CN110088480B - 离心泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有至少一个泵级的离心泵，该泵级具有可转动的叶轮(5)，该叶轮形成吸入口(6)，该吸入口通过密封结构相对于固定的泵部件(1)被密封，其中，密封结构在叶轮(5)与固定的泵部件(1)之间具有密封环(9)。密封结构被构造为，其至少在泵的输送操作期间沿着密封环(9)的周向方向看交替连续地具有与配对密封面间隔开的以及贴靠在配对密封面上的密封区段。

Description

离心泵

技术领域

本发明涉及一种具有至少一个泵级的离心泵，该泵级具有可转动的叶轮，该叶轮具有吸入口，该吸入口通过密封结构相对于固定的泵部件被密封，其中，该密封结构具有位于叶轮与固定的泵部件之间的密封环。

背景技术

这种密封结构属于现有技术。由专利文献CN2486751Y已知一种离心泵，其中，在泵的吸入口的区域中在壳体侧设有密封环，该密封环具有密封唇，该密封唇在吸入口的区域中贴靠在叶轮的外侧面上。在此将密封唇设置为，使得挤压力随着叶轮转速的增大而增大，亦即随着叶轮的压力侧和吸入侧之间的压力差的增大而增大。据此可以在泵的压力侧与吸入侧之间实现几乎完全的密封，从而能够降低溢流损失并因此降低了溢流所造成的效率损失，但是同时密封唇与叶轮之间的摩擦也会随着压力的增大而增加，这会引起导致效率降低的摩擦损失以及在密封唇上造成磨损。

由专利文献DE102014116466 B3已知的一种密封单元对于此是有益的，其中，在吸入口侧，在叶轮的外周上设有特殊的滑动面，并在壳体侧装入密封环，该密封环的自由端的边缘贴靠在该滑动面上。通过这种布置，虽然能够降低摩擦损失并因此还能够减小磨损，但是这种密封单元的结构复杂，并且由于密封环的一区段始终贴靠在叶轮的滑动面上，因此容易造成磨损。而且，为了使部件彼此同心地设置，这种设计还要求高的制造和装配精度。

吸入口通过密封结构相对于固定的泵部件的这种密封虽然降低了溢流损失，但是却增加了泵内部的摩擦损失，从而使得一方面对高密封效果的要求和另一方面对低摩擦损失的要求是相反的。就此而言，更有利的是仅无密封措施地减小吸入口和固定的泵部件之间的间隙，但是这增大了制造公差并由此增加了制造成本。

发明内容

在此背景下，根据本申请的发明的目的在于设计一种通用的离心泵，其一方面在泵运行期间在吸入口与固定的泵部件之间产生尽可能良好的密封，另一方面使得摩擦损失尽可能得小。

本发明的目的通过具有本发明特征的离心泵来实现。本发明的优选的实施方式由下面的说明以及附图给出。

根据本发明的离心泵包括至少一个泵级，该泵级具有可转动的叶轮，该叶轮形成吸入口，该吸入口通过密封结构相对于固定的泵部件被密封，其中，该密封结构具有位于叶轮与固定的泵部件之间的密封环。根据本发明，该密封结构被设计为，其至少在泵的输送操作期间沿着密封环的周向方向看交替连续地具有与配对密封面间隔开的以及贴靠在配对密封面上的密封区段。

根据本发明的技术方案的基本思想在于：密封环可以按照滑动轴承的方式运行，使得至少在泵的输送操作期间，即，当叶轮相对于固定的泵部件旋转时，在密封环和密封环所贴靠的面之间形成液膜，并因此在密封环与配对密封面之间形成液体摩擦而不是固体摩擦。这样的液体摩擦使得密封内的摩擦损失最小化，但另一方面也允许将密封结构内的溢流损失保持在极低的水平。通过液体摩擦，不仅可以显著降低密封结构内的摩擦，而且还能够将密封自身的磨损降至最低。

根据本发明，在此没有必要像滑动轴承一样必须保证完全的液体摩擦。在根据本发明的技术方案中，还可以在液体摩擦和固体摩擦之间设置中间阶级(Zwischenstufe)，即，密封结构的彼此间隔开的面虽然被设置用于使降低摩擦的液体进入到密封面与配对密封面之间的密封间隙中，但是没有必要出现完全的液体摩擦，而是在必要时还可以出现混合摩擦，并且取决于运行状态在必要时还可出现固体摩擦。因此，在例如彼此间隔开的密封面之间的区域中也可以设置逐点的接触。

根据本发明，在此设置为，贴靠的密封区段由密封环自身形成。就位于贴靠的密封区段之间的间隔开的区段而言，通过在那里例如在表面中或者以其它类似的方式设置凹部，该间隔开的区段既可以由密封环自身形成，也可以由叶轮的吸入口形成。

根据本发明的技术方案可以应用于单级的或多级的离心泵，在单级离心泵中，密封结构通常在叶轮的吸入口与壳体之间实现；在多级装置中，通常在吸入口与固定的泵部件之间实现泵级。在此，可以为根据本发明的密封结构配置一个或多个泵级。在此，叶轮优选为径向轮或半轴向轮，即，在叶轮中，吸入口沿轮的轴线方向指向，而流出侧径向地或轴向/径向地指向。然而，本发明原则上不限于该类型。

本发明的基本思想，即，具有彼此连续的贴靠的和不贴靠的密封区段，以确保造密封件与配对密封面之间形成液膜，根据本发明不仅可以通过对密封面和/或配对密封面的适当设计来实现，还可以替代地地或附加地通过本发明的如下实施方式来实现：在该实施方式中，密封环至少部分被弹性地构成，并且密封环或者密封环区段在配对面上的接触面通过叶轮压力侧的液压力被控制。

该技术方案的基本思想在于：将密封环构造为沿其周向具有不同的刚度，并将其设置为，在泵运行期间，即，在叶轮相对于固定的泵部件转动时，通过压力侧与吸入侧之间的压力差，液压力将密封环沿其周向不同强度地按压在配对密封面上。根据本发明，在此优选将密封环设计和布置为，在泵的停止状态下，也就是在叶轮静止时，密封环与配对密封面、特别是与吸入口间隔开地设置。根据本发明的原理，即，密封件在运行中像滑动轴承一样通过液膜被润滑，同样可以实现这样的布置，即，密封环首先由于叶轮的吸入侧与压力侧之间的压力差而贴靠在配对密封面上，并由于其结构而被构造为存在下述的区段：该区段贴靠在配对密封面上，并与不贴靠的或以明显减小的力贴靠的区段交替地设置。后者的布置的优点还在于：这样的密封，也就是密封环区段在配对密封面上的贴靠，仅在运行期间进行，而且在密封环与配对密封面之间存在明显的间隔，由此一方面发生一定的自清洁效应，另一方面由于密封面处于运动轴而消除了密封面的钙化。还有一个重要的优点是：密封结构的区域中的公差使得制造和装配简化并由此降低了制造成本。

如下的液压控制，即，将密封环区段贴靠在配对密封面上，而其他的则与配对密封面间隔开并使它们交替，可以优选通过下述方法实现：使密封环具有沿其周向分布的不同的刚度，优选为交替地具有刚性的和低刚性的区段，使得在贴靠时液压力能够有针对性地使密封环变形，以形成贴靠的区段和不贴靠的区段。

该原理可以通过下述方法来实现或得到另外的支持：密封环在其外周上具有使横截面弱化的凹部，这些凹部优选彼此平行地延伸。这些被降低了材料厚度的凹部可以被设置为平行于密封环的纵向中心轴线，或者还可以优选地相对于该纵向中心轴线倾斜，使得交替连续的使密封面贴靠在配对密封面上的区段和使密封面不贴靠在配对密封面上的区段沿轴向方向看被重叠地设置。

这种有针对性的材料弱化不仅可以通过位于密封环的外周上的凹部来实现，还可以通过该凹部和/或内周上的凹部来实现。对于凹部的布置，应考虑到密封环相对于吸入口的布置。密封环通常被设计为，其贴靠在吸入口的外周上，因此密封环在其外周上可以自由地设计，而内周上的凹部的尺寸则被确定为，不能出现不可接受的高溢流损失。在此，特别是可以将内周上的凹部设计为，使它们通向吸入侧，从而在那里形成一窄的环绕的环，以防止溢流。

特别是当密封环以其外周密封地贴靠在吸入口上时，则可能有利的是在密封环的内周上设置凹部，在此，这些凹部被恰当地彼此平行地设置，例如轴线平行地设置，或者彼此成角度地设置。

根据本发明的一种优选的扩展方案，将凹部构造为沿周向方向看是楔形的。这样的设计特别是对于密封环的被确定用于贴靠在配对密封面上的侧面是有利的：通过沿转动方向安置的楔形的凹部，其在运行期间被填充以输送液体，能够可靠地形成液膜，该液膜将确保密封环在配对密封面上少摩擦的滑动。

在密封环的背对配对密封面的侧面上，楔形凹部有针对性地引起材料弱化，在此，材料弱化由于楔形而不是沿两个周向方向突然地进行，而是仅沿一个方向突然进行并沿另一方向上升地进行，由此将确保在施加压力时密封环以期望的方式仅在期望的位置上变形。

在实践中已经证明特别有利的是：将这种楔形的凹部设置在密封环的两侧。如果将凹部沿着周向方向构造为楔形是有利的，则有利的是将外周上的楔形凹部与内周上的楔形凹部方向相反地设置。特别优选地是将它们彼此错开地设置。通过凹部的错开角度、深度和坡度的变化，可以恰当地将密封环设计为，对于特定的应用情况是特别有利的。可以理解，虽然根据本发明的密封结构对于其他的转速范围是有效率的和起作用的，但是通常效率在一定地转速范围内是最高的。该范围应被适宜地设计为是离心泵预期最频繁操作的转速范围。但是，根据本发明还可以将密封结构设计为，其在泵的最高压力范围中最有效。这是有道理的，因为在根据现有技术的离心泵中，最高压力范围中的溢流损失通常是最大的。

特别有利地，将该密封环安装在固定的泵部件上并被设计用于相对于叶轮的靠近吸入口的外表面的密封。由此不会影响到泵的吸入区域，此外，当密封环与叶轮间隔开地设置时，至少在开始时能够提供相同的文丘里效应，由此使得外侧面上的压力增大，并且使得密封环分段地贴靠在位于叶轮外周上的配对密封面上进程被加速。在此，该布置使得密封环的外周在运行中以与密封环变形相同的方式受到叶轮的压力侧的压力加载，最终通过该压力来控制密封环在叶轮上的贴靠。正如在下面所要详细说明的那样，密封环的布置存在很大的差异，其中，对于所有布置相同的是，密封环的外表面受到叶轮压力侧的压力的加载，而另一侧被设置用于贴靠在设置于叶轮侧的配对滑动面上。

应该指出的是，对于密封结构的功能来说，如上面已经描述的，密封环设置在壳体侧或叶轮侧基本上是无关紧要的，但是壳体布置，也就是在固定的泵部件上的布置，通常是更重要的，因为据此使得密封环的任何失衡都不再重要，并且叶轮的转动惯量也不会由于密封环而增大。

因此，对于密封环设置在叶轮上的情况，密封环可以优选地设置在叶轮的吸入侧端部上，并且，当密封径向地进行时，配对密封面由固定的泵部件的沉入到密封环中的环形部形成，或者当密封轴向地进行时，配对密封面由固定的泵部件的轴向环形面形成。在轴向密封中，所述的环形面位于横向于叶轮的转动轴的平面中，而在径向密封中，环形部由平行于转动轴设置的圆柱形面形成。

在这种布置中，有利的是使密封环接续叶轮的吸入口来设置，即，密封环好像是形成了吸入口，但是由于沉入的固定的泵部件，密封环从功能上说移动到了叶轮的内部。对于密封环来说，当上述的变形应通过输送液体的液压力实现时，特别重要的是外侧应尽可能地完全被叶轮的压力侧的压力加载。

根据本发明的技术方案的核心思想在于：将密封环设计为，在运行中，在密封结构的相互运动的面之间形成流体动力学的或流体静力学的液膜。在流体动力学上，其可以通过密封环和/或其凹部的相应构型来实现，例如楔形；在流体静力学上，例如通过设置在密封环中的、通向压力侧的通道来实现，该通道通入密封面中。还可以提供按照流体动力学形成的和按照流体静力学形成的液膜的组合。

附图说明

下面参照附图中示出的实施例详细地说明本发明。其中：

图1以大幅简化和示意性的纵向剖视图示出了具有根据本发明的密封结构的离心泵，

图2示出了具有固定密封环的密封结构的第一实施变型，

图3以剖视图示出了在叶轮的停止状态下的密封结构，

图4示出了在泵运行期间根据图3的密封结构，

图5示出了根据图3示出的另一密封结构，

图6示出了根据图3示出的具有旋转的密封环的密封结构的第一实施例，

图7示出了根据图3示出的具有旋转的密封环的可选设置，

图8示出了根据本发明的密封环的透视图，

图9示出了密封环的可选实施例。

具体实施方式

在图1中被极简示出的离心泵具有固定的泵壳体1，该泵壳体具有抽吸接口2以及压力接口3，在该泵壳体中安装有可转动的轴4，该轴驱动设置于其上的叶轮5，叶轮的轴向吸入口6与抽吸接口2管路连接，并且其流出侧7径向地设置并与压力接口3管路连接。

泵壳体1在此代表任何固定的泵组件，例如在一多级泵中用于泵级的固定部分，即，图1所示的原理图也可以被转用于具有相应的固定泵部件的一个或多个任意的叶轮上。

在流出侧7(即，泵的压力侧)与吸入口6(即，泵的吸入侧)之间形成溢流通道8，该溢流通道可以通过泵中的密封环9被封闭。离心泵的吸入口6(即，吸入侧)和与压力侧连接的溢流通道8之间的密封结构的实施方式的示例在图2至图7中被详细示出，它们仅示意性地示出了溢流通道8、叶轮5、泵壳体1以及密封环9的一部分。

根据图2所示的密封环9a以与根据图1所示的密封环9相同的方式设置，其通过狭窄的端侧(在图2中为其下侧)紧固在泵的固定部分1上。该密封环具有细长的环形圆柱形状，在此将密封环9a的内侧设置为，在叶轮5的吸入口6的区域中贴靠于在那里基本为圆柱形的外周上。在未加载的状态下，密封环9a被设置为相对于叶轮5的吸入口6的外侧有极小的距离。密封环具有沿其外周分布的凹部10，这些凹部彼此平行地并且平行于密封环9a的纵向轴线地以规则的角距离设置于外周上。由于这些凹部10(它们具有部分圆形的横截面)，密封环9a的材料被弱化，使得密封环9a在凹部10的底部具有最小的材料厚度，并在凹部10的边缘上具有最大的材料厚度。密封环9a由弹性材料构成，并在材料和尺寸上被调整为，使得在密封环9a的内侧与叶轮5的吸入口6的外侧之间形成的间隙在泵运行期间闭合。即，当叶轮5由轴4驱动并由此在吸入口6与流出侧7之间产生压力差时，据此调整的液压和流动力将控制密封环9a在吸入口6的外部区域中贴靠在叶轮5上。在此，首先通过从叶轮5离开到流出侧7上的液体在密封环9a的区域中的漩涡在外侧面上产生文丘里效应，该效应随后与流出侧7和吸入口6之间形成的压力差一起使得密封环9a被从外向内挤压。但是由于不同的材料厚度，密封环9a不是整个周向地，而是基于密封环9a的不同刚度在周向方向上仅部分地贴靠在吸入口6的外侧上。因此，密封环9a的内侧不是在周向上全表面地紧贴在配对密封面11上，而是沿着关于要贴靠的密封环区段的周向方向以与其间隔开然后再贴靠的方式或者说交替地在环9a的整个圆周上进行。在密封环9a的未贴靠的部分中，输送液体通过溢流通道8进入到密封环9a与配对密封面11之间的区域中，这些液体通过这些交替地贴靠和不贴靠的部分以及叶轮的旋转而沿着密封面分布，从而使得在密封环9a与配对密封面11之间的区域中总是存在液体摩擦。

图3和图4示意性示出了：在叶轮5转动时，在壳体侧紧固的密封环9是如何先通过在外侧形成的文丘里效应并随后通过压力侧与吸入侧之间的压力差从其静止位置(图3，在该静止位置上叶轮5是静止的)离开并贴靠在叶轮5的配对密封面11上的。

为了在密封环9的密封面12与叶轮5上的配对密封面11之间形成可行的液膜，可以将根据图2中的叶轮9a所描述的、具有凹部10的结构用于密封环9a的外周上，以便在密封面12与配对密封面11之间形成交替地贴靠和不贴靠的部分。附加地或有所帮助地，可以在密封面12中或配对密封面11中，在表面中设置凹部，这将支持或者引发这种效果。下面将更详细地并参照图8和图9所描述的密封环说明这种实施方式看起来是如何的。

正如图4中所示出的那样，密封环9贴靠在吸入口6上仅通过液压力实现，因此在叶轮5的停止状态下，密封环9将返回到其在图3中示出的起始位置，在该位置上，在溢流通道8中，在密封面12与配对密封面11之间形成间隙。密封环9在贴靠或返回时的这种弹性运动将清洁该密封间隙，并确保特别是在密封面12上不会形成沉积物。

在图5中示出了密封环9b，其在横截面上具有L形的轮廓，其中，直立的边13对应于在图3和图4示出的密封环9；而平放的边14被设置用于将密封环9b紧固在泵的固定部件1上，即，例如在泵壳体1上。对密封环9b的紧固可以通过将环9b压入泵壳体1的相应凹部中而材料配合和/或力配合地实现。

在根据图6的实施方式变型中提出了密封环9c，其具有环形盘的形状，并且该密封环以其内周在吸入口6的区域中与叶轮5的外周牢固地连接。密封环9c因此随着叶轮5一起转动，其密封面12贴靠在泵壳体上的配对密封面11上，其中，叶轮的压力侧与吸入侧之间的压力差在此也用于密封面12在配对密封面11上的局部贴靠。在该实施方式中，密封环9c也基于在此未示出的凹部而沿其周向有不同的刚度，从而形成密封面12的贴靠在配对密封面11上的部分和与配对密封面间隔开的部分。因此，即使在这种布置中也会发生上述的“滑动轴承效应”，即，在密封面12与配对密封面11之间形成可行的液膜。

在根据图7的实施方式变型中，密封环9d以吸入口6的延长部的形式设置在叶轮5的吸入侧端面上。在壳体侧设有一环形部15，该环形部被设置在密封环9d的里面并伸入到叶轮5的吸入口6中。用于密封环9d的配对密封面11由该环形部15的内侧形成。密封环9d可以按照与图2所示的密封环9a或后面参照图8和图9所述的密封环相同的方式构成。

在根据图8的实施方式变型中提出了密封环9e，图8示例性示出了如何构造如图3和图4所示密封环9，其由例如橡胶、硅等弹性材料构成，以便能够实现上述的效果。密封环9e具有总共十个沿其外周分布的楔形凹部16，该凹部的深度在根据图8的视图中沿顺时针方向增大，即，更深地穿透到环的基体材料中。楔形凹部16与形成圆柱形表面的一部分的区段17交替。在内侧，也就是在其内周上，密封环9e具有楔形的凹部18，该楔形凹部被也位于共同的圆柱形表面上的圆柱形区段19中断。内侧的凹部18大致仅延伸经过外侧的凹部16的周向的三分之一并且在较小的深度上延伸。在此，凹部18的楔形的方向与凹部16的楔形的方向相反。

凹部16仅用于有针对性地弱化环材料，由此使其在从外部形成压力时在其内侧会有针对性地弯曲变形，即，形成贴靠在配对密封面11上的部分和与其间隔开的部分，内周上的凹部18主要用于在密封面12，即密封环9e的内侧，与配对密封面11之间形成可行的润滑膜。但是这些润滑膜也可能会对密封环的变形有影响。

在图9中示出了这样的密封环9f的一种可选的实施方式。密封环9f由弹性材料制成，其中，楔形凹部16a在外侧面上与圆柱形区段17a交替出现，楔形凹部18a在内侧面上与圆柱形区段19a交替出现，该密封环的结构与图8所示实施方式的不同之处主要在于：凹部16a和18a以及区段17a和19a不是平行于环9f的轴线，而是与其成角度地设置，并且在外侧面和内侧面上有相同的倾斜，从而使得密封环9f在受到外部施加压力时形成贴靠的和不贴靠的部分，这些部分沿轴向方向看是重叠的。通过楔形凹部18a在内侧面上的这种倾斜姿态，实现了一定的泵送效果，这确保了即使在高挤压力的情况下也能够在密封面12与配对密封面11之间的密封间隙中产生可行的液膜。此外，通过这样的倾斜姿态进一步降低了溢流损失。

前述的实施例不能反映出由本发明产生的密封环设计的各种可能性。在个别情况下必须通过实验和/或计算来确定：如何在密封环与配对密封面之间设置可行的液膜，更确切地说就是在尽可能大的泵的转速范围内，以便使密封件上的磨损和摩擦损失保持尽可能的小。

附图标记列表

1 泵壳体，特定于壳体的部件

2 抽吸接口

3 压力接口

4 轴

5 叶轮

6 吸入口

7 流出侧

8 溢流通道

9，9a，9b，9c，9d，9e，9f 密封件

10 凹部

11 配对密封面

12 密封面

13 直立的边

14 平放的边

15 环形部

16 外侧的楔形凹部

16a 图9中的楔形凹部

17 外侧的圆柱形区段

17a 图9中的圆柱形区段

18 内侧的楔形凹部

18a 图9中的楔形凹部

19 内侧的圆柱形区段

19a 图9中的圆柱形区段。

Claims (12)

1.一种离心泵，具有至少一个泵级，所述泵级具有可转动的叶轮(5)，所述叶轮具有通过密封结构相对于固定的泵部件(1)被密封的吸入口(6)，其中，所述密封结构在所述叶轮(5)与所述固定的泵部件(1)之间具有密封环(9)，其特征在于，所述密封结构被构造为，其至少在泵的输送操作期间沿着所述密封环(9)的周向方向看交替连续地具有与配对密封面(11)间隔开的以及贴靠在所述配对密封面(11)上的密封区段，其中，所述密封环(9)至少部分地被弹性地构成，并且所述密封环(9)或密封区段在配对密封面(11)上的接触面通过所述叶轮(5)的压力侧的液压力被控制，其中，所述密封环(9a，9e，9f)在沿其周向分布的区段上具有不同的刚度，其中，所述密封环(9a，9e，9f)在其外周上具有使横截面弱化的凹部(10，16，16a)，所述凹部彼此平行地延伸。

2.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，所述密封环(9e，9f)在其内周上具有使横截面弱化的凹部(18，18a)，所述凹部彼此平行地延伸。

3.根据权利要求2所述的离心泵，其特征在于，外周上的所述凹部(10，16，16a)和/或内周上的所述凹部(18，18a)平行于所述密封环的轴线方向或相对于该轴线方向倾斜地延伸。

4.根据权利要求2所述的离心泵，其特征在于，外周上的所述凹部(16，16a)和/或内周上的所述凹部(18，18a)在周向方向上被构造为楔形的。

5.根据权利要求4所述的离心泵，其特征在于，外周上的楔形凹部(16，16a)和内周上的楔形凹部(18，18a)相反地取向并被彼此错开地设置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述密封环(9，9a，9b)被设置在所述固定的泵部件(1)上，并被设置用于相对于所述叶轮(5)的靠近所述吸入口(6)的外表面的密封。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述密封环(9d)被设置在所述叶轮(5)上，并且由所述固定的泵部件(1)的沉入到所述密封环(9d)中的环形部(15)形成配对密封面(11)。

8.根据权利要求7所述的离心泵，其特征在于，所述密封环(9d)被设置在所述叶轮(5)的吸入侧端部上。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述密封环(9c)被设置在所述叶轮(5)上，并且由所述固定的泵部件(1)的环形面形成配对密封面(11)，其中，所述环形面位于横向于叶轮的转动轴的平面中。

10.根据前述权利要求9所述的离心泵，其特征在于，所述密封环(9c)被设置在所述叶轮(5)的吸入侧端部上。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述密封环(9d)被设置为所述叶轮(5)的吸入口(6)的延长部。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的离心泵，其特征在于，所述密封环(9)被构造为，在运行期间，在所述密封结构的相互运动的配对密封面(11)和密封面(12)之间形成流体动力学的或流体静力学的液膜。

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