JP2017145824A - 交差穴を有する翼形部 - Google Patents
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Abstract
【課題】 タービンエンジンの翼形部を冷却すること。【解決手段】 半径方向に延びたリブ(130、230)で分離された第1及び第2の半径方向に延びた冷却チャンバ(122、126、222、226)を有し、交差穴(132、134、232、234)の列(140、142、240、242)が、リブ(130、230)を貫通し、第1及び第2のチャンバ(122、126、222、226)を流体結合する、タービンエンジン(10)のための翼形部(78)。【選択図】 図4
Description
本発明は、タービンエンジン用の翼形部に関する。
タービンエンジン、具体的にはガス又は燃焼タービンエンジンは、エンジンを通過する燃焼ガス流から多数の回転タービンブレード上でエネルギーを抽出するロータリーエンジンである。タービンエンジンは、陸上及び海上移動体用並びに発電用に用いられているが、最も一般的には、ヘリコプターを含む航空機などの航空用途に用いられる。航空機において、タービンエンジンは航空機の推進用に用いられる。陸上用途では、タービンエンジンは発電用に用いられることが多い。
航空機用のタービンエンジンは、エネルギー効率を最大化するために高温で動作するように設計されているので、高圧タービン及び低圧タービンなどの特定のエンジン構成要素を冷却することは有益であり得る。典型的には、冷却は、より低温の空気を高圧及び/又は低圧圧縮機から冷却が必要なエンジン構成要素にダクトにより供給することによって達成される。高圧タービン内の温度は、およそ1000℃乃至2000℃であり、圧縮機からの冷却空気は、およそ500℃乃至700℃である。圧縮機空気は高温ではあるが、タービン空気に比べれば低温であり、タービンの冷却に用いることができる。
最新のタービンブレードは、一般に、ブレードを通して冷却空気を送ってブレードの異なる部分を冷却するための1又は2以上の内部冷却回路を含み、ブレードの前縁、後縁及び先端といったブレードの異なる部分の冷却用に専用冷却回路を含むことができる。
タービンエンジンのための翼形部であって、内部を画定しかつ正圧側面及び負圧側面を定める、前縁と後縁との間に軸線方向に延びかつ翼根と先端との間に半径方向に延びる周囲壁を含む、翼形部。半径方向に延びたリブは、内部内に位置し、負圧側面と正圧側面との間に延びており、半径方向に延びる前縁チャンバは、前縁、リブ、並びに負圧及び正圧側面によって画定され、半径方向に延びる内側チャンバは、リブによって部分的に画定され、複数のフィルム孔が前縁を貫通し、交差穴の第1及び第2の半径方向に延びる列は、リブを貫通しかつ前縁チャンバと内側チャンバとを流体結合し、第1の列の穴は、第2の列の穴から半径方向にオフセットしており、穴のサブセットは、正圧及び負圧側面の一方と交差する流路を定めるように角度付けされている。
前縁に沿って延びるとともにこれを貫通する膜開口部の列を有する翼形部の前縁に隣接した前縁チャンバに冷却空気を供給する方法であって、前縁チャンバ内で半径方向に離間した冷却空気の渦巻を発生させることを含む方法。
タービンエンジンのための翼形部であって、翼形部は、内部を画定しかつ正圧側面及び負圧側面を定める、前縁と後縁との間に軸線方向に延びかつ翼根と先端との間に半径方向に延びる周囲壁と、第1及び第2の半径方向に延びる冷却チャンバと、第1及び第2の冷却チャンバを分離する半径方向に延びるリブと、リブを貫通しかつ第1及び第2のチャンバを流体結合する交差穴の第1及び第2の半径方向に延びる列と、を備え、第1の列の穴は第2の列の穴から半径方向にオフセットされ、穴のサブセットは、正圧及び負圧側面の一方と交差する流路を定めるように角度付けされている。
本発明の説明する実施形態は、翼形部、特に翼形部の冷却に関する。例証の目的で、本発明を航空機タービンエンジン用のタービンブレードに関して説明する。しかしながら、本発明はそれに限定されるものではなく、他の移動体用途、及び非移動体の工業、商業、及び住居用途といった非航空機用途において、全般的な適用可能性を有することができることが理解されるであろう。これはまた、タービンエンジンにおけるブレード以外の翼形部、例えば固定ベーンに対する用途を有することもできる。
図1は、航空機用のタービンエンジン10の概略断面図である。エンジン10は一般に、前方14から後方16へ延びる、長手方向に延びた軸線又は中心線12を有する。エンジン10は、下流に向かって直列流関係で、ファン20を含むファンセクション18と、ブースタ又は低圧(LP)圧縮機24及び高圧(HP)圧縮機26を含む圧縮機セクション22と、燃焼器30を含む燃焼セクション28と、HPタービン34及びLPタービン36を含むタービンセクション32と、排出セクション38とを含む。
ファンセクション18は、ファン20を囲むファンケーシング40を含む。ファン20は、中心線12の周りに半径方向に配置された複数のファンブレード42を含む。HP圧縮機26、燃焼器30、及びHPタービン34は、エンジン10のコア44を形成し、これが燃焼ガスを発生する。コア44は、コアケーシング46によって囲まれ、これはファンケーシング40と結合することができる。
エンジン10の中心線12の周りに同軸で配置されたHPシャフト又はスプール48は、HPタービン34をHP圧縮機26に駆動接続する。LPシャフト又はスプール50は、直径がより大きい環状HPスプール48内でエンジン10の中心線12の周りに同軸に配置され、LPタービン36をLP圧縮機24及びファン20に駆動接続する。
LP圧縮機24及びHP圧縮機26は、それぞれ複数の圧縮機段52、54を含み、圧縮機ブレード56、58のセットが対応する固定圧縮機ベーン60、62(ノズルとも呼ばれる)に対して回転して、段を通過する流体のストリームを圧縮又は加圧する。単一の圧縮機段52、54内に複数の圧縮機ブレード56、58をリング状に設けることができ、これらは中心線12に対して半径方向外向きにブレードプラットフォームからブレード先端まで延びることができ、一方、対応する固定圧縮機ベーン60、62は、回転ブレード56、58の上流に隣接して配置することができる。図1に示すブレード、ベーン、及び圧縮機段の数は、単に例証の目的で選択されたものであり、他の数も可能であることに留意されたい。
圧縮機段のためのブレード56、58は、対応するHP及びLPスプール48、50の一方に取り付けられたディスク59、61に取り付けることができ、各段が各自のディスク59、61を有する。圧縮機段のためのベーン60、62は、コアケーシング46に円周方向配置で取り付けることができる。
HPタービン34及びLPタービン36は、それぞれ複数のタービン段64、66を含み、タービンブレード68、70のセットが対応する固定タービンベーン72、74(ノズルとも呼ばれる)に対して回転して、段を通過する流体のストリームからエネルギーを抽出する。単一のタービン段64、66内に複数のタービンベーン72、74をリング状に設けることができ、これらは中心線12に対して半径方向外向きに延びることができ、一方、対応する回転ブレード68、70は、固定タービンベーン72、74の下流に隣接して配置することができ、これもまた中心線12に対して半径方向外向きにブレードプラットフォームからブレード先端まで延びることができる。図1に示すブレード、ベーン、及びタービン段の数は、単に例証の目的で選択されたものであり、他の数も可能であることに留意されたい。
タービン段のためのブレード68、70は、対応するHP及びLPスプール48、50の一方に取り付けられたディスク71、73に取り付けることができ、各段が各自のディスク71、73を有する。タービン段のためのベーン72、74は、コアケーシング46に円周方向配置で取り付けることができる。
スプール48、50のいずれか又は両方に取り付けられ、これと共に回転するエンジン10の部分は、個別に又は集合的にロータ53とも呼ばれる。コアケーシング46に取り付けられた部分を含むエンジン10の固定部分もまた、個別に又は集合的にステータ63と呼ばれる。
動作時、ファンセクション18を出た空気流は分流されて、空気流の一部がLP圧縮機24に送られるようになっており、次に、LP圧縮機24は加圧周囲空気76をHP圧縮機26に供給し、HP圧縮機26はさらに周囲空気を圧縮する。HP圧縮機26からの加圧された周囲空気76は、燃焼器30内で燃料と混合されて点火され、それにより燃焼ガスが発生する。HPタービン34によってこれらのガスから一部の仕事が抽出され、これがHP圧縮機26を駆動する。燃焼ガスはLPタービン36に排出され、LPタービン36は、更なる仕事を抽出してLP圧縮機24を駆動し、排出ガスは最終的に排出セクション38を通ってエンジン10から排出される。LPタービン36を駆動することでLPスプール50が駆動されて、ファン20及びLP圧縮機24が回転する。
残りの部分の空気流75は、LP圧縮機24及びエンジンコア44をバイパスして、固定ベーン列、より具体的には、ファン排出側85において、複数の翼形部ガイドベーン82を含む出口ベーン組立体80を通って、エンジン組立体10を出る。より詳細には、半径方向に延びた翼形部ガイドベーン82の円周方向列がファンセクション18に隣接して用いられ、空気流75に何らかの方向制御を与える。
ファン20によって供給される空気流の一部はエンジンコア44をバイパスすることができ、エンジン10の部分、特に高温部分を冷却するために用いられ、及び/又は航空機の他の態様を冷却するか又は動力を与えるために用いられる。タービンエンジンとの関連において、エンジンの高温部分は、通常、燃焼器30及び燃焼器30の下流の構成要素、特にタービンセクション32であり、HPタービン34は、燃焼セクション28の直下流にあるので最も高温の部分である。他の冷却流体源は、限定されないが、LP圧縮機24又はHP圧縮機26から排出される流体である場合がある。この流体は、ブリード空気77とすることでき、これはタービンセクション32の冷却源として燃焼器30をバイパスする、LP又はHP圧縮機24、26から引き出された空気を含むことができる。これは一般的なエンジン構成であり、限定を意味するものではない。
図2は、図1のエンジン10のタービンブレード68のうちの1つの形態のエンジン構成要素の斜視図である。タービンブレード68は、ダブテール79及び翼形部78を含む。翼形部78は、翼根83と先端81の間で半径方向に延びる。ダブテール79は、翼根83において翼形部78と一体化したプラットフォーム84をさらに含み、これはタービン空気流を半径方向に閉じ込めることを助長する。ダブテール79は、エンジン10上のタービンロータディスクに取り付くように構成することができる。ダブテール79は、例示的に第1の入口通路88、第2の入口通路90、及び第3の入口通路92として示される少なくとも1つの入口通路を備え、各々がダブテール79を貫通して延びて通路出口94において翼形部78との内部流体連通をもたらす。ダブテール79は断面図で示されており、入口通路88、90、92はダブテール79の本体内に収容されるようになっていることを認識されたい。
図3を参照すると、断面図で示された翼形部78は、凹形の正圧側面98と凸形の負圧側面100を有する内部96を画定する周囲壁95を備え、正圧側面98及び負圧側面100は、互いに接合して、前縁102と後縁104との間で軸線方向に延びる翼形部形状を定める。ブレード68は、正圧側面98が負圧側面100の後に続くような方向に回転する。従って、図3に示すように、翼形部78は、頁の上方に向かって上向きに回転することになる。
翼形部78は、複数の内部通路を備え、これはブレード68の特定の部分を冷却するための専用の1又は2以上の冷却回路を形成するように構成することができる。通路及び対応する冷却回路を、翼形部78の断面図である図4に示す。図示したような翼形部78内の各個の通路のそれぞれの形状寸法は例示であり、各々は冷却回路を形成する通路の1又は2以上の要素を示したものであり、図示した形状、寸法、又は位置に翼形部を限定するものではないことを認識されたい。
冷却回路は、翼形部78内を半径方向に延びる1又は2以上の通路によって定めることができる。通路は、1又は2以上のフィルム孔を備えることができ、これは特定の通路と翼形部78の外面との間に流体連通をもたらし、翼形部78の外面に沿って冷却流体膜を与えることができることを認識されたい。
前縁冷却回路120として示された冷却回路は、翼形部78内に配置された複数の通路を備える。前縁冷却回路120は、内側チャンバ122及び前縁チャンバ126を含む少なくとも2つの半径方向に延びた冷却チャンバを含む。前縁チャンバ126は、前縁102に沿ってこれを貫通するフィルム開口部(図示せず)の列を含む。内側チャンバ122は、翼根83から先端81まで半径方向に延びており、ダブテール79内の第1の入口通路88等の入口と流体連通する。
また、前縁チャンバ126は内側チャンバ122と流体連通し、翼根83から先端81まで半径方向に延びて前縁102に隣接して配置される。内部96内に位置する半径方向に延びたリブ130は、内側チャンバ122と前縁チャンバ126との間に配置され、これらを部分的に定める。リブ130は、翼形部78の内部96にわたって正圧側面98と負圧側面100との間に延びている。リブ130は、直線状であってもよく又は湾曲していてもよい。前縁チャンバ126は、リブ130内に配置された、翼根83から先端81まで延びた1又は2以上の交差穴132、134を介して内側チャンバ122と流体連通する。
翼形部78の内部96は、冷却流体を翼形部78全体にわたって供給する又は冷却流体を翼形部78から排出して翼形部78の外部に冷却膜をもたらす、メッシュ通路、ピンバンク、スロット、交差穴、及び複数のフィルム孔を含む1又は2以上の内部通路124によって定められる1又は2以上の冷却回路をさらに備えることができる。内部通路124は、翼根83から先端81に向かう方向又は先端81から翼根83に向かう方向で延びており、1又は2以上の冷却回路を定めるように互いに相互接続することができる。
前縁冷却回路120は、翼形部78の翼根83から先端81に延びる翼形部78のスパン方向の長さに沿って、1又は2以上のリブ130を実装することができることを認識されたい。前縁冷却通路は、翼形部78の外部と前縁チャンバ126との間に延びた複数のフィルム孔を備えることができ、冷却流体が冷却膜として翼形部78の外面に供給されることができるようになっていることを理解されたい。
図5に参照すると、前縁チャンバ126の拡大図は、リブ130の断面形状を示す。リブ130は、前縁チャンバ126に対して凹形の弓形形状を備え、リブ130の断面弓形長さに沿って定められる実質的に均等な幅を有する。交差穴132、134は、翼根83から先端81に延びるリブ130の半径方向でスパン方向長さに沿って、内側チャンバ122を前縁チャンバ126に流体結合する。
交差穴132、134は、リブ130を貫通し、穴のサブセット135は、正圧側面及び負圧側面98、100の一方と交差する流路136、138を定めるように角度付けることができる。例示的な実施形態において、穴のサブセット135は、正圧側面98と交差する流路136を定めるように角度を付けること、及び、負圧側面100と交差する流路138を定めるように角度を付けることができる。このように、流路136、138はいずれも前縁102と交差しない。流路136、138は、リブ130の局所中心線139に対して垂直な方向から測定して角度θで正圧側面又は負圧側面98、100に向かって配向し、ここで角度θは90°未満であり、流路136に関連する角度は、流路138に関連する角度と必ずしも等しい必要はない。
穴のサブセットの他の実施形態は図6で検討する。これらの実施形態は、第1の実施と同様であり、従って、類似部分は、100だけ増やした類似の数字で識別され、第1の実施形態の類似部分の説明は、特段の断りのない限り更なる実施形態に適用されることが理解される。
図6は、負圧側面200と交差する流路238を定めるように角度付けられた穴のサブセット235を示す。この実施形態において、穴のサブセット235は、リブ230内の交差穴232の位置に応じて負圧側面200又は正圧側面298に向かって、中心線239に対して垂直に配向した流路236を定める交差穴232を含むことができる。同様の実施形態は、角度付けされた交差穴232を含むことができ、一方で、交差穴234は中心線239に対して垂直な流路を定める。
図7及び図8を参照すると、リブ130のセクションは、交差穴132、134の配置及び配向を示す。交差穴132、134の第1及び第2の半径方向に延びた列140、142は、互いに半径方向にオフセットされる。例示的な実施形態において、列同士は、異なる形状、例えば楕円形150と円形152とを有する。穴の形状はこれらの形状に限定されず、レーストラック(racetrack)を含むあらゆるジェットシェイピング(jet shaping)とすることができる。交差穴の面積もまた、多様にすることができ、交差穴の交互のセットは異なる面積を有するか又は全てが同じ面積を有する。
穴のサブセットの他の実施形態は、第1の列と第2の列との交互の穴であるか又は第1の列及び第2の列のうちの一方の交互の穴である、穴のサブセットを含む。本明細書のいずれの実施形態でも、交差穴は、前縁にもいずれのフィルム孔にも交差しない流路を定めることができる。従来技術で教示されるような他の実施形態は、穴に対して丸み付けされた縁を含み、そしてまた、穴の中心線は半径方向に所定の大きさの角度を成す。
角度付けされた交差穴の配向は、前縁チャンバ126内で半径方向に離間した冷却空気のスワール160を発生させることによって、冷却空気を前縁チャンバ126に供給する方法を可能にする。交差穴132、134の配向は、互いに千鳥配置にすることができる交互の半径方向位置を含む、異なる回転方向のスワール160の形成を促進する。先端81から翼根83に延びる、反対方向に旋回する冷却空気の半径方向に延びた列が作り出される。
本明細書の実施形態によってもたらされる利点は、スワールを増大させてダスト蓄積を減らすことを含む。角度付けされた交差穴の配置を交互にすることで、互いに干渉しない冷却空気の衝突噴流が作り出される。翼形部冷却通路内、特にHPタービン第1段ブレード内のダスト蓄積を排除することによって、これらの部品の耐用寿命を50%延ばすことができると同時に、翼上時間を延ばすこともできる。
本明細書の実施形態を製造するプロセスは、付加製造を含むことができる。
本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作し且つ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
10:エンジン
12:中心線
14:前方
16:後方
18:ファンセクション
20:ファン
22:圧縮機セクション
24:LP圧縮機
26:HP圧縮機
28:燃焼セクション
30:燃焼器
32:タービンセクション
34:HPタービン
36:LPタービン
38:排出セクション
40:ファンケーシング
42:ファンブレード
44:コア
46:コアケーシング
48:HPスプール
50:LPスプール
52:HP圧縮機段
53:ロータ
54:HP圧縮機段
56:LP圧縮機ブレード
58:HP圧縮機ブレード
59:ディスク
60:LP圧縮機ベーン
61:ディスク
62:HP圧縮機ベーン
63:ステータ
64:HPタービン段
66:LPタービン段
68:HPタービンブレード
70:LPタービンブレード
71:ディスク
72:HPタービンベーン
73:ディスク
74:LPタービンベーン
75:空気流
76:加圧周囲空気
77:ブリード空気
79:ダブテール
78:翼形部
80:出口ガイドベーン組立体
81:先端
82:翼形部ガイドベーン
83:翼根
84:プラットフォーム
85:ファン排出側
88:第1の入口通路
90:第2の入口通路
92:第3の入口通路
94:通路出口
95:周囲壁
96:内部
98:正圧側面
100:負圧側面
102:前縁
104:後縁
120:前縁冷却回路
122:内側チャンバ
124:内部通路
126:前縁チャンバ
130:半径方向に延びたリブ
132:交差穴
134:交差穴
136:流路
138:流路
139:中心線
140:延びた列
142:延びた列
150:楕円形
152:円形
160:渦巻
200:負圧側面
202:前縁
204:後縁
220:前縁冷却回路
222:内側チャンバ
224:内部通路
226:前縁チャンバ
230:半径方向に延びたリブ
232:交差穴
234:交差穴
236:流路
238:流路
239:中心線
240:延びた列
242:延びた列
250:楕円形
252:円形
260:渦巻
12:中心線
14:前方
16:後方
18:ファンセクション
20:ファン
22:圧縮機セクション
24:LP圧縮機
26:HP圧縮機
28:燃焼セクション
30:燃焼器
32:タービンセクション
34:HPタービン
36:LPタービン
38:排出セクション
40:ファンケーシング
42:ファンブレード
44:コア
46:コアケーシング
48:HPスプール
50:LPスプール
52:HP圧縮機段
53:ロータ
54:HP圧縮機段
56:LP圧縮機ブレード
58:HP圧縮機ブレード
59:ディスク
60:LP圧縮機ベーン
61:ディスク
62:HP圧縮機ベーン
63:ステータ
64:HPタービン段
66:LPタービン段
68:HPタービンブレード
70:LPタービンブレード
71:ディスク
72:HPタービンベーン
73:ディスク
74:LPタービンベーン
75:空気流
76:加圧周囲空気
77:ブリード空気
79:ダブテール
78:翼形部
80:出口ガイドベーン組立体
81:先端
82:翼形部ガイドベーン
83:翼根
84:プラットフォーム
85:ファン排出側
88:第1の入口通路
90:第2の入口通路
92:第3の入口通路
94:通路出口
95:周囲壁
96:内部
98:正圧側面
100:負圧側面
102:前縁
104:後縁
120:前縁冷却回路
122:内側チャンバ
124:内部通路
126:前縁チャンバ
130:半径方向に延びたリブ
132:交差穴
134:交差穴
136:流路
138:流路
139:中心線
140:延びた列
142:延びた列
150:楕円形
152:円形
160:渦巻
200:負圧側面
202:前縁
204:後縁
220:前縁冷却回路
222:内側チャンバ
224:内部通路
226:前縁チャンバ
230:半径方向に延びたリブ
232:交差穴
234:交差穴
236:流路
238:流路
239:中心線
240:延びた列
242:延びた列
250:楕円形
252:円形
260:渦巻
Claims (10)
- タービンエンジン(10)のための翼形部(78)であって、
内部(96)を画定しかつ正圧側面(98)及び負圧側面(100)を定め、前縁(102、202)と後縁(104、204)との間に軸線方向に延びかつ翼根(83)と先端(81)の間に半径方向に延びる、周囲壁(95)と、
前記内部(96)内に位置し、前記負圧側面と正圧側面(98、100)との間に延びる、半径方向に延びたリブ(130、230)と、
前記前縁、前記リブ(130、230)、並びに前記負圧及び正圧側面(98、100)によって画定され、半径方向に延びる前縁チャンバ(126、226)と、
前記リブ(130、230)によって部分的に画定され、半径方向に延びる内側チャンバ(122、222)と、
前記前縁を貫通する複数のフィルム孔と、
前記リブ(130、230)を貫通しかつ前記前縁チャンバと前記内側チャンバ(122、126、222、226)とを流体結合する交差穴(132、134、232、234)の第1及び第2の半径方向に延びる列と、
を備え、
前記第1の列(140、240)の前記穴(132、232)は、前記第2の列(142、242)の前記穴(134、234)から半径方向にオフセットされ、前記穴(132、134、232、234)のサブセットは、前記正圧及び負圧側面(98、100)の一方と交差する流路(136、138、236、238)を定めるように角度付けされる、翼形部(78)。 - 前記穴(132、134、232、234)のサブセットは、前記第1及び第2の列(140、142、240、242)のうちの一方の穴を含む、請求項1に記載の翼形部(78)。
- 前記穴(132、134、232、234)のサブセットは、前記第1及び第2の列(140、142、240、242)の交互になった穴を含む、請求項1に記載の翼形部(78)。
- 前記穴(132、134、232、234)のサブセットは、前記第1及び第2の列(140、142、240、242)のうちの一方の交互になった穴を含む、請求項1に記載の翼形部(78)。
- 前記穴(132、134、232、234)のサブセットは、正圧側面(98)と交差する流路(136、236)を定めるように角度付けされた第1の列(140、240)と、負圧側面(100)と交差する流路(138、238)を定めるように角度付けされた第2の列(142、242)を含む、請求項1に記載の翼形部(78)。
- 前記穴(132、134、232、234)はいずれも、前記前縁(102)と交差する流路(136、138、236、238)を定めない、請求項5に記載の翼形部(78)。
- 前記穴(132、134、232、234)はいずれも、前記フィルム孔と交差する流路(136、138、236、238)を定めない、請求項5に記載の翼形部(78)。
- 前記穴のサブセットの前記角度は、前記リブ(130、230)の中心線(139、239)に対して垂直な方向に対して90°未満である、請求項1に記載の翼形部(78)。
- 前記穴の第1及び第2の列(140、142、240、242)は、異なる形状(150、152、250、252)を有する、請求項1に記載の翼形部(78)。
- 前記穴の第1及び第2の列(140、142、240、242)は、異なる面積を有する、請求項1に記載の翼形部(78)。
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