CN101922354A - 具有衬套的涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮机系统，具体而言，在一个实施例中，涡轮机系统的燃烧器可包括设置在燃烧器内的衬套。衬套元件可包括具有沿着轴线延伸的安装柱螺栓的挡热板，以及具有朝向挡热板定向的内表面的壳体。壳体可包括构造成容纳安装柱螺栓的通道，并且安装柱螺栓可包括构造成保持挡热板与壳体的内表面沿着安装柱螺栓的轴线隔开的结构。

Description

具有衬套的涡轮发动机

技术领域

本文公开的主题涉及燃气轮机发动机，并且更具体而言涉及与燃烧器相关联的挡热板。

背景技术

通常，燃气轮机发动机燃烧压缩空气和燃料的混合物来产生热的燃烧气体。例如，一组燃料喷嘴可将空气和燃料(例如丙烷、天然气)喷射到燃烧器中，或者可将燃料喷射到燃烧器中。如所理解的那样，燃气轮机发动机包括各种冷却系统，以保护构件不受燃烧的热的影响。这些冷却系统可包括冷却剂路径和/或挡热板。不幸的是，冷却剂路径可能不能充分地冷却燃气轮机发动机的所有区域。例如，某些构件中可能存在热点。

发明内容

下面概述了在范围方面与原本要求保护的发明相当的实施例。这些实施例不意在限制要求保护的发明的范围，相反这些实施例仅意在提供本发明的可行形式的简要概述。实际上，本发明可包括类似于或不同于下面阐述的实施例的多种多样的形式。

在一个实施例中，一种涡轮机系统可包括涡轮；压缩机；燃烧器；以及设置在燃烧器内的衬套。衬套可包括挡热板，该挡热板包括沿着轴线延伸的安装柱螺栓(mounting stud)；包括朝向挡热板定向的内表面的壳体，其中，该壳体包括构造成容纳安装柱螺栓的通道；以及设置在安装柱螺栓上的结构，其中，该结构构造成保持挡热板与壳体的内表面沿着安装柱螺栓的轴线隔开距离。

在另一个实施例中，一种用于燃烧器的衬套组件可包括挡热板，该挡热板包括多个安装柱螺栓；包括朝向挡热板定向的内表面的支承结构，其中，该支承结构包括构造成容纳安装柱螺栓的多个通道；以及自各安装柱螺栓向外延伸的隔开结构(standoff structure)，其中，该隔开结构沿着安装柱螺栓的轴线与支承结构的内表面隔开。

在另一个实施例中，一种涡轮机系统可包括挡热板。挡热板可包括沿着轴线自挡热板延伸的安装柱螺栓；以及设置在安装柱螺栓上的隔开结构，其中，该隔开结构的至少一部分基本垂直于轴线。

附图说明

当参照附图(在其中，相同符号在整个图中表示相同部件)来阅读以下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面以及优点将变得更好理解，其中：

图1是根据本技术的一实施例的、具有联接至燃烧器的燃料喷嘴的涡轮机系统的简图；

图2是根据本技术的一实施例的、带有多个联接至端盖的燃料喷嘴、如图1中所示的燃烧器的剖面侧视图；

图3是具有根据本技术的一实施例的带有结合到挡热板的安装柱螺栓上的支架部分的燃烧器衬套的、在图2所示的线3-3内得到的燃烧器的局部侧视图；

图4是根据本技术的一实施例的、带有包括支架部分的安装柱螺栓的示范性的挡热板的局部透视图；

图5是根据本技术的一实施例的、包括弯曲的支承壳体和带有包括弯曲的支架部分的多个安装柱螺栓的弯曲的挡热板的、如沿着图2中所示的线5-5得到的弯曲的燃烧器衬套的示范性的实施例的局部截面图；

图6是根据本技术的一实施例的、带有不对称的跑道形支架部分的备选挡热板的局部透视图；

图7是根据本技术的一实施例的、带有图6的不对称的支架部分的衬套组件的俯视图；以及

图8是根据本技术的一实施例的、带有固定至端板的挡热板的燃烧器罩组件的透视图。

具体实施方式

下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供对这些实施例的简明描述，可能不会在说明书中对实际执行方案的所有特征进行描述。应当理解的是，当如在任何工程或设计项目中那样开发任何这种实际执行方案时，必须做出许多对执行方案专有的决定来实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，其可在不同的执行方案之间有所改变。此外，应当理解的是，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但尽管如此，对受益于本公开的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。

当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”以及“所述”意在表示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”以及“具有”意在为包括性的，并且表示除了列出的元件之外，可存在附加的元件。

如下面详细地所论述的那样，可采用燃烧器衬套的各种实施例来改进涡轮发动机系统的性能。涡轮发动机系统可包括一个或多个燃烧器，例如环管式燃烧器(annular can combustor)。涡轮发动机燃烧器可包括具有纵向轴线的大体圆柱形的罩壳，该罩壳具有彼此固定的前段和后段，并且该罩壳整个地固定至涡轮罩壳。各个燃烧器还包括流套管(flow sleeve)和基本同心地布置在流套管内的燃烧器衬套。流套管和燃烧器衬套两者均在其下游端部处的过渡件和其上游端部处的燃烧器罩组件(位于燃烧器的上游部分内)之间延伸。流套管直接附连至燃烧器罩壳，同时罩组件支承衬套。罩组件固定至燃烧器罩壳。

在实施例中，燃烧器衬套(包括罩)可为多层结构，该多层结构可包括布置在第二层(衬套的壳体部分)的“热”侧上的一个或多个挡热板的第一层。挡热板可保护壳体不受燃烧室的热的影响以延长衬套的寿命，更换衬套可能是昂贵和/或复杂的。挡热板可通过多个安装柱螺栓固定至壳体，该多个安装柱螺栓构造成容纳在燃烧器衬套和罩组件上对应的通道中。

在某些布置中(在其中，挡热板固定至燃烧器衬套的壳体)，在壳体和挡热板之间提供的小空间可允许冷却空气流入该空间中，这会减慢到燃烧器衬套的传热。但是，尽管衬套和挡热板之间的空间的冷却效果，某些问题仍可能与这种布置相关联。沿着燃烧器衬套提供挡热板的精确对准可能是复杂的。例如，如果衬套和挡热板之间的距离沿着燃烧器衬套的长度改变，则冷却效果就会因此而改变，这会在燃烧器衬套的部分上造成热梯度和/或单独的热点，这会降低燃烧器衬套的寿命。在其它布置中，挡热板可包括朝向壳体定向的销或套环(collar)，以保持挡热板与燃烧器衬套的壳体之间具有预定的距离。但是，这些布置也会有助于热梯度的形成，这可能会降低构件的寿命。

在某些实施例中，如下面详细地所论述的那样，挡热板可包括带有隔开结构的安装柱螺栓，该隔开结构构造成保持挡热板或使挡热板对准，以使得在燃烧器衬套的壳体和挡热板之间实现基本均匀的间隙。本实施例的隔开结构可结合到用于挡热板的安装柱螺栓上，以通过减少对于间隙中的空气流的障碍物来提供燃烧器衬套的改进的冷却的优点。另外，通过在安装柱螺栓周围提供畅通的空气流，可在安装柱螺栓中或安装柱螺栓上减少热点的形成，这通常可提高挡热板和燃烧器衬套的寿命。因此，在某些实施例中，除了带有结合的隔开结构的安装柱螺栓之外，挡热板可不具有自挡热板的表面起延伸的附加的元件。在这种实施例中，面向壳体的挡热板的表面在安装柱螺栓之间可为基本平坦的或平滑的。

现在转到附图并且首先参照图1，示出了涡轮机系统10的实施例的简图。该示图包括燃料喷嘴12、燃料供应14以及燃烧器16。如图所描绘的那样，燃料供应14将液体燃料或气体燃料(例如天然气)输送到涡轮机系统10通过燃料喷嘴12而进入燃烧器16中。在与增压空气混合之后，由箭头18显示，在燃料器16中发生点燃，并且所产生的排气使涡轮20内的叶片旋转。涡轮20中的叶片和轴22之间的联接将促使轴22旋转，该轴22还联接至整个涡轮机系统10中的若干构件，如图所示。例如，所示出的轴22以驱动的方式联接至压缩机24和负载26。如所理解的那样，负载26可为可通过涡轮机系统10的旋转输出而产生动力的任何适当的装置，例如动力产生装置或运载工具。

空气供应28可通过导管将空气运送到进气口30，然后进气口将空气运送到压缩机24中。压缩机24包括以驱动的方式联接至轴22的多个叶片，从而压缩来自进气口30的空气并且将其运送到燃料喷嘴12和燃烧器16，如由箭头32所表明的那样。然后，由参考标号18所显示的那样，燃料喷嘴12可混合加压的空气和燃料，以为这样的燃烧(例如，使燃料更完全地燃烧以便不浪费燃料或不导致过度排放的燃烧)产生优化的混合比。在穿过涡轮20之后，排气在排气出口34处离开系统。如下面详细论述的那样，涡轮机系统10的实施例包括某些燃烧器衬套结构和布置。例如，衬套结构可包括两层式燃烧衬套44，其中，层之间存在空间。可通过燃烧器衬套44的挡热板层上的一个或多个结构来隔开层。

图2显示了具有多个燃料喷嘴12的燃烧器16的一个实施例的剖面侧视图。在某些实施例中，燃烧器16的首端35包括端盖38。罩组件36封闭燃烧室40，并且容纳燃料喷嘴12，燃料喷嘴12将燃料、空气和其它流体运送到燃烧器16。例如，燃烧器罩组件36容纳一个或多个燃料喷嘴组件和通往各燃料喷嘴12的加压气体。各燃料喷嘴12有助于混合通入燃烧器16的燃烧室40中的加压空气和燃料的混合。然后，空气燃料混合物在燃烧器16中燃烧，从而产生热的加压排气，该排气驱动涡轮20内的叶片旋转。燃烧器16包括形成燃烧室40的流套管42和燃烧器衬套44。在某些实施例中，流套管42和衬套44彼此同轴或同心，以限定中空的环形空间39，该环形空间39可使空气能够通过以用于冷却和使空气能够进入到燃烧室区40中。例如，空气可流动通过套管42中的穿孔而进入到中空的环形空间39中，并且朝向端部36向下游流入燃料喷嘴12中，流过流动调节器，并且然后向下流流动通过燃料喷嘴12而进入到燃烧室40中。通过又一个实例，空气可通过套管42和衬套44中的一层或多层的穿孔而流入到燃烧室中。衬套44还可设计成控制朝向首端35在方向41上游的热排气和空气燃料混合物的流量和速度。另外，衬套44可适于与挡热板相互作用，将在下面更加详细地论述。在一个实施例中，可使用衬套组件44来代替流套管42。换句话说，可不使用流套管42。

参照图3，图3是具有安装柱螺栓46、支承壳体48以及挡热板50的燃烧器衬套44的实施例的侧视图。在实施例中，支承壳体48可支承任何适当数量的轴向和周向分布的挡热板50，挡热板50可采取大体成形成按照(follow)壳体48的轮廓的面板或区段的形式。例如，多个区段可周向布置成围绕燃烧室40限定完整的圈。通过又一个实例，多个区段可在轴向上(例如在下游方向41上)一个接一个地布置。多个带螺纹的安装柱螺栓46可从各挡热板50的一侧突出并且穿过壳体48中的通道52。通道52可具有足够大以容纳安装柱螺栓46的给定的开口尺寸53(例如直径或其它尺寸)。螺母54和垫圈55被拧到各柱螺栓46上以将各挡热板50固定至支承壳体48，以使得挡热板50基本平行于壳体48。因此当组装好时，称为热侧56的挡热板50的一侧面向燃烧室40。称为冷侧58的另一侧面向支承壳体48。在一个实施例中，支承壳体48和挡热板50中的穿孔65和63分别允许冷却空气沿着冷却路径61前进。

如图所示，安装柱螺栓46可包括与冷侧58之间存在距离64的、沿着安装柱螺栓46的底座47设置的支架部分60。支架部分60通常尺寸规定成和成形成防止安装柱螺栓46垂直地移动通过通道52。这种构造阻止挡热板50被拉得离支承壳体48比预定距离67更近。在对安装柱螺栓46的带螺纹的远端62施加螺母54和垫圈55之后，挡热板50与支承壳体48径向地隔开距离67。在实施例中，挡热板50和支承壳体48之间的距离67大约为距离64加上支架部分60的厚度。安装柱螺栓46的支架部分60可为任何适当的尺寸或形状，以阻止安装柱螺栓46的移动。在实施例中，支架部分60和安装柱螺栓46可为自挡热板50的表面58延伸的唯一的结构。因此，表面58和从安装柱螺栓46垂直延伸的支架部分60的边缘之间可不存在干涉结构。换句话说，表面58可在不中断的情况下直接延伸至安装柱螺栓46的底座47。因此，冷却剂流(例如空气流)可在不中断的情况下以沿着整个表面58直接到底座47的方式冷却挡热板50，以用于改进冷却。因此，支架部分60在支承壳体48和挡热板50之间提供期望距离67，并且柱螺栓46附近的热点的可能性降低。

安装柱螺栓46可为整体的，例如与挡热板50铸造在一起，或者例如可通过将安装柱螺栓46压配到挡热板50中而非整体地形成，或者安装柱螺栓46可以别的方式相对于挡热板50固定。安装柱螺栓46足够长，以使得带螺纹的远端62延伸超出壳体48。螺母54和垫圈55接合壳体外表面66，同时壳体内表面68面向挡热板50的冷侧58。在实施例中，支承壳体48和挡热板50可为金属，例如镍合金，但是不必是相同的金属。在某些燃烧器16中，挡热板50中的一个或多个可包括作为挡热板50的主体或涂层的一部分的适当的难熔材料，例如陶瓷材料。

图4是示范性的挡热板50的透视图。支架部分60显示为在基本垂直于安装柱螺栓46的轴线74的平面76中大体为盘形。在这种实施例中，支架部分的直径70可至少大于支承壳体48中的通道52的开口直径53(见图3)。因而，可通过使一个或多个安装柱螺栓46穿过通道52直到支架部分60接触内部壳体48的内表面68为止来将挡热板50固定或安装至支承壳体48。较大的直径70防止安装柱螺栓46进一步运动通过通道52。在其它实施例中，支架部分60可为大体棒形、跑道形、椭圆形或不规则形状，只要偏移部分(offset structure)60的至少一个尺寸大于平面76中的开口尺寸53即可。在实施例中，平面76中的偏移部分60的至少一个尺寸可比开口尺寸53大至少约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约80％、约90％、约100％或约200％。在其它实施例中，平面76中的偏移部分60的至少一个尺寸可比开口尺寸53大约10％至约20％、约20％至约30％、约30％至约40％、约40％至约50％、约50％至60％、约60％至约70％、约70％至约80％、约80％至90％、约90％至约100％，或约100％至约200％。

此外，在实施例中，支架部分60可为大体平整的，或者沿着平面76设置，以使得其沿着轴线74的尺寸72(例如厚度)最小化。这可提供使挡热板50和支承壳体48之间的空间45(见图3)中的流量最大化的优点。通过缩小支架部分60的外形，使对于冷却空气流的障碍物最小化。此外，通过使安装柱螺栓46的底座47周围的总区域畅通，可更加有效地冷却底座47。因为安装柱螺栓46的底座47作为空气流障碍物起作用，所以安装柱螺栓46可能特别易于遭受热梯度。使尺寸72最小化的布置可允许更加高效地冷却底座47。在实施例中，沿着轴线74的尺寸72小于挡热板50和壳体48之间的总距离67的约60％、约50％、约40％、约30％、约20％或约10％。在其它实施例中，沿着轴线74的尺寸72在总距离67的约10％至约20％之间、约20％至约30％之间、约30％至约40％之间、约40％至约50％之间、约50％至约60％之间。

图5描绘了带有通过带有弯曲的支架部分60的多个安装柱螺栓46而安装至支承壳体48的挡热板50的燃烧器衬套44的沿着图2的线5-5所得到的局部截面图。在所描绘的布置中，燃烧器衬套44构造成按照大体管形的燃烧室40(例如环管式燃烧器中的燃烧室40)的轮廓。因此，衬套44的某些部分可弯曲成容纳管形状。在这种实施例中，支架部分60可大体弯曲成按照支承壳体48的轮廓。取决于支承壳体48的曲率，支架部分60的弯曲路径80可为基本平整的、凹的或凸的。另外，还显示了潜在的拉动方向83，或挡热板50和支承壳体48的热增长(thermal growth)的方向。例如，安装柱螺栓46可在方向84(见图7)上增长，同时挡热板50的底层也可膨胀。支架部分60可提供支承壳体48中的柱螺栓通道52相对于大体笔直的支架部分60的改进的密封。

在实施例中，不对称的支架部分60可构造成与支承壳体48中的不对称通道52相互作用，以解决挡热板50的热膨胀问题或解决组装和拆卸问题。例如，如图6中在透视图中所显示的那样，跑道形支架部分60可构造成在安装柱螺栓46的预测热膨胀的方向84上定向。在这样的实施例中(即，在其中，燃烧器16在高温下操作)，支承壳体48和/或挡热板50可能经受一些热膨胀。在实施例中，膨胀可大体朝向最接近的边缘86。

支架部分60的定向可采取沿着平面76的不对称形状的形式。在实施例中，在使用安装柱螺栓46的轴线74作为旋转对称的轴线时，支架部分60可绕着安装柱螺栓46不对称。支架部分60可在热膨胀方向84上具有较大百分比的体积或表面积。在实施例中，支架部分60在轴线74周围的给定径向区域的一个180°部分中可具有大于其体积或表面积的约50％、约55％、约60％、约65％、约70％、约75％、约80％、约85％、约90％或约95％的体积或表面积。在其它实施例中，支架部分60在轴线74周围的径向区域的一个180°部分中可具有大于其体积或表面积的约60％的体积或表面积、大于其体积或表面积的约75％的体积或表面积、大于其体积或表面积的约80％的体积或表面积，或者大于其体积或表面积的约90％的体积或表面积。在实施例中，在轴线74周围的区域的一个180°部分中的体积或表面积在约55％至约70％之间，或者在约75％至约90％之间。

在向下看挡热板50的图7中的俯视图中所显示的燃烧器衬套44的实施例中，取决于挡热板50的给定区域中的热膨胀的预测方向84，支架部分60可沿着挡热板50具有不同的定向。例如，支架部分60可大体在热增长方向84上定向，在一实施例中，热增长方向84可朝向最接近的边缘86，同时大体在挡热板50的中心的安装柱螺栓46可能不具有形状不规则的支架部分60或容纳通道52(处于支承壳体48上，未显示)。但是，对于位于挡热板的边缘86附近的安装柱螺栓，提供相对跑道形的支架部分60可允许支架部分膨胀，而不会危及密封。另外，壳体48上的通道52(未显示)也可为跑道形，以允许挡热板50的热膨胀，这会导致柱螺栓46朝边缘移动距离90。因为挡热板的膨胀可改变安装柱螺栓46的形状或位置，例如柱螺栓46可移动得远离彼此更远，所以不对称的支架部分60可定位成解决安装柱螺栓46的形状或位置相对于通道52的预测变化的问题。因而，支架部分60可提供改进的密封，以防止冷却空气绕过冷却流67。

衬套44的公开的实施例可结合到涡轮机系统10或可经历高温的任何其它系统的任何部分中。因此，衬套组件44可结合到燃烧器罩组件36或燃烧器16的外护罩中，如图8中的透视侧面图所示。燃烧器罩组件36可包括用于容纳燃料喷嘴12的通道100。如图所示，罩组件36包括外部端板102和内部挡热板50。挡热板50可包括利用螺母54和垫圈55固定至外部端板102的安装柱螺栓46。安装柱螺栓46可包括构造成在外部端板102和挡热板50之间提供间隙45的支架部分60。如图所示，在实施例中，多个安装柱螺栓46中的全部或仅仅一些可包括支架部分60。这种实施例可提供在间隙45中的减少的流障碍物的优点。在实施例中，安装柱螺栓46的约50％或更多、约60％或更多，或约100％可包括支架部分60。

本书面描述使用实例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法)。本发明的可取得专利的范围由权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这种其它实例意在处于权利要求书的范围之内。

Claims (20)

1.一种涡轮机系统，包括：

涡轮；

压缩机；

燃烧器；以及

设置在所述燃烧器内的衬套，所述衬套包括：

包括沿着轴线延伸的安装柱螺栓的挡热板；

包括朝向所述挡热板定向的内表面的壳体，其中，所述壳体包括构造成容纳所述安装柱螺栓的通道；以及

设置在所述安装柱螺栓上的结构，其中，所述结构构造成保持所述挡热板与所述壳体的内表面沿着所述安装柱螺栓的轴线隔开距离。

2.根据权利要求1所述的涡轮机系统，其特征在于，所述结构包括盘或跑道形。

3.根据权利要求2所述的涡轮机系统，其特征在于，所述盘基本上垂直于所述安装柱螺栓的轴线。

4.根据权利要求2所述的涡轮机系统，其特征在于，所述盘相对于基本上垂直于所述安装柱螺栓的轴线的平面基本上为凹状的或凸状的。

5.根据权利要求1所述的涡轮机系统，其特征在于，安装结构包括大于构造成容纳所述安装柱螺栓的所述通道的开口尺寸的至少一个尺寸。

6.根据权利要求5所述的涡轮机系统，其特征在于，所述大于构造成容纳所述安装柱螺栓的所述通道的开口的至少一个尺寸比所述通道的开口尺寸大至少约50％。

7.根据权利要求1所述的涡轮机系统，其特征在于，所述结构包括相对于所述安装柱螺栓的轴线的旋转不对称。

8.根据权利要求7所述的涡轮机系统，其特征在于，所述构造成容纳所述安装柱螺栓的通道包括相对于所述安装柱螺栓的轴线的旋转不对称。

9.根据权利要求7所述的涡轮机系统，其特征在于，所述结构在所述挡热板的最接近的边缘的方向上定向或远离所述挡热板的中心。

10.根据权利要求1所述的涡轮机系统，其特征在于，所述结构包括小于所述挡热板和所述壳体之间的距离的50％的、沿着所述安装柱螺栓的轴线的尺寸。

11.一种用于燃烧器的衬套组件，所述衬套组件包括：

包括多个安装柱螺栓的挡热板；

包括朝向所述挡热板定向的内表面的支承结构，其中，所述支承结构包括构造成容纳所述安装柱螺栓的多个通道；以及

从各安装柱螺栓向外延伸的隔开结构，其中，所述隔开结构沿着所述安装柱螺栓的轴线与所述挡热板的内表面隔开距离。

12.根据权利要求11所述的衬套组件，其特征在于，所述隔开结构通常尺寸规定成或成形成密封容纳所述安装柱螺栓的所述通道的至少一部分。

13.根据权利要求11所述的衬套组件，其特征在于，所述挡热板的表面在所述安装柱螺栓之间基本上为平滑的且未中断。

14.根据权利要求11所述的衬套组件，其特征在于，所述衬套组件是用于所述燃烧器的罩组件的一部分。

15.根据权利要求11所述的衬套组件，其特征在于，所述支承结构和所述挡热板包括构造成容纳燃料喷嘴的一个或多个通道。

16.根据权利要求11所述的衬套组件，其特征在于，所述支承结构围绕所述安装柱螺栓的轴线不对称。

17.根据权利要求16所述的衬套组件，其特征在于，所述支承结构包括跑道形的盘。

18.一种涡轮机系统，包括；

挡热板，所述挡热板包括：

沿着轴线自所述挡热板延伸的安装柱螺栓；以及

设置在所述安装柱螺栓上的隔开结构，其中，所述隔开结构的至少一部分基本上垂直于所述轴线。

19.根据权利要求18所述的涡轮机系统，其特征在于，所述隔开结构包括盘。

20.根据权利要求18所述的涡轮机系统，其特征在于，所述挡热板的表面在所述安装柱螺栓周围未被中断，并且所述隔开结构相对于所述表面以大体平行的定向而偏移。

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