JP2013256946A - 多材料エーロフォイルのための機械式インターロックフィーチャ - Google Patents

多材料エーロフォイルのための機械式インターロックフィーチャ Download PDF

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Abstract

【課題】多材料エーロフォイルのための機械式インターロックフィーチャを提供する。
【解決手段】機械式インターロックは、ロータディスク(32)に接続可能である第1のエーロフォイル部分(34)と、第1のエーロフォイル部分の前記インターロックフィーチャに接続される第2のエーロフォイル部分(36)とを備える。第1のエーロフォイル部分は第1の材料で形成され、第1のエーロフォイル部分がそこから延在するインターロックフィーチャ(52)を有することができる。第2のエーロフォイル部分は第1のエーロフォイル部分から径方向に延在し、第2のエーロフォイル部分は少なくとも部分的に異なる材料で形成されることができる。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は概してガスタービンエンジンに関する。限定しないがより詳細には、本発明の実施形態は、多材料エーロフォイル(multi−material airfoil)のための機械式インターロックフィーチャ(mechanical interlock feature)を提供するための装置および方法に関する。
タービンエンジンでは、空気が、圧縮機内で加圧され、燃焼器内で燃料に混合され、それにより、高温の燃焼ガスが生成され、この燃焼ガスがタービンステージを通って下流に流れる。これらのタービンステージが燃焼ガスからエネルギーを抽出する。高圧タービンは、第1のステージのノズルと、ディスクおよび複数のタービンブレードを含むロータ組立体とを含む。高圧タービンは最初に燃焼器から高温の燃焼ガスを受け、また、高温タービンは、第1のロータディスクから径方向外側に延在する一列の高圧タービンロータブレードを通るように下流に燃焼ガスを誘導するための第1のステージのステータノズルを含む。2ステージのタービンでは、第2のステージのステータノズルが第1のステージのブレードの下流に配置され、今度は、第2のロータディスクから径方向外側に延在する一列の第2のステージのタービンブレードが続く。ステータノズルが、隣接する下流のタービンブレードのところでの抽出を最大化するように高温燃焼ガスを誘導する。
第1および第2のロータディスクは、運転中に燃焼器に動力供給するために、対応するロータシャフトにより燃焼器に接合される。通常、これらは高圧タービンと称される。タービンエンジンは、一般に静翼と称される静的エーロフォイル(static airfoil)の複数のステージを含むことができ、これらは、エンジン軸方向において、一般にブレードと称される回転エーロフォイルの間の空間を占める。飛行中に航空機に動力供給するための一般的なターボファン航空機エンジン構成では、マルチステージ低圧タービンが2つのステージの高圧タービンに続いて配置され、このマルチステージ低圧タービンは、通常、第2のシャフトにより、圧縮機の上流に配置されるファンに接合される。
燃焼ガスがタービンステージを通って下流に流れると、そこからエネルギーが抽出され、燃焼ガスの圧力が低下する。この燃焼ガスは燃焼器に動力供給するのに使用され、さらには、電力使用または船舶使用のためのタービン出力シャフトに動力供給するのにも使用され、あるいは、航空使用において推進力をもたらす。このように、燃料エネルギーが、燃焼器に動力供給するために、および、プロセスを継続するのに必要な圧縮空気を供給するために、回転シャフトの機械エネルギーに変換される。
ガスタービンエンジンの1つの所望される性質またはデザインは、エーロフォイル構造の性能を向上させることである。これは多様な形で行われ得る。エーロフォイル性能を向上させる1つの手法は、エーロフォイルに多材料デザインを採用することである。これにより、多様な係数(modulus)、密度または延性を有することができるという特別な利点が得られる。さらに、衝撃状態などの極端な負荷状態において最適化を行うことができる。しかし、多材料を使用することが望ましい場合でも、溶接などの従来の技術を介してこれらの多材料を接合することが、しばしば、材料自体を原因として不可能となる。伝統的な接着接合などの別の選択肢も検討され得る。これらの典型的な接着接合または重ね接合では、材料界面が接着剪断界面(bond shear interface)を介して荷重を伝達することになる。しかし、接着剤により一体に接着される一般的な剪断接合または重ね接合を改善することが望まれる。さらに、エーロフォイルを形成するために組み合わされる材料の界面強度を向上させることも望まれる。
米国特許出願公開第2011/0142670号公報
上記から分かるように、エーロフォイルの性能を最適化することが必要である。さらに、ブレード、エーロフォイル、および、エーロフォイルデザインを使用するタービンエンジンまたは別の構成の構成要素などにおいて必要となるような必須の強度フィーチャ(strength feature)を提供しながら、より軽量の材料を含むようにブレードデザインを最適化することが必要である。
本開示の一部の実施形態は、ロータディスクに接続可能であり、かつ第1の材料で形成され、かつそこから延在するインターロックフィーチャを有する第1のエーロフォイル部分と、第1のエーロフォイル部分のインターロックフィーチャに接続され、かつ第1のエーロフォイル部分から径方向に延在し、かつ少なくとも部分的に異なる材料で形成される第2のエーロフォイル部分とを備える多材料エーロフォイルを伴う。
一部の実施形態によると、多材料エーロフォイルのための機械式インターロックが、リーディングエッジと、トレーリングエッジと、シャンクエンドおよび反対の先端部と、ロータディスクに接続可能であり、かつ第1の材料で形成されかつ径方向上向きに延在するインターロックフィーチャを有する母材(parent)と、第1の材料とは異なる材料で少なくとも部分的に形成され、かつ反対側の先端部を画定しかつインターロックフィーチャを受けるためのキャビティを有し、かつ母材から径方向に延在するラップとを備える。
別の実施形態によると、多材料エーロフォイルのための機械式インターロックが、第1の材料で形成され、かつ径方向上向きに延在するインターロックフィーチャを有する第1のエーロフォイル部分と、少なくとも部分的に第1の材料とは異なる第2の材料で形成され、かつ第1のエーロフォイル部分から径方向に延在し、かつインターロックフィーチャを受けるためのキャビティを有する第2のエーロフォイル部分とを備え、これらの第1のエーロフォイル部分および第2のエーロフォイル部分がインターロック領域を画定し、このインターロック領域内には、インターロックフィーチャおよびインターロックキャビティが配置される。
上で概説したすべてのフィーチャは単に例示であると理解されるべきであり、多材料エーロフォイルのインターロックフィーチャのさらに多くのフィーチャおよび目的が本明細書の開示から得られる。したがって、明細書全体、特許請求の範囲、および、本明細書に含まれる図面を読むことなく、この概要の限定でない解釈理解されたい。
添付図面と併せた実施形態の以下の記述を参照することにより、本開示の上で言及した特徴および利点ならびに別の特徴および利点、さらには、それらを達成するための手法が、より明確となり、形状変化エーロフォイルがよりよく理解される。
例示のタービンエンジンを示す側断面縮小図(side−section small view)である。 ファンロータ組立体を示す側面図である。 インターロックフィーチャを備える例示の多材料エーロフォイルを示す断面図である。 多材料エーロフォイルの例示の母材部分を示す等角図である。 インターロックフィーチャを備える例示の多材料エーロフォイルを示す断面図である。 インターロックフィーチャを形成するのに使用される繊維材料をさらに描く例示のインターロックフィーチャを示す側面図である。
次に、その1つまたは複数の実施例が図面に示される提示される実施形態をより詳細に参照する。各実施例は説明のために提供されるものであり、開示される実施形態を限定するものではない。実際には、本開示の範囲または精神から逸脱することなく本発明の実施形態において種々の修正形態および変更形態が作られ得ることが、当業者には明白であろう。例えば、一実施形態の一部として示されるかまたは説明される特徴は、さらに別の実施形態を作るために別の実施形態と共に使用され得る。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にある修正形態および変更形態を包含することを意図される。
本発明の実施形態は、種々の層の材料で形成され得るエーロフォイルを提供する。例えば、材料の1つは高分子マトリックス複合材(polymeric matrix composite(PMC))であってよい。第2の実施形態によると、この材料はセラミックマトリックス複合材(ceramic matrix composite(CMC))であってよい。本明細書でさらに説明されるように、例えば炭素ベース材料などの別の材料も使用され得、したがって、本記述は限定的であると解釈されるべきではない。
前部および後部という用語はエンジン軸を基準として使用され、概して、それぞれ、エンジン軸の方向においてタービンエンジンの前方またはタービンエンジンの後方に向かうことを意味する。径方向という用語は、概して、エンジン軸に対して垂直な方向を示すのに使用される。
次に図1〜6を参照すると、種々の実施形態が、多材料エーロフォイルのための機械式インターロックフィーチャを提供するための装置および方法を描いている。エーロフォイルはタービンエンジンの任意の複数の位置を使用することができ、限定しないが、タービン、圧縮機、ターボファン、および別の位置が含まれる。さらに、この多材料は、航空機用途、風力タービン用途または船舶用途あるいは別の産業用途での、翼、ブレード、プロペラまたは別の位置などの、別のエーロフォイルの実施形態でも利用され得る。
最初に図1を参照すると、エンジン入口端部12と、圧縮機14と、燃焼器16と、マルチステージ高圧タービン20とを有するガスタービンエンジン10の概略側面図が示されている。ガスタービンエンジン10は、航空、発電、工業、船舶などのために使用され得る。用途によっては、エンジン入口端部12は別法としてファン以外のマルチステージ圧縮機を包含してもよい。ガスタービンエンジン10は、種々のエンジン構成要素が回転するときに中心となるエンジン軸26または高圧シャフト24を中心に軸対称である。運転中、空気がエンジン10の空気入口端部12を通って入り、空気圧力が増大する圧縮機の少なくとも1つのステージを通って移動し、燃焼器16の方に誘導される。圧縮空気が燃料に混合されて燃焼され、高温燃焼ガスを提供し、この高温燃焼ガスが燃焼器16から出て高圧タービン20に向かう。高圧タービン20のところで高温燃焼ガスからエネルギーが抽出され、それによりタービンブレードが回転し、さらにそれによりシャフト24が回転する。シャフト24はエンジンの前方の方まで延びており、タービンデザインに応じて、1つまたは複数の圧縮機ステージ14、ターボファン18または入口ファンブレードまで継続して回転させる。
軸対称のシャフト24が、前方端部から後方端部まで、タービンエンジン10を通って延在する。シャフト24はその長手方向に沿って軸受によって支持される。シャフト24は、その中で低圧タービンシャフト28が回転するのを可能にするために中空であってよい。シャフト24、28の両方がエンジンの中心線または軸26を中心に回転することができる。運転中、シャフト24、28が、例えば、電力、工業または航空などの使用分野に応じて、電力または推力を生成することを目的として、タービン20および圧縮機14のロータ組立体などのシャフトに接続される別の構造物と共に回転する。
さらに図1を参照すると、入口12が、複数のブレードを有するターボファン18を含む。ターボファン18はシャフト28により低圧タービン19に接続され、ターボエンジン10のための推力を生成する。タービン19の種々のブレードに関連させて考察するが、この多材料エーロフォイルは、タービンエンジン10内の種々のエーロフォイルと共に使用され得る。さらに、変形可能(morphable)ブレードは、タービンエンジン以外の構造物に付随する種々のエーロフォイルとも共に使用され得る。
次に図2を参照すると、ロータディスク32に接続される単一のファンブレード30の側面図が描かれている。ファンブレードを示して説明するが、エーロフォイル形状として利用される別の構成要素も、説明される多材料インターロックフィーチャ52(図3)を使用することができる。ファンブレードまたはエーロフォイルは、母材材料または第1の部分34と、ラップ材料または第2の部分36をさらに含む。ロータディスク32が、高圧シャフト24(図1)または低圧シャフト28(図1)などのシャフトに接続される。ロータディスク32はシャフトと共に回転し、それによりエーロフォイル30を回転させる。ブレードまたはエーロフォイル30は、圧縮機20、ターボファン18またはタービンエンジン10のタービン20の中のロータ組立体に例えば接続される根元部分を含む。例えば、この根元はロータディスク32のキャビティ内で受けられ得るか、または、ロータを備える別の機械式接続部を使用することができる。
母材材料または第1の部分34がロータディスク32から径方向に延在する。母材は、根元によりロータディスク32に接続されるシャンクまたは下側端部を含む。母材材料34は、金属材料または複合材料などの種々の材料から形成されてよい。複合材料という用語は、任意のマトリックスバインダ(金属または非金属)内に埋め込まれる任意の繊維フィラメント(金属または非金属)を有する材料として定義される。この複合材料は、エポキシ(すなわち、エポキシ樹脂)マトリックスバインダ内に埋め込まれる繊維フィラメントから構成される。複合材料内の繊維フィラメントの別の選択肢には、限定しないが、グラスファイバ、アラミド繊維、炭素繊維、ホウ素繊維、およびそれらの組み合わせが含まれる。マトリックス樹脂の別の選択肢には、限定しないが、ビスマレイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリ(アリールスルホン)、ポリエーテルスルホン、シアン酸エステル、およびそれらの組み合わせが含まれる。マトリックスは、さらに、最終材料を強靱にするかまたは強化するための別の材料を含むことができる。エーロフォイル30は、所望の形状のエーロフォイル30を形成するために互いの上に組み付けられる複層の合成材料を用いて形成され得る。描かれる実施形態では複数の層が示されるが、より多くの層またはより少ない層も使用され得る。一実施形態によると、エーロフォイル30は、例えば高分子マトリックス複合材(polymeric matrix composite(PMC))で形成されてよい。別の実施形態によると、炭素繊維、グラスファイバ、またはそれらの何らかの組み合わせが使用されてもよく、また、これらは、各層または複数の層に跨がって、翼弦方向、スパン方向、傾斜方向、またはそれらの組み合わせで配置されてよい。
ラップ材料36は、注型可能発泡材などの注型可能材料、複合材料またはポリウレタンで形成されてよい。ラップは、例えば、母材材料34で使用される上に列記される材料のうちのいずれかを使用することもできる。しかし、これらの母材34およびラップ36の材料は少なくとも部分的に異なっており、完全に異なっていてもよい。母材34とラップ36との間にはインターロック領域50が見られ、ここで、母材34およびラップ36の材料が一体に接合される。インターロック領域50は図2では破線の間に描かれる。
エーロフォイル30は圧力側31および吸込側33(図3)をさらに含み、ここでは、通常、吸込側を横断するリーディングエッジ38からトレーリングエッジ40までの距離が、圧力側を横断するリーディングエッジからトレーリングエッジ40までの距離より大きい。ガスタービンの圧縮機の用途では、タービンブレード30は、吸込側がある基準点を通過する前に圧力側がその基準点を通過するような方向に、回転する。蒸気タービンの用途では、エーロフォイルは、圧力側がある基準点を通過する前に吸込側がその基準点を通過するような方向に、回転してよい。
ファンブレード30はリーディングエッジ38をさらに備え、圧力ブレード30のためのインターロック領域50が、ロータディスク32付近の下側端部またはシャンク42からファンブレードのリップまたは端部44まで上方に延在する。ファンブレード30、中実、中空、または部分的に中空であってよく、幾分か密度の低い材料を全体または一部分に有してよい。インターロック領域50は、機械式インターロックフィーチャが母材材料34からラップ材料36まで延在するような一領域を画定する。
次に図3を参照すると、ファンブレード30の断面図が描かれており、ここでは、インターロック領域50が、図2に示される方向に対して垂直な方向で明確に示されている。ファンブレード30は母材材料34およびラップ材料36を描いており、さらにはインターロック領域50を描いている。インターロック領域50内にはインターロックフィーチャ52が設けられる。例示の一実施形態によると、インターロックフィーチャ52は、母材34から径方向上向きに延在する倒立ダブテール(inverted dovetail)54を備える。倒立ダブテール54は母材34と共に一体に形成され、ラップ36が、インターロックフィーチャ52を受けるように一体に形成されるキャビティ56を備える。キャビティ56はインターロックフィーチャ52の形状に対応する形状を有することができる。したがって、例示の実施形態で示されるように、キャビティ56もやはり、母材34の対応する雄型フィーチャを受けるための雌型の倒立ダブテール形状を有する。
図3でさらに示されるように、ブレードのいずれかの側または両側でクラッディング70が使用される。クラッディング70は、母材34およびラップ36と同様であるかまたはそれらとは異なる種々の材料で形成されてよい。クラッディング70は、締結、接着、または別の種々の手法により取り付けられ得る。また、クラッディング70が任意選択であり、したがって用途に応じて使用されても使用されなくてもよいことを理解されたい。
次に図4を参照すると、リーディングエッジ38からトレーリングエッジ40の方を見た母材34の等角図が示されている。インターロックフィーチャ52が示されており、このインターロックフィーチャ52は、リーディングエッジ38とトレーリングエッジ40との間で変化する上側厚さ58を有する。58のところの厚さは、インターロック領域50(図3)のところの母材材料の位置に沿って発生すると予想される負荷に従って設計されてよい。厚さ58はまた、ブレード30の曲率に従っても変化してよい。
次に図5を参照すると、母材34の断面図が描かれており、ラップ36が破線で示されている。機械式インターロックフィーチャ52が例示の倒立ダブテール54を備える。この図では、インターロックフィーチャ52の周りに種々の設計パラメータが描かれている。上で説明したように、幅または厚さ58は、ブレード30または母材34のリーディングエッジ38とトレーリングエッジ40との間で変化してよい。隣接する寸法80は、ラップ材料36の全重量に基づいて設計され得る。同様に、角度シータ(Θ)を有する傾斜表面84がインターロックフィーチャ52の下側部分から延在して示されており、これらは、これらの各々の表面に隣接して示される垂直線から測定される。角度シータ(Θ)は、母材34とラップ36との間で最大の界面剪断荷重(shear interface load)が加えられるのを可能にするようにその大きさを決定される。ダブテールの底部のところに首部厚さ82が示されており、この首部厚さ82もやはり、回転荷重を受けるときのラップ材料36の全重量に基づいてその大きさを決定される。インターロックの角度、さらにはそれにより厚さを固有に決定することは材料に依存し、各材料の性能などを利用する。インターロックフィーチャ52は、例えば所望のサイズとなるように倒立ダブテール54を作るために複合材料の層を連続的に追加することによって形成されてよい。
次に図6を参照すると、母材材料34の追加の側断面図が描かれている。この実施形態で採用される1つの特徴は、母材材料34からインターロックフィーチャ52内へと延在する連続的な繊維90であってよい。母材材料34からインターロックフィーチャ52内へと延在する連続的な繊維90は、この実施形態では倒立ダブテール54を備えるインターロックフィーチャ52の剪断強度および引張り強度を増大させる。
本明細書では本発明の複数の実施形態を説明して示してきたが、本明細書で説明される機能を実施するためのならびに/あるいは本明細書に説明される結果および/もしくは複数の利点のうちの1つまたは複数を得るための、多様な別の手段および/または構造を、当業者であれば容易に構想するであろう。このような変更形態および/または修正形態は各々が本明細書で説明される実施形態の本発明の範囲内にあると考えられる。より一般的には、本明細書で説明されるすべてのパラメータ、寸法、材料および構成が例示的であることを意味されること、ならびに、実際のパラメータ、寸法、材料および/または構成が、本発明の教示を使用するための個別の用途(複数可)に依存することを、当業者であれば容易に認識するであろう。当業者であれば、慣例の実験のみを介して、本明細書で説明される本発明の特定の実施形態に対する多くの均等物を理解するかまたは確認することができるであろう。したがって、上記の実施形態が単に例として提示されること、ならびに、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内で、本発明の実施形態が、具体的に説明される手法以外および特許請求される手法以外の手法で実施され得ることを理解されたい。本開示の本発明の実施形態は、本明細書で説明される各々の個別のフィーチャ、システム、物品、材料、キットおよび方法を対象とする。さらに、これらのフィーチャ、システム、物品、材料、キットおよび/または方法が相互に整合性を有さない場合でも、2つ以上のこれらのフィーチャ、システム、物品、材料、キットおよび/または方法の任意の組み合わせが、本開示の本発明の範囲内に含まれる。
最良の形態を含めた実施形態を開示するために、さらには、任意のデバイスまたはシステムを製造および使用することならびに採用される任意の方法を実施することを含めて、当業者が装置および/または方法を実施するのを可能にするために、複数の例が使用される。これらの実施例は、包括的であることを意図せず、さらに、本開示を、開示される正確なステップおよび/または形態のみに限定することを意図せず、上記の教示に照らして多くの修正形態および変更形態が可能である。本明細書で説明される特徴は任意の組み合わせで組み合わされ得る。本明細書で説明される方法のステップは、物理的に可能である任意の順番で実施されてよい。
本願明細書において定められて使用されるすべての定義は、辞書の定義、参照により組み込まれる文献内の定義、および/または、定義される用語の通常の意味を包括するものとして理解されるべきである。本明細書および請求項で使用される不定冠詞「a」および「an」は、別の意味で明示されない限り、「少なくとも1つ」を意味するものとして理解されるべきである。本明細書および請求項で使用される「および/または」というフレーズは、結合される要素の「いずれかまたは両方」を意味し、すなわち、場合によっては結合されて存在する要素であって、場合によっては分離して存在する要素を意味するものとして理解されるべきである。
また、別の意味で明示されない限り、2つ以上のステップまたは行為を含む本明細書で請求される任意の方法において、方法のステップまたは行為の順番は、方法のステップまたは行為の引用される順番のみに必ずしも限定されないことを理解すべきである。
特許請求の範囲さらには上記の明細書では、「comprising」、「including」、「carrying」、「having」、「containing」、「involving」、「holding」、「comprised of」などの、すべての移行フレーズは制約がなく、すなわち、限定せずに含むことを意味することを理解されたい。「consisting of」および「consisting essentially of」という移行フレーズのみが、それぞれ、「the United States Patent Office Manual of Patent Examining Procedures, Section 2111.03」に記載されるクローズ型(closed)またはセミクローズ型(semi−closed)の移行フレーズであるとする。
10 ガスタービンエンジン
12 エンジン入口端部
14 圧縮機
16 燃焼器
18 ターボファン
19 低圧タービン
20 マルチステージ高圧タービン
24 高圧シャフト
26 エンジン軸
28 低圧タービンシャフト
30 エーロフォイル
31 圧力側
32 ロータディスク
33 吸込側
34 母材材料または第1の部分
36 ラップ材料または第2の部分
38 リーディングエッジ
40 トレーリングエッジ
42 下側端部またはシャンク
44 リップまたは端部
50 インターロック領域
52 多材料インターロックフィーチャ
54 倒立ダブテール
56 キャビティ
58 厚さ
70 クラッディング
80 寸法
82 首部厚さ
90 連続的な繊維

Claims (10)

  1. ロータディスク(32)に接続可能である第1のエーロフォイル部分(34)であって、前記第1のエーロフォイル部分が第1の材料で形成され、前記第1のエーロフォイル部分がそこから延在するインターロックフィーチャ(52)を有する、第1のエーロフォイル部分(34)と、
    前記第1のエーロフォイル部分の前記インターロックフィーチャに接続される第2のエーロフォイル部分(36)であって、前記第2のエーロフォイル部分が前記第1のエーロフォイル部分から径方向に延在し、前記第2のエーロフォイル部分が少なくとも部分的に異なる材料で形成される、第2のエーロフォイル部分(36)と
    を備える、多材料エーロフォイル(30)のための機械式インターロック。
  2. 前記第1の材料が第1の複合材である、請求項1記載の多材料エーロフォイルのための機械式インターロック。
  3. 前記インターロックフィーチャの1つが倒立ダブテール(54)である、請求項2記載の機械式インターロック。
  4. 前記第1の材料が、前記第1のエーロフォイル部分の下側部分から前記倒立ダブテール内へ延在する複数の連続的な繊維(90)を含む、請求項3記載の機械式インターロック。
  5. 前記倒立ダブテールが傾斜表面(84)を有する、請求項3記載の機械式インターロック。
  6. 前記倒立ダブテールが、前記エーロフォイルの長手方向に沿って延在する変化する厚さ(58)を有する、請求項5記載の機械式インターロック。
  7. 前記第2のエーロフォイル部分が前記第1の複合材とは異なる第2の複合材である、請求項1記載の機械式インターロック。
  8. 前記第2のエーロフォイル部分が注型可能発泡材またはポリウレタンのうちの1つである、請求項1記載の機械式インターロック。
  9. インターロック領域(50)内で前記第1のエーロフォイル部分および前記第2のエーロフォイル部分に重なるクラッディング(70)をさらに備える、請求項1記載の機械式インターロック。
  10. 前記インターロックフィーチャの性質がスパン方向において変化し得る、請求項1記載の機械式インターロック。
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