CN102812209A - 涡轮喷气发动机油外壳的密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油外壳(4，5)密封装置，所述油外壳由喷气发动机(1)的至少一个旋转构件(3，15)和至少一个固定构件(12，13)构成，用来置放润滑油滴悬浮液(h)。所述密封装置包括至少一个刷式密封件(14)，所述刷式密封件带有并置刷丝(17)并设置成可确保至少一个旋转构件(15)和至少一个固定构件(12)之间的密封。所述装置的特征在于，其包括回收油外壳(4，5)内部空间(V)内悬浮的部分油的装置(12，19，25，30)和包括可输送所述回收油(h)的装置(20，22，23，24，26)，所述输送装置设置成可沿所述刷式密封件(14)的刷丝(17)产生油(h)的流动，所述油的流动被引向旋转构件(3，15)的方向。为此，刷式密封件(14)具有良好的抗结焦性。

Description

涡轮喷气发动机油外壳的密封装置

技术领域

本发明涉及一种涡轮喷气发动机，特别涉及一种用于涡轮喷气发动机油外壳(oil enclosure)的密封装置。

背景技术

沿气体流动方向布置，飞机涡轮轴发动机通常包括：风扇、一个或多个压缩机级(例如，低压压缩机和高压压缩机)、燃烧室、一个或多个涡轮级(例如，高压涡轮和低压涡轮)以及排气喷嘴。每个压缩机可以与涡轮相连，这两个部件通过轴连接，从而构成了高压芯和低压芯。

涡轮喷气发动机通常大体上在高压芯的上游端周围有“上游外壳(upstreamenclosure)”，该上游油外壳内装轴承和齿轮构件。涡轮喷气发动机通常大体上还在高压芯下游周围有“下游外壳(downstream enclosure)”，下游油外壳内装有油润滑轴承和齿轮构件。润滑油经由这些旋转部件喷射而在油外壳内构成悬浮油滴的油雾(或称悬浮油)。此外，气流(空气)穿过，特别是，实现通风的目的。为了防止气流将油带出油外壳，将气流排入“油分离器”，后者通常由布置在低压轴内的径向通道(chimneys)构成，所述油会在径向通道壁上被收集，在离心力的作用下，回到相应油外壳内。油分离器与除气管相通(也是旋转的)，后者与低压轴同心，在其壳体内，气体从油分离器送至除气管的出口，在这里，气体被排出，通常在涡轮喷气发动机喷管周围。

上游和下游油外壳是由涡轮喷气发动机固定结构的壁构成并限定界限，同时也由旋转部件的壁构成。油外壳必须能够使气体流过，但同时又能尽可能多的存留滑油，为此，油外壳固定部件和旋转部件之间的密封就是一个需要特别处理的问题。

传统上，采用迷宫密封接头来进行密封，即，通过刚性连接到旋转部件上的加强筋和刚性连接到加强筋与之摩擦的固定部件耐磨材料构成。这种摩擦会导致一定的间隙，使得气体从低压或高压压缩机流入；这些气体通过迷宫密封接头而防止油的流出；气体的流量规定在低速飞行时应是足够的，因此，在其它飞行阶段则是过量的(在这种情况下，涡轮喷气发动机风扇吸入的空气流量较大)。在其它飞行阶段时的这种过大流量具有至少两个有害影响：首先，它会成比例地降低发动机的效率，第二，在油分离器周围，它会趋于从油外壳抽出较大量的油。

因此，人们已经设想，采用“刷子”密封装置来取代迷宫密封接头，即，采用多个并置的大体径向纤维附着到固定部件上，这些纤维的自由端部与旋转部件接触(或非常靠近旋转部件)，所述纤维优选沿旋转部件旋转方向而稍许倾斜；例如，刷式密封装置的纤维可以采用碳制成。这种装置在美国通用电气公司提交的US 2004/0256807专利申请中进行了具体描述。

这种刷式密封装置的优点是，需要气流横行穿过，气流的流量不会很高，以保证油封。另一方面，密封装置的缺陷是会趋于导致与之接触的油的结焦。结焦是指油转换为固体沉淀物；这是因为油的重新加热而粘附到碳纤维上；它会降低刷式密封件的效能。此外，刷毛在旋转部件路径上摩擦(设计用来接触刷毛端部)也会造成其磨损，因此，也会随着时间的推移而降低其效能。

发明内容

本发明旨在消除这些缺陷，特别是提出一种涡轮喷气发动机油外壳密封装置，这种密封装置效果好，其特点是，随着时间的推移仍能保持耐久性。

为此，本发明涉及用于外壳的密封装置，所述外壳由涡轮喷气发动机至少一个旋转构件和至少一个固定构件构成，并包括用来润滑油滴悬浮液，所述密封装置包括至少一个刷式密封件，采用并置刷丝(strands)，布置成可在至少一个旋转构件和至少一个固定构件之间建立密封(来自上述旋转构件和固定构件)，所述装置的特征在于，其包括回收装置，可回收油外壳内部空间内悬浮的部分油，和将所述回收润滑油输送的装置，所述装置这样布置，即油可沿所述刷式密封件刷丝流向旋转构件。

本发明沿刷式密封件刷丝形成油的流动，这可保证与之接触的油的循环，因为所述油是沿刷丝被汲取。因此，残余油就被所提供的油吸走，并没有时间来降低性能；从而可以降低结焦现象，防止刷丝粘结在一起，改善了刷式密封件的效能和寿命。此外，刷丝被润滑，因此，其与涡轮喷气发动机构件旋转接触降低性能的概率较小。

本发明的特别突出之处是，它要解决的问题涉及到通过向所述接头供油而在接头上精确留油；为此，尽管可能会认为保护接头不接触油的最好办法是改善接头油封，但接头的油封实际上是通过使用油来改善。

回收油输送装置的尺寸可规定为控制油沿刷式密封件刷丝的流动。

为此，设置油的流动，降低刷式密封件的温度，从而进一步降低了结焦现象。

在一个实施例中，所述密封装置带有回油装置，在流过刷丝后，用来将油返回到油外壳内部。这样就可促使油的流动，在回收油输送装置和排油装置之间来汲取润滑油。

在这种情况下，在一个实施例中，所述装置是这样布置的，即返回装置包括流过刷式密封件的气流。所述气流排出效果可以通过与旋转部件旋转相关的离心力作用而加强。

优选地，如果刷式密封件的刷丝(更确切地说，是刷式密封件的刷丝的自由端)会与相对部件轨道产生摩擦时，所述输送装置可这样布置，沿刷丝的油的流动会将油提供给该轨道。刷式密封件和轨道之间的摩擦区域因此而得到润滑，降低了这些部件的磨损。

依然是优选地，因为润滑油会随着温度的升高而降低性能(氧化和结焦)，为此，可包括至少一种添加剂，防止结焦。这种添加剂为人们所知，但是，其会随着时间的推移而失去效能。本发明所提出的供油可以使油循环(以及，因此而使添加剂循环)，保持了添加剂的抗结焦特性。

在优选的实施例中，回收油输送装置包括至少一个重力管道，用来将油从回收装置引导到刷式密封件处。

在这种情况下，在实施例中，因为密封包括至少局部中空的环面(torus)(即，带有内部空间)，刷丝就固定到该环面上，输送装置包括至少一个管道，将油从回收装置送到所述环面的内部(即送到其内部空间内)，以便在刷丝与环面连接处浸渍所述刷丝。这样，进一步改善了刷式密封件的刷丝的润滑。

在一个实施例中，在涡轮喷气发动机顶部，油回收装置包括一个重力回收油箱，用来回收油悬浮物中的润滑油。

在一个实施例中，油回收装置包括至少一个拦油加强筋，与槽结合，可将油从加强筋引至刷式密封件(在本示例中，所述槽构成导向管道)。

根据优选实施例，回收油疏送装置包括刷式密封件专用的油源，即专门向其供油。

本发明还涉及到带有密封件装置的涡轮喷气发动机，所述密封装置的特征如上所述。

附图说明

下面参照附图，介绍本发明涡轮喷气发动机的优选实施例，可以更好地理解本发明，附图如下：

图1为根据本发明的涡轮喷气发动机整体轴向轮廓图；

图2为图1所示涡轮喷气发动机上游油外壳轴向剖面图，所示为本发明的第一实施例；

图3为图2所示外壳上部的局部剖面图；

图4所示为本发明第二实施例的图1所示涡轮喷气发动机上游外壳轴向剖面图；

图5所示为本发明第三实施例的图1所示涡轮喷气发动机上游油外壳轴向剖面图；

图6为图5所示油外壳上部局部剖面图，以及

图7为图1所示涡轮喷气发动机上游油外壳轴向剖面图，所示为本发明第四实施例。

具体实施方式

参照图1，根据本发明第一实施例的涡轮喷气发动机1传统上包括风扇1a、低压压缩机1b、高压压缩机1e、燃烧室1d、高压涡轮1e、低压涡轮1f和排气喷管1g。高压压缩机1e和高压涡轮1e通过高压轴2连接，并与之构成高压芯。低压压缩机1b和低压涡轮1f通过低压轴3连接并与之构成低压芯。

涡轮喷气发动机1包括静态(或固定)构件和旋转构件，按已知方式构成了上述不同功能部件。

涡轮喷气发动机1在高压芯上游端附近带有“上游油外壳”4，内装轴承和齿轮构件，和在高压芯下游端附近带有“下游油外壳”5，内装轴承和齿轮构件。所属领域技术人员将这些外壳4，5通常称之为外壳4，5，因为它们包含有悬浮油滴，如下所述。

涡轮喷气发动机1沿轴线A整体延伸，所述轴线A为旋转部件的旋转轴线，特别是低压和高压轴3，2的轴线。在本说明的下面介绍中，“纵向、径向、内部和外部”等概念都与该轴线A相关。

下面结合上游外壳4介绍本发明的不同实施例，但是应该清楚的是，其同样适用于下游油外壳5，而且，一般来讲，适用于任何其它装有构件的油外壳，且这些构件均采用滑油悬浮来对其进行润滑。

上游外壳4确定了容纳轴承和齿轮构件的容积。在本示例中，上游外壳4装有第一轴承6、第二轴承7和第三轴承8，这些轴承6，7，8均带有刚性连接到低压轴3上的内环6a，刚性连接到涡轮喷气发动机固定结构上的外环6b，和滚动装置6c，诸如在环6a，6b之间的滚珠或滚柱，从而可使内环6a相对于外环6b转动(在附图中，仅给出了第一轴承6的环6a，6b和滚动装置6c)。上游外壳4还包含与高压轴2连接的输出轴10的内端9，该轴10的外端连接到附件齿轮箱(图中未示)，所属领域技术人员通常称之为AGB(用于表示Accessory Gear Box)。

上游外壳4确定了由固定构件和旋转构件限定的内部空间V，更具体地说，所述内部空间由固定构件和旋转构件的壁限定。在该示例中，上游外壳4具体是由如下部分形成，在内侧，由低压轴3上游端部和与该轴刚性连接的部件，在上游外侧，由刚性连接到涡轮喷气发动机固定结构并支撑着第一轴承6外环6b的箱体12，和在下游一侧，由部分地构成气体通道内部形状的箱体13(在低压压缩机1b和高压压缩机1e之间)构成。

所述外壳4的内部空间V内所装轴承采用已知方式向其供润滑油；旋转中的部件所喷射的润滑油在外壳4内构成了悬浮油滴的油雾(或悬浮液)。向外壳4内轴承的这种供油可以采用不同方法来完成。在本示例中，第一轴承6的内环6a上设有孔眼(图中未示)，当在离心力的作用下移向外壳4内部空间前，滑油得以进入轴承6，如图2中F1箭头所示；滑油被喷入外壳4，更确切地说，当内环6a转动时，是在离心力的作用下进入。在附图未示出的另一个实施例中，在第一轴承6滚动装置6c附近，可以采用已知方式设一个或多个供油喷淋装置。

上游外壳4还在其上游一侧包括一个密封装置14，该密封装置14用来在旋转构件和静态构件之间提供外壳4油封，在本示例中，是在箱体12和低压轴3之间，更具体地说，在刚性连接到低压轴3上的箱体12和中间部件15之间提供密封，如下详述。该密封装置14为刷式密封件14。其包括刚性连接到涡轮喷气发动机固定结构壁上(在本示例下，刚性连接到固定结构的箱体12上)的环面16，刷丝17或刷毛17就粘贴在该壁上，在本示例中，刷丝采用碳制成，布置成可与涡轮喷气发动机旋转构件的壁相接触。环面16为刚性，例如，可采用金属制成，在本示例中，采用钢制成。在本示例中，更具体地说，固定结构的箱体12在其上游部分带有一个沟槽，环面16就座落在该沟槽内，环面16按已知方式通过螺母18被锁紧到位。

外壳4在上游一侧位于低压轴3上游端附近。第一轴承6的内环6a直接固定在低压轴3上。后者在该内环6a上游并与之相隔开处带有一个径向突肩3’，构成了通向外侧的边缘。执行多项功能的中间部件15固定在内环6a和径向突肩3’之间。在本示例中，该中间部件15为整体部件；作为一个整体，它是旋转的核心；其包括第一环形纵向部分15a，位于下游一侧，通过径向部分15b延长，自该径向部分起，布置有两个部分，即径向凸缘15c和第二环形纵向部分15d，而该环形纵向部分的上游端部15e固定到低压轴3上。中间部件15第一纵向下游部分15a固定在内环6a和低压轴突肩3’之间，用来固定中间部件15。其径向部分15b沿突肩3’的径向壁延伸并一直延伸过外侧。其径向凸缘15c构成了向外壳4提供来自第一轴承6内环6a的润滑油的屏筛，防止其直接喷向密封件14；所属领域技术人员通常称这种构成油滴屏筛的凸缘15c为“抛油环”。在这种情况下，特别是，其可以向受控密封件14供油。第二环形纵向部分15d带有外表面15f，构成刷式密封件14的刷丝17的路径，即，该表面15f这样布置，刷丝17的自由端部与其接触；应该注意的是，中间部件15刚性连接到低压轴3上，因此，与其一起被带动旋转，与此同时，刷式密封件14为静止的，因为其刚性连接到固定结构的箱体12上。密封装置14的刷丝17优选按已知方式沿低压轴3旋转方向在横向平面上倾斜，以便使其能随与之接触的路径15f一起旋转。

根据本发明，密封装置14供有润滑油h，以便产生、引导并沿密封装置刷丝17吸取油流，从而确保润滑油沿刷丝17流动，保证了密封装置14的长期有效性，如在前面本发明说明介绍中所解释的那样。

在图2和图3所示第一实施例中，涡轮喷气发动机1包括重力回收箱19，用来对外壳4内的油悬浮液中的润滑油进行回收。因此，该油箱19用来收集或回收外壳4内部空间V内悬浮液中的一部分润滑油。涡轮喷气发动机1还带有管道20，用来将润滑油从油箱19送至或引向刷式密封装置14上，更具体地说，送至密封装置的刷丝17上。

顶部和底部以及上和下的概念都是相对于垂直而定义，而垂着的定义就涡轮喷气发动机来讲是指在静止飞机上发动机装配位置的垂直方向，即水平面上置放的飞机。附图上绘制了垂直轴线B。因此，涡轮喷气发动机的轴线A因此在附图中是水平的。

更具体地说，参照图3，回收油箱19置放在涡轮喷气发动机1的顶部。其形式是除顶面外其它各面封闭的箱体。更具体地说，回收油箱由下游壁19a、下(内)壁19c和两个侧壁19d，19e而形成，下游壁19a面向上游壁19b，而后者又由固定结构的箱体12的内部部分构成，下(内)壁19c通过固定结构箱体12改变方向(朝向下游侧)而构成，将上游壁19b和19a相连，以及两个侧壁19d，19e位于两侧。顶面19f是敞开的。下游壁19a和侧壁19d，19e都是垂直的平壁，而下壁19c则与箱体的环形相匹配，敞开的上表面19f是水平的。

如附图中箭头F1所示，润滑油被喷射到固定结构的箱体12的内表面上。一部分油在外壳4内悬浮和室内不同构件上；一部分油在固定结构箱体12内表面上流动，并通过重力自涡轮喷气发动机1顶部向下流；实际上，箱体12是锥形的，其直径从下游一侧向上游一侧逐渐缩小，从而使得这种流动成为可能。因此，一部分油流入回收油箱19，构成了润滑油h的油槽。

管道20径向延伸，首先通向油箱19，而后延伸到刷式密封装置14刷丝17外侧附近，管道20围绕环面16，将油引向刷丝17的外侧。在本案例中，更确切地说，涡轮喷气发动机1带有两个管道20，分别位于油箱19的两侧，如图3所示。油箱19内所含的润滑油h通过重力流过管道20，向位于构成油箱19的下游壁19a内部和刷式密封装置14环面16内部之间的环形油室22(在360°上)供油；环形油室22“注满”油，即其空间内充满润滑油。形成多个小型管道23，在本案例中为等距离半月形件，用来将油从环形油室22送到刷丝17处，这些小型管道通过重力和毛细作用可将油沿刷丝17进行分配。向刷式密封装置14供油h的流量由油箱19容量、环形油室22和管道20，23尺寸进行调节和确定。润滑油沿密密封装置14刷丝17流到其与之接触的路径15f处。

此外，刷式密封装置14布置成可使得气流(空气)从外部流到外壳4的内部，如图中箭头F2所示。该气流按已知方式可防止油从外壳4泄漏。此外，一旦气流到达密封装置14刷丝17的内端和路径15f时，该气流便构成了排油装置，从而促使润滑油沿刷丝17流动。更具体地说，气流与抛油环15c结合而排油h：气流F2将油送到抛油环15c，通过抛油环，在离心力的作用下，润滑油被带到油外壳，在这里，再次以油滴形式悬浮。气流在被导入除气管21之前，气流F2流过外壳4，并从排油通道或油分离器流出(图中未示，但众所周知，并已经在本发明说明的概述中介绍)，所述除气管按已知方式同心地延伸到低压轴3。

顺便提一句，应该注意的是，如果飞机所处的位置使得油箱19不再呈水平状态时，油就会从油箱泄漏；例如，在军事应用中，这种情况可适用于战斗机的倒飞。如果出现这种情况，则不会造成难以解决的后果，因为这种情景通常不会持续很长时间，密封装置供油出现短期中断是不会构成问题的。

下面介绍根据本发明的涡轮喷气发动机的其它实施例。这些实施例与前面实施例非常相似，只是与向刷式密封装置14供油相关的部件不同。这正是为什么在图4到图7中涡轮喷气发动机部件与图1到图3涡轮喷气发动机部件在功能或结构方面相同、相等、相似或类似的则引用相同参考标记的原因，为的是简化说明。此外，在图1到图3中，有关涡轮喷气发动机的整个描述都不再重复，只要无不一致之处，该介绍都适用于图4到图7所示涡轮喷气发动机。仅介绍结构和功能方面明显不同之处。

箭头F3示出了这些实施例中润滑油h油滴的一个或多个可能的轨道。

在图4所示实施例中，密封装置还包括重力回收(或收集或收回)油箱19和将润滑油从油箱19送至刷式密封装置14的管道20，所述重力回收油箱从外壳4悬浮液中回收润滑油h。管道24还布置在容纳刷丝17的环面16内，该环面是中空的；这些管道的一端通向输送来自油箱19润滑油的通道20，而在另一端，这些管道则通向与刷丝17外部径向端部相通的环面16的内部空间。这样，管道20，24都布置成可使油箱19与刷丝17外部径向端部实现流体相通，从而使得刷丝17通过其外端而直接浸渍润滑油。油沿刷丝17的流动进一步得到改善。如前所述，油h从刷丝17内侧被排出，促使其流动，防止其在刷丝17上的凝聚。

在图5所示实施例中，密封装置包括油回收装置，用来从外壳4悬浮液中回收油，回收装置包括至少一套由一个截油加强筋25和一个槽26构成的装置，槽26用来引导油从加强筋25流行密封装置14刷丝17；在本示例中，其包括四套这样的加强筋25和槽26结构，这些都布置在涡轮喷气发动机顶部，如图6所示。更具体地说，每个加强筋25从内壁19c外表面径向向外延伸，所示内壁由固定结构箱体12的改向(通向下游侧)而构成；加强筋沿该内壁19c整个长度纵向延伸；加强筋的功能是为沿该壁19c外表面流动的润滑油构成一个拦油坝；因此，其中一部分油被拦在每个加强筋25的上游，而其余油则从该加强筋上方流过。每个槽26布置在沟槽下游壁27的下游表面内，环面16就置于该沟槽内；槽26沿该下游壁27径向延伸；另外，所述槽也布置在加强筋25的上方，与拦油坝水平，然后，润滑油从加强筋25上方的拦油区被引导至槽26内。因此，润滑油被引向刷丝17内部，通过重力和毛细作用而分布在刷丝上；润滑油在此处以与前面实施例相通方式被排出，

图5所示实施例为本发明的优选实施例。实际上，因为仅需要成对的加强筋25和槽26，所以制造很简单。而且，操作也很简单，因为油是通过重力而被引向涡轮喷气发动机的底部并通过加强筋25而保持在这个动作状态，并通过槽26从加强筋25被引向在图7所示实施例中，密封装置包括供油装置，该供油装置从专用油源向刷式密封装置14供油。更具体地说，该装置包括引导来自低压轴3的润滑油的管道28(供油油源与向轴承供油相同)；这些管道28构成了专门油源。润滑油被导向位于中间部件15第二环形纵向部分15d上的孔眼29，这些孔眼位于抛油环15c的底部；在本示例中，共有两个孔眼29，尽管可以使用不同数量的孔眼。润滑油在离心力的作用下被喷向由圆形壁构成的收集器30上，所述圆形壁从沟槽下游壁27处伸出，所述环面16就座落在该沟槽内。沟槽的下游壁27上提供有管道31，在收集器30的下面，这些管道与环形油室22相通，而环形油室22位于下游壁19a内部和刷式密封装置14环面16内部之间，所述下游壁19a构成油箱19；收集器30布置成可将喷入其上的油引向环形油室22，环形油室从而“注满”油，即其空间内充满了润滑油。如图2实施例，提供了多个小管道23，用来将油从环形油室22送至刷丝17，这些小管道可以沿刷丝17来分布润滑油。在本示例中，润滑油的排出方式与前面实施例相同。

上面结合最佳实施例介绍了本发明，但是很显然，其它实施例也是可以的。特别是，所述不同实施例的特性可以结合，只要无不一致之处。

Claims (9)

1.一种外壳(4，5)的密封装置，所述外壳由涡轮喷气发动机(1)的至少一个旋转构件(3，15)和至少一个固定构件(12，13)构成，所述外壳用来包含润滑油滴(h)悬浮液，所述密封装置包括至少一个刷式密封件(14)，采用并置刷丝(17)，布置成在至少一个旋转构件(15)和至少一个固定构件(12)之间建立密封，所述装置的特征在于，其包括回收装置(12，19，25，30)和输送装置(20，22，23，24，26)，所述回收装置回收外壳(4，5)内部空间(V)内悬浮的一部分油，所述输送装置用来输送所述回收油(h)，该装置这样布置，即油(h)沿所述刷式密封件(14)刷丝(17)流向旋转构件(3，15)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置带有回油装置(F2)，在油流过刷丝(17)之后，回油装置将油返回到油外壳(4，5)内部。

3.根据权利要求2所述的装置，其这样布置，即回油装置包括流过刷式密封件(14)的气流装置(F2)。

4.根据权利要求1到3其中一项所述的装置，其特征在于，刷式密封件(14)的刷丝(17)用来与相对部件(15)的轨道(15f)相摩擦，所述输送装置这样布置，沿刷丝(17)的油(h)的流动将油(h)供应给轨道(15f)。

5.根据权利要求1到4其中一项所述的装置，其特征在于，输送装置包括至少一个重力管道(20，22，24，26)，用来将油(h)从回收装置(12，19，25)送至刷式密封件(14)。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，刷式密封件(14)包括一个至少部分中空的环面(16)，刷丝(17)就粘附在该环面上，输送装置包括至少一个管道(24)，用来将油(h)从回收装置(19)引向环面(16)内部，从而在其与环面(16)连接之处使刷丝(17)浸油。

7.根据权利要求5或6其中一项所述的装置，其特征在于，在涡轮喷气发动机(1)的顶部，油回收装置包括重力回收油箱(19)，用于回收悬浮液中的油(h)。

8.根据权利要求5到7其中之一所述的装置，其特征在于，油回收装置包括至少一个用于拦油(h)的加强筋(25)，该加强筋(25)与槽(26)结合，用来将油(h)从加强筋(25)引至刷式密封件(14)。

9.一种涡轮喷气发动机，其带有密封装置，所述密封装置具有权利要求1到8其中之一所述密封装置的特征。

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