CH700069B1 - Turbomachine for an exhaust gas turbocharger with vibration reduction. - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird eine Strömungsmaschine für einen Abgasturbolader, mit einem Gehäuse (1), welches einen Strömungskanal für ein Fluid definiert, das die Strömungsmaschine durchströmt; einer in dem Gehäuse drehbar aufgenommenen Laufradnabe (2); mehreren auf der Nabe angeordneten Laufschaufeln (3) zum Umlenken einer Fluidströmung; und einer Leiteinrichtung mit Leitschaufeln (4) zum Umlenken einer Fluidströmung; und einem Störungsgenerator zur Induzierung einer Störung in der Fluidströmung, die eine durch die Leitschaufeln (4) induzierte Schwingung der Laufschaufeln (3) durch Überlagerung reduziert.A turbomachine turbomachine is proposed, having a housing (1) which defines a flow channel for a fluid flowing through the turbomachine; an impeller hub (2) rotatably received in the housing; a plurality of blades (3) arranged on the hub for deflecting a fluid flow; and a guide having vanes (4) for redirecting fluid flow; and a disturbance generator for inducing a disturbance in the fluid flow, which reduces a vibration of the moving blades (3) induced by the guide vanes (4) by superposition.
Description
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strömungsmaschine für einen Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Abgasturbolader, insbesondere für eine selbstzündende Brennkraftmaschine, mit einer solchen Strömungsmaschine, sowie ein Verfahren zur Schwingungsreduzierung in einem solchen Abgasturbolader. The present invention relates to a turbomachine for an exhaust gas turbocharger according to the preamble of claim 1, an exhaust gas turbocharger, in particular for a self-igniting internal combustion engine, with such a turbomachine, and a method for reducing vibration in such an exhaust gas turbocharger.
[0002] Ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine umfasst stets zwei Strömungsmaschinen, einen Verdichter zum Verdichten von Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine sowie eine Turbine zum Antrieb des Verdichters. Insbesondere bei Abgasturboladern für selbstzündende Brennkraftmaschinen hoher Leistung, etwa Schiffsdieseln, werden Verdichter und Turbine durch die sie durchströmenden Fluide, i.e. Verbrennungsluft bzw. Abgas, mechanisch und thermodynamisch hoch beansprucht. Auf der anderen Seite wird heute angestrebt, die Laufschaufeln dieser Strömungsmaschinen möglichst schlank auszuführen. An exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine always comprises two turbomachines, a compressor for compressing combustion air for the internal combustion engine and a turbine for driving the compressor. In particular, in exhaust gas turbochargers for high-power self-igniting internal combustion engines, such as marine diesels, compressors and turbines are replaced by the fluids flowing therethrough, e.g. Combustion air or exhaust gas, mechanically and thermodynamically highly stressed. On the other hand, today the aim is to make the blades of these turbomachines as slim as possible.
[0003] Derartige Schaufeln sind jedoch aufgrund ihrer geringeren Trägheitsmomente und Steifigkeiten besonders anfällig für Schwingungsanregungen. Solche Schwingungen werden vor allem von Leitradschaufeln eines Vor- bzw. Nachleitapparates stromauf- bzw. -abwärts der Laufschaufeln induziert, indem diese eine, häufig periodische, Störung in der Fluidströmung bewirken. Das so gestörte Fluid regt dann seinerseits die – heutzutage zunehmend dünner ausgebildeten – Laufschaufeln zu Schwingungen an. Diese Schwingungsanregung beeinträchtigt den nutzbaren Drehzahlbereich, verringert den Wirkungsgrad und erhöht die Geräuschentwicklung sowie die Materialbeanspruchung, die bei Resonanz bis hin zum strukturellen Versagen führen kann. However, such blades are particularly prone to vibrational excitations due to their lower moments of inertia and stiffness. Such vibrations are mainly induced by stator blades of a pre-and Nachleitapparates upstream or downstream of the blades by these cause a, often periodic, disturbance in the fluid flow. The thus disturbed fluid then in turn stimulates the - now increasingly thin trained - blades to oscillate. This vibration excitation affects the usable speed range, reduces the efficiency and increases the noise and the material stress, which can lead to resonance at structural failure up to.
[0004] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine oder mehrere der oben erläuterten Beeinträchtigungen zu reduzieren oder zu vermeiden. The invention is therefore based on the object to reduce or avoid one or more of the above-mentioned impairments.
[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Anspruch 11 stellt einen Abgasturbolader mit einer solchen Strömungsmaschine unter Schutz, Anspruch 12 ein Verfahren zur Schwingungsreduzierung in einem solchen Abgasturbolader. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben. To solve this problem, a turbomachine according to the preamble of claim 1 is further developed by the characterizing features. Claim 11 provides an exhaust gas turbocharger with such a turbomachine under protection, claim 12, a method for reducing vibration in such an exhaust gas turbocharger. Advantageous embodiments and further developments of the invention are given in the subclaims.
[0006] Eine erfindungsgemässe Strömungsmaschine eines Abgasturboladers weist in an sich bekannter Weise ein Gehäuse, welches einen Strömungskanal für ein Fluid definiert, das die Strömungsmaschine durchströmt, eine in diesem Gehäuse drehbar aufgenommene Laufradnabe, mehrere auf der Nabe angeordnete Laufschaufeln zum Umlenken einer Fluidströmung, und eine Leiteinrichtung mit Leitschaufeln zum Umlenken der Fluidströmung auf. An inventive turbomachine of an exhaust gas turbocharger has in a conventional manner a housing which defines a flow channel for a fluid flowing through the turbomachine, rotatably received in this housing impeller hub, a plurality of arranged on the hub blades for deflecting a fluid flow, and a guide with vanes for redirecting the fluid flow.
[0007] Bei der Fluidströmung kann es sich beispielsweise um Verbrennungsluft für eine Brennkraftmaschine, die durch den, insbesondere als Radial- oder Diagonalverdichter ausgebildeten, Verdichter des Abgasturboladers verdichtet wird, oder um Abgase von der Brennkraftmaschine handeln, die eine, insbesondere als Axialturbine ausgebildete, Turbine des Abgasturboladers antreiben. In the fluid flow may be, for example, combustion air for an internal combustion engine, which is compressed by the, designed in particular as a radial or diagonal compressor, the exhaust gas turbocharger, or to act on exhaust gases from the internal combustion engine, one, in particular designed as an axial turbine, Drive turbocharger turbine.
[0008] Die Leiteinrichtung kann insbesondere eine in Strömungsrichtung stromabwärts hinter den Laufschaufeln angeordnete Nachleiteinrichtung, aber auch eine in Strömungsrichtung stromaufwärts vor den Laufschaufeln angeordnete Vorleiteinrichtung sein. Die Leitschaufein können relativ zur Leiteinrichtung fest oder verstellbar sein. The guide may be in particular downstream of the blades arranged Nachleiteinrichtung in the flow direction, but also upstream in the flow direction upstream of the blades arranged Vorleiteinrichtung be. The Leitschaufein may be fixed or adjustable relative to the guide.
[0009] Durch solche Leiteinrichtungen werden Strömungsstörungen, insbesondere Druck- oder Geschwindigkeitsschwankungen, beispielsweise parasitäre oder gegenläufige, Strömungen in dem Fluid induziert, die ihrerseits die Laufradschaufeln zu Schwingungen anregen können. By such baffles flow disturbances, in particular pressure or velocity fluctuations, for example, parasitic or counter-rotating, currents are induced in the fluid, which in turn can stimulate the impeller blades to vibrate.
[0010] Erfindungsgemäss wird daher vorgeschlagen, durch einen Störungsgenerator eine Störung in der Fluidströmung zu induzieren, die eine durch die Leitschaufeln induzierte Schwingung der Laufschaufeln durch Überlagerung reduziert. According to the invention it is therefore proposed to induce a disturbance in the fluid flow by a disturbance generator, which reduces an induced by the vanes vibration of the blades by superposition.
[0011] Bekanntlich können Schwingungsamplituden durch eine im Wesentlichen gegenphasig überlagerte Schwingung reduziert oder ausgelöscht werden. Dieses als Interferenz, Gegen- oder Antischall bekannte Prinzip kann bei der vorliegenden Erfindung vorteilhaft auf zwei Arten genutzt werden: Zum einen kann der Störungsgenerator Strömungsstörungen, insbesondere Druck- oder Geschwindigkeitsschwankungen in dem Fluid induzieren, die ihrerseits die Laufradschaufeln zu Schwingungen anregen, die dann durch Überlagerung diejenigen Schwingungen reduzieren, die durch die Leitschaufeln induziert werden. Die Laufschaufeln werden somit durch zwei Strömungsstörungen beaufschlagt, die einander reduzierende Schwingungen der Laufschaufeln auslösen. Zusätzlich oder alternativ kann der Störungsgenerator auch Strömungsstörungen, insbesondere Druck- oder Geschwindigkeitsschwankungen in dem Fluid induzieren, die durch Überlagerung diejenigen Strömungsstörungen reduzieren, die aus den Leitschaufeln resultieren und die Laufradschaufeln zu unerwünschten Schwingungen anregen. Somit werden bereits die die Laufschaufeln beaufschlagenden Strömungsstörungen und damit die Schwingungsanregung der Laufschaufeln reduziert. As is known, oscillation amplitudes can be reduced or extinguished by a substantially antiphase superimposed oscillation. This known as interference, counter or anti-sound principle can be advantageously used in the present invention in two ways: First, the fault generator flow disturbances, in particular pressure or velocity fluctuations in the fluid inducing, in turn, the impeller blades to vibrate, then by Overlay reduce those vibrations induced by the vanes. The blades are thus acted upon by two flow disturbances that trigger each other reducing vibrations of the blades. Additionally or alternatively, the perturbation generator may also induce flow disturbances, particularly pressure or velocity variations in the fluid which, by interference, reduce those flow disturbances that result from the vanes and cause the impeller vanes to undesirably vibrate. Thus, the flow disturbances acting on the rotor blades and thus the vibration excitation of the rotor blades are already reduced.
[0012] So können insbesondere Resonanzschwingungen der Laufschaufeln reduziert oder vermieden werden. Auf diese Weise können vorzugsweise sonst aufgrund von Resonanzschwingungen unzugängliche Drehzahlbereiche genutzt, der Wirkungsgrad erhöht, die thermodynamischen und/oder mechanischen Kennwerte verbessert und/oder die Geräuschentwicklung oder die Materialbeanspruchung deutlich reduziert werden. Thus, in particular resonant vibrations of the blades can be reduced or avoided. In this way, preferably inaccessible speed ranges can otherwise be used due to resonance oscillations, the efficiency can be increased, the thermodynamic and / or mechanical characteristic values can be improved and / or the noise development or the material stress can be significantly reduced.
[0013] Der Störungsgenerator kann als aktives Element, beispielsweise als Piezosensor, elektromagnetisch betätigbare Membran oder dergleichen ausgebildet sein, um geeignete Strömungsstörungen in dem Fluid zu induzieren. Zusätzlich oder alternativ kann der Störungsgenerator eine oder mehrere geometrische Störstellen umfassen. Wenn das Fluid an solchen Störstellen entlangströmt, wird die Strömung gestört. The fault generator may be formed as an active element, for example as a piezoelectric sensor, electromagnetically actuated membrane or the like to induce suitable flow disturbances in the fluid. Additionally or alternatively, the disturbance generator may include one or more geometric impurities. If the fluid flows along such impurities, the flow is disturbed.
[0014] Die Position und/oder Form der geometrischen Störstellen wird vorzugsweise so gewählt, dass eine Resonanzamplitude der durch die Leitschaufeln induzierten Schwingung der Laufschaufeln durch Überlagerung reduziert wird. Der Fachmann kann die für die jeweilige Strömungsmaschine optimalen Störstellen beispielsweise durch empirische Versuche und/oder Simulationsrechnungen, insbesondere FEM-Schwingungs- und/oder Strömungssimulationen bestimmen. The position and / or shape of the geometric impurities is preferably chosen so that a resonance amplitude of the induced by the vanes vibration of the blades is reduced by superposition. The person skilled in the art can determine the optimum impurities for the respective turbomachine, for example by empirical experiments and / or simulation calculations, in particular FEM vibration and / or flow simulations.
[0015] Insbesondere können eine oder mehrere Störstellen als durchgängige oder blinde, i.e. sacklochartige Aussparungen in einer Wandung ausgebildet werden, an der das Fluid vorbeiströmt. Solche Aussparungen sind in geeigneter Form einfach herzustellen. Zusätzlich oder alternativ können Störstellen auch als Erhebungen in einer Wandung ausgebildet werden, an der das Fluid vorbeiströmt. Solche Aussparungen und/oder Erhebungen können mit der Wandung urgeformt oder nachträglich ausgebildet werden, beispielsweise spanabhebend oder durch Auftragen von Zusatzmaterial. In particular, one or more impurities may be considered as continuous or blind, i.e. blind hole-like recesses are formed in a wall on which the fluid flows past. Such recesses are easy to produce in a suitable form. Additionally or alternatively, impurities can also be formed as elevations in a wall, where the fluid flows past. Such recesses and / or elevations may be urgeformt with the wall or subsequently formed, for example by machining or by applying additional material.
[0016] Solche Aussparungen und/oder Erhebungen können beispielsweise einen kreisförmigen, ovalen, tropfen- oder rechteckförmigen vom Fluid umströmten Querschnitt aufweisen. Beispielsweise können Aussparungen in Form einer Bohrung, insbesondere einer Langlochbohrung, oder eines Schlitzes ausgebildet sein. Eine Hauptachse eines vom Fluid umströmten Querschnitts einer Aussparung bzw. Erhebung kann sich in axialer und/oder Umfangsrichtung erstrecken. Such recesses and / or elevations may, for example, have a circular, oval, drop-shaped or rectangular cross-section surrounded by the fluid. For example, recesses in the form of a bore, in particular a slot hole, or a slot may be formed. A main axis of a fluid-flow cross section of a recess or elevation may extend in the axial and / or circumferential direction.
[0017] Der Störungsgenerator, insbesondere die vorstehend erläuterten Störstellen, können bevorzugt in der Leiteinrichtung und/oder dem Gehäuse angeordnet sein, welches einen Strömungskanal für ein Fluid definiert. The fault generator, in particular the above-explained impurities, may preferably be arranged in the guide and / or the housing, which defines a flow channel for a fluid.
[0018] Bevorzugt entspricht die Anzahl der geometrischen Störstellen der Anzahl der Leitschaufeln der Leiteinrichtung oder einem ganzzahligen Vielfachen dieser Anzahl, da hierdurch in der Fluidströmung eine Störung induziert wird, die besonders geeignet ist, die durch die Leitschaufeln induzierten Schwingungen zu reduzieren. Preferably, the number of geometric impurities corresponds to the number of guide vanes of the guide or an integer multiple of this number, as a result, a disturbance is induced in the fluid flow, which is particularly suitable to reduce the vibrations induced by the vanes.
[0019] Für eine besonders effektive Schwingungsreduktion kann die Phase einer in den Laufschaufeln durch den Störungsgenerator induzierten Schwingung oder einer in der Fluidströmung durch den Störungsgenerator induzierten Störung der Phase der durch die Leitschaufeln induzierten Schwingung bzw. Störung im Wesentlichen entgegengerichtet sein. Doch auch Schwingungen bzw. Störungen mit anderem Phasenversatz und/oder anderen Frequenzen sind zur Reduzierung der durch die Leitschaufeln induzierten Schwingungen geeignet. For a particularly effective vibration reduction, the phase of a vibration induced in the blades by the disturbance generator or a disturbance induced in the fluid flow by the disturbance generator may be substantially opposite to the phase of the vibration induced by the vanes. However, oscillations or disturbances with a different phase offset and / or other frequencies are also suitable for reducing the vibrations induced by the guide vanes.
[0020] Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert: <tb>Fig. 1 :<SEP>einen Teil eines Verdichters eines Abgasturboladers nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischem Teilschnitt; und <tb>Fig. 2 :<SEP>einen Teil einer Turbine eines Abgasturboladers nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischem Teilschnitt.Further advantages and features emerge from the dependent claims and the embodiments. This shows, partially schematized: <Tb> FIG. 1: <SEP> a part of a compressor of an exhaust gas turbocharger according to an embodiment of the present invention in perspective partial section; and <Tb> FIG. 2: <SEP> part of a turbine of an exhaust gas turbocharger according to an embodiment of the present invention in perspective partial section.
[0021] In Fig. 1 ist ein erfindungsgemässer Radialverdichter eines Abgasturboladers eines Schiffsdiesels in perspektivischer Darstellung ausschnittweise gezeigt. In Fig. 1, a radial compressor according to the invention of an exhaust gas turbocharger of a marine diesel is shown in fragmentary perspective view.
[0022] Eine Laufrad- oder Rotornabe 2 ist in einem Gehäuse 1 derart aufgenommen, dass zwischen ihnen ein Strömungskanal für Verbrennungsluft für den Schiffsdiesel definiert ist. In diesem Strömungskanal sind Laufschaufeln 3 zur Beschleunigung der Luft angeordnet, die zusammen mit der Laufradnabe 2 mit der Drehzahl n um die Längsachse des Verdichters rotieren und Luft zu stromabwärts angeordneten Leitschaufeln 4 einer Nachleiteinrichtung fördern, in der die kinetische Energie der Luft teilweise in Druckenergie umgesetzt wird. An impeller or rotor hub 2 is received in a housing 1 such that between them a flow channel for combustion air for the marine diesel is defined. In this flow channel blades 3 are arranged to accelerate the air, which rotate together with the impeller hub 2 at the speed n about the longitudinal axis of the compressor and promote air to downstream vanes 4 a Nachleiteinrichtung in which the kinetic energy of the air partially converted into pressure energy becomes.
[0023] Durch diese Leitschaufeln 4 wird in der Luftströmung eine Störung in Form von Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen induziert, die die Laufschaufeln 3 beaufschlagt. Da diese dünnwandig ausgebildet sind und somit eine geringe Biegesteifigkeit aufweisen, werden sie durch diese von den Leitschaufeln 4 induzierte Störung der Luftströmung zu unerwünschten Schwingungen angeregt. Through these vanes 4, a disturbance in the form of pressure and velocity fluctuations induced in the air flow, which acts on the blades 3. Since these are thin-walled and thus have a low bending stiffness, they are excited by these induced by the vanes 4 disturbance of the air flow to undesirable vibrations.
[0024] In dem Gehäuse 1 ist stromaufwärts vor jeder Leitschaufel 4 eine Langlochbohrung 5 ausgebildet, die sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckt. Hierdurch wird in der Luftströmung ebenfalls eine Störung in Form von Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen induziert, die die Laufschaufeln 3 ebenfalls zu Schwingungen anregt. Lage, Form, Grösse und Tiefe der Langlochbohrungen 5 sind so gewählt, dass die hierdurch induzierten Schwingungen in den Laufschaufeln im Wesentlichen gegenphasig zu den Schwingungen sind, die durch die Leitschaufeln 4 induziert werden. Beide Schwingungen in den Laufschaufeln 3 löschen sich somit durch Überlagerung gegenseitig im Wesentlichen aus, so dass die Gesamtschwingungsamplitude der Laufschaufeln 3 deutlich reduziert ist. In the housing 1 upstream of each vane 4, a long hole 5 is formed, which extends substantially in the circumferential direction. As a result, a disturbance in the form of pressure and speed fluctuations is also induced in the air flow, which also stimulates the blades 3 to vibrate. The position, shape, size and depth of the slot bores 5 are selected so that the oscillations induced in the blades are substantially in phase opposition to the vibrations induced by the vanes 4. Both vibrations in the rotor blades 3 thus cancel each other out substantially by superposition, so that the total vibration amplitude of the blades 3 is significantly reduced.
[0025] In Fig. 2 ist eine erfindungsgemässe Axialturbine eines Abgasturboladers eines Schiffsdiesels in perspektivischer Darstellung ausschnittweise gezeigt. Einander entsprechende Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 . bezeichnet. In Fig. 2, an inventive axial turbine of an exhaust gas turbocharger of a marine diesel is shown in fragmentary perspective view. Corresponding elements are denoted by the same reference numerals as in FIG. 1. designated.
[0026] Entsprechend ist eine Laufradnabe 2 in einem Gehäuse 1 derart aufgenommen, dass zwischen ihnen ein Strömungskanal für Abgas vom Schiffsdiesel definiert ist. In diesem Strömungskanal sind Laufschaufeln 3 zur Umlenkung der Abgase angeordnet, die zusammen mit der Laufradnabe 2 mit der Drehzahl n um die Längsachse der Turbine rotieren. Accordingly, an impeller hub 2 is accommodated in a housing 1 such that between them a flow channel for exhaust gas is defined by the marine diesel. In this flow channel blades 3 for deflecting the exhaust gases are arranged, which rotate together with the impeller hub 2 at the rotational speed n about the longitudinal axis of the turbine.
[0027] Durch Leitschaufeln 4 einer Leiteinrichtung, die die Abgase in geeigneter Weise umlenken, wird in der Luftströmung eine Störung in Form von Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen induziert, die die Laufschaufeln 3 beaufschlagt. Da diese dünnwandig ausgebildet sind und somit eine geringe Biegesteifigkeit aufweisen, werden sie durch diese von den Leitschaufeln 4 induzierte Störung der Abgasströmung zu unerwünschten Schwingungen angeregt. By vanes 4 a guide, which deflect the exhaust gases in a suitable manner, a disturbance in the form of pressure and velocity fluctuations is induced in the air flow, which acts on the blades 3. Since these are thin-walled and thus have a low bending stiffness, they are excited by these induced by the vanes 4 disturbance of the exhaust gas flow to undesirable vibrations.
[0028] Jeder Leitschaufel 4 ist eine in dem Gehäuse 1 ausgebildete Langlochbohrung 5 zugeordnet, die sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckt. Hierdurch wird in der Abgasströmung ebenfalls eine Störung in Form von Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen induziert. Lage, Form, Grösse und Tiefe der Langlochbohrungen 5 sind so gewählt, dass die hierdurch induzierte Störung in der Abgasströmung im Wesentlichen gegenphasig zu der Störung ist, die durch die Leitschaufeln 4 induziert wird. Beide Störungen in der Abgasströmung löschen sich somit durch Überlagerung gegenseitig im Wesentlichen aus, so dass die Laufschaufeln 3 geringer beaufschlagt und zu Schwingungen angeregt werden, so dass auch hier die Gesamtschwingungsamplitude der Laufschaufeln 3 deutlich reduziert ist Each vane 4 is associated with a formed in the housing 1 elongated hole 5, which extends substantially in the circumferential direction. As a result, a disturbance in the form of pressure and velocity fluctuations is also induced in the exhaust gas flow. The location, shape, size and depth of the slot bores 5 are selected so that the disturbance in the exhaust gas flow induced thereby is substantially out of phase with the disturbance induced by the guide vanes 4. Both disturbances in the exhaust gas flow thus cancel each other out substantially by superimposition, so that the blades 3 are applied less and excited to oscillate, so that here too, the total amplitude of vibration of the blades 3 is significantly reduced
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
[0029] <tb>1<SEP>Gehäuse <tb>2<SEP>Laufradnabe <tb>3<SEP>Laufschaufel <tb>4<SEP>Leitschaufel <tb>5<SEP>Bohrung <tb>n<SEP>Drehzahl[0029] <Tb> 1 <September> Housing <Tb> 2 <September> impeller hub <Tb> 3 <September> blade <Tb> 4 <September> vane <Tb> 5 <September> Hole <Tb> n <September> Speed
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