説明

タービンドライブトレーン装置

【課題】タービンは、設計最高軸速度の比較的高い比率に達するまで自立運転をしないため、タービンが自立運転速度に達するのを助ける駆動装置が必要であるが、タービンの運転範囲を増大させるように構成される駆動装置を提供する。
【解決手段】制御システム360は、第1のモータ110、トルクコンバータ120、第2のモータ210、トルクコンバータ130、およびタービン140の少なくとも1つに動作可能に接続することができ、制御システム360は、トルクコンバータ120およびトルクコンバータ130の運転を制御することにより、タービン140の速度を管理するように構成することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書に開示する主題は、タービンに関し、より具体的には、定常低速タービン運転を可能にするように構成される装置に関する。
【背景技術】
【0002】
いくつかの原子力、単サイクル、および複合サイクル発電プラントシステムなどの、いくつかの発電プラントシステムは、その設計および運転にタービンを使用する。各タービンは、その設計最高軸速度の約90%から約100%の間の、設計最高軸速度の比較的高い比率に達するまで自立運転をしないので、各タービンは、タービンが動力入力を受け取り、タービンが自立運転速度に達するのを助けることができる駆動軸に動作可能に接続する。1つまたは複数のドライブトレーンが、駆動軸に結合することができ、ドライブトレーンは、過渡運転に部分的に使用され、マッピング、始動、および冷却時間中、タービンおよびタービンロータを管理し、それらに動力を供給する。運転中、これらのドライブトレーンは、低軸速度中にタービンが自立運転する速度までタービンを加速する。
【0003】
タービンの高い軸動力要求に合わせるために、大型のトルクコンバータおよびモータが、ドライブトレーン内に設計される。しかし、これらの高出力要素は、最高軸設計速度の約2%から約30%の間の定常低速でタービンを運転することができないシステムにする機械的制限を有する可能性がある。これらの機械的制限から生じる運転範囲の制限は、圧縮機摩擦の増加、非効率的な腕結合および冷却運転、ならびに圧縮機およびタービン内の流動特性および要素性能の分布を作成するのに使用される空力マッピングおよびテストプランの不一致につながる。したがって、タービンの運転範囲を増大させ、最高軸設計速度の約2%から約30%の間の低設計速度での定常運転を含む、様々な設計速度にわたる運転を可能にすることが望ましい。いくつかの発電プラントシステムは、次に全範囲の速度にわたって動作可能なシステムの小型版を作成して、タービンのマッピング値をシミュレートおよび計算するのに縮尺システムを使用する。これらのシステムは、高価であり、作成およびテストするのに長い時間がかかる。これらのシステムは、原寸タービンの定常低速運転の値の変換済推定値であるマッピング値を提供し、冷却および始動運転の品質または持続時間に影響を及ぼさない。
【発明の概要】
【0004】
タービンの運転範囲を増大させるシステムを開示する。一実施形態では、装置は、駆動軸に結合するタービンと、駆動軸に結合するドライブトレーンと、ドライブトレーンに結合し、運転トルクをドライブトレーンに供給するように構成される第1のトルクコンバータと、第1のトルクコンバータに結合し、トルクを第1のトルクコンバータに供給するように構成される第2のトルクコンバータと、第2のトルクコンバータに結合し、動力入力を第2のトルクコンバータに供給するように構成される第1のモータと、第1のトルクコンバータおよび第2のトルクコンバータの少なくとも1つに動作可能に接続し、第1のトルクコンバータにより提供される運転トルクおよび第2のトルクコンバータにより提供されるトルクの少なくとも1つを制御することにより、ドライブトレーンの速度を監視および調節するように構成される制御システムとを含む。
【0005】
本発明の第1の態様は、駆動軸に結合するタービンと、駆動軸に結合するドライブトレーンと、ドライブトレーンに結合し、運転トルクをドライブトレーンに供給するように構成される第1のトルクコンバータと、第1のトルクコンバータに結合し、トルクを第1のトルクコンバータに供給するように構成される第2のトルクコンバータと、第2のトルクコンバータに結合し、動力入力を第2のトルクコンバータに供給するように構成される第1のモータと、第1のトルクコンバータおよび第2のトルクコンバータの少なくとも1つに動作可能に接続し、第1のトルクコンバータにより提供される運転トルクおよび第2のトルクコンバータにより提供されるトルクの少なくとも1つを制御することにより、ドライブトレーンの速度を監視および調節するように構成される制御システムとを含む、装置を提供する。
【0006】
本発明の第2の態様は、発電機と、発電機に動作可能に接続し、駆動軸を含むタービンと、タービンに動作可能に接続する装置とを含むシステムであって、その装置が、タービンの駆動軸に結合するドライブトレーンと、ドライブトレーンに結合し、運転トルクをドライブトレーンに供給するように構成される第1のトルクコンバータと、第1のトルクコンバータに結合し、トルクを第1のトルクコンバータに供給するように構成される第2のトルクコンバータと、第2のトルクコンバータに結合し、動力入力を第2のトルクコンバータに供給するように構成される第1のモータと、第1のトルクコンバータおよび第2のトルクコンバータの少なくとも1つに動作可能に接続し、第1のトルクコンバータにより提供される運転トルクおよび第2のトルクコンバータにより提供されるトルクの少なくとも1つを制御することにより、ドライブトレーンの速度を監視および調節するように構成される制御システムとを含む、システムを提供する。
【0007】
本発明の第3の態様は、ドライブトレーンと、ドライブトレーンに結合し、運転トルクをドライブトレーンに供給するように構成される第1のトルクコンバータと、第1のトルクコンバータに結合し、トルクを第1のトルクコンバータに供給するように構成される第2のトルクコンバータと、第2のトルクコンバータに結合し、動力入力を第2のトルクコンバータに供給するように構成される第1のモータと、第1のトルクコンバータおよび第2のトルクコンバータの少なくとも1つに動作可能に接続する制御システムであって、第2のトルクコンバータへの第1のモータの入力を調整すること、ドライブトレーンの速度を監視すること、ならびに第1のトルクコンバータおよび第2のトルクコンバータの少なくとも1つのトルク変換量を制御することを含む動作を実施することにより、ドライブトレーンの速度を制御および調節するように構成される制御システムとを含む、装置を提供する。
【0008】
本発明のこれらおよび他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す、添付の図面と関連付けて行う、本発明の様々な態様の以下の詳細な説明から、より容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の一態様による、装置の一実施形態の概略平面図である。
【図2】本発明の一態様による、装置の一実施形態の概略平面図である。
【図3】本発明の一態様による、装置の一実施形態の概略平面図である。
【図4】本発明の一態様による、ドライブトレーン装置の一実施形態の概略側面図である。
【図5】本発明の一態様による、多軸複合サイクル発電プラントの一部分の概略図である。
【図6】本発明の一態様による、1軸複合サイクル発電プラントの一部分の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明の開示の図面は、縮尺が正確でない可能性があることに留意されたい。図面は、本発明の開示の典型的な態様のみを示すものとし、したがって、本発明の開示の範囲を限定するものとみなすべきでない。図面では、図面を通して、同様の番号は、同様の要素を表す。
【0011】
上述のように、本発明の態様は、タービンの運転範囲を増大させ、タービンに動力を供給し、タービンを管理するために直列に接続するモータおよびトルクコンバータを使用することにより、延長された時間の間、タービンを低速で運転することができるように構成されるシステムを提供する。モータは、第1および第2のトルクコンバータに動作可能に接続し、これらのトルクコンバータは、互いに動作可能に接続し、制御システムに通信可能に接続する。第1のトルクコンバータは、モータから動力入力を取得し、制御システムの指示で、第1および第2のトルクコンバータは、入力を、第2のトルクコンバータがドライブトレーンを介してタービン駆動軸に供給する運転トルクに変換する。これらのシステムは、低速タービン運転を維持および調節することを可能にし、より効率的な始動および冷却運転、ならびにタービンおよびタービン要素のより包括的なマッピング分布を提供することができる。
【0012】
発電システム(例えば、原子炉、蒸気タービン、ガスタービンなどを含む)の技術分野において、タービンは、システムの一部分としてしばしば使用され、例えばタービンが自給できる高い軸速度に達するのにタービンを助けるドライブトレーンを含むことができる。通常、ドライブトレーンは、タービンの冷却、腕結合、およびマッピング手順を助けることもできる。しかし、過渡状態中および高負荷用途でタービンを運転するようにドライブトレーンに設計される、トルク、動力、サイズ、および速度要求は、ドライブトレーンの動作融通性を制限する可能性がある。そうした要求に合わせるのに使用される大型の装置の機械的な制限は、ドライブトレーンがタービンを全範囲の速度にわたって定常状態で運転するのを妨げる。ドライブトレーンは、低速中、大型タービンを加速および減速するのに十分強力であるが、定常低速タービン運転を可能にするには十分正確でない。タービン性能のこの範囲の欠如は、腕結合および冷却運転に必要な時間量を増大させ、タービンの不完全なマッピング分布をもたらす。
【0013】
図に目を向ければ、定常低速タービン運転を可能にするように構成される装置の実施形態を示し、この装置は、1つのモータおよび複数のトルクコンバータによりタービン運転に動力を供給し、タービン運転を管理することにより、マッピング能力を増大させ、タービン、ロータ、および発電システム全体の冷却および始動時間を減少させることができる。図の要素のそれぞれは、図1〜6に示すように、配線構成、無線、または他の従来の手段を介して接続することができる。具体的に、図1を参照して、本発明の一態様による、定常低速タービン運転を可能にするように構成される装置100の概略平面図を示す。装置100は、モータ110、モータ110に接続する少なくとも1つの軸115、軸115に接続するトルクコンバータ120、および軸115に接続するトルクコンバータ130を含むことができる。装置100は、モータ110から動力入力を発生させることにより様々な軸速度にわたりタービン140の定常運転を可能にすることができ、動力入力は、軸115を介してトルクコンバータ120に伝達され、トルクコンバータ120は、次に軸115を介してトルクをトルクコンバータ130に伝達する。トルクコンバータ130は、トルクを運転トルクに変換することができ、運転トルクは、次に軸115を介してタービン140に供給され、それにより運転トルクは、タービン140の定常低速運転を可能にする。軸115は、当技術分野で知られている任意の種類の軸(すなわち、駆動軸、動力軸、プロペラ軸、原動軸など)とすることができる。一実施形態では、軸115は、ドライブトレーンを含むことができる。トルクコンバータ120およびトルクコンバータ130は、モータから当技術分野で知られている別の装置にトルクおよび速度を伝達するように構成される、従来の任意のトルクコンバータまたは装置(すなわち、粘性結合トルクコンバータ、可変速伝達装置を有する粘性結合トルクコンバータなど)とすることができる。モータ110は、当技術分野で知られている任意の種類のモータ(すなわち、同期電動モータ、可変速誘導モータ、負荷転流形インバータ(LCI)など)とすることができる。
【0014】
本発明の一実施形態では、装置100のモータ110は、タービン140、トルクコンバータ120、およびトルクコンバータ130のそれぞれに結合する、少なくとも1つの軸115を介してタービン140に動力を供給することができる。本発明の別の実施形態では、装置100のモータ110は、タービン140、トルクコンバータ120、およびトルクコンバータ130のそれぞれに結合する共通軸115を介してタービン140に動力を供給することができる。本発明の別の実施形態では、トルクコンバータ120およびトルクコンバータ130は、共通軸115を介して直列に接続することができる。
【0015】
図2に目を向ければ、本発明の実施形態による装置200の概略平面図を示す。図1と図2との間で同様に番号を付した要素は、図1に関して説明したものとほぼ同様とすることができることが理解されよう。さらに、図2〜6に関して図示し、説明する実施形態では、同様の番号は、同様の要素を表すことができる。これらの要素の冗長な説明は、明瞭にするために省略する。最後に、図1〜6の要素およびそれらの付随する説明は、本明細書に説明する、いずれかの実施形態に適用することができることが理解されよう。図2に戻れば、本実施形態では、装置200は、共通軸115上のトルクコンバータ120とトルクコンバータ130との間に挿入することができる第2のモータ210を含むことができる。本実施形態では、第2のモータ210は、共通軸115に沿ってトルクコンバータ120とトルクコンバータ130との間に挿入される。一実施形態では、第2のモータ210は、非通電状態とすることができる。別の実施形態では、第2のモータ210は、トルクコンバータ120とトルクコンバータ130との間の継手として働くことができる。
【0016】
図3に目を向ければ、本発明の実施形態による、制御システム360を含む装置300の概略平面図を示す。本実施形態では、制御システム360は、第1のモータ110、トルクコンバータ120、第2のモータ210、トルクコンバータ130、およびタービン140の少なくとも1つに動作可能に接続することができる。一実施形態では、制御システム360は、操作員指令などの指令に応答して第2のモータ210を非通電状態に置く命令を提供することができる。別の実施形態では、制御システム360は、トルクコンバータ120およびトルクコンバータ130の運転を制御することにより、タービン140の速度を管理するように構成することができる。一実施形態では、制御システム360は、タービン140の軸速度を監視することができる。別の実施形態では、制御システム360は、タービン140の定常運転速度を維持することができる。別の実施形態では、制御システム360は、様々な運転速度にわたってタービン140の運転速度を調節することができる。一実施形態では、制御システム360は、トルクコンバータ120およびトルクコンバータ130のいずれかまたは両方中の1組のガイドベーンを制御することができるフィードバック制御システム362を含むことができる。一実施形態では、制御システム360のフィードバック制御システム362は、タービン140に供給される運転トルクを管理するのに、トルクコンバータ130中の1組のガイドベーンの位置を固定し、トルクコンバータ120中の1組のガイドベーンの位置を調節し、それにより、タービン140の軸速度を制御することができる。別の実施形態では、制御システム360は、操作員指令に応答してトルクコンバータ120およびトルクコンバータ130の少なくとも1つ中の1組のガイドベーンの位置を調節することができる。一実施形態では、制御システム360は、トルクコンバータ120への第1のモータ110の入力を調整することができる。
【0017】
図4に目を向ければ、本発明の実施形態による、ドライブトレーン変速機450および負荷圧縮機480を含むドライブトレーン装置400の概略側面図を示す。ドライブトレーン変速機450および負荷圧縮機480は、軸115に沿ってタービン140とトルクコンバータ130との間に挿入し、タービン140に供給される運転トルクを変更することができる。一実施形態では、ドライブトレーン装置400は、ガスタービン140から分離することができる。モータ110、トルクコンバータ120、およびトルクコンバータ130は、ドライブトレーン変速機450を介して負荷圧縮機480に動力を供給することができる。一実施形態では、ドライブトレーン変速機450および動力負荷圧縮機480は、タービン140のドライブトレーンとすることができる。別の実施形態では、ドライブトレーン装置400は、ガスタービン140から分離することができる。モータ110、非通電のモータ210、トルクコンバータ120、およびトルクコンバータ130は、ドライブトレーン変速機450を介して負荷圧縮機480に動力を供給することができる。
【0018】
図5に目を向ければ、多軸複合サイクル発電プラント500の一部分の概略図を示す。複合サイクル発電プラント500は、例えば、発電機570に動作可能に接続するガスタービン580を含むことができる。発電機570およびガスタービン580は、ガスタービン580の駆動軸(図示せず)と発電機570との間でエネルギーを伝達することができる軸515により機械的に結合することができる。ガスタービン580は、図3の装置300または本明細書に説明する他の実施形態に動作可能に接続することができる。ガスタービン580および蒸気タービン592に動作可能に接続する熱交換器586も図5に示す。熱交換器586は、従来の導管(番号は省略)を介してガスタービン580および蒸気タービン592のどちらにも流体的に接続することができる。熱交換器586は、従来の複合サイクル発電システムに使用する排熱回収蒸気発生器(HRSG)などの従来のHRSGとすることができる。発電の技術分野で知られているように、HRSG586は、水供給と組み合わせてガスタービン580からの高温排気を使用し、蒸気タービン592に供給される蒸気を形成することができる。蒸気タービン592は、(第2の軸515を介して)第2の発電機システム570に適宜結合することができる。発電機570および軸515は、当技術分野で知られている任意のサイズまたはタイプのものとすることができ、それらの用途またはそれらが接続するシステムに応じて異なる可能性があることが理解されよう。発電機および軸の共通番号は、明瞭にするためであり、これらの発電機または軸が同一であることを必ずしも示唆しない。発電機システム570および第2の軸515は、上述の発電機システム570および軸515とほぼ同様に動作することができる。蒸気タービン592は、図3の装置300または本明細書に説明する他の実施形態に流体的に接続することができる。本発明の一実施形態(仮想線で示す)では、装置300は、蒸気タービン592およびガスタービン580のいずれかまたは両方を運転するのに使用することができる。別の実施形態では、1つの装置300は、ガスタービン580に動作可能に接続することができ、第2の装置300は、蒸気タービン592に動作可能に接続することができる。別の実施形態では、図6に示すように、1軸複合サイクル発電プラント600は、単一の軸515を介してガスタービン580および蒸気タービン592のどちらにも結合する単一の発電機570を含むことができる。ガスタービン580および蒸気タービン592は、図3の装置300または本明細書に説明する他の実施形態100、200、および400に流体的に接続することができる。
【0019】
本発明の開示の装置および方法は、いずれか1つの特定の、ドライブトレーン、タービン、発電機、発電システム、または他のシステムに限定されておらず、他の発電システムおよび/または他のシステム(例えば、複合サイクル、単一サイクル、原子炉など)と共に使用することができる。それに加えて、本発明の装置は、本明細書に説明する装置の運転範囲、安定性、および空力マッピング能力の増大から利益を得ることができる、本明細書に説明しなかった他のシステムと共に使用することができる。
【0020】
本明細書に使用する用語は、特定の実施形態のみを説明するためであり、本発明の開示を限定しないものとする。本明細書に使用するように、単数形「a(1つの)」、「an(1つの)」、および「the(その)」は、文脈が別途明瞭に示していない場合、複数形も含むものとする。さらに、用語「comprises(含む)」および/または「comprising(含んだ)」は、本明細書に使用する場合、説明する特徴、整数、ステップ、動作、構成要素および/または構成部品の存在を明記するが、1つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、構成要素、構成部品、および/またはそれらの群の存在または追加を妨げるものではないことが理解されよう。
【0021】
本発明の記載は、本発明を開示するのに最良の実施態様を含む例を使用し、さらに当業者が本発明を実施することができるように、任意の装置またはシステムの作成および使用、ならびに任意の組み合わさった方法の実施を含む例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により規定され、当業者により想起される他の例を含むことができる。そうした他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言とわずかな差の均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【0022】
100 装置
110 モータ
115 軸
120 トルクコンバータ
130 トルクコンバータ
140 タービン
200 装置
210 第2のモータ
300 装置
360 制御システム
362 フィードバック制御システム
400 ドライブトレーン装置
450 ドライブトレーン変速機
480 負荷圧縮機
500 多軸複合サイクル発電プラント
515 軸
570 発電機
580 ガスタービン
586 熱交換器
592 蒸気タービン
600 1軸複合サイクル発電プラント

【特許請求の範囲】
【請求項1】
駆動軸(115、515)に結合するタービン(140、580、592)と、
前記駆動軸(115、515)に結合するドライブトレーン(400)と、
前記ドライブトレーン(400)に結合し、運転トルクを前記ドライブトレーン(400)に供給するように構成される第1のトルクコンバータ(130)と、
前記第1のトルクコンバータ(130)に結合し、トルクを前記第1のトルクコンバータ(130)に供給するように構成される第2のトルクコンバータ(120)と、
前記第2のトルクコンバータ(120)に結合し、動力入力を前記第2のトルクコンバータ(120)に供給するように構成される第1のモータ(110)と、
前記第1のトルクコンバータ(130)および前記第2のトルクコンバータ(120)の少なくとも1つに動作可能に接続し、前記第1のトルクコンバータ(130)により提供される前記運転トルクおよび前記第2のトルクコンバータ(120)により提供される前記トルクの少なくとも1つを制御することにより、前記ドライブトレーン(400)の速度を監視および調節するように構成される制御システム(360、362)とを含む、装置(100、200、300、400)。
【請求項2】
前記第1のトルクコンバータ(130)、前記第2のトルクコンバータ(120)、および前記第1のモータ(110)は、少なくとも1つの軸(115、515)により直列に接続される、請求項1記載の装置(100、200、300、400)。
【請求項3】
前記第1のモータ(110)は、前記ドライブトレーン(400)に動力を供給する、請求項1記載の装置(100、200、300、400)。
【請求項4】
共通軸(115、515)に沿って前記第1のトルクコンバータ(130)と前記第2のトルクコンバータ(120)との間に挿入される第2のモータ(210)をさらに含む、請求項1記載の装置(100、200、300、400)。
【請求項5】
前記制御システム(360、362)は、操作員指令に応答して前記第2のモータ(210)を非通電状態に置く命令を提供し、前記非通電のモータ(210)は、前記第1のトルクコンバータ(130)と前記第2のトルクコンバータ(120)とを結合する、請求項4記載の装置(100、200、300、400)。
【請求項6】
前記制御システム(360、362)は、前記第1のトルクコンバータ(130)および前記第2のトルクコンバータ(120)の少なくとも1つの中の1組のガイドベーンを管理するように構成されるフィードバック制御システム(362)を含む、請求項5記載の装置(100、200、300、400)。
【請求項7】
前記制御システム(360、362)は、前記ドライブトレーン(400)の前記速度を調節するのに、前記第1のトルクコンバータ(130)中の第1の組のガイドベーンの位置を設定し、前記第2のトルクコンバータ(120)中の第2の組のガイドベーンの位置を調節する、請求項5記載の装置(100、200、300、400)。
【請求項8】
発電機(570)と、
前記発電機(570)に動作可能に接続し、駆動軸(115、515)を含むタービン(140、580、592)と、
前記タービン(140、580、592)に動作可能に接続する装置(100、200、300、400)と
を含むシステム(500、600)であって、前記装置(100、200、300、400)が、
前記タービン(140、580、592)の前記駆動軸(115、515)に結合するドライブトレーン(400)と、
前記ドライブトレーン(400)に結合し、運転トルクを前記ドライブトレーン(400)に供給するように構成される第1のトルクコンバータ(130)と、
前記第1のトルクコンバータ(130)に結合し、トルクを前記第1のトルクコンバータ(130)に供給するように構成される第2のトルクコンバータ(120)と、
前記第2のトルクコンバータ(120)に結合し、動力入力を前記第2のトルクコンバータ(120)に供給するように構成される第1のモータ(110)と、
前記第1のトルクコンバータ(130)および前記第2のトルクコンバータ(120)の少なくとも1つに動作可能に接続し、前記第1のトルクコンバータ(130)により提供される前記運転トルクおよび前記第2のトルクコンバータ(120)により提供される前記トルクの少なくとも1つを制御することにより、前記ドライブトレーン(400)の速度を監視および調節するように構成される制御システム(360、362)とを含む、システム(500、600)。
【請求項9】
ドライブトレーン(400)と、
前記ドライブトレーン(400)に結合し、運転トルクを前記ドライブトレーン(400)に供給するように構成される第1のトルクコンバータ(130)と、
前記第1のトルクコンバータ(130)に結合し、トルクを前記第1のトルクコンバータ(130)に供給するように構成される第2のトルクコンバータ(120)と、
前記第2のトルクコンバータ(120)に結合し、動力入力を前記第2のトルクコンバータ(120)に供給するように構成される第1のモータ(110)と、
前記第1のトルクコンバータ(130)および前記第2のトルクコンバータ(120)の少なくとも1つに動作可能に接続する制御システム(360、362)であって、
前記第2のトルクコンバータ(120)への前記第1のモータ(110)の入力を調整すること、
前記ドライブトレーン(400)の速度を監視すること、ならびに
前記第1のトルクコンバータ(130)および前記第2のトルクコンバータ(120)の少なくとも1つのトルク変換量を制御すること
を含む動作を実施することにより、前記ドライブトレーン(400)の速度を制御および調節するように構成される制御システム(360、362)と
を含む、装置(100、200、300、400)。
【請求項10】
共通軸(115、515)に沿って前記第1のトルクコンバータ(130)と前記第2のトルクコンバータ(120)との間に挿入される第2のモータ(210)をさらに含む、請求項9記載の装置(100、200、300、400)。

【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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