CN108730099B - 水轮机的导流叶片装置以及具备该导流叶片装置的水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明的课题是提供一种通过减少在叶轮与导流叶片之间产生的水压脉动来提高水轮机运转时的稳定性，进而能够实现设备的长寿命化的导流叶片。本发明的实施方式是能够绕轴线(L)转动的、水轮机(200)的导流叶片(100)，具备朝向下游侧对所供给的流水进行整流的导流叶片(110)，导流叶片(110)具有包含上端部(112)和下端部(113)的下游端缘(111)，下游端缘(111)的下端部(113)从下游侧观察时，相对于下游端缘(111)的上端部(112)在与轴线L正交的方向错开。

Description

水轮机的导流叶片装置以及具备该导流叶片装置的水轮机

技术领域

本发明的实施方式涉及水轮机的导流叶片装置以及具备该导流叶片装置的水轮机。

背景技术

通常，在凸缘西斯式水轮机中，供给至被旋转驱动的叶轮的流水通过多个导流叶片来进行流量调整。以往的凸缘西斯式水轮机中的导流叶片3以及叶轮4如图10以及图11所示。如这些图中所示，各导流叶片 3具有下游端缘31，该下游端缘31与叶轮4的旋转轴线平行地延伸。

如图10以及图11所示，叶轮4具有在周向以相等间隔配置的多个叶轮翼7。对于各叶轮翼7，其上游端缘71的下端部73相对于其上端部72在叶轮4的周向错开。在本说明书中，叶轮4的周向被用作包含叶轮4的旋转方向(例如发电运转旋转方向)R以及其反方向的两个意思。在图10以及图11所示的例子中，对于各叶轮翼7，其上游端缘71 的下端部73以相对于其上端部72向上述周向中的叶轮4的旋转方向R 前进的位置(图11中的顺时针的方向)错开的方式配置。由此，叶轮翼7的上游端缘71相对于叶轮4的旋转轴线倾斜。

再者，凸缘西斯式水轮机10(包含凸缘西斯式水泵水轮机)中，公知在导流叶片3与叶轮4之间，因静动翼间的翼列干渉会产生水压脉动。该水压脉动会有损发电的稳定性或成为设备损伤的原因，因此，可能成为问题所在。

对于该水压脉动，参照图12以及图13加以说明。图12是用于说明叶轮翼7与导流叶片3之间的水压脉动的产生原因的图，图13是示意地表示叶轮4与导流叶片3之间的假想圆筒面C上的全压分布的图。在此，假想圆筒面C是与叶轮4同心且同径的圆筒面。

如图12所示，凸缘西斯式水轮机10运转时，由设于导流叶片3的上游侧的固定叶片2整流后的流水沿着具有有限厚度的导流叶片3流动。此时，在导流叶片3的下游端缘31产生尾流8。

通常，公知尾流8的内部的流体能量(全压)低。因此，如图13 所示，在假想圆筒面C，在与尾流8交叉的区域会产生低压部。该低压部沿着假想圆筒面C的周向，存在于与导流叶片3的片数相同数量的部位。在以高速旋转的叶轮翼7横穿这些低压部时，压力急剧地变动而产生水压脉动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007－113554号公报

专利文献2：日本特开平11－141449号公报

专利文献3：日本专利第4187640号公报

发明内容

发明所要解决的课题

本发明是基于以上的见解而作出的。即，本发明的目的在于提供一种通过减少叶轮与导流叶片之间产生的水压脉动来提高水轮机的运转时的稳定性，进而能够实现设备的长寿命化的导流叶片以及具备此导流叶片的水轮机。

用于解决课题的方法

本实施方式是能够绕轴线转动的水轮机的导流叶片装置，具备朝向下游侧对所供给的流水进行整流的导流叶片，上述导流叶片具有包含上端部和下端部的下游端缘，上述下游端缘的上述下端部从下游侧观察时，相对于上述下游端缘的上述上端部在与上述轴线正交的方向错开。

或者，本实施方式的水轮机具备：叶轮，被旋转驱动；以及导流叶片，配置于上述叶轮的外周侧，上述叶轮具有叶轮翼，上述叶轮翼具有包含上端部和下端部的上游端缘，上述上游端缘的上述下端部相对于上述上游端缘的上述上端部，在上述叶轮的周向中的一个方向错开，上述导流叶片具有包含上端部和下端部的下游端缘，上述下端部相对于上述上端部，在上述叶轮的周向中的另一个方向错开。

发明效果

根据本发明，在叶轮与导流叶片之间产生的水压脉动减少，因此能够提供一种具备提高水轮机的运转时的稳定性，进而还能够实现设备的长寿命化的导流叶片装置以及具备此导流叶片装置的水轮机。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的导流叶片装置的概略侧视图。

图2是图1的概略后视图。

图3是表示采用了图1的导流叶片装置的水轮机的导流叶片和叶轮的概略立体图。

图4是图1的概略俯视图。

图5是用于说明在采用了图1所示的导流叶片装置的凸缘西斯式水轮机中，叶轮翼的上游端缘横穿尾流的情形的图。图5的 (a)是表示叶轮翼的下端部(下环(band)侧的端部)横穿尾流的状态的图，图5的 (b) 是表示叶轮翼的中间部分横穿尾流的状态的图，图5的 (c)是表示叶轮翼的上端部(上冠(crown)侧的端部)横穿尾流的状态的图。

图6是表示本发明的第二实施方式的导流叶片装置的概略侧视图。

图7是表示图6的变形例的导流叶片装置的概略侧视图。

图8是表示本发明的第三实施方式的导流叶片装置的概略俯视图。

图9是表示凸缘西斯式水轮机的装置构成的概略纵剖面图。

图10是表示配置有以往的导流叶片装置的凸缘西斯式水轮机的、导流叶片和叶轮的概略立体图。

图11是图10的概略俯视图。

图12是图10的部分放大图，是用于说明叶轮翼与导流叶片之间的水压脉动的产生原因的图。

图13是示意地表示以往的凸缘西斯式水轮机中，叶轮与导流叶片之间的周向上的全压分布的图。

图14是表示本实施方式的水轮机中可采用的固定叶片的概略后视图。

图中：

1箱体、2固定叶片、3导流叶片、4叶轮、5主轴、6吸出管、 7叶轮翼、8尾流、10凸缘西斯式水轮机、31下游端缘、51导流叶片、71上游端缘、72上端部、73下端部、100导流叶片装置、110导流叶片、111下游端缘、112上端部、113下端部、131第一凸缘、132 第二凸缘、133第一转动轴、134第二转动轴、200凸缘西斯式水轮机、 300导流叶片装置、311下游端缘、312上端部、313下端部、400导流叶片装置、411下游端缘、412上端部、413下端部、500导流叶片装置、510导流叶片、511下游端缘、514压力面、533转动轴、A导流叶片节圆、C1，C2中弧线(camber line)、L轴线、S中央剖面、

具体实施方式

在对本发明的各实施方式进行说明之前，先对一般的凸缘西斯式水轮机10的整体构成概略地进行说明。

图9是表示凸缘西斯式水轮机10的整体构成的概略纵剖面图。如图9所示，凸缘西斯式水轮机10具备：叶轮4；固定叶片2，配置于叶轮4的外周侧，并经由水压铁管(不图示)以及旋涡状的箱体1来进行流入叶轮4的流水的整流；导流叶片3，在固定叶片2与叶轮4之间进行流水的流量调整；以及吸出管6，使从叶轮4通过的流水流出。叶轮 4具有：与主轴(转动轴)5连结的上冠；与上冠对置配置的下环；以及设于上冠与下环之间的多个叶轮翼7。

在这样的凸缘西斯式水轮机10中，从上池经水压铁管供给的流水被固定叶片2以及导流叶片3引导而被引向叶轮4，流水的压力能在叶轮4内被转换为旋转能，由此，使主轴5旋转。由此，与主轴5耦合的发电机(不图示)被旋转驱动来进行发电。

在以下的说明中，如图9所示，以与叶轮4的转动轴线一致的方式取Z轴，将Z轴方向设为高度方向来进行以下的说明。即，将位于Z 轴正侧的上冠侧称为上侧，将位于Z轴负侧的下环侧称为下侧。而且，将叶轮4的旋转方向设为R。如图10以及图11中由箭头所示地，该旋转方向R为从上方观察时顺时针的方向。这样的坐标轴以及旋转方向R 在其他附图中也规定为相同的方向(参照图1～图5)。

虽未作图示，在各导流叶片3一体地设有具有与Z轴平行的转动轴线的轴(spindle)，通过使该轴转动，各导流叶片3绕该转动轴线如所希望的那样转动。

接着，参照所附的附图，对本发明的第一实施方式详细地加以说明。

图1为表示本发明的第一实施方式的导流叶片装置100的概略侧视图，图2为图1的概略后视图。

如图1以及图2所示，本实施方式的导流叶片装置100具备能够绕与Z轴平行的轴线L转动，并对所供给的流水朝向下游侧(图1中的左侧)进行整流的导流叶片110。如图1以及图2所示，导流叶片110具有包含上端部112和下端部113的下游端缘111。然后，如图2所示，从下游侧(图2中的跟前侧)观察时，下游端缘111的下端部113相对于下游端缘111的上端部112，在与轴线L正交的方向上错开。

特别是，在图2所示的例子中，下游端缘111的下端部113从下游侧观察时，相对于下游端缘111的上端部112向左侧(与叶轮4的旋转方向R相反的方向)错开。由此，下游端缘111具有相对于轴线L向左下的倾斜。

在此，对导流叶片110的下游端缘111的倾斜如下地进行规定。即，将导流叶片110的下游端缘111的下端部113在叶轮4的周向中的旋转方向R迟于(向左侧错开)上端部112时的倾斜称为“正倾斜”，而与此相反地，将导流叶片110的下游端缘111的下端部113在叶轮4的周向中的旋转方向R先于(向右侧错开)上端部112时的倾斜称为“负倾斜”。据此，本实施方式的导流叶片110形成为下游端缘111具有正倾斜。另外，这样的倾斜的叫法对于后述的叶轮翼7的上游端缘71也同样适用。

如图1以及图2所示，对于本实施方式的导流叶片装置100，在导流叶片110的上端经由第一凸缘(flange)131设有第一转动轴133。

而且，在导流叶片110的下端，经由第二凸缘132设有第二转动轴 134。特别是，如图1以及图2所示，第一转动轴133从第一凸缘131 的上表面向上方延伸，第二转动轴134从第二凸缘132的下表面向下方延伸。然后，这些第一转动轴133以及第二转动轴134的中心轴线均与轴线L一致。

接着，参照图3以及图4，对采用了这样的导流叶片装置100的凸缘西斯式水轮机200加以说明。

图3为表示采用了图1的导流叶片装置100的凸缘西斯式水轮机 200的、该导流叶片装置100和叶轮4的概略立体图，图4为图3的概略俯视图。

如图3以及图4所示，本实施方式的导流叶片110取代图10以及图11所示的以往的凸缘西斯式水轮机10的导流叶片3，在与该导流叶片3相同的位置配置相同数量。这就意味着：在已设的凸缘西斯式水轮机10，通过将导流叶片3更换为本实施方式的导流叶片110，无需更换凸缘西斯式水轮机10的整个装置，就能够获得本实施方式中所说明的作用效果。不过，意图并不在于限定为配置与以往相同数量的导流叶片 110。另外，在图3以及图4中，为了清楚地示出导流叶片110的倾斜，省略第一以及第二凸缘131、132和第一以及第二转动轴133、134的图示。

如图3以及图4所示，导流叶片110的下游端缘111具有正倾斜。与此相对，叶轮翼7的上游端缘71具有负倾斜。结果，如图3所示，导流叶片110的下游端缘111和与其面对的叶轮翼7的上游端缘71配置为从上游侧观察时呈大致“X”形。

接着，对本实施方式的作用加以说明。

如上所述，若凸缘西斯式水轮机10开始运转，则从导流叶片100 的下游端缘111产生尾流8，该尾流8延伸至叶轮4的叶轮翼7的上游端缘71。因此，若考虑与叶轮4同心并具有相同外径的假想圆筒面C，则该假想圆筒面C与尾流8交叉的区域与导流叶片110的下游端缘111 同样地具有正倾斜。即，与以往的凸缘西斯式水轮机10的情况不同，叶轮翼7的上游端缘71所横穿的尾流8与该上游端缘71相对于Z轴的倾斜相比具有逆向的倾斜，并到达叶轮4。

图5表示在采用了本实施方式的导流叶片装置100的凸缘西斯式水轮机200中，叶轮翼7的上游端缘71横穿尾流8的情况的概略图。图5 的 (a)为表示叶轮翼7的上游端缘71的下端部73横穿尾流8的状态的图，图5的 (b)为表示叶轮翼7的上游端缘71的中间部分横穿尾流8的状态的图，图5的 (c)为表示叶轮翼7的上游端缘71的上端部72横穿尾流8的状态的图。另外，为了进行比较，各图中的虚线以由以往的导流叶片3产生的尾流的下端与由本实施方式的导流叶片110产生的尾流8 的下端一致的方式来表示由以往的导流叶片3产生的尾流。

如图5所示，从导流叶片110的下游端缘111产生的尾流8具有与上游端缘71的倾斜相反方向的倾斜，因此，如果流水的流量相同，则从该上游端缘71开始横穿尾流8至横穿结束所需的时间长于在以往的凸缘西斯式水轮机10中叶轮翼7的上游端缘71完全横穿尾流8为止所需的时间。即，由于叶轮翼7的上游端缘71穿过由尾流所产生的低压区域的时间宽度比以往变长，水压的变动得以缓和，水压脉动减少。

根据如以上那样的本实施方式，能够提供一种能够使叶轮4与导流叶片110之间产生的水压脉动减少的导流叶片装置100。根据该导流叶片装置100，能够提高凸缘西斯式水轮机200的运转时的稳定性，而且还能够实现设备的长寿命化。

而且，通过构成采用了本实施方式的导流叶片装置100的凸缘西斯式水轮机200，能够提供一种运转时的稳定性高，而且还能实现设备的长寿命化的凸缘西斯式水轮机200。

接着，对本发明的第二实施方式加以说明。

图6为表示本发明的第二实施方式的导流叶片装置300的概略侧视图。

如图6所示，在本实施方式的导流叶片装置300中，从导流叶片 310的压力面侧观察(从图6的跟前方向观察)时，下游端缘311的下端部313相对于下游端缘311的上端部312在流水的流动方向上错开。具体地讲，在图6所示的例子中，从图6的跟前方向观察时，下游端缘 311的下端部313相对于下游端缘311的上端部312向左侧错开。

通过这样的构成，在采用了本实施方式的导流叶片装置300的水轮机中，导流叶片310的下游端缘311与叶轮4的分离距离从下端部313 朝向上端部312逐渐变大。在此，导流叶片310的下游端缘311从图6 的跟前方向观察时构成为直线状，上述分离距离从下侧朝向上侧线性地增大。

其他的构成，特别是导流叶片310的下游端缘311具有正倾斜这一点，与第一实施方式是相同的。因此，在图6中，对与第一实施方式的导流叶片装置100相同的构成部分赋予大致相同的符号，省略其详细的说明。另外，在采用本实施方式的导流叶片装置300的水轮机中，叶轮 4的叶轮翼7的上游端缘71与第一实施方式同样地具有负倾斜。此外，第一实施方式的导流叶片装置100的下游端缘111与叶轮翼7的上游端缘71的分离距离和本实施方式的导流叶片310的下游端缘311的下端部313与叶轮翼7的上游端缘71的下端部73的分离距离相同。

这样的导流叶片装置300的作用如下。即，若凸缘西斯式水轮机开始运转，则如上所述，从导流叶片310的下游端缘311产生尾流8。尾流8在导流叶片310的下游端缘311的延伸方向具有一定程度的宽度并向下游流动。因此，若考虑与叶轮4同心且具有相同外径的假想圆筒面 C，则该假想圆筒面C与尾流8交叉的区域与导流叶片310的下游端缘 311同样地具有正倾斜。即，到达假想圆筒面C的尾流8与第一实施方式同样地具有与叶轮翼7的上游端缘71的倾斜相反方向的倾斜(参照图5)。

不过，在本实施方式中，导流叶片310的下游端缘311与叶轮4的分离距离从下侧朝向上侧线性地增大。因此，与第一实施方式不同地，到达假想圆筒面C的尾流8的衰减程度从下侧朝向上侧线性地变大。简而言之，到达假想圆筒面C的尾流8除了其下端部以外，与第一实施方式中到达该假想圆筒面C的尾流8相比，会相对地进一步抑制由尾流8 引起的压力降低。叶轮翼7的上游端缘71横穿尾流8的过程如图5所示，与第一实施方式相同。

根据以上说明，在采用了本实施方式的导流叶片装置300的水轮机中，水压脉动更为减少。

另外，在本实施方式中，导流叶片310的下游端缘311与叶轮4的分离距离从下侧朝向上侧线性地增大，但并不限于这样的实施方式。例如，在本实施方式的变形例中，上述分离距离可以从下侧朝向上侧非线性地增大，或者，也可以从下侧朝向上侧线性或非线性地减少。在使用了这些变形例的导流叶片装置的水轮机中，水压脉动会有效地减少。

而且，图7为表示图6的又一变形例的导流叶片装置400的概略侧视图。如图7所示，导流叶片装置400的下游端缘411与叶轮4的分离距离可以在该下游端缘411的下端部413与上端部412之间的中间区域增大。在图7中，导流叶片410的中央剖面S最向上游侧突出，由此，该中央剖面S和下游端缘411交叉的部位P与叶轮翼7的上游端缘71 的分离距离变得最大。对于其他构成，包括导流叶片410的下游端缘 411具有正倾斜这一点，与第一实施方式的导流叶片装置100是相同的。因此，在图7中，对与导流叶片装置100对应的构成部分赋予相同的符号，在此，省略其详细的说明。

在采用了这样的变形例的导流叶片装置400的水轮机中，与第二实施方式相同地，水压脉动能够有效地减少。

接着，对本发明的第三实施方式的导流叶片装置500加以说明。

图8为表示本发明的第三实施方式的导流叶片装置500的概略俯视图。在图8中，实线表示本实施方式的导流叶片装置500，虚线为了进行比较而表示第一实施方式的导流叶片100。不过，各导流叶片110、 510由其上下方向(纸面的进深方向)的中央位置(中央剖面)处的轮郭线表示。

如图8所示，在本实施方式的导流叶片装置500中，用于使导流叶片510转动的转动轴533的轴线L与第一实施方式的导流叶片装置100 的转动轴133、134的轴线L一致。另一方面，在本实施方式的导流叶片装置500中，导流叶片510的中弧线C2位于比轴线L更靠导流叶片 510的压力面514侧。在采用了这样的导流叶片装置500的水轮机中，该导流叶片装置500将转动轴533的轴线L的位置维持在以往的位置，导流叶片510被整体定位于箱体1侧。即，在这样的水轮机中，将导流叶片节圆A维持在以往的位置，导流叶片510的下游端缘511与叶轮翼 7的上游端缘71的分离距离比以往增大。

在这样的水轮机中，若流水流入导流叶片装置500，则如上所述，从导流叶片510的下游端缘511产生尾流8，但该尾流8比以往减弱地到达叶轮翼7的上游端缘71。

因此，如果叶轮翼7的上游端缘71具有负倾斜，则与导流叶片510 的下游端缘511具有正倾斜的情况相辅相成，在采用了本实施方式的导流叶片装置500的水轮机中，水压脉动能够比以往更为减少。

在以上的说明中，设为叶轮翼7的上游端缘71具有负倾斜来进行了说明，但也可以与此相反地具有正倾斜。该情况下，将导流叶片装置构成为导流叶片的下游端缘具有负倾斜即可。

此外，在图3所示的例子中，导流叶片110的下游端缘111从下游侧观察时呈大致直线状地延伸，但并不限于这样的形态。即，其他实施方式的导流叶片的下游端缘从下游侧观察时也可以包含C字形、S字形等曲线。而且，导流叶片110的下游端缘111的至少一部分也可以形成为从压力面侧观察时呈曲线状。这些可以应用于本说明书中所说明的所有实施方式以及变形例。

而且，为了进一步提高以上的各实施方式以及变形例的水压脉动的减少效果，如图14所示地构成配置于导流叶片的上游侧的固定叶片2a 也是有效的。

图14为表示可应用于本实施方式的水轮机的固定叶片2a的概略后视图。该固定叶片2a具有包含上端部22a和下端部23a的下游端缘21a。然后，如图14所示，下游端缘21a的下端部23a从下游侧(图14中的跟前侧)观察时，相对于下游端缘21a的上端部22a在与Z轴正交的方向上错开。特别是，在图14所示的例子中，下游端缘21a的下端部23a 从下游侧观察时，相对于下游端缘21a的上端部22a向左侧错开。由此，下游端缘21a具有相对于Z轴向左下的倾斜(正倾斜)。

对于配置于该固定叶片2a的下游的导流叶片，如果此导流叶片的下游端缘也具有正倾斜(参照图2)，则流入该导流叶片的流水从最初开始就具有与导流叶片相同的倾斜。该情况下，与设有具有平行于Z轴的下游端缘的以往的固定叶片的情况相比，由导流叶片实现的整流效果更加提高。由此，能够抑制尾流8的产生，在采用本实施方式以及其变形例的导流叶片装置的水轮机中，能够更为减少水压脉动的产生。

另外，这样的效果能够通过将固定叶片的下游端缘的倾斜构成为与导流叶片的下游端缘的倾斜方向相同来获得。因此，在导流叶片的下游端缘具有负倾斜的情况下，将固定叶片构成为其下游端缘具有负倾斜即可。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述的实施方式是作为例子公开的，其意图并不在于限制发明的范围。该新颖的实施方式可以通过其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。该实施方式和其变形包含于发明的范围和主旨中，并且包含于权利要求书所述的发明及其等同的范围内。

Claims (8)

1.一种水轮机的导流叶片装置，能够绕轴线转动，具备将所供给的流水朝向下游侧整流的导流叶片，上述导流叶片具有下游端缘，该下游端缘具备上端部和下端部，从下游侧观察时，上述下游端缘的上述下端部相对于上述下游端缘的上述上端部在与上述轴线正交的方向上错开，上述下游端缘与上述水轮机的叶轮的分离距离，在上述下游端缘的上述下端部与上述上端部之间的中间区域增大，从下游侧观察时，上述下游端缘包含S字形的曲线。

2.根据权利要求1所述的导流叶片装置，其中，在上述导流叶片的上端，经由第一凸缘设有第一转动轴，在上述导流叶片的下端，经由第二凸缘设有第二转动轴，上述第一转动轴以及上述第二转动轴的中心轴线均与上述轴线一致。

3.根据权利要求1或2所述的导流叶片装置，其中，从上述导流叶片的压力面侧观察时，该导流叶片的上述下游端缘的上述下端部相对于上述下游端缘的上述上端部在流水的流动方向上错开。

4.根据权利要求1或2所述的导流叶片装置，其中，上述导流叶片的中弧线位于比上述轴线更靠该导流叶片的压力面侧的位置。

5.根据权利要求3所述的导流叶片装置，其中，上述导流叶片的中弧线位于比上述轴线更靠该导流叶片的压力面侧的位置。

6.一种水轮机，具备：箱体；叶轮，通过经由上述箱体而供给的流水被旋转驱动；以及权利要求1所述的导流叶片装置，配置于上述叶轮与上述箱体之间。

7.一种水轮机，具备：叶轮，被旋转驱动；以及导流叶片，配置于上述叶轮的外周侧，上述叶轮具有叶轮翼，上述叶轮翼具有上游端缘，该上游端缘具有上端部和下端部，上述上游端缘的上述下端部相对于上述上游端缘的上述上端部，在上述叶轮的周向中的一个方向上错开，上述导流叶片具有下游端缘，该下游端缘具备上端部和下端部，上述下游端缘的下端部相对于上述下游端缘的上端部，在上述叶轮的周向中的另一个方向上错开，上述下游端缘与上述叶轮的分离距离，在上述下游端缘的上述下端部与上述上端部之间的中间区域增大，从下游侧观察时，上述下游端缘包含S字形的曲线。

8.根据权利要求6或7所述的水轮机，还具备：固定叶片，设于上述导流叶片的外周侧，上述固定叶片具有具备上端部和下端部的下游端缘，从下游侧观察时，上述固定叶片的上述下游端缘的上述下端部相对于该固定叶片的上述下游端缘的上述上端部，在与上述导流叶片的上述下游端缘的上述下端部相对于上述导流叶片的上述下游端缘的上述上端部的错开相同的方向上错开。

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