(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線の回りにおいて回転し得るタービンロータの羽根車（３８，４０，４２，４４）とスペーサ（３９，４１）との間の間隙に配置するためのカバープレート（５２ａ，５２ｂ）であって、前記羽根車（３８，４０，４２，４４）は円周方向に沿って互いに離隔した羽根（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）を有していて、前記羽根は一方の側において軸方向に延びる突起（４７）を具備した羽根鳩尾部（４５）を含み、また前記スペーサ（３９，４１）は前記突起（４７）から離隔しながら概してそれと整列した円周方向に延びる溝を含んでいて、前記カバープレート（５２ａ，５２ｂ）は一方の側には前記スペーサの前記溝の中に嵌合するための軸方向に延びる舌状部（６３）を有しかつ舌状部（６３）とは軸方向に反対の側に前記羽根鳩尾部の前記軸方向に延びる突起（４７）の１つを受入れるためのくぼみ（７０）を有するカバープレート本体（６０）を含むと共に、前記カバープレート本体（６０）の両端からそれぞれ突出し、そして前記タービンロータの回りにおいて隣接するカバープレートと係合するために役立つフランジ（８２，８４）をも含むことを特徴とするカバープレート（５２ａ，５２ｂ）。
【請求項２】
前記カバープレート本体（６０）が前記軸方向に反対の側に直立したフランジ（６６）を有すると共に、前記くぼみ（７０）が少なくとも部分的に前記フランジ中に配置されかつ前記軸方向に沿って反対の側に向かって開いている請求項１記載のカバープレート（５２ａ，５２ｂ）。
【請求項３】
前記カバープレート本体（６０）が前記軸線の回りにおいて弓形を成している請求項１又は請求項２記載のカバープレート（５２ａ，５２ｂ）。
【請求項４】
前記カバープレート本体（６０）が前記軸方向に反対の側に直立したフランジ（６６）を有すると共に、前記くぼみ（７０）が少なくとも部分的に前記フランジ中に配置されかつ前記軸方向に反対の側に向かって開いていて、前記くぼみは協力して頂点を形成する傾斜した壁（６８）及び概して軸方向に延びる壁（８０）によって部分的に規定されている請求項１記載のカバープレート（５２ａ，５２ｂ）。
【請求項５】
隣り合ったカバープレートのフランジ（８２，８４）が、オーバラップ式の相補的なフランジ係合要素を含むことを特徴とする請求項１記載のカバープレート（５２ａ，５２ｂ）。
【請求項６】
前記フランジ係合要素が重ね継手から成る請求項５記載のカバープレート（５２ａ，５２ｂ）。
【請求項７】
前記重ね継手の各々が、各々のカバープレートから概して接線方向に突出する第１のフランジ（８２）と、隣接するカバープレートから概して接線方向に突出して前記第１のフランジ（８４）に重なり合う第２のフランジとから成る請求項６記載のカバープレート（５２ａ，５２ｂ）。
【請求項８】
各々のカバープレート（５２ａ，５２ｂ）が前記タービンロータの羽根車及びスペーサの回りの同じ半径方向位置においてその両端から突出したフランジ（８２）を有すると共に、円周方向に沿ってそれに隣接したカバープレートが前記タービンロータの羽根車及びスペーサの回りの異なる半径方向位置において前記フランジ（８４）を有する結果、１つのカバープレートの前記フランジが円周方向に沿ってそれに隣接したカバープレートの前記フランジに対し半径方向に沿って内方に位置するような重ね継手が形成される請求項５記載のカバープレート（５２ａ，５２ｂ）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、タービンロータにおいてタービン羽根車の羽根の鳩尾部とそれに隣接するスペーサとの間を橋渡しするための羽根車間隙用気擦カバープレートに関するものである。更に詳しく言えば、本発明は高温の流路ガスがタービン羽根車間隙の空洞内に流入するのを実質的に防止するための気擦カバープレートに関する。
【０００２】
【発明の背景】
従来から羽根車間隙用カバープレートは提唱されかつ製造されてきた。通常、それらのカバープレートはタービン羽根車とそれに隣接するスペーサとの間に延びている。しかるに、かかるカバープレートはロータの内部への接近のために容易に取外すことができないのが通例である。また、タービン羽根車への直接の取付けが保守上の問題を引起こすことに加え、互いに隣接するカバープレート間の継手は羽根車間隙への高温ガスの漏れを抑制するために特に有効とは言えないことも判明している。
【０００３】
ところで、一般に羽根車間隙用カバープレートは、高温ガスが高温ガス流路からタービン羽根車間隙の空洞内に流入してタービン羽根車に損傷をもたらすのを防止する。最近のタービン設計では、羽根車間隙の空洞への接近のためにカバープレートを取外し得ることが課題となる。なぜなら、羽根車間隙の空洞は羽根の内部冷却のためにたとえば蒸気を冷却剤として使用する冷却回路を動作させるための多数の配管を収容しているからである。スペーサと羽根車との間に取付けられた従来の羽根車間隙用カバーは、ロータを分解しなくては容易に取外すことができない。それ故、保守又は修理のため、羽根に冷却剤を供給する各種の配管や継手に接近することは極めて困難である。より一般的に述べれば、カバープレートは高い運転温度や激しい加速度に耐えること、高サイクル疲労耐久性を有すること、そしてタービン羽根車間隙の空洞内への高温ガスの漏れを最少限に抑えることが必要である。
【０００４】
【発明の概要】
本発明に従えば、タービン羽根車とスペーサとの間に存在する羽根車間隙の空洞内に高温の流路ガスが流入するのを防止するために役立つと共に、ロータの内部への接近のため容易に着脱し得る羽根車間隙用気擦カバーが提供される。詳しく述べれば、かかる羽根車間隙用カバーはスペーサとタービン羽根車との間において円周方向の列を成して配列された複数のカバープレートから成っている。各々のカバープレートは、スペーサ上に設けられた相補的な係合構造物と係合するための係合構造物を一方の軸方向縁端に沿って有している。すなわち、カバープレートはスペーサの軸方向面に設けられた円周方向の溝穴又は溝の中に嵌合すべき弓形の突出したフランジを有している。カバープレートの反対側の軸方向縁端は半径方向に延びる壁を含んでいて、それは羽根の鳩尾部から軸方向に突出した突起を受入れるためのくぼみを有している。カバープレートは各々の羽根の鳩尾部の位置に設置される。カバープレートの舌状部がスペーサの溝の中に嵌合してカバープレートが所定の位置に配置された状態で、羽根の鳩尾部がタービン羽根車のあり溝内に収容される。羽根の鳩尾部がタービン羽根車に対して最終的に固定された場合、羽根の鳩尾部の突起はカバープレートのくぼみ内に突出し、そしてカバープレートを所定の位置に保持する。
【０００５】
互いに隣接するカバープレートの末端間には重ね継手が形成される。カバープレートの末端に設けられたフランジは、カバープレート毎に互い違いになっている。すなわち、あるカバープレートの円周方向に沿って突出したフランジは、それに隣接したカバープレートの末端の円周方向に沿って反対向きに突出したフランジの下方に位置している。このような構成の重ね継手を用いれば、１枚のカバープレート又は高々２枚の互いに隣接したカバープレートを取外すことにより、ロータの回りの任意の位置にある羽根車間隙の空洞への接近を達成することができる。そのためには、先ず最初に、タービン羽根車のあり溝に連結された対応する羽根を取外せばよい。すなわち、目的のカバープレートの末端のフランジがそれに隣接するカバープレートの末端のフランジ上に重なっていると仮定した場合、羽根の鳩尾部の突起をそれに対応したカバープレートから引抜くことによってそのカバープレートを取外すことができる。隣接した位置への接近が要求される場合には、第１のカバープレートに隣接した第２のカバープレートを同様にして取外せばよい。
【０００６】
このような構成のカバープレート及び円周方向に沿って互いに隣接したカバープレート間の重ね継手を用いれば、タービン羽根車間隙の空洞内へのガスの漏れが抑制される。更にまた、ロータの内部における気擦も実質的に低減する。
【０００７】
本発明の好適な実施の一態様に従えば、軸線の回りにおいて回転し得るタービンロータの羽根車とスペーサとの間の間隙に配置するためのカバープレートにおいて、羽根車は円周方向に沿って互いに離隔した羽根を有していて、それらの羽根は一方の側において軸方向に延びる突起を具備した羽根鳩尾部を含み、またスペーサは突起から離隔しながら概してそれと整列した円周方向に延びる溝を含んでいる一方、カバープレートは一方の側にはスペーサの溝の中に嵌合するための軸方向に延びる舌状部を有しかつ軸方向に沿って反対の側には羽根鳩尾部の軸方向に延びる突起の１つを受入れるためのくぼみを有するカバープレート本体を含むと共に、カバープレート本体の両端からそれぞれ突出し、そしてタービンロータの回りにおいて隣接するカバープレートと係合するために役立つフランジをも含むことを特徴とするカバープレートが提供される。
【０００８】
本発明の別の好適な実施の態様に従えば、軸線の回りにおいて回転し得る羽根車及びスペーサを有するタービンロータであって、羽根車は円周方向に沿って互いに離隔した羽根を有していて、それらの羽根は一方の側において軸方向に延びる突起を具備した羽根鳩尾部を含み、またスペーサは突起から離隔しながら概してそれと整列した円周方向に延びる溝を含むようなタービンロータにおける羽根車とスペーサとの間の間隙に配置するためのカバープレートにおいて、カバープレートは一方の側にはスペーサの溝の中に嵌合するための軸方向に延びる舌状部を有しかつ軸方向に沿って反対の側には羽根鳩尾部の軸方向に延びる突起の１つを受入れるためのくぼみを有するカバープレート本体を含むと共に、カバープレート本体の両端からそれぞれ突出し、そしてタービンロータの回りにおいて隣接するカバープレートと係合するために役立つフランジをも含むことを特徴とするカバープレートが提供される。
【０００９】
本発明の更に別の好適な実施の態様に従えば、軸線の回りにおいて回転し得るタービンロータの羽根車とスペーサとの間の間隙を包囲するためのカバーにおいて、羽根車は円周方向に沿って互いに離隔した羽根を有していて、それらの羽根は一方の側において軸方向に延びる突起を具備した羽根鳩尾部を含み、またスペーサはカバー係合構造物を有する一方、カバーは軸方向を向いた第１の側にはスペーサのカバー係合構造物と相補的なスペーサ係合構造物を有しかつ軸方向を向いた第２の側には軸方向に延びる突起の１つを受入れるためのくぼみを有するカバープレート本体をそれぞれに含む複数のカバープレートから成ると共に、カバーはそれを通しての流体の漏れを抑制するため円周方向に沿って互いに隣接したカバープレートの対向する末端に設けられたオーバラップ式の相補的な係合要素を含むことを特徴とするカバーが提供される。
【００１０】
従って本発明の主たる目的は、スペーサとタービン羽根車との間の羽根車間隙の空洞を覆うための新規で改良されたカバーであって、羽根車間隙の空洞内への高温ガスの漏れを抑制すると共に、羽根車間隙の空洞への接近のために１枚以上のカバープレートを取外すことを容易にして保守の容易化を可能にするようなカバーを提供することにある。
【００１１】
【好適な実施の態様の詳細な説明】
図１は、本発明を組込んだ単純サイクルの単軸強力ガスタービン１０の略図である。このガスタービンは、ロータ軸１４を有する多段軸流圧縮機１２を含むものと考えることができる。空気は１６において圧縮機の入口に入り、軸流圧縮機１２によって圧縮され、次いで燃焼器１８に排出される。燃焼器１８においては、天然ガスのごとき燃料が燃やされ、それによってタービン２０を駆動するための高エネルギー燃焼ガスが生成される。タービン２０においては、高温ガスのエネルギーが仕事に変換される。かかる仕事の一部は軸１４を介して圧縮機１２を駆動するために使用され、そして残部はロータ軸２４により発電機２２のごとき負荷を駆動して発電を行うという有用な仕事のために利用することができる。典型的な単純サイクルガスタービンは、燃料入力の３０〜３５％を軸出力に変換する。１〜２％を除き、残りの燃料入力は排熱となり、そして２６においてタービン２０から出る。より高い効率を得るためには、タービンの排気流中のエネルギーを追加の有用な仕事に変換する複合サイクル方式で方式でガスタービン１０を使用すればよい。
【００１２】
図２は最も簡単な形態の複合サイクルを表わしている。この場合、２６においてタービン２０を出る排気ガスは熱回収用の蒸気発生器２８に入るが、そこではボイラと同じやり方で水が蒸気に変えられる。こうして生じた蒸気は１基以上の蒸気タービン３０を駆動するが、そこにおいて抽出された追加の仕事が軸３２を介して追加の負荷（たとえば、追加の電力を生み出すための第２の発電機３４）を駆動する。ある種の構成においては、タービン２０及び３０は共通の発電機を駆動する。電力のみを生み出す複合サイクルは一般に５０〜６０％の熱効率を有するが、本発明のチューブアセンブリがその一部を成すような最新型のガスタービンを使用すれば、６０％を越える効率を達成することもできる。
【００１３】
次に図３を見ると、タービン２０の一部分が示されている。このタービン部分は、ロータ軸に取付けられてそれの一部を成すことによってそれと共に回転するタービン羽根車３８、４０、４２及び４４から成る４つの連続した段を含んでいる。各々の羽根車は一列の羽根Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３及びＢ４を担持していて、それらの羽根はロータ円板から半径方向に沿って外方に突出している。勿論、これらの羽根は固定ノズル（図示せず）の間に交互に配列されている。羽根車３８、４０、４２及び４４の間にはスペーサ３９、４１及び４３が設けられている。従来のタービン構造において見られるごとく、羽根車及びスペーサが円周方向に沿って互いに離隔しかつ軸方向に沿って延びる複数のボルト４８によって互いに固定されていることは容易に理解されよう。本明細書中には詳しく記載されていないが、図示されたガスタービンは蒸気冷却式のものであって、冷却蒸気及び使用済みの戻り蒸気は軸方向に延びる通路（１者のみを５０として示す）を通して供給されそして排出される。これらの通路は、ロータの回りの円周方向に沿って互いに離隔した位置において羽根車及びスペーサを貫通する軸方向に整列した開口内に存在している。また、蒸気冷却系の一部を成す追加の交差管がスペーサリムに隣接したスペーサ３９内に設けられている。
【００１４】
本発明に係わる羽根車間隙用カバープレート５２は、羽根車３８とスペーサ３９との間及びスペーサ３９と羽根車４０との間に配置されている。それぞれの位置では、カバープレート５２はタービンロータの回りにおいて円周方向に沿って互いに隣接しながら配置され、そして羽根及びノズルに沿って流れる高温の燃焼ガスが羽根車とスペーサとの間においてカバープレートよりも半径方向に沿って内方に位置する羽根車間隙の空洞内に流れ込むのを防止する。羽根車間隙用カバープレートは第１段及び第２段のタービンロータ羽根車とそれらに挟まれたスペーサとの間に配置されているが、その他の段においてカバープレートを使用し得ることは容易に理解されよう。
【００１５】
図６を見ると、第１段及び第２段の羽根車３８及び４０並びにこれらの羽根車に挟まれたスペーサ３９が示されている。また、スペーサ３９のリムの周囲に配置されて半径方向に沿って外側のノズル段と共に封止機構を構成するためのラビリンスシールの歯５４も示されている。図６にはまた、羽根車３８及び４０のそれぞれに関し、円周方向に沿って互いに離隔した複数の軸方向に延びるあり溝５６も示されている。あり溝５６は相補的な形状を有する羽根Ｂ１及びＢ２の鳩尾部４５を受入れ、それによって羽根の鳩尾部４５が羽根車に固定される。各々の羽根の鳩尾部４５は、羽根の鳩尾部を軸方向に沿って羽根車のあり溝５６内に滑り込ませることによって羽根車に取付けられる。スペーサ３９に対面した側における羽根の鳩尾部４５の端面は突起４７（図８）を有しているが、これは本発明の羽根車間隙用カバープレートに設けられた突起用の開口と相補的な形状を有している。図示のごとく、本発明の実施の一態様に係わる羽根車間隙用カバープレートは羽根車のあり溝５６のそれぞれに対して設けられているから、羽根の鳩尾部の突起４７はカバープレートを羽根車と隣接するスペーサとの間に配置された状態に維持するために役立つ。
【００１６】
次に図４及び５について説明すれば、ロータの回りのそれぞれの円周方向位置に配置されたカバープレート５２は、下記のごとく円周方向に突出した末端フランジの有無を除けば互いに同一のものである。すなわち、図４に示されたカバープレート５２ａはカバープレート本体６０を有するが、これは軸方向においては直線的に延びているが円周方向においては弓形を成している。カバープレート５２ａの一方の軸方向縁端６２は、半径方向に沿った外方において軸方向に突出した舌状部６３を有していて、この舌状部６３はスペーサに設けられた円周方向に延びる溝６４の中に受入れられる（図３及び６）。羽根車間隙用カバープレートの反対側の軸方向縁端には、本体６０から半径方向に沿って外方に突出するフランジ６６が設けられている。このフランジ６６は傾斜壁６８をも有する結果、軸方向壁面６６に開く中央くぼみ又は開口７０及び末端くぼみ７２が形成されている。中央くぼみ又は開口７０と末端くぼみ７２との間には、半径方向に沿って外方に延びるガセット７４が存在している。
【００１７】
図８に示されるごとく、中央くぼみ又は開口７０は各々の羽根の鳩尾部４５に設けられた突起４７と概して相補的な形状を有している。すなわち、開口７０は傾斜壁６８、側壁７８及び底壁８０を含んでいて、傾斜壁６８及び底壁８０は開口７０内に頂点８１を形成している。底壁８０は概して軸方向に延びている一方、傾斜壁６８は半径方向に沿って外方かつ軸方向に傾斜している。羽根の鳩尾部４５の突起４７が開口７０内に嵌合した場合、一方の軸方向縁端においては舌状部６３がスペーサの溝６４の中に係合しかつ反対側の軸方向縁端においては鳩尾部突起の底面がカバープレートの半径方向に沿って外方への運動を妨げる結果、カバープレート５２は羽根車とスペーサとの間に拘束されることが容易に理解されよう。更にまた、開口及び鳩尾部突起のそれぞれが有する相補的形状の側面及び上面が、カバープレートの該軸方向縁端の円周方向の運動及び半径方向に沿って内方への運動をそれぞれ妨げることは言うまでもない。
【００１８】
本発明の実施の一態様に従えば、円周方向に沿って互いに隣接するカバープレートの間に重ね継手が形成される。各々のカバープレートはその両端から円周方向に延びる同一のフランジを有しているが、図４に示されたカバープレート５２ａのフランジ８２は図５に示されたカバープレート５２ｂのフランジ８４に対し半径方向に沿って内方に位置している。図４に示されたカバープレート５２ａの末端フランジ８２はいずれも同じく半径方向に沿って内方の位置にあり、また図５に示されたカバープレート５２ｂの末端フランジ８４はいずれも同じく半径方向に沿って外方の位置にあることに注意されたい。かかるカバープレートを羽根車とスペーサとの間に組立てた場合、カバープレート５２ａ及び５２ｂはロータの周囲において交互に配置されることは容易に理解されよう。これは、下記のごとく、カバープレートよりも半径方向に沿って内方に位置する羽根車間隙の空洞への接近という観点から見て重要である。また、くぼみ７０及び７２が側壁、傾斜壁及び底壁の接合部にすみ肉を有することも容易に理解されよう。これらのすみ肉は応力除去のために役立つ。
【００１９】
カバープレートを設置するためには、最初のカバープレートの舌状部６２がスペーサ３９の溝６４の中に挿入される。カバープレートの反対側の軸方向縁端にあるくぼみ７０が、羽根車のあり溝５６と位置合せされる。軸方向に沿ってあり溝５６内に羽根の鳩尾部４５を挿入すると、鳩尾部の突起４７はくぼみ７０内に嵌合する。通常のごとくにして羽根を羽根車に固定すると、舌状部及び鳩尾部の突起がスペーサ及びカバープレートのそれぞれと係合する結果、カバープレートは軸方向に沿って羽根車とスペーサとの間に捕捉されることが容易に理解されよう。また、鳩尾部の突起が開口７０内に嵌合することにより、カバープレートの円周方向運動も防止される。次いで、舌状部６０ｂをスペーサの溝３９の中に挿入しかつ開口７０を次のあり溝５６と位置合せすることにより、次のカバープレート５２ｂが同様にして設置される。カバープレート５２ｂが選ばれる理由は、それを設置した際、カバープレート５２ｂの円周方向に延びるフランジ８４が設置済みのカバープレートの円周方向に延びるフランジ８２に対し半径方向に沿って重なるようにするためであることが容易に理解されよう。羽根の鳩尾部をあり溝５６内に挿入し、かつ鳩尾部の突起４７をカバープレート５２ｂの開口７０内に挿入することにより、第２のカバープレートはロータ中に設置される。次いで、次のカバープレート５２ａが同様にして設置される。その際には、半径方向に沿って内方に位置しかつ円周方向に延びるフランジ８２がカバープレート５２ｂの半径方向に沿って上方に位置するフランジ８４に対し半径方向に沿って内方に係合するようにすればよい。その後、カバープレート用の最後の開口に達するまで、追加のカバープレートが同様にして設置される。最後のカバープレートを設置する際には、それの舌状部をスペーサの溝３９の中に挿入し、そして最後に設置すべきあり溝５６に開口７０を位置合せすればよい。なお、最後のカバープレート５２ｂの円周方向末端フランジ８４は隣接するカバープレート５２ａの半径方向に沿って内方に位置しかつ円周方向に延びるフランジ８２に対し半径方向に沿って外方に位置するから、最後のカバープレートの末端フランジ８４は隣接するカバープレートの末端フランジ８２の上に重なることに注意されたい。
【００２０】
カバープレートを設置すると、羽根車とスペーサとの間に存在する羽根車間隙の空洞は円周方向に沿って完全に覆われることが容易に理解されよう。羽根車間隙の空洞への接近、たとえばガスタービン用蒸気回路の一部を成す交差管への接近を行うためには、目的の区域を覆う１枚のカバープレート又は２〜３枚の互いに隣接したカバープレートを取外しさえすればよい。そのためには、目的の区域を覆う手近のカバープレート５２ｂと軸方向に沿って整列した羽根の鳩尾部４５を解放し、そして羽根を軸方向に滑らせてカバープレート５２ｂから引離せばよい。鳩尾部の突起４７が開口７０から抜ければ、カバープレート５２ｂを取外すことができる。こうして取外されたカバープレートに隣接する追加のカバープレートもまた、同様にして取外すことができる。このようにすれば、ロータの回りに円周方向に配置された全てのカバープレートを取外さなくても、目的の円周方向位置にある羽根車間隙の空洞に対する接近が達成されるのである。
【００２１】
以上、現時点において最も実用的で好適なものと考えられる実施の態様に関連して本発明を記載したが、本発明は開示された実施の態様のみに限定されるわけではなく、それどころか前記特許請求の範囲から逸脱しない限りは様々な変更態様や同等な構成をも包括することを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる羽根車間隙用気擦カバープレートを具備したガスタービンを組込んだ発電システムの略図である。
【図２】本発明を組込んだ複合サイクルシステムの略図である。
【図３】本発明の羽根車間隙用気擦カバープレートの位置を示すガスタービンの拡大部分縦断面図である。
【図４】本発明に係わる気擦カバープレートの斜視図である。
【図５】本発明に係わる気擦カバープレートの斜視図である。（図４及び５のカバープレートは円周方向に沿って互いに隣接して使用される。）
【図６】第１段及び第２段タービン羽根車の間の所定の位置に配置された本発明の気擦カバープレートの部分斜視図である。
【図７】１対の互いに隣接した気擦カバープレートの部分斜視図である。
【図８】カバープレートのくぼみの中に挿入された羽根の鳩尾部の突起を示す断面図である。
【符号の説明】
３８  タービン羽根車
３９  スペーサ
４０  タービン羽根車
４１  スペーサ
４２  タービン羽根車
４３  スペーサ
４４  タービン羽根車
４５  鳩尾部
４７  突起
５０  通路
５２  カバープレート
５４  ラビリンスシールの歯
５６  あり溝
６０  カバープレート本体
６３  舌状部
６６  フランジ
６８  傾斜壁
７０  中央くぼみ又は開口
７４  ガセット
８０  底壁
８２  フランジ
８４  フランジ
【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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