記固定要素（３０）が、複数のベーン（３１）を有し、それぞれの前記ベーン（３１）が、前記回転軸線（１１）に近接するベーン根端と、前記回転軸線（１１）から離れたベーン先端と、前記ベーン根端と前記ベーン先端との間で測定されるベーンスパンとを有し、前記根端、前記先端、及び前記ベーンスパンが、前記前記回転要素によって付与された接線速度とは逆向きの空気の接線速度を変化させるように構成されている、請求項１に記載のアンダクテッド推力発生システム（１０）。
【請求項３】
前記ベーン（３１）が、前記回転要素の上流に配置されている、請求項２に記載のアンダクテッド推力発生システム（１０）。
【請求項４】
前記ベーン（３１）が、前記回転要素の下流に配置されている、請求項２に記載のアンダクテッド推力発生システム（１０）。
【請求項５】
前記ベーン（３１）の少なくとも１つが、前記回転軸線（１１）から遠位にシュラウドを備える、請求項２乃至４のいずれか１項に記載のアンダクテッド推力発生システム（１０）。
【請求項６】
前記アンダクテッド推力発生システム（１０）の後方の空気流におけるＣｕが、前記ベーン（３１）の前記スパンの大部分にわたり、回転要素のΔＣｕと比較して、相対的に低い、請求項２乃至５のいずれか１項に記載のアンダクテッド推力発生システム（１０）。
【請求項７】
前記アンダクテッド推力発生システム（１０）が、プロペラシステムである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアンダクテッド推力発生システム（１０）。
【請求項８】
前記アンダクテッド推力発生システム（１０）が、オープンロータシステムである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアンダクテッド推力発生システム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載された技術は、アンダクテッド推力発生システムに関し、詳細には、固定要素と一対にされた回転要素に対する、スパン方向の空気力学的な荷重分布に関する。「オープンロータ」のガスタービンエンジンに適用された場合に、この技術は特に有益である。
【背景技術】
【０００２】
オープンロータ設計のアーキテクチャを採用したガスタービンエンジンが知られている。ターボファンエンジンは、中心部のガスタービンコアが、エンジンのナセルと、エンジンコアとの間の、半径方向の位置に配置されたバイパスファンを駆動するという原理に基づいて動作する。一方、オープンロータエンジンは、エンジンナセルの外側に配置されたバイパスファンを有するという原理に基づいて動作する。このため、より大きな体積の空気に作用できる、ターボファンエンジン用のファンブレードよりも大きなファンブレードを使用できるようになり、これにより、従来のエンジン設計に対して推進効率が向上する。
【０００３】
二重反転ロータ組立体によって設けられたファンを有するオープンロータ設計に、最適な性能が見受けられる。二重反転ロータ組立体のそれぞれのロータ組立体は、エンジンナセルの外側に配置された、翼形ブレードの配列を有している。本明細書で使用される場合、「二重反転関係」とは、第１のロータ組立体及び第２のロータ組立体のそれぞれのブレードが、互いに対して逆の方向に回転するように配置されていることを意味する。通常、第１のロータ組立体及び第２のロータ組立体のそれぞれのブレードは、共通の軸線を中心に、逆方向に回転するように配置されており、この軸線に沿って、軸方向に離れて配置されている。例えば、第１のロータ組立体及び第２のロータ組立体の各ブレードは、第１のロータ組立体のブレードが、軸線を中心に時計回りに回転するように構成されており、かつ第２のロータ組立体が、軸線を中心に反時計回りに回転するように構成されている状態（又はその逆）で、同軸に取り付けられ、かつ軸方向に離れて配置されている。外観については、オープンロータエンジンのファンブレードは、従来のターボプロップエンジンのプロペラブレードと似ている。
【０００４】
二重反転ロータ組立体を使用することには、それぞれの２つのロータ組立体の翼形ブレードを逆方向に駆動するために、出力タービンから動力を伝達することにおいて、技術的な課題がある。
【０００５】
設計の複雑さを低減し、さらに二重反転推進設計と同等以上の推進効率レベルが得られる、従来のバイパスファンに類似した、単一の回転プロペラ組立体を使用する、オープンロータ推力発生システムを提供することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】韓国特許第１０１１７９２７７号明細書
【発明の概要】
【０００７】
アンダクテッド推力発生システムは、回転軸線を有する回転要素及び固定要素を有する。回転要素が、複数のブレードを有し、それぞれのブレードが、回転軸線に近接するブレード根端と、回転軸線から離れたブレード先端と、ブレード根端とブレード先端との間で測定されるブレードスパンとを有する。回転要素が、ブレード根端と３０％スパンとの間のどの場所でも、空気流におけるΔＲＣｕの値が、空気流におけるピークΔＲＣｕの６０％以上であるような荷重分布を有する。
【０００８】
添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成しており、１つ以上の実施形態を示し、本記述と共に、これらの実施形態を説明している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的なアンダクテッド推力発生システムを示す正面断面図である。
【図２】アンダクテッド推力発生システム用の、例示的なベーン組立体の、別の実施形態の図である。
【図３】２つの例示的な実施形態の、両列にわたるＣｕを示すベクトル図である。
【図４】従来の構成と比較して、アンダクテッド推力発生システムの、２つの例示的な実施形態の、空気力学的なロータ荷重分布を示すグラフである。
【図５】２つの従来の構成と比較して、アンダクテッド推力発生システムの、２つの例示的な実施形態の、出口スワール速度、及び軸方向の速度を示すグラフである。
【図６】キャンバ及びスタッガ角等の各種パラメータが、ブレード又はベーンに対して、どのように定義されているかを示すグラフである。
【図７】従来の翼形ブレードと比較して、翼形ブレードの例示的な実施形態と関連する各パラメータを示すグラフである。
【図８】断面線位置１〜１１が特定された、アンダクテッド推力発生システム用の、例示的な翼形ブレードの正面図である。
【図９】先に参照した従来の翼形ブレードを通る類似の断面と比較した、断面線位置１における図８の例示的な翼形ブレードの断面図である。
【図１０】先に参照した従来の翼形ブレードにより類似の断面と比較した、断面線位置２における図８の例示的な翼形ブレードの断面図である。
【図１１】先に参照した従来の翼形ブレードにより類似の断面と比較した、断面線位置３における図８の例示的な翼形ブレードの断面図である。
【図１２】先に参照した従来の翼形ブレードにより類似の断面と比較した、断面線位置４における図８の例示的な翼形ブレードの断面図である。
【図１３】先に参照した従来の翼形ブレードにより類似の断面と比較した、断面線位置５における図８の例示的な翼形ブレードの断面図である。
【図１４】先に参照した従来の翼形ブレードにより類似の断面と比較した、断面線位置６における図８の例示的な翼形ブレードの断面図である。
【図１５】先に参照した従来の翼形ブレードにより類似の断面と比較した、断面線位置７における図８の例示的な翼形ブレードの断面図である。
【図１６】先に参照した従来の翼形ブレードにより類似の断面と比較した、断面線位置８における図８の例示的な翼形ブレードの断面図である。
【図１７】先に参照した従来の翼形ブレードにより類似の断面と比較した、断面線位置９における図８の例示的な翼形ブレードの断面図である。
【図１８】先に参照した従来の翼形ブレードにより類似の断面と比較した、断面線位置１０における図８の例示的な翼形ブレードの断面図である。
【図１９】先に参照した従来の翼形ブレードにより類似の断面と比較した、断面線位置１１における図８の例示的な翼形ブレードの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の図のすべてにおいて、図に示された様々な実施形態を通じ、同様の参照数字を用いて同様の要素を指す。
【００１１】
図１は、例示的なアンダクテッド推力発生システム１０を示す正面断面図である。図１から分かるように、アンダクテッド推力発生システム１０は、オープンロータ推力発生システムの形態をとっており、プロペラ組立体として示される回転要素２０を有している。プロペラ組立体は、アンダクテッド推力発生システム１０の中心長手方向軸線１１を中心に、ブレード２１の配列を含む。アンダクテッド推力発生システム１０はまた、例示的な実施形態において、回転しない固定要素３０を含み、回転しない固定要素３０は、やはり中心長手方向軸線１１を中心に配置された、ベーン３１の配列を含む。これらのベーンは、すべてがプロペラから等距離には位置しないように配置されてもよく、（図２に示されように）軸線１１から遠位に、環状シュラウド即ちダクト１００を任意で備えてもよいし、又はシュラウド無しであってもよい。これらベーンは、固定フレームに取り付けられており、中心長手方向軸線１１に対して回転しない。参考のために、図１では、矢印Ｆで表された順方向も示す。
【００１２】
図１に示されるように、例示的なアンダクテッド推力発生システム１０はまた、伝動装置５０を介して回転要素２０にトルク及び動力を付与する駆動機構４０を含む。様々な実施形態では、駆動機構４０は、ガスタービンエンジン、電動機、内燃機関、又はその他の適切なトルク供給源及び動力供給源であってもよく、回転要素２０に近接して配置されてもよいし、又は、適切に構成された伝動装置５０を介し、離れて配置されてもよい。伝動装置５０は、動力及びトルクを、駆動機構４０から回転要素２０に伝達する。伝動装置５０は、１つ以上の軸、ギアボックス、又は、他の機械駆動システムもしくは流体駆動システムを含んでもよい。
【００１３】
回転要素２０の翼形ブレード２１は、回転要素２０が、中心長手方向軸線１１を中心に所定の方向に回転させられた場合、空気のような作動流体を、図１に示されるようなＺ方向に移動させることにより推力を発生させるように、寸法、形状が定められ、かつ構成されている。そうすることにより、ブレード２１は、流体がＺ方向に移動する際に、ある程度のスワールを流体に対して付与する。固定要素のベーン３１は、回転要素に入力された所与の軸動力に対する推力を生成する運動エネルギーを増大させるために、流体のスワールの大きさを減少させるように、寸法、形状が定められ、かつ構成されている。ブレード及びベーンの両方に関して、スパンが、根端と先端との間の距離として定義されている。ベーン３１は、図１に示されるように、例えばブレード２１のスパンの５０％と、スパンが、ブレード２１より短くてもよく、また、必要に応じて、ブレード２１より長くてもよいし、又は同じであってもよい。ベーン３１は、図１に示されるように、アンダクテッド推力発生システムに関連付けられた航空機構造体に取り付けられてもよく、又は、翼、パイロン、もしくは胴体等の、別の航空機構造体に取り付けられてもよい。固定要素のベーン３１の数は、回転要素のブレード２１の数より、少なくても多くてもよく、又は同じであってもよい。通常、この数は、２つより多いか、又は４つより多い。
【００１４】
固定要素３０のベーン３１は、逆スワールベーンとして機能するように、即ち、回転要素２０の回転方向とは逆向きの接線速度を付与するように、ブレード２１の空気力学的上流に配置され得る。また、図１に示されるように、ベーン３１は、スワール抑制ベーンとして機能するように、即ち、回転要素２０の接線速度とは逆向きの接線速度を変化させるように、ブレード２１の空気力学的下流に配置されてもよい。アンダクテッド推力発生システム１０の下流の気流に残留しているスワールはいずれも、推力を発生させる運動エネルギーの損失と同等と見なされる。
【００１５】
１組のブレード２１、及び１組のベーン３１のいずれか一方、又は両方が、互いから独立して、又は互いに関連して、ピッチ回転の軸線に対して回転できるように、ピッチ変化機構を組み込むことが望ましい場合がある。このようなピッチ変化は、様々な運転条件下で、推力効果及び／又はスワール効果を変化させるために利用することができる。様々な運転条件には、推力反転機能を提供することが含まれるが、これは、航空機着陸時のような特定の運転条件において有用であり得る。
【００１６】
図３は、回転要素及び固定要素にわたるＣｕの変化を示す。ここで、Ｃｕとは、円周方向の平均接線速度のことである。ベクトル図が座標系で示されている。この座標系内で、軸方向は、下向きの方向であり、接線方向は、左から右である。Ｃｕに、気流における半径Ｒを掛ける乗算により、特性ＲＣｕが得られる。所定の半径Ｒでのブレード荷重又はベーン荷重とは、ここでは、ブレード列にわたる、（一定の半径での、又は流管に沿った）、ＲＣｕの変化として定義される。以下、この変化はΔＲＣｕと呼ばれ、前述のブレード列の、基本的な、特定のトルクの尺度である。回転要素に対するΔＲＣｕは、スパン全体にわたって、回転方向を向いていることが望ましい。
【００１７】
図４は、例示的なアンダクテッド推力発生システム１０の、回転要素２０のスパンに対する、空気力学的な荷重分布を示すグラフである。図４は、３つの曲線を示す。菱形付きの曲線は、スワール抑制システムを有しない単一の回転プロペラ用の、運動エネルギーの無駄を最小限にするように／運動エネルギーを使用しないように最適化された、従来のプロペラ組立体に関する荷重分布である。四角付きの曲線、及び三角付きの曲線は、本明細書に記載されたアンダクテッド推力発生システム１０の、例示的な実施形態に関する荷重分布である。図４に示されるように、例示的な実施形態に関する両曲線は、スパン全体にわたって、ΔＲＣｕがより均一であり、特にブレード根端とスパン中央部との間の領域で、均一である。実際は、３０％スパンの位置で、ΔＲＣｕの値は、ΔＲＣｕの最大値の６０％以上であり、ΔＲＣｕの最大値の７０％以上であることが好ましく、ΔＲＣｕの最大値の８０％以上であることが、より好ましい。ΔＲＣｕは、従来の方法で、回転要素（プロペラブレード列）にわたって測定される。ブレード２１は、当業者に知られている技術を使用して、この荷重分布を有するように、寸法、形状が定められ、かつ構成されている。
【００１８】
本明細書に記載された例示的な実施形態は、回転要素即ちプロペラ組立体のブレードにわたる、ΔＲＣｕの具体的な分布を示す。回転要素即ちプロペラ組立体のブレードには、スワール抑制ベーン、又は上流の逆スワールベーンのいずれかに含まれる固定要素が含まれる。Δ設計プロセスにおいて、このΔＲＣｕは、航空機の飛行速度、ロータの回転速度、及び空気のベクトル図を定めるために、プロペラ組立体によって必要とされる推力全体と関連付けて使用される。
【００１９】
図５は、アンダクテッド推力発生システムの出口における、スワール、Ｃｕ、及び軸方向速度Ｖｚを示す。図５は、４つの曲線を示す。菱形付きの曲線、及び「ｘ」記号付きの曲線は、それぞれ、ロータのみと、スワール抑制ベーンを有する従来のロータとの、２つの従来の構成に関するものである。四角付きの曲線、及び三角付きの曲線は、本明細書に記載された２つの例示的な実施形態に関するものである。従来の構成に比べて、これらの実施形態では、出口スワールが少なく、軸方向の速度がより均一であり、出口流れでの運動エネルギーの無駄が少ないこと、及びより多くのエネルギーが有用な推力に変換されることが示されている。
【００２０】
図６は、キャンバ及びスタッガ角等の各種パラメータが、ブレード又はベーンに対して、どのように定義されているかを示すグラフである。翼形中心線は、すべての位置において、翼形部の厚さを二等分する（即ち負圧面、及び正圧面から等距離にある）線として描かれた線である。翼形中心線は、前縁及び後縁で、翼形部と交差している。翼形部のキャンバは、前縁における翼形中心線の接線と、後縁における翼形中心線の接線との間の、角度変化として定義されている。スタッガ角は、弦線が、中心長手方向軸線となす角度として定義されている。基準線４４は、中心長手方向軸線１１と平行であり、基準線５５は、基準線４４と直交している。
【００２１】
騒音削減の利益に加えて、図２に示されるダクト１００は、固定ベーン３１を結合して環状のリングを形成する１つの組立体、又は１つ以上の円周方向のセクタを形成することにより、固定ベーン３１の振動応答性及び構造的一体性に関する利益をもたらす。１つ以上の円周方向のセクタとは即ち、複数のダブレットを形成する複数の対等の、２つ以上のベーン３１を連結する、環状のリングの複数の部分を形成するセグメントである。ダクト１００により、ベーンのピッチを、必要に応じて変更できる場合がある。
【００２２】
開示されたファンの概念によって生成されるノイズの、重要な、おそらく主要ともいえる部分は、上流のブレード列によって生成された伴流と乱流との間の相互作用と、下流のブレード列表面での、その加速及び衝突とに関係している。固定ベーンを覆うように、シュラウドとして作用する部分的ダクトを導入することにより、ベーン表面で発生したノイズを遮蔽し、ファーフィールドに効果的に無音域を作り出すことができ、これにより、騒音全体を減少させることができる。ダクトの軸方向の長さが大きくなるにつれ、ダクトを通る音響放射の効率が、音響を遮断する現象に、より大きく影響される。音響を遮断する現象は、ファーフィールドへの音響放射を制限するために、そのまま従来の航空機エンジンに利用され得る。また、シュラウドの導入により、音が定期航空機に反射する音、あるいは、定期航空機と相互作用する音を減衰させるために、従来の航空機エンジンに対して現在行われているような音響処理を統合する機会を得ることができる。音響処理された表面を、固定ベーンの上流及び下流で、シュラウドの内側と、ハブ表面との両方に導入することにより、固定ベーンから生じる音波の多重反射を、実質的に減衰できる。
【００２３】
設計プロセスに続いて、図３に示されるような所望のベクトル図を作り出す、ブレードの幾何学的形状が定められる。基本的な所望される特性は、トルク配分であるが、その結果、所望のトルク配分を達成するために設計されたブレードの幾何学的形状が得られる。スワール抑制ベーン無しの単一の回転プロペラに対して、現在のところ最適とされる幾何学的形状と比較した場合の、所望のトルク特性を生み出すために必要とされる幾何学的形状の変化の例が、図７に示される。この幾何学的形状の変化が、ブレードの内側の部分、即ち約０％スパン〜約５０％スパンにおける、ブレードキャンバの変化につながることが見てとれ、例示的な実施形態の特徴も、キャンバ分布によって概略的に定義され得ることが期待される。以下の基準の少なくとも１つが満たされる。即ち、３０％スパンにおいて、ブレードキャンバが、５０％スパン〜１００％スパン間の最大キャンバレベルの、少なくとも９０％であること、及び、０％スパンでのキャンバが、５０％スパン〜１００％スパン間の最大キャンバの、少なくとも１１０％であることである。
【００２４】
図８は、本明細書に記載されたアンダクテッド推力発生システムに使用される、図１に示されたような、例示的な翼形ブレード２１の正面図であり、断面線位置１〜１１が特定されている。断面１がブレード先端に当たり、断面１１がブレード根端に当たる。ブレードスパンは、根端と先端との間で測定される。図９〜図１９は、例示的な翼形ブレード２１に関する、断面線位置１〜１１での翼形ブレードの断面図と、先に参照した従来の翼形ブレードによる類似の断面図との両方を順次示す。連続した図に示されるように、２つの翼形ブレードは、断面１から断面１１に向かって、即ち先端から根端に向かって、断面の寸法、形状、及び向きの差が次第に大きくなっている。例示的な翼形ブレードと、従来の翼形ブレードとの間の差異が最大になる領域は、荷重分布の差異が最大になる場合と同様に、ハブの付近にある。
【００２５】
本明細書に記載された技術を、本願の譲受人に譲渡された、同時係属中の出願、国際出願PCT/US2013/66392号及び国際出願PCT/US2013/066403号と組み合わせて利用することが望ましい。
【００２６】
水平飛行が意図された従来の航空機用プラットフォームに使用するのに適した構造に加えて、本明細書に記載された技術は、ヘリコプタ、ティルトロータの応用例、及びリフト装置、並びに空中停止する装置にも利用され得る。
【００２７】
この技術を使用できる可能性のある他の構造には、空気流からエネルギーを取り出し、有用なトルクを発生させるように設計された、風車のような構造が挙げられる。風車は、発電機を駆動し電気を発生させるために、風車のある場所を通り過ぎる空気から、エネルギーを取り出すことによって発生したトルクを使用している。そのような構造は、上流の逆スワールベーンを含んでもよい。
【００２８】
本明細書に記載された技術は、２０ＳＨＰ／ｆｔ2（１平方フィート当たりの軸馬力）を超える単位環状面積当たりの軸動力で航行する航空機にとって、特に有益である。そのような航空機では、スワール損失が、深刻な問題となるおそれがある。２０ＳＨＰ／ｆｔ2以上の荷重により、航空機は、スワール損失を制限するための過大なプロペラ領域を必要とすることなく、０．６マッハ数を超えるマッハ数で、航行することが可能になる。本発明の主要な利益の１つは、スワール損失による深刻な不利益を受けることなく、単位環状面積当たりの高い軸動力を達成する能力であり、これにより、０．８以上のマッハ数で航行する見込みが立つ。
【００２９】
例示的な実施形態は、アンダクテッド推力発生システム用のプロペラ組立体を開示している。プロペラ組立体は、複数のプロペラブレードを有し、それぞれのプロペラブレードが、回転軸線に近接するブレード根端と、回転軸線から離れたブレード先端と、ブレード根端とブレード先端との間で測定されるブレードスパンとを有する。プロペラ組立体は、前記ブレード根端と３０％スパンとの間のどの場所でも、ΔＲＣｕの値が、ピークΔＲＣｕの６０％以上であり、好ましくは、３０％スパンにおいて、ΔＲＣｕの値が、ピークΔＲＣｕの７０％以上であるような荷重分布を有する。
【００３０】
本発明の実施形態に関する前述の説明は、単なる例示の目的で提供されており、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【００３１】
本出願は、２０１３年１０月２３日に出願された、国際出願PCT/US2013/66392号明細書、代理人整理番号２６４５４９−２、表題「UNDUCTED THRUST PRODUCING SYSTEM ARCHITECTURE」、及び２０１３年１０月２３日に出願された、国際出願PCT/US2013/066403号明細書、代理人整理番号２６５５１７−２、表題「VANE ASSEMBLY FOR AN UNDUCTED THRUST PRODUCING SYSTEM」に関連し、その内容全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
【符号の説明】
【００３２】
１０  アンダクテッド推力発生システム
２０  回転要素
３０  固定要素
４０  駆動機構
５０  伝動装置
１００  ダクト
１１  中心長手方向軸線、軸線
２１  翼形ブレード、ブレード
３１  ベーン
４４  基準線
５５  基準線
１〜１１  断面線位置、断面
【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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【図１５】
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【図１６】
0006360063.tif 000017
【図１７】
0006360063.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
0006360063.tif 000020