CN102401398A - 用于涡轮发动机的燃料喷射组件和组装其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于涡轮发动机的燃料喷射组件和组装其的方法。具体而言，提供了一种用于涡轮发动机(100)中的燃料喷射组件(200)。该燃料喷射组件包括：帽部件(118)，其包括至少一个至少部分地穿过其而延伸的第一开口(301)以及多个至少部分地穿过其而延伸的第二开口(305)；多个管组件(202)，其在帽部件内大体上对准，该多个管组件包括多个管(204)；以及，至少一个喷射系统(208)，其包括流连通地联接在流体源(212)与帽部件之间的流体供给部件(210)，该至少一个喷射系统设置为用以使流体通过该多个第二开口的其中至少一个而排出，从而在相邻管组件之间提供阻挡，以有助于在涡轮发动机操作期间减少燃烧器中的动态压力波动。

Description

用于涡轮发动机的燃料喷射组件和组装其的方法
技术领域
本文所公开的主题大体上涉及涡轮发动机，并且更具体地说，涉及用于涡轮发动机中的燃料喷射组件。
背景技术
至少一些已知的涡轮发动机被用于联合发电设施和发电设备中。这样的发动机可具有每单位质量流较高的比功(specific work)和功率的要求。为了有助于提高操作效率，至少一些已知的涡轮发动机(例如燃气涡轮发动机)以升高的燃烧温度操作。在已知的燃气涡轮发动机中，发动机效率随燃烧气体温度升高而提高。
然而，以更高温度操作也可增加污染排放物(例如氮氧化物(NOX))的水平。为了试图减少这样的排放物的产生，至少一些已知的发动机包括改进的燃烧系统设计。更具体而言，这样已知的燃烧系统中的至少一些带有增加的动态压力波动而操作。这样的动态压力波动可增加由燃烧系统产生的噪音，可增加燃烧器的磨损，和/或可缩短燃烧系统的使用寿命。
尽管多燃料燃烧组件通常带有降低的噪音而操作，这样的燃烧系统可提供仅仅有限的性能结果。举例而言，这样的系统可关于高氢气水平而操作，其可引起高于1kHz的尖声的音调频率水平。这样的尖声频率可导致表现为燃烧组件内的喷嘴之间的耦合相互作用的火焰行为。此外，这样的相互作用也可引起振动能量在燃烧组件和相关联的硬件部件上。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用来组装用于涡轮发动机中的燃料喷射组件的方法。该方法包括：提供至少一个帽部件，该帽部件具有至少一个至少部分地穿过其而延伸的第一开口以及多个至少部分地穿过其而延伸的第二开口。该方法包括联接涡轮发动机内的多个管组件。每个管组件包括多个管。此外，该方法包括将至少一个喷射系统联接至帽部件以使得来自流体源的流体通过该多个第二开口的其中至少一个而排出。该流体提供相邻管组件之间的阻挡以有助于在涡轮发动机操作期间减少燃烧器中的动态压力波动。
在另一实施例中，提供了一种用于涡轮发动机中的燃料喷射组件。该燃料喷射组件包括帽部件，该帽部件具有至少一个至少部分地穿过其而延伸的第一开口以及多个至少部分地穿过其而延伸的第二开口。该燃料喷射组件还包括多个管组件，该管组件具有多个管。该多个管组件中的每一个在帽部件内大体上对准。该燃料喷射组件还包括至少一个具有流体供给部件的喷射系统，该流体供给部件流连通地联接在流体源与帽部件之间。该喷射系统设置为用以使流体通过该多个第二开口的其中至少一个而排出，以便在管组件之间提供阻挡，以有助于在涡轮发动机操作期间减少燃烧器中的动态压力波动。
在另一实施例中，提供了一种涡轮发动机。该涡轮发动机包括压缩机以及联接在压缩机下游的燃烧组件。该燃烧组件包括至少一个燃烧器，该燃烧器包括至少一个燃料喷射组件。该燃料喷射组件具有帽部件、多个管组件以及至少一个喷射系统。该帽部件包括至少一个至少部分地穿过其而延伸的第一开口以及多个至少部分地穿过其而延伸的第二开口。每个管组件在帽部件内大体上对准且包括多个管。该喷射系统流连通地联接至帽部件以用于使流体通过该多个第二开口的其中至少一个而排出，以便在管组件之间提供阻挡，以有助于在涡轮发动机操作期间减少燃烧器中的动态压力波动。
附图说明
图1是一示例性已知燃气涡轮发动机的截面图；
图2是可用于图1中所示的燃气涡轮发动机的燃料喷射组件的一部分并沿着区域2得到的截面图；
图3是可用于图2中所示的燃料喷射组件的喷射系统的一部分并沿着区域3得到的放大截面图；
图4是图2中所示的燃料喷射组件的一部分并沿着线4-4得到的上游视图。
图5是图2中所示的燃料喷射组件的一部分并沿着线5-5得到的下游视图；以及
图6是示出了组装图2中所示的燃料喷射组件的一示例性方法的流程图。
项目清单
Figure BSA00000541355300031
Figure BSA00000541355300041
Figure BSA00000541355300051
具体实施方式
本文所述的示例性方法、装置和系统克服了与已知燃烧系统(其可操作使得在其中以及其相关联的硬件构件内引起振动能量)相关联的缺点。具体而言，本文所述的实施例提供了一种燃烧组件，其通过利用燃料喷射组件而操作带有减少的动态压力波动，该燃料喷射组件用作声障板(sound baffle)并破坏燃料喷射组件中的中央燃料喷射喷嘴与至少一个外部燃料喷射喷嘴之间的火焰相互作用。更具体而言，本文所述的实施例能使流体源被喷射到燃烧室内，以便使流体源邻近中央燃料喷射喷嘴对准，从而破坏燃料喷射组件中的中央燃料喷射喷嘴与至少一个外部燃料喷射喷嘴之间的耦合相互作用。因此，该流体在相邻喷嘴之间提供阻挡以有助于减少动态压力波动。
图1示出了一示例性已知燃气涡轮发动机100的截面图。虽然该示例性实施例包括燃气涡轮发动机100，但是，本发明并不限于任一特定的发动机，并且本领域普通技术人员应当理解，本发明可与其它涡轮发动机结合使用。
在该示例性实施例中，燃气涡轮发动机100包括压缩机102和燃烧器组件104，燃烧器组件104包括至少一个燃烧器106。每个燃烧器106包括至少一个燃料喷射组件壳体108，燃料喷射组件壳体108中容纳有燃料喷射器。燃气涡轮发动机100包括涡轮110和驱动轴158。燃烧器106与压缩机102和涡轮110流连通地联接。压缩机102包括彼此流连通地联接的扩散器112和压缩机排出室114。
在一示例性实施例中，燃烧器106包括位于其端部的端盖116，以及至少一个帽部件118。帽部件118包括冲击板120和流出板122。冲击板120被联接至流出板122，从而使冲击板120构成帽部件118的上游表面并且流出板122构成帽部件118的下游表面。
帽部件118距端盖116间隔一定距离126，从而使内部流通路128限定通过燃烧器106。此外，燃烧器106还包括燃烧器外壳132和燃烧器衬套134。燃烧器衬套134从燃烧器外壳132径向地向内定位，从而在燃烧器106内限定燃烧室136。环形冷却通路138限定在外壳132与衬套134之间，并且各自从帽部件118延伸至过渡件140，过渡件140将燃烧器106联接至涡轮110。过渡件140将燃烧室136中产生的燃烧气体向下游朝第一级涡轮喷嘴142引导。过渡件140包括内壁144以及外壁146。外壁146包括多个开口148，该多个开口148与限定在内壁144与外壁146之间的环形通路150流连通。内壁144限定腔156，腔156从燃烧室136延伸到涡轮喷嘴142。
在操作期间，空气流过压缩机102，并且压缩空气被供给至燃烧器106。燃料被喷射到压缩空气内形成可燃混合物。将该可燃混合物向下游引导到燃烧室136内并且点燃以形成朝涡轮110排出的燃烧气体。来自该燃烧气体的热能被转换成机械旋转能。撞击第一级涡轮喷嘴142的热的气体形成最终从涡轮110做功的旋转作用力。
更具体而言，涡轮110经由驱动轴158驱动压缩机102。随着压缩机102旋转，压缩空气被排入扩散器112中，如由相关联的箭头113所示的那样。在一示例性实施例中，从压缩机102排出的大部分空气通过压缩机排出室114朝燃烧器106引导。从压缩机102排出的任何剩余气体被引导用于冷却发动机构件。更具体而言，排出室114内的加压压缩空气被引导到过渡件140内。然后将空气从环形通路150引导至帽部件118。燃料与空气在至少一个管组件202(例如燃料喷射喷嘴)中混合以形成可燃混合物，该可燃混合物被点燃以在燃烧室136内形成燃烧气体。燃烧器外壳132有助于从外部环境(例如像周围的涡轮构件)屏蔽燃烧室136以及其相关联的燃烧过程。燃烧气体从燃烧室136通过腔156并且朝涡轮喷嘴142引导。
图2是用于燃气涡轮发动机100的燃料喷射组件200的一部分并沿区域2(在图1中示出)得到的截面图。燃料喷射组件200包括帽部件118。帽部件118包括冲击板120和流出板122。此外，燃料喷射组件200包括多个管组件202，例如多个燃料喷射喷嘴。每个管组件202在帽部件118内大体上对准并且包括多个管204。更具体而言，在该示例性实施例中，多个管组件202与帽部件整体地形成。每个管204包括流过管中的通路的燃料与空气的混合物。
此外，在该示例性实施例中，每个管组件202被联接至燃料输送管路203。燃料输送管路203包括第一端部201和第二端部205。第一端部被联接至燃料源(未示出)并且第二端部205被联接至管组件202。
帽部件118包括至少一个至少部分地穿过帽部件118而延伸的第一开口(未在图2中示出)以及至少一个至少部分地穿过帽部件118而延伸的第二开口(未在图2中示出)。燃料喷射组件200还包括至少一个喷射系统208，其具有流连通地联接在流体源212与帽部件118之间的流体供给部件210。更具体而言，流体供给部件210具有第一端部207以及第二端部209。流体供给部件210的第一端部207被联接至流体源212并且流体供给部件210的第二端部209被联接至帽部件118。特别地，如下面所论述的那样，流体供给部件210被联接至冲击板120。
在该示例性实施例中，流体供给部件210具有大体上圆柱形的形状，从而限定线性流通路。或者，流体供给部件210可具有限定各种不同流通路的各种形状，其能使流体供给部件210合适地适配在燃料喷射组件200内并且如本文所述而作用。
喷射系统208通过该至少一个第二开口排出流体以便在相邻管组件202之间提供阻挡，以有助于在涡轮发动机操作期间减少燃烧器106(在图1中示出)中的动态压力波动。
图3是喷射系统208的一部分并且沿区域3(在图2中示出)得到的放大截面图。在该示例性实施例中，喷射系统208包括帽部件118的一部分。帽部件118包括至少一个部分地穿过帽部件118而延伸的第一开口301。在该示例性实施例中，帽部件118还包括多个部分地穿过帽部件而延伸的第二开口305的其中一个。更具体而言，喷射系统208包括流出板122和冲击板120。冲击板120具有穿过其而延伸的第一开口301并且流出板122具有穿过其而延伸的第二开口305。在该示例性实施例中，第一开口301邻近至少一个管组件202间隔开。第二开口305也邻近至少一个管组件202间隔开。虽然未在图3中示出，但是，多个第二开口305可围绕至少一个管组件202周向地间隔开。此外，在该示例性实施例中，第二开口305被限定在第一开口301下游。
此外，喷射系统208包括联接至冲击板120的流体供给部件210。在该示例性实施例中，流体供给部件210的第二端部209被插入开口301内，从而使流体可从流体供给部件210通过冲击板120排出。
冲击板120被联接至流出板122，从而在它们之间限定通道306。通道306被定向为引导流体流到第二开口305中。冲击板120也在流出板122的上游联接。喷射系统208设置为用以使流体从流体供给部件210通过开口301排入通道306中。流体然后流动通过该至少一个第二开口305。
此外，在该示例性实施例中，喷射系统208包括位于通道306内并且在冲击板120与流出板122之间的间隔部310。或者，间隔部310可延伸穿过冲击板120并且围绕至少一个管组件202周向地间隔开。间隔部310用于基本上分隔空气与流体流。间隔部310具有第一表面307和第二表面309。在该示例性实施例中，流出板122位于与间隔部310的第二表面309相同的侧上的一部分包括至少一个开口315。同样，冲击板120位于与间隔部310的第二表面309相同的侧上的一部分包括至少一个开口317。流出板开口315与冲击板开口317各自被设计成允许空气通过。许多流体可被用作流体源212。举例而言，可使用惰性气体，例如氮气、二氧化碳和水蒸汽。这样的惰性气体主要用在高动量射流中。此外，可使用稀释剂(例如空气)。此外，可使用惰性气体与稀释剂的组合。举例而言，氮气可与二氧化碳一起使用。或者，氮气可与空气一起使用。
在操作期间，燃料被供给至管组件202并与空气混合以形成可燃混合物。同时，流体流经由喷射系统208供给至该至少一个第二开口305。在该示例性实施例中，流体从流体源212被引导至流体供给部件210的第一端部207。流体然后流动通过流体供给部件210并流至流体供给部件210的第二端部209。流体然后从流体供给部件210的第二端部209流至该至少一个第一开口301并流到通道306内。流体流过该至少一个第二开口305。同时，该流体的一部分通过间隔部310引导，并且空气流可与通过冲击板开口317与泄流板开口315的流体流分开。
图4是沿着线4-4(在图2中示出)得到的燃料喷射组件200的一部分的上游视图。在该示例性实施例中，管组件202和中央管组件402在帽部件118内大体上对准。更具体而言，管组件202和402与帽部件整体地形成。
在该示例性实施例中，管组件202围绕冲击板120上的中央管组件402周向地间隔开。或者，管组件202可在能使管组件202如本文所述而作用的任何定向下定向。此外，流体供给部件210邻近中央管组件402定位，以便使流体供给部件210流连通地联接在流体源212与帽部件118之间，从而允许流体被排入该至少一个第二开口305内。
此外，在该示例性实施例中，各管组件202和402被显示为具有五个管204。或者，各管组件202和402可具有能使各管组件202和402如本文所述而作用的任意数量的管204。
在该示例性实施例中，流体供给部件210邻近中央管组件402间隔开，并且另一流体供给部件210邻近外部管组件202间隔开。或者，流体供给部件210可在能使流体组件部件210如本文所述而作用的任何定向下定向。举例而言，每个管组件202可具有邻近其定向的流体供给部件210，从而使多个流体供给部件210可定向在帽部件118上。
冲击板120包括多个开口317，其被设计成允许空气通过该冲击板。在该示例性实施例中，仅在冲击板120的一个区域中示出了该多个开口317。或者，该多个开口317可位于整个冲击板120上，除了管组件202和402所处的位置之外。
在该示例性实施例中，每个流体供给部件210被联接至帽部件118，从而使流体供给部件210邻近管组件202而紧邻地定位。或者，可使用连接装置，以使流体供给部件210被联接至帽部件以及相邻管组件202。举例而言，歧管可被用于连接流体供给部件210与相邻管组件202。此外，歧管可被设计为以及用于围绕管组件202组装多个流体供给部件210。
图5是沿着线5-5(在图2中示出)得到的燃料喷射组件200的一部分的下游视图。在该示例性实施例中，管组件202和中央管组件402在帽部件118内大体上对准。更具体而言，管组件202和402与帽部件整体地形成。
在该示例性实施例中，多个管组件202和中央管组件402被显示为在帽部件118的流出板122上。此外，在该示例性实施例中，各管组件202被显示为仅具有五个管204。或者，各管组件202可具有能使各管组件如本文所述而作用的任意数量的管204。
在该示例性实施例中，管组件202围绕冲击板120上的中央管组件402周向地间隔开。或者，管组件202可在能使管组件202如本文所述而作用的任何定向下定向。
在该示例性实施例中，多个第二开口305邻近至少一个管组件202间隔开。更具体而言，多个第二开口305围绕至少一个管组件202周向地间隔开。在该示例性实施例中，多个第二开口305被显示为围绕中央管组件402周向地间隔开，并且多个第二开口305被显示为围绕相邻的外部管组件202周向地间隔开。此外，流出板122包括多个开口315，其各自被设计成允许空气通过流出板。在该示例性实施例中，仅在流出板122的一个区域中示出了该多个开口315。或者，该多个开口315可位于整个流出板122上，除了管组件202和402所处的位置之外。
在操作期间，流体流动通过各第二开口305，并且该流体有助于破坏或扰乱相邻管组件202之间的耦合相互作用。在该示例性实施例中，流体通过围绕中央管组件402与相邻的外部管组件202的各第二开口305排出。通过围绕中央管组件402的各第二开口305排出的流体防止中央管组件402与周向相邻的管组件202的其中至少一个相互作用。更具体而言，该流体有助于破坏或扰乱中央管组件402与周向相邻的管组件202的其中至少一个之间的耦合相互作用。同样，通过围绕中央管组件202的各第二开口305排出的流体防止外部管组件202与至少一个其它相邻管组件202相互作用。
该流体提供相邻管组件之间的阻挡以有助于减少燃烧器106(在图1中示出)中的动态压力波动。更具体而言，该流体作用为用于各管组件的声障板。
图6是示出了组装燃料喷射组件的一示例性方法500的流程图，该燃料喷射组件例如用于已知燃气涡轮发动机100(在图1中示出)中的燃料喷射组件200(在图2中示出)。首先，提供502帽部件118(在图1、图2、图3、图4和图5中示出)，该帽部件118具有至少一个至少部分地穿过其而延伸的第一开口301(在图3中示出)以及多个至少部分地穿过其而延伸的第二开口305(在图3和图5中示出)。包括多个管204的多个管组件202(在图2和图4中示出)在涡轮发动机100内联接504，从而使该多个管组件202在帽组件118内大体上对准。然后至少一个喷射系统208(在图2和图3中示出)被联接506至帽部件118，以允许来自流体源212(在图2和图3中示出)的流体通过该多个第二开口305的其中至少一个而排出。通过开口305排出流体有助于在涡轮发动机操作期间减少燃料喷射组件200内的动态压力波动。
当喷射系统208被联接506至帽部件118时，提供507冲击板120(在图1、图2、图3和图4中示出)和流出板122(在图1、图2、图3和图5中示出)。冲击板120具有至少一个穿过其而延伸的第一开口301(在图3中示出)，并且该至少一个第一开口301邻近多个管组件202的其中至少一个间隔开。流出板122具有多个穿过其而延伸的第二开口305(在图3和图5中示出)，并且该多个第二开口305绕多个管组件202的其中至少一个周向地间隔开。此外，冲击板120被联接508至流出板122(在图3中示出)，从而使限定在它们之间的通道306(在图3中示出)被定向成引导流体流到该多个第二开口305的其中至少一个内。
当喷射系统208被联接506至帽部件118时，冲击板120被联接509至流体供给部件210(在图2和图3中示出)。喷射系统208然后被定向510成使流体从流体供给部件210通过该至少一个第一开口301排入通道306内。此外，当喷射系统208被联接506至帽部件118时，间隔部310(在图3中示出)被定位511在通道中以有助于在涡轮发动机操作期间分隔空气与流体流。
在该示例性实施例中，当喷射系统208被联接506至帽部件118时，流体源212被联接512至喷射系统208。此外，当流体源212被联接512至喷射系统208时，稀释剂源或惰性气体源被联接514至喷射系统208。惰性气体源可包括氮气、二氧化碳和水蒸汽。稀释剂源可包括空气。
本文所述的方法和装置有助于涡轮发动机的操作。更具体而言，上面所述的燃料喷射组件有助于在涡轮发动机操作期间减少动态压力波动。该燃料喷射组件包括至少一个喷射系统，其能使流体源被喷射到燃烧室内以便使流体源邻近中央燃料喷射喷嘴对准，从而破坏燃料喷射组件中的中央燃料喷射喷嘴与至少一个外部燃料喷射喷嘴之间的以及相邻外部燃料喷射喷嘴之间的任何火焰相互作用(例如耦合)。
虽然本发明的不同实施例的特定特征可能在一些附图中而未在其它附图中示出，但是，这只是出于方便起见。根据本发明的原理，附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征来参考和/或进行权利要求。
该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还允许本领域技术人员来实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机(100)中的燃料喷射组件(200)，所述燃料喷射组件包括：
帽部件(118)，所述帽部件(118)包括至少一个至少部分地穿过其而延伸的第一开口(301)以及多个至少部分地穿过其而延伸的第二开口(305)；
多个管组件(202)，所述多个管组件(202)在所述帽部件内大体上对准，所述多个管组件包括多个管(204)；以及
至少一个喷射系统(208)，所述至少一个喷射系统(208)包括流连通地联接在流体源(212)与所述帽部件之间的流体供给部件(210)，所述至少一个喷射系统设置为用以使流体通过所述多个第二开口的其中至少一个而排出，从而在相邻管组件之间提供阻挡，以有助于在涡轮发动机操作期间减少燃烧器中的动态压力波动。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射组件(200)，其特征在于，所述帽部件(118)还包括：
冲击板(120)，其中，所述至少一个第一开口(301)延伸穿过所述冲击板并且邻近所述多个管组件(202)的其中至少一个间隔开；以及
流出板(122)，其中，所述多个第二开口(305)延伸穿过所述流出板并且围绕所述多个管组件的其中至少一个周向地间隔开，所述流出板被联接至所述冲击板。
3.根据权利要求2所述的燃料喷射组件(200)，其特征在于，所述冲击板(120)被联接至所述流出板(122)，从而在它们之间限定通道(306)，所述通道被定向成引导流体流到所述多个第二开口(305)的其中至少一个内。
4.根据权利要求2所述的燃料喷射组件(200)，其特征在于，所述流体供给部件(210)被联接至所述冲击板(120)。
5.根据权利要求3所述的燃料喷射组件(200)，其特征在于，所述至少一个喷射系统(208)还包括位于所述通道(306)内的间隔部(310)以用于分隔空气与所述流体流。
6.根据权利要求4所述的燃料喷射组件(200)，其特征在于，所述至少一个喷射系统(208)被定向成能使流体流从所述流体供给部件(210)通过所述至少一个第一开口(301)排入所述通道(306)内。
7.根据权利要求1所述的燃料喷射组件(200)，其特征在于，所述流体源(212)包括稀释剂和惰性气体的其中至少一种。
8.一种涡轮发动机(100)，所述涡轮发动机包括：
压缩机(102)；
燃烧器组件(104)，所述燃烧器组件(104)联接在所述压缩机的下游；所述燃烧组件包括至少一个燃烧器(106)，所述燃烧器(106)包括燃料喷射组件(200)，所述燃料喷射组件包括帽部件(118)、多个管组件(202)以及至少一个喷射系统(208)，所述帽部件包括至少一个至少部分地穿过其而延伸的第一开口(301)以及多个至少部分地穿过其而延伸的第二开口(305)，各管组件在所述帽部件内大体上对准并且包括多个管(204)，所述至少一个喷射系统流连通地联接至帽部件以用于使流体通过所述多个第二开口的其中至少一个而排出，从而在邻近的管组件之间提供阻挡，以有助于在涡轮发动机操作期间减少所述燃烧器中的动态压力波动。
9.根据权利要求8所述的涡轮发动机(100)，其特征在于，所述至少一个喷射系统(208)还包括流体供给部件(210)，所述流体供给部件(210)流连通地联接在流体源(212)与所述帽部件(118)之间，以用于使流体通过所述多个第二开口(305)的其中至少一个而排出。
10.根据权利要求9所述的涡轮发动机(100)，其特征在于，所述帽部件(118)包括：
冲击板(120)，其中，所述至少一个第一开口(301)延伸穿过所述冲击板并且邻近所述多个管组件(202)的其中至少一个间隔开；以及
流出板(122)，其中，所述多个第二开口(305)延伸穿过所述流出板并且围绕所述多个管组件的其中至少一个周向地间隔开，所述流出板被联接至所述冲击板，从而使得限定在它们之间的通道被定向成引导流体流到所述多个第二开口的其中至少一个内。
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