(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却媒体を搬送する金属管（５６，５８）と、該管用の金属支持体表面（６６，６８，７３，７５，７９）と、前記管及び支持体表面の少なくとも一方に設けられそれらの境界面での前記管と支持体表面との摩擦係数を低下させる皮膜とを有するガスタービンであって、前記皮膜が、前記管及び支持体表面の少なくとも一方の母材を被覆するコバルト系合金の第１皮膜と、前記第１皮膜を被覆する第２セラミック系皮膜とを含む、ガスタービン。
【請求項２】
前記管及び前記支持体表面の各々が、それらの境界面に前記管及び支持体表面の各々の母材を被覆するコバルト系合金の第１皮膜を有する、請求項１記載のガスタービン。
【請求項３】
前記母材がニッケル合金を含む、請求項１又は請求項２記載のガスタービン。
【請求項４】
前記コバルト系合金がモリブデンを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項５】
前記コバルト系合金がクロムを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項６】
前記コバルト系合金が珪素を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項７】
前記コバルト系合金がコバルト、モリブデン、クロム及び珪素を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項８】
前記コバルト系合金がモリブデン２８％、クロム１７％、珪素３％を含み、残部がコバルトである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項９】
前記セラミック系合金が二硫化モリブデンを含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項１０】
前記管及び支持体表面の少なくとも一方が前記コバルト系合金の下に粗面を有する、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項１１】
前記管（５６，５８）が前記支持体表面（６６，６８，７３，７５，７９）に管を装着するために軸方向に沿って間隔をおいて配置される盛り上がったランド部（７０）を有し、前記皮膜が前記ランド部の外側表面に設けられていて、前記コバルト系合金の第１皮膜が前記管のランド部を被覆している、請求項１記載のガスタービン。
【請求項１２】
前記支持体表面が前記ランド部を保持する弧状の内面を有し、前記弧状の内面に施された皮膜が、前記支持体表面の母材を被覆する第１のコバルト系合金皮膜と前記第１皮膜を被覆する第２のセラミック系皮膜とを含んでおり、前記支持体表面と前記ランド部の境界がセラミック系皮膜を含む、請求項１１記載のガスタービン。
【請求項１３】
請求項１記載のガスタービンであって、当該ガスタービンが、複数のローター羽根車とスペーサーを軸方向に積み重ねたローターとローター回転軸から間隔をおいて整列した複数の開口部を有しており、前記羽根車及びスペーサーの整列した開口部に軸方向に伸長する管（５６，５８）が収容されており、前記羽根車の１つと前記スペーサーの１つが成す境界で前記管（５６，５８）のまわりにシール組立体が設けられており、該シール組立体が、
前記羽根車とスペーサーの１つに開けられた１番目の開口部に一部収容され、前記羽根車とスペーサーの別の１つの対向面と軸方向に整合する半径方向に伸張するフランジ（８８）を含む環状シールサポート（８０）と、
前記１番目の開口部と軸方向に対向する羽根車とスペーサーの前記別の１つに開けられた２番目の開口部に一部収容されシート（９６）を備えるシートブッシュ（８２）と、
前記シールサポートと前記ブッシュの間に設け、前記シールサポートと前記シート（９６）の間をシールするため半径方向外側端部（９３）で前記シールサポート（８０）と係合し半径方向内側端部（９８）で前記シート（９６）と係合する環状の円錐台形部材（８４）を具備しており、
前記シールサポート（８０）と前記シールリング外側端部（９３）の一方の母材を被覆するコバルト系合金の第１皮膜と、前記第１皮膜を被覆する第２のセラミック系皮膜と、
前記シート（９６）と前記シール部材（８４）の前記半径方向内側端部（９８）の一方を被覆するコバルト系合金の第３皮膜と、前記第３皮膜を被覆する第４のセラミック系皮膜とを具備し、第１皮膜と第３皮膜の組成が同じであり、第２のセラミック系皮膜と第４のセラミック系皮膜の組成が同じである、ガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
この発明はガスタービンローター内を流れる熱媒体によって冷却される回転部品を有するガスタービンに関し、とくにその熱媒体の供給管と帰還管、支持部材、およびこれらに対するシール組立を皮膜することで、その管と支持部材間の摩擦係数および各シール表面間の摩擦係数を低減するための皮膜に関する。発明人の先行米国特許出願第09/334,187号（1999年6月16日出願）にはローター内腔から、ローター外周部へ向け半径外側方向、ローター外周部に沿った軸方向、および動翼冷却のためタービンの動翼に向け半径外側方向に、熱媒体、例えば冷却スチームを供給する冷却閉回路を有するガスタービンを開示している。それに加え、冷却回路はこうして加熱された冷却用熱媒体がローター 外周部および内腔管組立品経由で供給系に戻る帰還部を具備する。その配置においては、円周方向に間隔を取って設けた多数の供給管と帰還管がローター本体を形成する重ねたローター 羽根車とスペーサーの開口部を通って伸張している。その供給管および帰還管は羽根車およびスペーサー内で、管に沿って支持部材に接触するよう軸方向に間隔をとって配置したランド部を有する。
【０００２】
これらの軸方向の管および支持部材はローターの軸から半径方向にかなりの距離をもって配置される。これらの配置によりその管はタービン稼動中に実質的な遠心力を受け、この遠心力が管と支持部材の間に著しい接触力を引き起こす。さらに、その管は冷却用熱媒体を搬送するため、管はローター構造より急速に熱くなり、ローター構造および支持構造に対し管の軸方向の変位を引き起こす。ローター回転の遠心作用によって引き起こされた接触力は、接触摩擦係数と結合して、管の軸方向の熱膨張を妨げる実質的抵抗力を生じる。管の軸方向の変位に対する抵抗の大きさが管の軸方向応力の状態を直接決定する要因である。その結果、管の耐用年数を改善するには熱媒体搬送管の軸方向応力を低減する必要がある。
【０００３】
加えて、軸方向に隣接する羽根車とスペーサーの境界にシール組立品があり、管を包囲する羽根車とスペーサーの間の各空隙間および管支持部材の外側空隙をシールしている。 それら管支持部材はそれぞれブッシュと、ブッシュと間隔をおいて軸方向に対向するスリーブと、 およびブッシュの中の環状凹部内に設けブッシュとスリーブに係合している先細の環状シールリングとを具備する。シールリングとブッシュおよびスリーブとの合わせ面は時間が経つにつれて磨耗するため、シールリングの交換が必要である。
【０００４】
【発明の簡単な要約】
熱媒体搬送管の軸方向の応力を低減するため、この発明の好ましい実施態様に従えば、その管とそれらの支持部材の間の摩擦係数が実質的に低減される。詳細に説明すると、管と管支持部材の間の接触表面の一方または両方に皮膜が施される。詳細に説明すると、皮膜は管のランド部およびローター内の管を支持しているブッシュの内側接触面に設けられる。皮膜を施す表面は金属に残留圧縮応力を与えるため、初めに例えばショットピーニング処理により粗面にする。その粗面に対してコバルト系合金、例えば、トリバロイ(Triballoy) T800が高温下で施こされる。皮膜は管および例えばブッシュ等の支持部材のニッケル系合金と実質的に分子レベルで結合させるため表面に高速でかつ母材を破壊することなく吹き付けられる。この第１皮膜は、その後、第２皮膜を施すための平滑な基部になるよう、また、管と支持部材の境界面が平滑になるように機械仕上げされる。第２皮膜は耐磨耗性／フレッチング／ゴーリングセラミック系潤滑剤である。この潤滑剤は第１皮膜に吹き付けられ、例えば、1000°Fで約半時間、それから温度を下げて、例えば、500°Fでさらに約半時間焼成される。 焼成した潤滑剤は二硫化モリブデン、グラファイト、鉛系ガラスフリット、および三酸化アンチモンを含む乾燥した薄膜状の潤滑部である。潤滑部は１％よりも少ない水分を含む。前記皮膜を管のランド部の外側表面およびブッシュの内側弧状表面の両者に施すことで、それらの面どうしの間の接触摩擦係数が非常に低いものを得、支持部材に対する管の軸方向移動に対し抵抗が少なくなる。その結果として、これにより互いに接している部品の磨耗寿命は改善される。
【０００５】
この皮膜は、また、シール組立、とくに、シールリングと、隣接するブッシュおよびスリーブの接触面にも施こされる。その結果、ブッシュ内に形成された環状凹部およびスリーブ軸方向端面は、前記のように、皮膜を施される。それに加えて、シールリングとブッシュおよびシールリングとスリーブの各接触の摩擦係数が低くなるようにシールリングの内側および外側接触面が同様に皮膜を施される。
【０００６】
この発明による好ましい実施態様においては、冷却媒体を搬送する金属管および金属の管支持体表面を有するガスタービンにおいて、金属管の１つおよび管支持体表面にその管の１つと表面の境界面の摩擦係数を低下させる皮膜が設けられ、この皮膜は管の１つと表面の母材の上に重なるコバルト系合金の第１皮膜と、第１皮膜の上に重なる第２のセラミック系皮膜とを含む。
【０００７】
この発明によるさらに好ましい実施態様においては、ガスタービンに対する冷却媒体の供給管が提供され、この管は軸方向に沿って間隔をおいて配置される盛り上がったランド部を有し、このランド部によりタービンの支持部材中に前記管が装着されており、ランド部外側表面に設けられた皮膜がそのランド部と支持部材の間の境界面の摩擦係数を低下させ、この皮膜は管のランド部の上に重なるコバルト系合金の第１皮膜と、第１皮膜の上に重なりランド部と支持部材間の摩擦を低減する第２のセラミック系皮膜とを含む。
【０００８】
この発明によるさらに好ましいさらなる実施態様において、ローター羽根車とスペーサーを軸方向に積み重ねたローターとローター回転軸から間隔をおいて整列されて軸方向に伸長する管を収容する羽根車とスペーサーの開口部とを有するガスタービンにおける、羽根車の１つとスペーサーの１つが成す境界で前記管のまわりに設けられたシール組立において、前記羽根車とスペーサーの１つにおける１番目の開口部に一部収容され羽根車とスペーサーの別の１つの対向面と軸方向に整合する概して半径方向に伸張するフランジを含む概して環状のシールサポートと、１番目の開口部と軸方向に対向して羽根車とスペーサーの別の１つの２番目の開口部に一部収容されシートを備えるシートブッシュと、シールサポートとブッシュの間に設けシールサポートとシートの間をシールするため半径方向外側の端部でシールサポートと係合し半径方向内側の端部でシートと係合する環状の円錐台形の部材を具備するシールと、シールサポートとシールリング外側端部の一方の母材に重ねた第１のコバルト系合金皮膜と、第１皮膜に重ねた第２のセラミック系皮膜と、シートとシール部材の半径方向内側の端部の一方に重ねた第３のコバルト系合金皮膜、および第３皮膜に重ねた第４のセラミック系皮膜とを具備する、シール組立が提供される。
【０００９】
【発明の詳細な記述】
図１について説明すると、この発明を導入したタービン部が総じて参照番号10で示してある。タービン部10はタービンローター Rを包囲するタービンハウジング12を具備する。この発明の例では、ローター Rは羽根車 14, 16, 18および 20を含む連続４段であり、円周方向に間隔をおいて取り付けた多数のバケットまたは動翼22, 24, 26および28をそれぞれ備えている。羽根車はスペーサー 30, 32 および34と交互に配置してある。スペーサー30, 32および34の外側外周部は多数の静翼またはノズル36, 38 および40と半径方向で整合しており、第１バケット 22の前方に第１組のノズル 42がある。したがって、４段タービンが例示されすなわち第１段がノズル42およびバケット22を、第２段がノズル36およびバケット24を、第３段がノズル38およびバケット 26を、そして最終の第４段がノズル40およびバケット28を含むことが認識される。ローター羽根車およびスペーサーは円周方向に間隔を取って配置され羽根車およびスペーサー内に整列された開口部を貫通する多数のボルト44により、互いに固定される。多数の燃焼器の１つが参照番号45で示されるが、これら燃焼器はタービン部の周辺に配置され、ノズルとローターを回転するバケットを配したタービン部の高温ガス通路を通じて高温燃焼ガスを供給する。ローターは、また、総じて番号48で示される内腔管組立品と一体化した後部ディスク46を具備している。
【００１０】
最初の２段のバケット22 および24の組の少なくとも１段の組、好ましくは両方に冷却用熱媒体、好ましくは冷却用スチームが供給される。冷却用スチームは内腔管組立品48 を通して供給され帰還する。図１および図２に関し、好ましい実施態様では、内腔管組立品は後部ディスク46に設けられた半径方向に伸張する多数の管54に流すためスチームプレナム52から冷却用スチームを供給する環状通路50を含む。管54は円周方向に間隔を置いて配置され、軸方向に伸張する、第１段および第２段のバケットと連通した、熱媒体供給管56と連通している。高温下にある消費されまたは帰還する冷却用スチーム は第１段および第２段バケットから円周方向に間隔を置いて配し、軸方向に伸張する多数の帰還管58を通って流れる。 帰還管58はそれらの後部端において後部ディスク46内の半径方向内側に向かって伸張する帰還管60に連通する。管60から、消費されたスチームは内腔管組立品48の中央内腔に流入し、スチーム供給体に戻るかまたはコンバインド−サイクルシステムで使用するためスチームタービンへ流れる。
【００１１】
前記の説明から認められるように、軸方向に伸張する供給管56および帰還管58が、それぞれ、羽根車とスペーサーを軸方向に積み重ねた部分を貫通して軸方向に整列した開口部を通って軸方向に伸長する状態でローター外周部近くに設けられている。例えば、羽根車20およびスペーサー34の整列された開口部62および64が、それぞれ、図３に示してある。同様な整列された開口部が第１段、第２段、および第３段の羽根車とスペーサーに設けられる。
【００１２】
図３に説明されているように、ブッシュを含む支持部材が冷却媒体供給管56および帰還管58をそれぞれ支持するため羽根車およびスペーサーの開口部内のさまざまな位置に設けられている。例えば、ブッシュ66および68がスペーサー34を貫く開口部64の隣接した対向端部に配置される。同様のブッシュが２段と３段のスペーサー32 の対向端部に配置されている。ブッシュ73および75は羽根車16の前方開口部およびスペーサー30の後方開口部に設けられる。ブッシュ7６がまた４番目の羽根車20を通る開口部の後端に示してある。同様のブッシュが供給管の整列開口部に設けてある。また、若干のブッシュにシール組立が設けてありそしてブッシュとシールを組み合わせたものは以下に図９で説明する。
【００１３】
図５と図６について説明すると、供給管56および帰還管58が示してある。その管はこの発明に関して類似の形状であり、特に注釈の無い限り、１つについて説明すれば十分である。それぞれの管は薄壁の構造からなり、管の長さに沿って軸方向に間隔をとった位置で盛り上がって厚くなった多数のランド部70を有する。ランド部70の軸方向の位置は羽根車およびスペーサーを通る開口部内のブッシュの位置と一致する。各ランド部70の間は薄壁の管部72(図３)である。図５と図６から、ランド部70の外面の外側は薄壁部72の外面に対し半径方向で外側にあることが認識される。各ランド部70と隣接する薄壁部72の間に遷移部74が設けてある。その遷移部74はランド部外側の面から薄壁部72の外側の面へ半径方向の内側に移行する弧状の外表面を有する。これらの遷移部74は盛り上がったランド部から薄い部分へかけて応力をなだらかにする。拡大ランド部またはフランジ76は、以下に説明する理由により、それぞれの管の後部に接して設けてある。図５に説明されるように、供給管56の端部内面は、帰還管の熱媒体流出入のためのスプール管の凸状面とはめ合い係合するため、凹状の面78を有する。
【００１４】
薄壁部はランド部間で支持されておらず、ローター回転中の遠心力が大きい場では管が重くなればなるほどランド部とブッシュの間の支持点で管が担持する摩擦力が大きくなることが認識される。 管は熱応力または機械応力の影響下にあるため、支持部での負荷が高くなればなるほど、管が固定した後端から軸方向に熱膨張して摩擦負荷が高くなる。管の後端を固定している結果、支持点に生じた摩擦負荷は前部から後部に向かって次第に増大する負荷を生じる。すなわち、熱膨張による管の実際の負荷は後部方向で増加する。管に沿って肉厚を変えることで、とくに管の後部方向程厚くすることで、各支持点の前方のより高い摩擦負荷を吸収することができる。言い方を変えれば、それぞれの薄壁部が軸方向前方に向かって薄くなればなるほど、ある支持点に掛かる重量は少なくなり、結果的に、熱膨張の状態下で発生する摩擦負荷は小さくなる。管は後端で固定してあるため熱膨張は軸方向前方に移動する。各支持位置での累積的な摩擦負荷はその位置の負荷にその軸方向前方の位置の負荷を加えたものである。
【００１５】
とくに、各ランド部70間の薄壁部72の厚さt1ないしt5は管56および管58の後端から前端に向かい厚さが減少する。すなわち、軸方向に間隔をおいて配したフランジ76とランド部70aの間の薄壁部72の壁肉厚t1は軸方向に隣り合うランド部70aとランド部70bの間の壁肉厚t2より厚い。同様に、壁肉厚t2は軸方向に隣り合うランド部70bとランド部70cの間の薄壁部72の壁肉厚t3より大である。 壁肉厚t3はランド部70cとランド部70dの間の壁肉厚t4より大である。壁肉厚t4は軸方向に隣り合うランド部70dと管の前端の間の壁肉厚t5より大である。このように、薄壁部72の壁肉厚は管の後端から管の前端に向かって減少する。
【００１６】
管の厚さを変えて各支持点に生じた摩擦負荷を低減することに加えて、管と支持部材の、例えば、ランド部とブッシュの接触面に低摩擦係数の皮膜を設ける。とくに、第１皮膜をランド部およびランド部に接触するブッシュの内面に施す。第１皮膜は好ましくは非常に高い温度下、例えば、約5000°F程度で表面に吹き付け被覆した高密度コバルト系合金である。このコバルト系合金はモリブデン約28％、クロム17％、珪素3%および残りはコバルトからなる。その皮膜は好ましくは市販の入手可能なトリバロイ(Triballoy) T800である。その皮膜の組成は28Mo-17Cr-3Siである。この第１皮膜を施した後、なめらかな面を得るため皮膜の表面に機械仕上げを行う。この機械仕上げの作業により施工皮膜の厚さの略半分が取り除かれる。
【００１７】
第２皮膜は第１皮膜の上に重なる。第２皮膜は好ましくは耐磨耗性／フレッチング／ゴーリングセラミック系固体皮膜潤滑部であり、その１つがルブロック(Lube-Lok)の商品名でエクソン(EXXON)コーポレーションおよびモービル(MOBIL)コーポレーションにより市販されている。この潤滑剤は二硫化モリブデンを含む。
【００１８】
その結果、管と支持部材の間の境界に非常に低い摩擦係数が与えられ、これが皮膜が損傷すると管と支持部材のむき出しのニッケル合金の金属表面の接触に際し起こりうる摩耗の加速を予防する。
【００１９】
さらに、シール組立が隣接する羽根車およびスペーサーのブッシュおよびスリーブの間に設けてある。例えば、４つのシール組立が帰還管に設けてあり、羽根車16とスペーサー32の、スペーサー32 と羽根車18の、羽根車18とスペーサー34の、およびスペーサー34と羽根車20のそれぞれの境界にある。図９について説明すると、例えば、羽根車32とスペーサー18の間のシール組立が示してあり、これは支持ブッシュ80、シートブッシュ82、およびシールリング84を含む。それぞれの支持ブッシュ80は関連するスペーサー32のカウンタボアに収容されたスリーブ86を具備する。 各支持ブッシュ80はまた管のランド部と軸方向で一致した位置に置かれ、その軸方向位置で管を支持している。ブッシュ80はスリーブ86の端部に隣接して半径方向外側に向いたフランジ88を有する。フランジ88の軸方向端面はシール84の外径端を収容する環状のくぼみ90を具備する。フランジ88の外縁92はシール84に対し止め具の役割を果たす。シートブッシュ82はブッシュ80のスリーブ86の内径より大きい内径を有するスリーブ94を具備する。例示されているように、ブッシュ80の下にあるランド部はシートブッシュ82の内側に間隔をとって設けてある。シートブッシュ82はブッシュ80のフランジ88に軸方向に対向して軸方向に面する担持面96を取り付けた半径方向に拡大するフランジを具備する。担持面96はシール84の内径の端部98のシートの役割を果たす。シール84はその内径98と外径93の間に伸張する浅い円錐台形部を含む。
【００２０】
皮膜はブッシュ80、シールリング84、およびシートブッシュ82の接触面に施される。すなわち、この発明の皮膜はくぼみ90の外側部分、シートブッシュ82の端面96、およびシールリング84の対応する接触部分に沿って施される。このように、皮膜はブッシュ90と接触するシールリング84の外縁およびシール84の内径外端部98に施される。
【００２１】
これらの表面に皮膜を施すに先立ち、表面を粗くする。好ましくは、突発的な損傷を引き起こす割れの成長を阻止するよう表面に圧縮応力を与えるため表面はショットピーニングにより粗くする。このように、皮膜施工に先立ち、被覆されるランド部、ブッシュ、およびシールの各表面は、へこみを作りそして、その結果、金属中に圧縮応力をもたらすためガラスまたは金属ビーズを高速で表面に吹き付けるショットピーニング法で処理される。それから、トリバロイ(Triballoy) T800の第１の皮膜が高温下、例えば、5000°Fで所定の厚さになるよう吹き付け塗装される。トリバロイ(Triballoy)皮膜の外表面は多少粗く、そのため皮膜は第２皮膜を受容するなめらかな面を得るよう機械仕上げされる。セラミック系第２皮膜がコバルト系 第１皮膜の上に吹き付けられ、例えば、約1000°Fで約半時間および約500°Fでさらに半時間焼成される。それ以上の機械仕上げは必要ない。皮膜はランド部の外面とブッシュの内面の両方、およびシールリングとブッシュの間の接触面に、同じ厚さで施されることが認識される。その結果、管と支持部材の境界は２つの摩擦係数の低い外側潤滑剤皮膜を含む。それらの面の間の接触はブッシュに対する管の軸方向移動に対して非常に低い抵抗を示し、それ故に、管の熱膨張を吸収する。そのうえ、ローターに対する管の軸方向変位に対する抵抗を低減することで管の表面寿命は大いに延びる。同様に、シールリングおよびブッシュの耐摩耗性は実質的に増加しそれによってこれらの摩耗寿命も増加する。
【００２２】
現在もっとも実用的で好ましい実施態様と考えられるものに関連してこの発明の説明したが、この発明は開示された実施態様に限定されるものではなく、むしろ、特許請求の範囲の意図および範囲に含まれる数多の変更態様および同等の構成を網羅するものであることが理解されねばならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】タービン部を示すガスタービンの部分断面図である。
【図２】説明を容易にするため一部を切り欠き断面図としたタービンローターの一部の部分斜視図。
【図３】ローター外周部断面を示す部分拡大断面図であり、熱媒体帰還管を併せて示す。
【図４】この発明による熱媒体帰還管のランド部後部の位置と支持ブッシュを示すローター外周部近辺のローター後部部分の拡大断面図である。
【図５】説明を容易にするため一部を切り欠いた熱媒体供給管の部分断面図である。
【図６】説明を容易にするため一部を切り欠いた熱媒体帰還管の部分断面図である。
【図７】ランド部後部および支持ブッシュを示す拡大部分断面図である。
【図８】支持部材の内面および熱媒体搬送管のランド部の外表面の皮膜の分解略図である。
【図９】ブッシュとシールを合わせたものの拡大断面図である。
【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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