BR112016002116B1 - Carenagem aerodinâmica resistente à erosão, lâmina de rotor, turbina eólica e método de fabricação de uma carenagem aerodinâmica resistente à erosão para uma lâmina de rotor - Google Patents
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Abstract
carenagem aerodinâmica resistente à erosão, lâmina de rotor, turbina eólica e método de fabricação de uma carenagem aerodinâmica resistente à erosão para uma lâmina de rotor a presente invenção refere-se a uma carenagem aerodinâmica resistente à erosão e, mais particularmente, a uma carenagem aerodinâmica resistente à erosão para uma lâmina de rotor. a presente invenção é descrita no presente documento a título de um exemplo prático como uma carenagem aerodinâmica resistente à erosão para uma lâmina de turbina eólica. entretanto, a mesma é prontamente aplicável a outros tipos de superfícies expostas à erosão, tais como lâminas de rotor de helicóptero ou lâminas de ventoinha. a carenagem aerodinâmica resistente à erosão (10) para uma lâmina de rotor, sendo que a carenagem caracterizada pelo fato de que compreende: um corpo de carenagem (12) formado a partir de pelo menos uma camada de fibra de reforço ajustada em uma resina curada; e uma pré-forma resistente à erosão (14) fixa a uma superfície externa do corpo de carenagem (12), em que a pré-forma resistente à erosão (14) compreende uma camada externa de filme termoplástico (20) fundida a um substrato de fibra (22) e em que o substrato de fibra (22) da pré-forma resistente à erosão (14)é impregnado com a resina curada do corpo de carenagem (12) que se fixa na pré-forma (14) ao corpo de carenagem (12).
Description
[001] A presente invenção refere-se a uma carenagem aerodinâmica resistente à erosão e, mais particularmente, a uma carenagem aerodinâmica resistente à erosão para uma lâmina de rotor. A presente invenção é descrita no presente documento a título de um exemplo prático como uma carenagem aerodinâmica resistente à erosão para uma lâmina de turbina eólica. Entretanto, a mesma é prontamente aplicável a outros tipos de superfícies expostas à erosão, tais como lâminas de rotor de helicóptero ou lâminas de ventoinha.
[002] As grandes lâminas de turbina eólica de três lâminas giram tipicamente com velocidades de ponta na faixa de 75 a 100 metros por segundo. Para algumas turbinas de duas lâminas, as lâminas podem girar com uma velocidade de ponta tão alta quanto 130 metros por segundo. Isso causa condições de erosão muito severas na ponta da lâmina, assim como ao longo do 1/3 externo da borda dianteira, levando a danos na lâmina nessas áreas. Ainda que se espere que lâminas eólicas tipicamente durem por 20 anos, isso frequentemente não é o caso, devido ao dano causado pela erosão à borda dianteira que necessita de reparo de lâmina. Entretanto, o reparo da borda dianteira não é fácil, visto que o mesmo é executado com a lâmina ainda ereta na turbina. Isso também tem custo significativo e implicações de segurança, particularmente, se a turbina eólica está localizada fora da costa.
[003] Com o objetivo de reduzir o dano causado pela erosão, conhece-se a proteção da borda dianteira de uma lâmina de turbina eólica com o uso de um revestimento de tinta específico. Tais tintas, por exemplo, “BladeRep LEP 9”, disponível junto à Mankiewicz Gebr. & Co. de Hamburgo, Alemanha, têm formulações preenchidas de modo pesado e específico para fornecer proteção aprimorada para a borda dianteira de uma lâmina de turbina eólica. Entretanto, ainda que a resistência à erosão seja aumentada na área em que a tinta é aplicada, a proteção fornecida por um revestimento de tinta específico irá diminuir ao passar do tempo, e não irá durar pela vida útil esperada da lâmina de 20 anos sem manutenção.
[004] Um exemplo conhecido adicionalmente de uma medida de proteção contra erosão para lâminas de turbina eólica é o uso de bordas dianteiras metálicas. Entretanto, isso leva a um aumento na massa da ponta de lâmina e, portanto, aumenta as cargas no resto da lâmina e da turbina. As bordas dianteiras metálicas também aumentam a rigidez local da lâmina, o que pode piorar o desempenho aerodinâmico, e pode complicar os sistemas de proteção contra raios exigidos para a lâmina devido a sua natureza condutiva.
[005] Também é conhecida a aplicação de uma camada protetora de filme termoplástico sobre a borda dianteira de uma lâmina de turbina eólica. Um exemplo disso pode ser visto na Figura 1, que mostra a borda dianteira 118 de uma carenagem 110 para uma lâmina de turbina eólica na qual uma camada protetora de filme termoplástico 120 é fixada. Tipicamente, a carenagem 110 é formada a partir de um corpo laminado compósito 112, e o filme termoplástico 120 é aplicado posteriormente na borda dianteira 118 como uma fita fina (150 mm de amplitude) com uma camada de adesivo sensível à pressão 119. Tais filmes oferecem boa resistência à erosão, mas são difíceis de aplicar. Adicionalmente, a qualidade da ligação entre o filme termoplástico 120 e o corpo laminado 112 é dependente de a superfície da carenagem 110 estar livre de graxa e poeira etc.
[006] Alternativamente, é conhecida a fixação do filme termoplástico à lâmina durante a moldagem da carenagem, conforme revelado na Publicação Internacional No WO2006/006593. Nesse método, as camadas de fibra de reforço são colocadas no topo de um filme disposto contra a superfície de molde, após o qual a resina é aplicada para juntar as camadas. Ainda que esse método forneça uma ligação aprimorada com relação aos filmes aplicados posteriormente, é difícil controlar a qualidade da interface entre o filme e a carenagem e a qualidade do substrato imediatamente abaixo do filme com o uso desse método.
[007] Um exemplo conhecido adicionalmente de uma carenagem resistente à erosão pode ser encontrado na Publicação Internacional No WO2010/117262. Essa carenagem compreende um corpo compósito formado a partir de cápsulas de lâmina reforçadas com fibra e de uma cobertura protetora formada de uma camada termoplástica, uma camada de fibra de vidro e uma camada de resina epóxi curada. O corpo compósito e a cobertura protetora são formados separadamente, e a cobertura protetora está ajustada em uma reentrância no corpo compósito antes que os dois componentes sejam fixos juntos com o uso de uma camada de resina epóxi curável por calor. Entretanto, essa abordagem exige controle de tolerância preciso das partes para garantir que as mesmas se encaixem juntas de modo correto e, assim como com a aplicação de um filme termoplástico, a qualidade da ligação entre a cobertura e o corpo compósito não é controlada facilmente, visto que a mesma é dependente da pureza das superfícies afixadas.
[008] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é fornecida uma carenagem aerodinâmica resistente à erosão para uma lâmina de rotor, sendo que a carenagem compreende um corpo de carenagem formado a partir de pelo menos uma camada de fibra de reforço ajustada em uma resina curada, e uma pré-forma resistente à erosão fixada a uma superfície externa do corpo de carenagem, em que a pré-forma resistente à erosão compreende uma camada externa de filme termoplástico fundida a um substrato de fibra, e em que o substrato de fibra da pré-forma resistente à erosão é impregnado com a resina curada do corpo de carenagem que fixa a pré-forma ao corpo de carenagem.
[009] Com o uso de uma pré-forma formada de um filme termoplástico fundido diretamente a um substrato de fibra e a fixação da camada resistente à erosão com a resina do corpo de carenagem permite-se um controle muito melhor tanto da qualidade da interface entre a carenagem e o filme quanto da qualidade do substrato imediatamente abaixo do filme, o que foi constatado como tendo um efeito significativo no desempenho de erosão em longo prazo da carenagem.
[010] O filme termoplástico pode compreender qualquer material termoplástico adequado, por exemplo, poliuretano. De preferência, o filme termoplástico compreende um poliuretano alifático. Esses tipos de poliuretano foram constatados como possuindo particularmente boas propriedades resistentes à erosão, estabilidade hidrolítica e flexibilidade em baixa temperatura, tornando os mesmos bem adequados para uso em carenagens aerodinâmicas. A energia de superfície desses materiais também permite que os mesmos se liguem bem com resinas epóxi, adicionalmente aprimora a fixação da camada resistente à erosão ao corpo compósito. De mais preferência, o poliuretano alifático compreende glicóis caprolactona, poliéster ou poliéter de cadeia longa e curta, ou uma combinação dos mesmos, a partir do corpo compósito da mesma maneira que o filme termoplástico 120 mostrado na Figura 1.
[011] O filme pode ter superfícies suaves interior e exterior. Em uma realização preferencial, o filme tem uma superfície externa texturizada. Tendo-se uma superfície externa texturizada, isto é, a superfície que entra em contato com o molde durante a fabricação, o ar pode facilmente escapar quando a pré-forma é colocada no molde e um vácuo é aplicado. Isso resulta em um aprimoramento adicional para a qualidade da carenagem resistente à erosão final.
[012] A textura de superfície pode estar em qualquer disposição adequada. De preferência, a textura de superfície compreende uma pluralidade de protuberâncias que pode compreender uma pluralidade de protuberâncias em formato quadrado e/ou de pirâmide, de preferência, dispostas em um arranjo regular. Constatou-se que isso resulta em uma carenagem de qualidade particularmente alta.
[013] Em uma realização preferencial, a camada resistente à erosão é ajustada e fixada à superfície externa do corpo de carenagem de modo que as bordas da camada resistente à erosão estejam niveladas com o corpo de carenagem. Com essa disposição, a camada resistente à erosão não tem bordas livres, o que reduz o risco de o filme termoplástico descolar de suas bordas e evita os degraus aerodinâmicos através da superfície externa da carenagem que podem, de outro modo, piorar o desempenho aerodinâmico.
[014] A camada resistente à erosão pode ser aplicada a todo o comprimento de uma lâmina de rotor. De preferência, a camada resistente à erosão é substancialmente confinada ao terço mais exterior do comprimento de lâmina. Em tal disposição, a lâmina pode ainda incluir um ou mais remendos de camada resistente à erosão para dentro do terço mais exterior do comprimento de lâmina, por exemplo, para proteger a lâmina nas áreas de alta erosão localmente.
[015] A camada resistente à erosão pode ser fixada ao corpo compósito sobre todo o perfil de uma lâmina de rotor, ou sobre uma parte particular da lâmina de rotor, tal como a borda traseira. De preferência, a camada resistente à erosão é fixada ao corpo de carenagem na borda dianteira da lâmina de rotor.
[016] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é fornecido um método de fabricação de uma carenagem aerodinâmica resistente à erosão para uma lâmina de rotor que compreende fundir um filme termoplástico a um substrato de fibra para formar uma pré-forma resistente à erosão, colocar a pré-forma resistente à erosão em um molde de modo que o filme termoplástico seja colocado diretamente contra a superfície de molde, colocar pelo menos uma camada de fibra de reforço no molde e no topo da pré- forma, impregnar a camada de fibra de reforço com uma resina curável para formar um corpo compósito não-curado, e curar a resina para formar um corpo de carenagem a partir do corpo compósito não-curado de modo que a resina impregne o substrato de fibra e forme uma matriz de resina contínua entre a pré-forma e a camada de fibra de reforço para fixar a pré-forma ao corpo de carenagem.
[017] Esse método desfrui das mesmas vantagens mencionadas acima em relação ao primeiro aspecto da presente invenção.
[018] O filme termoplástico pode ser extrudado ou moldado por filme diretamente no substrato de fibra. Alternativamente, a etapa de fundir o filme termoplástico ao substrato de fibra que compreende aquecer o filme termoplástico e o substrato de fibra em uma temperatura de pelo menos 60 °C e pressionar os mesmos juntos. Isso garante que o filme termoplástico seja fundido fortemente ao substrato de fibra. De preferência, o filme e o substrato são fundidos juntos em uma temperatura de entre 60 °C e 150 °C. Isso garante que o filme termoplástico seja fortemente fundido ao substrato de fibra, e também evita a perda de formato do filme termoplástico que pode ocorrer em altas temperaturas, portanto, fornece uma finalização de superfície de alta qualidade.
[019] A pré-forma e o corpo de carenagem podem ser unidos juntos sem aquecimento significativo do filme termoplástico. Em uma realização preferencial, o filme termoplástico é aquecido acima de sua temperatura de amolecimento Vicat antes que a resina alcance sua viscosidade mínima.
[020] A etapa de impregnar a camada de fibra de reforço pode incluir impregnar a camada de fibra de reforço com a resina curável após colocar a camada de fibra de reforço no molde. Por exemplo, a camada de fibra de reforço pode ser infundida com a resina sob um vácuo. De preferência, a etapa de impregnação da camada de fibra de reforço inclui pré-impregnar a camada de fibra de reforço com a resina curável antes de colocar a camada de fibra de reforço no molde. Isso permite um teor de resina altamente controlado e confiabilidade e repetitividade de processo aprimoradas, tempos de processo reduzidos, e permite o uso de resinas de desempenho maior para aprimorar o desempenho mecânico da carenagem.
[021] O substrato de fibra pode ser inserido no molde sem ter aplicado nenhuma resina de antemão. Com o uso dessa abordagem, à medida que a pilha da pré-forma e o corpo compósito não-curado são curados, a resina migra do compósito não-curado para impregnar o substrato de fibra antes de curar para fixar a camada resistente à erosão ao corpo de carenagem. Alternativamente, o substrato de fibra pode ser pré-impregnado com a resina curável antes da colocação da pré-forma no molde.
[022] Durante a etapa de curagem, a resina pode impregnar o substrato de fibra apenas parcialmente. Isso ainda pode resultar em uma ligação firme entre a camada resistente à erosão e o corpo de carenagem. Em uma realização preferencial, a resina impregna completamente o substrato de fibra durante a etapa de curagem. Isso permite que a resina forneça uma conexão química adicional ao filme termoplástico para aprimorar a fixação do filme termoplástico na carenagem.
[023] A camada resistente à erosão e o compósito não-curado podem ser curados juntos ou “co-curados”, em qualquer temperatura adequada. De preferência, a etapa de curagem compreende o aquecimento da resina curável a uma temperatura de 60 °C a 130 °C. Isso permite uma fixação firme entre as duas camadas, mas impede a distorção do filme termoplástico e a finalização de superfície insatisfatória que pode resultar de temperaturas mais altas.
[024] Em uma realização preferencial, o método compreende adicionalmente a etapa de aplicar uma textura de superfície a superfície externa do filme termoplástico antes da etapa de colocar a pré-forma no molde, de mais preferência, durante a etapa de fundir o filme termoplástico ao substrato de fibra para formar a pré-forma. Conforme notado acima em relação ao primeiro aspecto da invenção, a textura de superfície permite que o ar escape mais facilmente quando a pré-forma é colocada no molde e um vácuo é aplicado. Isso resulta em um aprimoramento adicional para a qualidade da carenagem resistente à erosão final. A textura de superfície pode estar em qualquer disposição adequada. De preferência, a textura de superfície compreende uma pluralidade de protuberâncias que pode compreender uma pluralidade de protuberâncias em formato quadrado e/ou de pirâmide, de preferência, dispostas em um arranjo regular. Constatou-se que isso resulta em uma carenagem de qualidade particularmente alta.
[025] Um exemplo da presente invenção será agora descrito com referência aos seguintes desenhos nos quais:a Figura 1 é uma vista em corte transversal da borda dianteira de uma carenagem aerodinâmica resistente à erosão convencional para uma lâmina de turbina eólica;a Figura 2 é uma vista em corte transversal da borda dianteira de uma carenagem aerodinâmica resistente à erosão para uma lâmina de turbina eólica de acordo com a presente invenção; eas Figuras 3 a 6 são vistas esquemáticas em corte transversal da carenagem da Figura 2 em vários estágios de fabricação.
[026] Com referência à Figura 2, uma carenagem aerodinâmica resistente à erosão 10 é mostrada. A carenagem aerodinâmica resistente à erosão 10 é formada a partir de um corpo de carenagem 12 e uma pré-forma resistente à erosão 14 fixada a uma superfície externa 16 do corpo de carenagem 12 na borda dianteira 18 da carenagem 10.
[027] Com referência às Figuras 3 e 4, a pré-forma resistente à erosão 14 compreende uma camada externa de filme termoplástico 20 fundida a um substrato de fibra 22. O filme termoplástico 20 é formado a partir de um poliuretano alifático, que tem aproximadamente 600 mícrons de espessura e pode ser produzido com o uso de glicóis caprolactona, poliéster ou poliéter de cadeia longa e curta. Os tipos de poliéter têm melhor estabilidade hidrolítica e flexibilidade em baixa temperatura, os tipos de poliéster têm melhores propriedades mecânicas, e os caprolactonas oferecem um bom acordo entre as propriedades dos tipos de poliéter e de poliéster. Nesse exemplo, os glicóis de caprolactona são usados. Isso resulta em um filme 20 que tem uma dureza de margem A de aproximadamente 75 a 95, um alongamento de pelo menos 300% e uma energia de superfície na região de 40 a 44 mN/m. O substrato de fibra 22 é uma pré-forma de tecido de fibra de vidro que é multiaxial e tem um peso de aproximadamente 150 g/m2.
[028] O filme termoplástico 20 e o substrato de fibra 22 são aquecidos a uma temperatura de 60 a 150 °C e pressionados juntos sob uma pressão adicional de aproximadamente 100 kPa (1 bar) por aproximadamente 60 segundos. Isso faz com que o filme 20 e o substrato 22 se fundam juntos, formando a pré-forma resistente à erosão 14, conforme mostrado na Figura 3. O processo de fundição cria uma conexão muito forte entre o filme 20 e o substrato 22. Além disso, nesse estágio, a pré-forma resistente à erosão 14 está muito flexível e pode facilmente ser colocada em um molde para um formato complexo, tal como para uma borda dianteira de lâmina de turbina eólica.
[029] Com referência às Figuras 5 e 6, a fabricação da carenagem 10 é mostrada. A pré-forma resistente à erosão 14 é colocada em um molde 24 com o filme termoplástico 20 contra a superfície do molde 24. A seguir disso, as camadas das pré-impregnadas 26, que são formadas a partir de fibras de vidro ou de carbono pré-impregnadas com uma resina epóxi, são colocadas na pré-forma resistente à erosão 14 para formar um laminado de compósito típico exigido para uma carenagem, conforme ilustrado esquematicamente na Figura 5.
[030] A pré-forma resistente à erosão 14 e as camadas das pré- impregnadas 26 são, então, co-curadas sob um vácuo e em uma temperatura entre 60 e 130 °C por aproximadamente 12 horas, da mesma maneira que para o processamento de pré-impregnadas normais. À medida que a pilha da camada resistente à erosão 14 e as camadas de pré-impregnadas 26 são curadas, a resina das pré-impregnadas 26 migra e impregna o substrato de fibra 22. A resina, então, cura completamente para formar o corpo de carenagem 12 a partir das pré-impregnadas 26 e para fixar a pré-forma resistente à erosão 14 ao corpo compósito 12. Fazendo dessa forma, a resina forma uma matriz contínua através do corpo compósito 12 e da pré-forma resistente à erosão 14 para ligar firmemente as duas camadas juntas. A resina também forma uma conexão química com o filme termoplástico 20, adicionalmente reforçando a fixação da pré-forma resistente à erosão 14 ao corpo compósito 12. Portanto, a interface resultante entre o corpo de carenagem 12 e a pré-forma resistente à erosão 14 é bem controlada, e o corpo de carenagem 12 e o substrato de fibra 22 fornecem um substrato de qualidade muito alta diretamente abaixo do filme termoplástico 20 para aprimorar o desempenho de erosão em longo prazo.
[031] Visto que o corpo de carenagem 12 e a pré-forma resistente à erosão 14 são co-curados, o corpo de carenagem 12 é conformado ao redor da pré-forma resistente à erosão 14 de modo que as bordas da pré- forma resistente à erosão 14 permanecem niveladas com o corpo de carenagem 12. Isso fornece um perfil externo suave de carenagem resultante 10, conforme mostrado na Figura 6. Esse perfil suave reduz o impacto da pré- forma resistente à erosão 14 no desempenho aerodinâmico e evita apresentar bordas livres, que poderiam, de outro modo, fazer com que a pré-forma resistente à erosão 14 fosse removida mais facilmente do corpo de carenagem 12.
Claims (14)
1. CARENAGEM AERODINÂMICA RESISTENTE À EROSÃO(10) para uma lâmina de rotor, sendo que a carenagem é caracterizada por compreender:um corpo de carenagem (12) formado a partir de pelo menos uma camada de fibra de reforço ajustada em uma resina curada; euma pré-forma resistente à erosão (14) fixa a uma superfície externa do corpo de carenagem (12),em que a pré-forma resistente à erosão (14) compreende uma camada externa de filme termoplástico (20) fundida a um substrato de fibra (22), o filme termoplástico (20) possuindo uma superfície externa texturizada configurada para entrar em contato com um molde,em que o substrato de fibra (22) da pré-forma resistente à erosão (14) é impregnado com a resina curada do corpo de carenagem (12) que se fixa na pré-forma (14) ao corpo de carenagem (12), eem que a pré-forma resistente à erosão é fixada à superfície externa do corpo de carenagem (12), de modo que as bordas da pré-forma resistente à erosão estejam niveladas com o corpo da carenagem (12) e a carenagem (10) tenha um perfil externo suave.
2. CARENAGEM (10), de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo filme termoplástico (20) compreender um poliuretano alifático.
3. CARENAGEM (10), de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pela superfície externa texturizada compreender uma pluralidade de protuberâncias.
4. CARENAGEM (10), de acordo com a reivindicação 3,caracterizada pela pluralidade de protuberâncias compreender uma pluralidade de protuberâncias em formato quadrado e/ou de pirâmide dispostas, de preferência, em um arranjo regular.
5. LÂMINA DE ROTOR, caracterizada por compreender umacarenagem aerodinâmica resistente à erosão (10), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4.
6. LÂMINA, de acordo com a reivindicação 5, caracterizadapela camada resistente à erosão (14) ser confinada substancialmente ao terço mais exterior do comprimento de lâmina.
7. LÂMINA DE ROTOR, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 5 a 6, caracterizada pela camada resistente à erosão (14) ser fixada ao corpo de carenagem (12) na borda dianteira da lâmina de rotor.
8. TURBINA EÓLICA, caracterizada por compreender umacarenagem aerodinâmica resistente à erosão (10), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4.
9. MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UMA CARENAGEMAERODINÂMICA RESISTENTE À EROSÃO (10) PARA UMA LÂMINA DE ROTOR, conforme definida na reivindicação 1, caracterizado por compreender:fundir um filme termoplástico (20) a um substrato de fibra (22) para formar uma pré-forma resistente à erosão (14);colocar a pré-forma resistente à erosão (14) em um molde de modo que o filme seja colocado diretamente contra a superfície de molde;colocar pelo menos uma camada de fibra de reforço no molde e no topo da pré-forma;impregnar a camada de fibra de reforço com uma resina curável para formar um corpo compósito não-curado; ecurar a resina para formar um corpo de carenagem (12) a partir do corpo compósito não-curado, de modo que a resina impregne o substrato de fibra e forme uma matriz de resina contínua entre a pré-forma (14) e a camada de fibra de reforço para fixar a pré-forma (14) ao corpo de carenagem (12).
10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela etapa de fundir o filme termoplástico (20) ao substrato de fibra (22) compreender aquecer o filme termoplástico (20) e o substrato de fibra (22) em uma temperatura de pelo menos 60 °C, mais preferivelmente entre 60 °C e 150 °C, e pressionar os mesmos juntos.
11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela etapa de fundir o filme termoplástico (20) ao substrato de fibra (22) compreender a extrusão ou moldagem de filme do filme termoplástico (20) diretamente no substrato de fibra (22).
12. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo filme termoplástico (20) ser aquecido acima de sua temperatura de amolecimento Vicat antes que a resina alcance sua viscosidade mínima.
13. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações9 a 12, caracterizado pelo filme termoplástico (20) compreender um poliuretano alifático.
14. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado por compreender ainda a aplicação de uma textura de superfície a uma superfície externa do filme termoplástico (20) antes da etapa de colocar a pré-forma no molde.
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