CN107869361A - 改进的压力加载密封件 - Google Patents

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Abstract

一种用于在第一级喷嘴和后框架之间进行密封的密封布置包括密封件，该密封件包括柔性密封元件。柔性密封元件包括中间部分、在中间部分的一侧上的第一外部部分和在中间部分的另一侧上的第二外部部分。中间部分抵靠第一级喷嘴和后框架机械地加载，并且第一外部部分和第二外部部分抵靠后框架和第一级喷嘴压力加载。

Description

改进的压力加载密封件
技术领域
本说明书所公开的主题涉及用于燃气涡轮的燃烧器。更具体而言，本公开涉及用于一个或多个燃烧器过渡导管与燃气涡轮的第一级喷嘴的接口的密封布置。
背景技术
燃气涡轮通常包括若干互连的离散部件。燃气涡轮大体包括入口部段、压缩部段、多个燃烧器、涡轮部段和排气部段。入口部段可包括一系列过滤器、冷却盘管、水分分离器和/或其它装置，以净化和以其它方式调理进入燃气涡轮的工作流体(例如，空气)。工作流体从入口部段向下游流至压缩机部段，在压缩机部段处，动能被逐渐地施加到工作流体以产生处于高度增能状态的压缩的工作流体。压缩的工作流体与来自燃料供给的燃料在一个或多个燃烧器内混合以形成易燃混合物。易燃混合物燃烧以产生具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体流过涡轮部段的涡轮，在涡轮中，能量(动能和/或热能)从燃烧气体转移到转子叶片，由此导致轴旋转并做功。例如，涡轮轴的旋转可以驱动压缩机产生压缩的工作流体。备选地或此外，轴可以将涡轮连接到发电机以产生电力。来自涡轮的排气流过排气部段，排气部段将涡轮连接到涡轮下游的排气管(exhaust stack)。排气部段可包括例如热回收蒸汽发生器，以用于在排放到环境中之前清洁排气并从排气中提取额外的热量。
燃气涡轮的燃烧器通常经由过渡导管联接到涡轮部段的第一级喷嘴。通常，每个过渡导管具有邻近涡轮部段的入口侧定位的后框架。后框架通常将具有通常称为内部部分和外部部分的两个弧形部分，其相对于涡轮的中心轴线在径向方向上的内部和外部。后框架的内部部分和外部部分通过通常称为侧部部分的径向延伸的线性部分互连。内部和外部周边密封件用来在后框架的内部和外部部分与涡轮部段的对应的入口之间密封。径向地取向的侧密封件可设置在相邻的后框架之间以基本上闭合和密封一个后框架和下一个后框架的侧部部分之间的周向间隙。
在燃烧器的后框架和第一级喷嘴之间的内部和外部密封件通常安装在后框架或第一级喷嘴中的一者上并且机械地偏置成与所述一者密封接合。这样的密封件可以被压力偏置成与后框架或第一级喷嘴中的另一者密封接合。结果，在不同的轴向位置处存在两种不同的密封布置，这可能允许绕过密封件的斜槽泄漏(chute-leak)。燃气涡轮通常燃烧烃类燃料并产生污染空气的排放物，例如，氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。因此，绕过内部和外部密封件中的一个或多个的泄漏可以导致从燃烧器通过过渡导管流至第一级喷嘴的工作流体(例如，压缩空气和/或燃烧气体)逸出，这可导致较低的性能和空气污染物排放中的偏移(shift)。
发明内容
各个方面和优点在下面的描述中提出，或者可由该描述显而易见，或者可通过实践来了解。
在燃气涡轮的各个部件之间的改善的密封连接是本领域所需的。特别地，有利于减少或消除损失到大气环境的工作流体和/或逸出到大气环境的排放物的燃气涡轮和相关联的密封布置将是有利的。
本公开的一个实施例涉及一种用于在第一部件和第二部件之间进行密封的密封布置，密封布置包括密封件，密封件包括柔性密封元件，柔性密封元件包括中间部分、在中间部分的一侧上的第一外部部分和在中间部分的另一侧上的第二外部部分，其中，中间部分抵靠第一级喷嘴和后框架机械地加载，并且其中，第一外部部分和第二外部部分抵靠后框架和第一级喷嘴压力加载。
除了上述一个实施例，本发明还提供包括以下技术方案的实施例：
技术方案1：根据上述一个实施例的密封布置，其中，所述密封件还包括安装在所述第一部件和所述第二部件中的一个上的刚性框架，所述柔性密封元件的所述中间部分连接到所述刚性框架。
技术方案2：根据技术方案1的密封布置，其中，所述柔性密封元件的所述中间部分焊接到所述刚性框架。
技术方案3：根据技术方案1的密封布置，还包括将所述柔性密封元件的所述中间部分连接到所述刚性框架的枢转接头。
技术方案4：根据技术方案1的密封布置，还包括将所述柔性密封元件的所述中间部分连接到所述刚性框架的偏置构件。
技术方案5：根据技术方案4的密封布置，其中，所述偏置构件为片簧。
技术方案6：根据技术方案4的密封布置，其中，所述偏置构件为卷簧。
技术方案7：根据技术方案4的密封布置，其中，所述偏置构件包括销和环绕所述销的卷簧。
技术方案8：根据上述一个实施例的密封布置，其中，所述密封件周向地取向并且为第一密封件，并且所述密封布置还包括第二密封件，所述第二密封件径向地取向，并且所述第二密封件包括径向地延伸超出所述后框架的延伸部。
技术方案9：根据技术方案8的密封布置，其中，所述第二密封件的所述延伸部抵靠所述第一密封件压力加载。
另一个实施例涉及燃气涡轮。燃气涡轮包括：压缩机；涡轮；燃烧器；过渡导管，其限定从燃烧器到涡轮的第一级喷嘴的流动路径，过渡导管包括上游端、下游端、以及周向地围绕过渡导管的下游端的后框架；以及密封件，其在后框架和第一级喷嘴之间，密封件包括柔性密封元件，柔性密封元件包括中间部分、在中间部分的一侧上的第一外部部分和在中间部分的另一侧上的第二外部部分；其中，中间部分被机械地偏置成与第一级喷嘴和后框架密封接合，第一外部部分被构造成在来自由压缩机产生的压缩工作流体的压力下与后框架密封地接合，并且第二外部部分被构造成在来自由压缩机产生的压缩工作流体的压力下与第一级喷嘴密封地接合。
除了上述另一实施例，本发明还提供包括以下技术方案的实施例：
技术方案10：根据另一个实施例的燃气涡轮，其中，所述密封件还包括安装在所述后框架和所述第一级喷嘴中的一个上的刚性框架，所述柔性密封元件的所述中间部分连接到所述刚性框架。
技术方案11：根据技术方案10的燃气涡轮，其中，所述柔性密封元件的所述中间部分焊接到所述刚性框架。
技术方案12：根据技术方案10的燃气涡轮，还包括将所述柔性密封元件的所述中间部分连接到所述刚性框架的枢转接头。
技术方案13：根据技术方案10的燃气涡轮，还包括将所述柔性密封元件的所述中间部分连接到所述刚性框架的偏置构件。
技术方案14：根据技术方案13的燃气涡轮，其中，所述偏置构件为片簧。
技术方案15：根据技术方案13的燃气涡轮，其中，所述偏置构件为卷簧。
技术方案16：根据技术方案13的燃气涡轮，其中，所述偏置构件包括销和环绕所述销的卷簧。
技术方案17：根据另一个实施例的的燃气涡轮，其中，所述密封件周向地取向并且为第一密封件，还包括第二密封件，所述第二密封件径向地取向，并且所述第二密封件包括径向地延伸超出所述后框架的延伸部。
技术方案18：根据技术方案17的燃气涡轮，其中，所述第二密封件的所述延伸部被构造成在来自由所述压缩机产生的压缩工作流体的压力下与所述第一密封件密封地接合。
通过阅读说明书，本领域的普通技术人员将更好地理解这些实施例和其它实施例的特征和方面。
附图说明
在说明书的其余部分中并参考附图更具体地描述了各种实施例全面并使之能够实施的公开内容，包括对于本领域技术人员来说的最佳模式，在附图中：
图1示出了可以并入本公开的各种实施例的示例性燃气涡轮的示意图；
图2示出了根据至少一个实施例的在燃烧器和第一级喷嘴之间的过渡导管的剖视图；
图3是可以并入本公开的各种实施例的周向地相邻的后框架的透视图；
图4是根据至少一个实施例的示例性密封布置的剖视图；
图5是根据至少一个实施例的示例性周向地取向的密封件的剖视图；
图6是根据至少一个实施例的示例性周向地取向的密封件的剖视图；
图7是根据至少一个实施例的示例性周向地取向的密封件的剖视图；
图8是根据至少一个实施例的示例性周向地取向的密封件的剖视图；
图9是根据至少一个实施例的示例性周向地取向的密封件的剖视图；以及
图10是根据至少一个实施例的示例性密封布置的剖视图。
具体实施方式
现在将详细参照本公开的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。在附图和描述中相似或类似的标记用于指代本公开相同或相似的部件。
如本说明书所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一部件与另一部件而并非意图表示各个部件的位置或重要性。术语“上游”(或“前”)和“下游”(或“后”)是指相对于流体通路中的流体流的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流出的方向，而“下游”是指流体流到的方向。术语“径向地”是指基本上垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，术语“轴向地”是指基本上平行于特定部件的轴向中心线和/或与特定部件的轴向中心线对齐的相对方向，术语“周向地”是指围绕特定部件的轴向中心线延伸的相对方向。
本文所用的技术术语仅用来描述特定实施例，而并非旨在进行限制。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文明确表示不是这样。进一步应当理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或增加。
每个示例通过进行说明而不是限制的方式提供。事实上，对本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可作出修改与变型。例如，作为一个实施例的部分而显示或描述的特征可用于另一实施例，以产生更进一步的实施例。因此，本公开意图包括这样落入所附权利要求及其等同物的范围内的修改与变型。虽然本公开的示例性实施例将出于说明目的而大体上在陆基发电燃气涡轮机燃烧器的语境中进行描述，但本领域的普通技术人员将容易理解，本公开的实施例可以应用于任何样式或类型的涡轮机械用燃烧器，并且不限于用于陆基发电燃气涡轮机的燃烧器或燃烧系统，除非权利要求中特别地叙述。
现在参看附图，图1示出了可以并入本发明的各种实施例的示例性燃气涡轮10的示意图。如图所示，燃气涡轮10大体包括入口部段12、设置在入口部段12下游的压缩机14、设置在压缩机14下游的至少一个燃烧器16、设置在燃烧器16下游的涡轮18和设置在涡轮18下游的排气部段20。另外，燃气涡轮10可包括将压缩机14联接到涡轮18的一个或多个轴22。
在操作期间，空气24流过入口部段12并进入压缩机14中，在那里，空气24被逐渐压缩，由此将压缩空气26提供至燃烧器16。压缩空气26的至少一部分在燃烧器16内与燃料28混合并且燃烧以产生燃烧气体30。燃烧气体30从燃烧器16流入涡轮18中，在涡轮18中，能量(动能和/或热能)被从燃烧气体30传递至转子叶片(未示出)，因此导致轴22旋转。机械旋转能量可以接着用于各种目的，例如，为压缩机14供能和/或生成电力。离开涡轮18的燃烧气体30可以接着经由排气部段20从燃气涡轮10排放。
如图2所示，燃烧器16可以至少部分地由诸如压缩机排气壳体的外部壳体36围绕。外部壳体36可以至少部分地限定高压增压室34，高压增压室34至少部分地围绕燃烧器16的各种部件，例如过渡导管32。高压增压室34可以与压缩机14(图1)流体连通，以便接纳来自压缩机14的压缩空气26。如图2所示，燃烧器16可以经由包括后框架100的过渡导管32连接到涡轮18的第一级喷嘴500。过渡导管32限定流动路径P。在图2中还示出了涡轮18的中心轴线A，其限定基本上平行于和/或沿着轴线A的轴向方向、垂直于轴线A的径向方向和围绕轴线A延伸的周向方向。
现在参看图3，示出了一对周向地布置的过渡导管32，每个过渡导管具有围绕其相应的下游端的后框架100。如图3所示，在一些实施例中，后框架可具有内部部分102和外部部分104，其中一对相对的侧部部分106和108在内部部分102和外部部分104之间径向地延伸。在图3中还示出了内部密封件200和外部密封件300，它们分别设置在每个后框架100的内部部分102和外部部分104上。后框架100可包括凹口或狭槽110(参见例如图4-10)，以用于接纳内部密封件200和/或外部密封件300以及特别地它们各自的刚性框架210或310。在诸如图4-10所示那些的一些实施例中，凹口110可以完全围绕后框架100的周边延伸(例如，凹口110可以连续通过侧部部分106和108以及内部部分102和外部部分104)，以用于接纳内部密封件200和外部密封件300以及径向地取向的侧密封件400(参见例如图4和图10)，该侧密封件可以设置在相邻的后框架100之间，如下文更详细地讨论的。在一些实施例中，还可以为密封件200、300和400中的每一者提供单独的狭槽或凹口。
在图3所示示例性实施例中，内部密封件200和外部密封件300周向地取向，每个内部密封件200与在相邻后框架100上的另一个内部密封件200周向地对齐，并且每个外部密封件300与在相邻后框架100上的另一个外部密封件300周向地对齐。因此，内部密封件200和外部密封件300可以统称为周向地取向的密封件。如图3所示，后框架100也可包括径向地延伸的侧部部分106和108，侧部部分106和108与内部部分102的交叉部限定内部拐角120和122，并且侧部部分106和108与外部部分104的交叉部限定外部拐角130和132。径向地取向的侧密封件400(参见例如图4和图10)可以设置在后框架100与设置在后框架100上的内部密封件200和外部密封件300之间。
在本说明书的描述中，将参照内部部分102/内部密封件200和外部部分104/外部密封件300中的一者或另一者描述后框架100、第一级喷嘴500、以及密封件200、300和400的某些特征，然而，本领域的普通技术人员将认识到，这样的特征可与内部部分102和/或外部部分104中的任一者或两者相关联。
图4示出了示例性的周向地取向的密封件，该密封件在诸如图4所示示例的一些实施例中可以是包括柔性密封元件202和刚性框架210的内部密封件200。在一些实施例中，柔性密封元件202可包括中间部分204、在中间部分204的一侧上的第一外部部分206和在中间部分204的另一侧上的第二外部部分208。柔性密封元件202可保持在中间(例如，在中间部分204处)，同时可在两个端部处(例如，在第一外部部分206和第二外部部分208处)自由挠曲(flex)和移动。中间部分204可以因此抵靠第一级喷嘴500和后框架100机械地加载。例如，在诸如图4中所示的一些实施例中，柔性密封元件202可以在柔性密封元件202的中间部分204处焊接到刚性框架210。如图4所示，在一些实施例中，刚性框架210可包括抵靠后框架100偏置的D形密封件212和弯曲部214，弯曲部214使柔性密封元件202轴向地向前偏移以偏置第一级喷嘴500，即，抵靠第一级喷嘴500加载。
如图2所示，在过渡导管32和涡轮18之间的连接在高压增压室34内。因此，在一些实施例中，例如，如图4所示，其中第一外部部分206和第二外部部分208为无约束的，即，非机械地紧固到刚性框架210，加压的空气26(参见例如图2)可以将第一外部部分206和第二外部部分208两者偏置成与第一级喷嘴500和后框架100密封接合，即，第一外部部分206和第二外部部分208抵靠后框架100和第一级喷嘴500压力加载。
在其它实施例中，图4中示出为内部密封件200的周向地取向的密封件也可以或相反地为带有相似特征的外部密封件300。
周向地取向的密封件200和300，诸如例如图4所示内部密封件200和/或图5-10所示外部密封件300和特别地它们的柔性密封元件202/302可以主要由布材料构成，该材料可以是合适的金属材料例如合金L605的织造网布。柔性密封元件202的材料可以是分层的，例如，单片布材料可以如图4所示折叠在自身上，和/或多层布材料可以焊接在一起。
在一些实施例中，例如，如图4和图10所示，周向地取向的密封件200或300可以是第一密封件和第二密封件，它们可以是径向地取向的，例如，也可以提供侧密封件400。侧密封件400可包括径向地延伸超出后框架100的延伸部402和/或404。例如，如图4所示，侧密封件400可包括延伸部402，延伸部402径向地向内延伸超出后框架100，使得延伸部402可例如由高压增压室34内的压缩空气26的压力抵靠内部密封件200偏置。另一个示例在图10中示出，其中，代替或除了延伸部402之外，侧密封件400也可包括延伸部404，并且延伸部404径向地向外延伸超出后框架100，使得延伸部404可例如由高压增压室34内的压缩空气26的压力抵靠外部密封件300偏置。也就是说，虽然侧密封件400可以大体上约束在相邻后框架100上的凹口110内(或者说是在侧密封件狭槽)，但可以提供一个或多个延伸部402和/或404，其延伸超出侧密封件狭槽(或凹口110的侧部部分)，使得延伸部402和/或404可以被压力加载。
如图5所示，在一些实施例中，密封件可以是外部密封件300。类似于图4中所示示例，图5示出了一个示例性实施例，其中外部密封件300包括刚性框架310和柔性密封元件302，柔性密封元件302又包括中间部分304、第一外部部分306和第二外部部分308。柔性密封元件302的中间部分304例如由紧固件314连接到刚性框架310，紧固件314可以是诸如图5中所示的销。柔性密封元件302的中间部分304可以由D形密封件312抵靠后框架100机械地偏置，D形密封件312设置在刚性框架310和凹口110之间，使得D形密封件312间接地经由在中间部分304和刚性框架310之间的连接将柔性密封元件302的中间部分304抵靠后框架100偏置。柔性密封元件302的中间部分304也可以由诸如图5所示卷簧316的偏置构件抵靠后框架100和第一级喷嘴500机械地加载。如图5所示，在其中第一外部部分306和第二外部部分308不受紧固件314约束的一些实施例中，加压空气26(参见例如图2)可以将第一外部部分306和第二外部部分308两者偏置成与第一级喷嘴500和后框架100密封接合，即，第一外部部分306和第二外部部分308抵靠后框架100和第一级喷嘴500压力加载。图5所示实施例的特征可以以类似于图4所示实施例的特征的方式并入代替外部密封件300或除了它之外在内部部分102上或与内部部分102相关联的内部密封件200中，图4所示实施例的特征可以并入代替内部密封件200或除了它之外在外部部分104上或与外部部分104相关联的外部密封件300中。
现在转到图6，示出了一个示例性实施例，其中外部密封件300包括刚性框架310和刚性框架310的延伸部311。在诸如图6所示的一些实施例中，刚性框架延伸部311可以例如通过焊接到柔性密封元件302的中间部分304而连接，以将柔性密封元件302以类似于图4所示内部密封件200的弯曲部214的方式抵靠后框架100和/或第一级喷嘴500机械地加载。同时，外部部分306和308可以例如在高压增压室34内的压缩空气26的影响下压力加载(压缩空气26和高压增压室34可以例如在图2中看到)。
图7示出了其中刚性框架310包括延伸部311的示例性实施例，其类似于上文讨论的图6的示例。图7所示实施例还包括将柔性密封元件302的中间部分304连接到刚性框架310的枢转接头320、322。如图7所示，枢转接头包括在柔性密封元件302上的球322和在刚性框架延伸部311上的承窝(socket)320。在备选实施例中，球322可以设置在刚性框架延伸部311上，并且承窝320可以设置在柔性密封元件302上。
图8示出了另一个示例性实施例，其中，外部密封件包括呈片簧316形式的偏置构件316，片簧316将柔性密封元件302的中间部分304连接到刚性框架310并且将柔性密封元件302的中间部分304抵靠第一级喷嘴500和后框架100机械地加载。
图9示出了另一个示例性实施例，其中，外部密封件包括呈扭转弹簧316形式的偏置构件316，扭转弹簧316将柔性密封元件302的中间部分304连接到刚性框架310并且将柔性密封元件302的中间部分304抵靠第一级喷嘴500和后框架100机械地加载。
如上文所讨论的，图10示出了一个示例性实施例，其中侧密封件400包括延伸部404，延伸部404径向地向外延伸超出后框架100，使得延伸部404无约束，并且可以抵靠外部密封件300压力加载。
贯穿图4-10中所示各种实施例，刚性框架210或310，包括其任何子部件(例如，弯曲部214或延伸部311)，可以与对应的内部部分102或外部部分104周向地共延伸(内部部分102和外部部分104的周向范围可以例如在图3中看到)。备选地，刚性框架210或310可以是例如分段的，而柔性密封元件202和302与对应的内部部分102和外部部分104大体上周向地共延伸，刚性框架210或310可具有沿着内部密封件200和外部密封件300的周向范围的中断部分，这可以允许压缩空气26抵靠各种密封件200、300和/或400的增加的流量。
本书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何设备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。例如，在涉及内部密封件的上文中的示例性描述也可在一个或多个外部密封件和/或代替(多个)内部密封件处实现，而在涉及外部密封件的上文中的其它示例性描述也可代替地或同时地在一个或多个内部密封件处实现。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)

1.一种用于在第一部件和第二部件之间进行密封的密封布置，所述密封布置包括：
密封件，其包括柔性密封元件，所述柔性密封元件包括中间部分、在所述中间部分的一侧上的第一外部部分和在所述中间部分的另一侧上的第二外部部分；
其中，所述中间部分抵靠所述第一部件和所述第二部件机械地加载，并且其中，所述第一外部部分和所述第二外部部分抵靠所述第一部件和所述第二部件压力加载。
2.根据权利要求1所述的密封布置，其中，所述密封件还包括安装在所述第一部件和所述第二部件中的一个上的刚性框架，所述柔性密封元件的所述中间部分连接到所述刚性框架。
3.根据权利要求2所述的密封布置，其中，所述柔性密封元件的所述中间部分焊接到所述刚性框架。
4.根据权利要求2所述的密封布置，还包括将所述柔性密封元件的所述中间部分连接到所述刚性框架的枢转接头。
5.根据权利要求2所述的密封布置，还包括将所述柔性密封元件的所述中间部分连接到所述刚性框架的偏置构件。
6.根据权利要求5所述的密封布置，其中，所述偏置构件为片簧或卷簧。
7.根据权利要求5所述的密封布置，其中，所述偏置构件包括销和环绕所述销的卷簧。
8.根据权利要求1所述的密封布置，其中，所述密封件周向地取向并且为第一密封件，并且所述密封布置还包括第二密封件，所述第二密封件径向地取向，并且所述第二密封件包括径向地延伸超出所述后框架的延伸部。
9.根据权利要求9所述的密封布置，其中，所述第二密封件的所述延伸部抵靠所述第一密封件压力加载。
10.一种燃气涡轮，包括：
压缩机；
涡轮；
燃烧器；
过渡导管，其限定从所述燃烧器到所述涡轮的第一级喷嘴的流动路径，所述过渡导管包括上游端、下游端、以及周向地围绕所述过渡导管的所述下游端的后框架；以及
密封件，其在所述后框架和所述第一级喷嘴之间，所述密封件包括柔性密封元件，所述柔性密封元件包括中间部分、在所述中间部分的一侧上的第一外部部分和在所述中间部分的另一侧上的第二外部部分；
其中，所述中间部分被机械地偏置成与所述第一级喷嘴和所述后框架密封接合，所述第一外部部分被构造成在来自由所述压缩机产生的压缩工作流体的压力下与所述后框架密封地接合，并且所述第二外部部分被构造成在来自由所述压缩机产生的压缩工作流体的压力下与所述第一级喷嘴密封地接合。
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