JP2013506079A - 適応コアエンジン - Google Patents

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Abstract

可変の流量を有しながら実質上一定のコア圧力比を維持することが可能な適応コア(10)を有するガスタービンエンジンが開示される。一態様では、適応コアは、前面ブロック圧縮機(30)および背面ブロック圧縮機(40)を構成する。前記前面ブロック圧縮機は軸流圧縮機であってよい。前記背面ブロック圧縮機は遠心流圧縮機であってもよい。前記背面ブロック圧縮機は軸−遠心流圧縮機であってもよい。前記適応コアは、可変面積の拡散器を備えることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、一般にジェット推進エンジンに関し、より詳細には、ほぼ一定の圧力比を維持しながら可変の流れ条件下で動作することが可能な適応コアエンジンに関する。
高い離陸推力/離陸総重量(すなわち、0.8〜1.2の範囲の推力荷重)の値を有する将来の混合式の多重任務型の航空機、ならびにより従来の混合式の任務可能な軍隊のシステムは、推進システムにとって多くの難題を呈する。これらのシステムは、装備されていない性能と、さらに大きくは、超音速インレットに関連する漏洩抗力損失の影響を含む完全に装備された性能との両方の点で、従来のエンジンが非効率的な設計外の条件で動作する多様な飛行速度、高度で、具体的には低電力設定で、効率的な推進動作を必要とする。
混合式の任務の適用分野に対する従来のエンジンサイクルおよび構成を規定するときは、合理的に寸法設定されたエンジンが亜音速と超音速の両方の飛行条件で効果的に動作できるように、ファン圧力比、バイパス比、および全体的な圧力比を選択する際に妥協しなければならない。具体的には、戦闘行動および超音速動作に必要な推力を拡大することが可能な合理的に寸法設定されたエンジンを得るのに必要なファン圧力比および関連するバイパス比の選択は、効率的な低電力の亜音速飛行では最適ではない。基本的な装備されていない亜音速のエンジン性能は妥協されており、電力設定を低減させるとインレット/エンジン流の不整合が発生するため、完全に装備された性能はさらに悪くなる。
当技術分野では、コンバーチブルエンジンで使用されるコアの概念はかなり複雑であり、複雑な導管およびバルブの必要がある複数のコアを有する。現在、従来のブレード式のコアの概念では、コアの流量が低減すると一定またはほぼ一定の動作圧力比を維持することができない。これは、周知の可変のバイパスコンバーチブルエンジンの概念によって提供される潜在的な燃料消費率(SFC)の利点を厳しく制限する。
欧州特許第1942269号
したがって、可変流量でほぼ一定の圧力比で動作する潜在性を保持しながら、より従来の枠組み、封止、および軸受の必要を有する、より簡単なコア設計を有する適応コアエンジンを有することが望ましいであろう。様々な飛行体系に対するSFCの利点を提供しながら、可変の流量および圧力比の条件下で動作できる適応コアエンジンを動作させる方法を有することが望ましいであろう。コンバーチブルエンジンの利点を組み合わせてSFCを下げる適応コアを有するコンバーチブルエンジンを有することが望ましいであろう。
前述の1つまたは複数の必要は、可変の流量を有しながら実質上一定のコア圧力比を維持することが可能な適応コアを有するガスタービンエンジンを提供する、本明細書に開示する例示的な実施形態によって満たすことができる。一態様では、適応コアは、前面ブロック圧縮機および背面ブロック圧縮機を備える。一実施形態では、適応コアは、軸流圧縮機である背面ブロック圧縮機を備える。別の実施形態では、適応コアは、遠心流圧縮機を有する背面ブロック圧縮機を備える。
可変の流量を有しながら実質上一定のコア圧力比を維持するように適応コアが動作する、ガスタービンエンジンを動作させる例示的な方法が開示される。一実施形態では、適応コアを動作させる方法は、コンバーチブルファンを動作させることを含む。
本発明に関する主題については、本明細書の終結部分で具体的に指摘し、明白に請求する。しかし本発明は、添付の図面と併せて以下の説明を参照することによって、最もよく理解することができる。
本発明の一態様によって構築された適応コアガスタービンエンジンの一部分の概略横断面図である。 図1に示す例示的な適応コアガスタービンエンジンの動作中の例示的な圧縮機の図である。 図1に示す例示的な適応コアガスタービンエンジンの圧縮機の動作特性の一例の図である。 本発明の一態様によって構築されたコンバーチブルガスタービンエンジンの概略横断面図である。 本発明の別の態様によって構築されたコアファンを有する適応コアガスタービンエンジンの一部分の概略横断面図である。 軸−遠心流背面ブロック圧縮機を有する本発明の別の実施形態によって構築された適応コアガスタービンエンジンの一部分の概略横断面図である。 軸−遠心流背面ブロック圧縮機を有する適応コアを有するコンバーチブルエンジンの本発明の別の実施形態の概略横断面図である。 フレード式のファンおよび適応コアを有するコンバーチブルエンジンの本発明の別の実施形態の概略横断面図である。 本発明の例示的な実施形態による適応コアを有するコンバーチブルエンジンの動作性能特性の一例の図である。
図面を参照すると、図1は、本発明の一態様によって構築された適応コアガスタービンエンジンの一部分の概略横断面図である。図面では、様々な図全体にわたって、同一の参照番号で同じ要素を表す。図1に示す例示的な適応コアガスタービンエンジン10は、前面ブロック圧縮機30および背面ブロック圧縮機40を有する適応コア20を備える。前面ブロック圧縮機30は、1つまたは複数の圧縮機段を備え、各段は、エンジン中心線軸11の周りで円周方向に構成された1列のブレード36を有する。ブレード36の列は、ディスク34またはスプールによって適切に支持される。回転子ブレード36の列から軸方向に前方へ、1列の静翼38が位置する。前面ブロック圧縮機30の第1の回転子段130から軸方向に前方へ、1列の静翼134が位置する。静翼134は、入口案内静翼(IGV)132と呼ばれることも多い。図1に概略的に示すように、前面ブロック圧縮機30のIGV132は可変タイプである。図1に概略的に示すように、前面ブロック圧縮機30の他の固定子静翼38も、可変の固定子とすることができる。可変の固定子により、空気の基本的な流れ、および圧縮機段を流れるその方向を変動させることができる。入口案内静翼(IGV)132は、アクチュエータ133を使用することによって、空気流に対する迎え角および開いた流れ面積を選択的に変化させることができる。この目的に適した周知のアクチュエータを使用することができる。適宜、段間の静翼38の一部は、アクチュエータ39を使用することによって、空気流に対する迎え角および開いた流れ面積を選択的に変化させることができる。この場合も同様に、この目的に適した周知のアクチュエータを使用することができる。
図1に概略的に示す適応コア20は、背面ブロック圧縮機40を備える。図1に示す例示的な実施形態では、背面ブロック圧縮機40は軸流圧縮機であり、1つまたは複数の段を備え、各段は、エンジン中心線軸11の周りで円周方向に構成された1列のブレード46を有する。ブレードの列は、ディスクまたはスプール44によって適切に支持される。回転子ブレード46の列から軸方向に前方へ、1列の静翼48が位置する。背面ブロック圧縮機40の第1の回転子段140から軸方向に前方へ、1列の静翼が位置する。これらの静翼は、背面ブロック入口案内静翼(IGV)142と呼ばれることも多い。図1に概略的に示すように、背面ブロック圧縮機40の背面ブロックIGV142は可変タイプである。背面ブロック圧縮機40の他の固定子静翼も、可変の固定子とすることができる(図1には示さず)。可変の固定子により、空気の基本的な流れ、および圧縮機段を流れるその方向を変動させることができる。背面ブロック圧縮機40では、入口案内静翼(IGV)は、周知のアクチュエータ143を使用することによって、空気流に対する迎え角および開いた流れ面積を選択的に変化させることができる。適宜、段間の静翼は、周知のタイプのアクチュエータ(図1には示さず)を使用することによって、空気流に対する迎え角および開いた流れ面積を選択的に変化させることができる。動作中、一部のパージ空気流(たとえば、項目122)を除いて、背面ブロック圧縮機40内に入る空気の流れを実質上阻止できるように、アクチュエータ143を使用して、背面ブロックIGV142の少なくとも一部分を動かすことが可能である。背面ブロック40は、パージ流122を除いて空気流が流れるのを防止するために、IGVシステム142およびアクチュエータ143を使用して実質上完全に閉じることが可能であるという点で、「格納可能」である。図1に示す例示的な実施形態では、前面ブロック圧縮機30および背面ブロック圧縮機40は、高圧タービン60によって駆動され、高圧タービン60はタービンシャフト42に結合され、タービンシャフト42は圧縮機シャフトに結合される。
図1は、背面ブロック圧縮機40として軸流圧縮機を示すが、本発明の代替実施形態では、背面ブロック圧縮機は、たとえば図6〜8に項目352、252、376として示すものなど、遠心流圧縮機または軸−遠心流圧縮機とすることができる。
たとえば本明細書で図に示すものなどの適応コアエンジンが最大流れ動作条件で動作している間、前面ブロック圧縮機30(図1参照)は、前面ブロック圧縮機IGV132を実質上完全に開いたまま、設計速度および圧力比で動作する。これを、図2に概略的に示す。図2は、たとえば図1に示すものなどの例示的な適応コアガスタービンエンジンの動作中の例示的な圧縮機の図である。図2を参照すると、この例では、前面ブロック圧力比(「PR」)は、P2の値(たとえば、8.5)で設定され、基準圧縮機流量(「W2」)は、約100%である(図2の項目204参照)。背面ブロックIGV142は、実質上閉じており(図2の項目212参照)、制御されたパージ流122のみが、背面ブロック圧縮機40のこの区間を通過する。
この動作モード(すなわち、最大流れ条件)では、前面ブロック圧縮機の流れ110の大部分は、背面ブロック圧縮機40の周りを回って、制御された面積の拡散器50を通過してから、燃焼器58に入る。図1に示す例示的な可変面積の拡散器は、圧縮機30、40からの流れの拡散を制御するようにヒンジ121の周りで動作可能なバフル120を備える。図1を参照されたい。別法として、他の適した方法を使用して、流れの拡散を制御することもできる。適応コアエンジンは、高圧タービン(HPT)60を備える。HPTは、HPタービンブレード61から軸方向に前方へ位置するHPT静翼62を備える。図1に示す例示的な実施形態では、HPT静翼62(別法として、本明細書ではノズルと呼ぶ)は可変面積タイプ(VATN)であり、したがって流れの幾何形状は、エンジン10の動作中に周知のアクチュエータ63を使用して変動させることができる。図1に示す例示的な実施形態および図2に記載する動作では、HPタービン静翼は、圧縮機の最大流れ動作中、完全に開いた位置にある。コンバーチブルエンジン(たとえば、図7および8参照)における推力を低減させた可変バイパス動作の場合、前面ブロック流は、回転子速度(rpm)の低減量を最小にして、IGV132および他の前面ブロック圧縮機可変固定子38を部分的に閉じることによって低減される。この組合せにより、背面ブロック圧縮機40の速度を高速で維持し、前面ブロック圧縮機30の流れを低減させた動作中に圧力比の潜在性を最大にする。また、背面ブロック圧縮機40内の圧力比を高くするのを助けるために、背面ブロック圧縮機40の設計の補正された速度は、前面ブロック圧縮機が低減させた圧力比レベルで動作するとき、前面ブロック圧縮機の排出の過給温度に基づく。図2に示す例示的な動作方法では、前面ブロック圧縮機30は、「W1」%(たとえば、60%)の補正された動作流量で、「P1」の圧力比(たとえば、4.7)である。背面ブロック圧縮機40の設計圧力比が「P4」(たとえば、1.8)であり、そのIGV142が実質上完全に開いている(図2の項目214参照)場合、次に前面ブロック圧縮機の流れは、背面ブロック圧縮機(図1の項目124参照)を通過し、「W1」の補正された流れ(この例では60%)で、「P2」に近い全体的なコア圧力比(この例では4.7×1.7=8.5)をもたらす。可変のHPT静翼62は、可変の流れを有しながら実質上一定の圧力比を有するこの動作モードの場合、部分的に閉じることができる。
図3は、図1に示す例示的な適応コアガスタービンエンジン10内の例示的な適応コア20の圧縮機の動作特性の一例を示す。図3は、本明細書に示す例示的な実施形態に示す2ブロックのコア圧縮システムに起因する特有のタイプの圧縮機の図/動作を示す。図3は、背面ブロック圧縮機の「開」状態と、背面ブロック圧縮機の「閉」状態で、補正された流れの適応コア特性と圧力比の関係を示す。動作線302、312および失速線300、310は、図3に示すように変化し、たとえば図示の遷移線304を有する。
図4は、本発明の一態様によって構築されたコンバーチブルガスタービンエンジン320の概略横断面図を示す。「コンバーチブル」ガスタービンエンジンは、2006年12月28日出願の「Convertible Gas Turbine Engine」という名称の同時係属の米国特許出願第11/617,371号に記載されているものなどの「コンバーチブル」ファンを備える。同願を、全体として参照により本明細書に組み込む。図4は、適応コア330およびコンバーチブルファンシステム322を有するコンバーチブルガスタービンエンジン320を概略的に示す。ガスタービンエンジン320は、流れが実質上一定で圧力比が可変のコンバーチブルファンシステム322を備える。図4に示すコンバーチブルファンシステム322の例示的な実施形態は、最適化された過給のために、3通過式のスプリッタ回転子324と、セグメント化されたIGVとを備える。図4はまた、2重バイパス326と、エンジン320内でコア流とバイパス流を混合する可変面積の混合器328とを示す。図4に示すコンバーチブルエンジン320は、図1に示して前述した実施形態に類似している前面ブロック圧縮機331および背面ブロック圧縮機332を有する適応コア330を備える。
本発明の別の実施形態では、図5は、背面ブロック圧縮機336に結合された前面ブロック圧縮機341に結合されたコアファン338(コア圧縮機を駆動するのと同じタービンによって駆動されるファン)を有する適応コアガスタービンエンジン334の一部分の概略横断面図を示す。図5に示す例示的な実施形態では、コアファン338はフレード(flade)340を備える。当技術分野では周知の適したフレードを使用することができる。エンジンシステム334はまた、フレード340に入る流れの量および流れの方向を変動させるように、可変の静翼342を含むことができる。エンジンシステム334はまた、たとえば図5に概略的に示すものなどの可変のタービンノズル344を有することができる。
図1、4、および5に示す例示的な実施形態では、背面ブロック圧縮機を、たとえば軸流圧縮機として示す。しかし、背面ブロック圧縮機は、たとえば図6〜8に示すものなどの他の適したタイプのものとすることができる。図6は、軸−遠心流背面ブロック圧縮機352を有する本発明の別の実施形態によって構築された適応コアガスタービンエンジン350の一部分の概略横断面図を示す。図示の例示的なエンジン350では、前面ブロック圧縮機354は軸流圧縮機であり、図1に示して本明細書に前述した前面ブロック圧縮機30に類似している。図示の例示的なエンジン350では、背面ブロック圧縮機352は、あまり複雑でない制御された面積の拡散器/混合器362設計を提供する遠心流圧縮機を備える。背面ブロック圧縮機352には、軸方向に空気が入る。背面ブロック圧縮機352から軸方向に前方へ、背面ブロックIGV351が位置する。背面ブロックIGV351は、図6に概略的に示すように、流れ面積を変化させるように可変タイプである。動作中、背面ブロック圧縮機352に入る空気の流れを実質上阻止できるように、アクチュエータ353を使用して、背面ブロックIGV351の少なくとも一部分を動かすことが可能である。図6に示す例示的な実施形態では、コアファンはフレード356を備える。当技術分野では周知の適したフレードを使用することができる。エンジンシステム350もまた、フレード356に入る流れの量および流れの方向を変動させるように、可変の静翼358を含むことができる。エンジンシステム350はまた、たとえば図6に概略的に示すものなどの可変のタービンノズル360を有することができる。背面ブロック圧縮機40の第1の回転子段140から軸方向に前方へ、1列の静翼が位置する。これらの静翼は、背面ブロック入口案内静翼(IGV)142と呼ばれることも多い。動作中、背面ブロック圧縮機40に入る空気の流れを実質上阻止できるように、アクチュエータ143を使用して、背面ブロックIGV142の少なくとも一部分を動かすことが可能である。エンジンシステム350における前面ブロック圧縮機354および背面ブロック圧縮機352の動作は、図1に示して本明細書に前述したエンジンシステム10内の前面および背面ブロック圧縮機の動作に類似している。
図7は、適応コアを有するコンバーチブルエンジン250の本発明の別の実施形態の概略横断面図を示す。コンバーチブルエンジン250は、図6に示して前述した実施形態に類似している軸−遠心流背面ブロック圧縮機252および軸流前面ブロック圧縮機254を有する。コンバーチブルエンジン250の例示的な実施形態は、図6に示す実施形態に類似しているコアファンシステム255と、可変面積のバイパス噴射器(VABI)258とを備える。前面ブロック圧縮機254、背面ブロック圧縮機252、およびコアファン255は、高圧タービン(HPT)261によって駆動される。コンバーチブルエンジン250は、低圧タービン(LPT)262によって駆動されるファン260を備える。図7に概略的に示すように、HPTブレードから軸方向に前方へ位置するHPTノズルは、エンジン250の動作を促進させるように可変タイプとすることができる。同様に、LPTノズルも可変タイプとすることができる。
図8は、フレード式のファン372および適応コアを有するコンバーチブルエンジン370の本発明の別の実施形態の概略横断面図を示す。図8に示す例示的な実施形態は、図6および7に示して前述した実施形態に類似している軸流前面ブロック圧縮機374、遠心流背面ブロック圧縮機376、およびコアファン375を備える。コンバーチブルエンジン370は適宜、可変面積のバイパス噴射器(VABI)368および可変の静翼377を含むことができる。フレード式のファン372は、当技術分野では周知のタイプのものとすることができる。フレード式のファンは、フレード式のファンに入る空気流の量および空気流の方向を変動できる可変の静翼システム378を備える。フレードファンの空気流379は、図8に示すように、外側導管内を流れ、コア流と混合して排気ノズルから出ることができる。
図9は、前述した本発明の例示的な実施形態による適応コアを有するコンバーチブルエンジンの動作性能特性の一例を示す。図9は、従来のガスタービンエンジンと比較した、本明細書に開示する適応コアを有するエンジンの動作の違いを概略的に示す。たとえば長距離の巡航飛行に対して、電力の低減が必要とされるとき、本明細書に開示するものなどの例示的なエンジンは、「2重バイパス」モードで動作することができ、一定の総ファン流量を維持し、バイパス導管内でファンの全体的な圧力比を低減させ、一定のコア圧力比および一定の全体的な圧力比を維持し、かつバイパス比を増大させることができる。図9に示すように、「X」および「Y」で表すコンバーチブルエンジンの低推力動作モードにおける燃料消費率(SFC)の改善は著しい。たとえば、最大電力モード設定では、ファン先端部とハブの圧力比を約5.0、コア圧力比を約8.5(全体的な圧力比を42)、またバイパス比を約0.77とすることができる。低電力モード設定では、ファンの先端部圧力比を約2.6、ファンのハブ圧力比を約5.0、コア圧力比を約8.5(全体的な圧力比を42)、またバイパス比を約1.98とすることができる。したがって、コンバーチブルファンと一緒に、適応可能コアは、一定のコア動作圧力比および一定の全体的なサイクル圧力比を維持しながら、0.77〜1.98でバイパス比の変動を可能にする。
図10は、可変の幾何形状を有するコンバーチブルエンジン390、ならびに前面ブロック圧縮機394および背面ブロック圧縮機396を有する適応コア392の本発明の別の実施形態の概略横断面図である。
この記載の説明では、例を使用して最良の形態を含む本発明を開示し、またあらゆる当業者が、本発明を作製および使用できるようにする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者には想到される他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文字どおりの言語と変わらない構造上の要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字通りの言語とほとんど違いのない同等の構造上の要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内であるものとする。
10 適応コアガスタービンエンジン
11 エンジン中心線軸
20 適応コア
30 前面ブロック圧縮機
34 ディスク、スプール
36 回転子ブレード
38 固定子静翼、前面ブロック圧縮機可変固定子
39 アクチュエータ
40 背面ブロック圧縮機
42 タービンシャフト
44 ディスク、スプール
46 回転子ブレード
48 静翼
50 拡散器
58 燃焼器
60 高圧タービン(HPT)
61 HPタービンブレード
62 HPT静翼
63 アクチュエータ
110 前面ブロック圧縮機の流れ
120 バフル
121 ヒンジ
122 パージ空気流
124 前面ブロック圧縮機の流れ
130 第1の回転子段
132 入口案内静翼(IGV)
133 アクチュエータ
134 静翼
140 第1の回転子段
142 背面ブロック入口案内静翼(IGV)
143 アクチュエータ
250 コンバーチブルエンジン
252 軸−遠心流背面ブロック圧縮機
254 軸流前面ブロック圧縮機
255 コアファンシステム
258 バイパス噴射器(VABI)
260 ファン
261 高圧タービン(HPT)
262 低圧タービン(LPT)
300 失速線
302 動作線
304 遷移線
310 失速線
312 動作線
320 コンバーチブルガスタービンエンジン
322 コンバーチブルファンシステム
324 スプリッタ回転子
326 2重バイパス
328 混合器
330 適応コア
331 前面ブロック圧縮機
332 背面ブロック圧縮機
334 エンジンシステム
336 背面ブロック圧縮機
338 コアファン
340 フレード
341 前面ブロック圧縮機
342 静翼
344 タービンノズル
350 適応コアガスタービンエンジン
351 背面ブロックIGV
352 軸−遠心流背面ブロック圧縮機
353 アクチュエータ
354 前面ブロック圧縮機
356 フレード
358 静翼
360 タービンノズル
362 拡散器/混合器
368 バイパス噴射器(VABI)
370 コンバーチブルエンジン
372 ファン
374 軸流前面ブロック圧縮機
375 コアファン
376 遠心流背面ブロック圧縮機
377 静翼
378 静翼システム
379 フレードファンの空気流

Claims (20)

  1. 可変の流量を有しながら実質上一定のコア圧力比を維持することが可能な適応コア
    を備えるガスタービンエンジン。
  2. 前記適応コアが、前面ブロック圧縮機および背面ブロック圧縮機を備える、請求項1記載のガスタービンエンジン。
  3. 前記前面ブロック圧縮機が軸流圧縮機である、請求項2記載のガスタービンエンジン。
  4. 前記背面ブロック圧縮機が軸流圧縮機である、請求項2記載のガスタービンエンジン。
  5. 前記背面ブロック圧縮機が遠心流圧縮機である、請求項2記載のガスタービンエンジン。
  6. 前記背面ブロック圧縮機が軸−遠心流圧縮機である、請求項2記載のガスタービンエンジン。
  7. 前記適応コアが、可変面積の拡散器を備える、請求項2記載のガスタービンエンジン。
  8. 前記背面ブロック圧縮機が、前記背面ブロック圧縮機に入る流れを変動させることが可能な入口案内静翼システムを備える、請求項2記載のガスタービンエンジン。
  9. コンバーチブルファンシステムをさらに備える、請求項2記載のガスタービンエンジン。
  10. 前記コンバーチブルファンシステムがコアファンを備える、請求項9記載のガスタービンエンジン。
  11. 前記コアファンがフレードを備える、請求項10記載のガスタービンエンジン。
  12. 前記フレードから軸方向に前方へ位置する可変の静翼をさらに備える、請求項11記載のガスタービンエンジン。
  13. タービン内の流れを変動させることが可能な可変面積のタービンノズルをさらに備える、請求項2記載のガスタービンエンジン。
  14. ガスタービンエンジンを動作させる方法であって、可変の流量を有しながら実質上一定のコア圧力比を維持するように適応コアが動作する、方法。
  15. 前記実質上一定の圧力比が、前面ブロック圧縮機および背面ブロック圧縮機を使用して維持される、請求項14記載の方法。
  16. 前記背面ブロック圧縮機に入る空気の流れが、高電力モード動作中に実質上低減される、請求項15記載の方法。
  17. 選択されたコア圧力を維持するように、前記背面ブロック圧縮機に入る空気の流れが低電力モード動作中に許可される、請求項15記載の方法。
  18. 低電力設定で2重バイパスモードを使用するようにコンバーチブルファンを動作させるステップをさらに含む、請求項15記載の方法。
  19. 前記コンバーチブルファンが、実質上一定のコア圧力比を維持しながらバイパス比を変動させるように動作する、請求項18記載の方法。
  20. フレードシステムを動作させるステップをさらに含む、請求項15記載の方法。
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