CN110906364A - 用于燃气涡轮的燃烧室的金属隔热砖 - Google Patents
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Abstract
一种用于燃气涡轮发动机的燃烧室的金属隔热砖包括屏蔽板,其具有第一面、与热面相对的第二面和后缘。外沿从屏蔽板沿与第一面相反的方向延伸,并具有侧部和后部。屏蔽板的第一面构造为围绕中心轴线的回转表面的一部分。密封孔设置在外沿中,并包括侧部中的侧密封孔和后部中的后密封孔。每个侧密封孔具有相应的侧孔轴线,其与第一参考平面形成±15°的第一角度。相应侧孔轴线在第一参考平面上的投影与垂直于中心轴线的第二参考平面形成±30°的第二角度。第一参考平面平行于中心轴线并垂直于包括中心轴线的屏蔽板的第一面的中平面。
Description
相关申请的交叉引用
该专利申请请求享有2018年9月14日提交的欧洲专利申请第18425075.1号的优先权,其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于燃气涡轮的燃烧室的金属隔热砖。
背景技术
众所周知,由于在机器操作期间产生的高温,燃气涡轮的燃烧室必须在内侧上设有由耐火材料制成的隔热衬里。隔热衬里大体上由多个耐火砖形成,所述耐火砖以连续的排布置在燃烧室壳的内壁上,以便限定基本上连续的表面。在环形类型燃烧室中,耐火砖围绕转子轴线布置在圆周上。
特别是在环形燃烧室中,耐火砖的组装包括连接元件沿周向引导件的插入和滑动。
一般而言,实际上,耐火砖在相对侧上具有凹槽,并通过连接元件固定到壳,该连接元件联接到由凹槽限定的肋。大体上,针对耐火砖的一侧的连接元件插入壳上的引导件中并且使得滑动到相应的紧固位置。然后将耐火砖布置在座中,其中侧面接合紧固元件。另外的连接元件沿引导件插入并且使得滑动以与仍然自由的砖的侧面联接。
因此,针对每排的最后一块砖需要特别的措施。
根据已知的解决方案,在每排中使用金属砖,其具有通孔并且通过从外部插入并接合在一组预组装弹簧上的微铸螺钉固定至壳。以此方式,不必使紧固元件滑动并且可以以相对容易的方式使用组件。与耐火砖相比,金属砖具有对于热应力的较低的抗性,并且需要特殊的冷却系统。这通常通过从燃气涡轮压缩机的中间级提取相对新鲜空气的冷却流并通过在热临界条件下朝向构件引导冷却流来实现。
冷却流不直接参与发电,并因此影响燃气涡轮发动机的效率。普遍关注的是减少为了冷却目的的空气消耗,这在目前可用的金属隔热砖中没有达到令人满意的程度。这尤其适用于最下游的一排隔热砖,其通常全部由金属制成并且构造成联接到燃气涡轮发动机的膨胀区段的入口。事实上,燃烧室和膨胀区段的界面区域甚至比燃气涡轮的燃烧室的隔热罩的其它部分更多地经历热气体摄入。
发明内容
因此,本发明的一个目的在于提供一种用于燃气涡轮热砖模块(heat tilesmodule)的燃烧室的金属隔热砖和燃气涡轮燃烧室,其允许克服所述限制。
根据本发明,提供了一种用于燃气涡轮发动机的燃烧室的金属隔热砖,该隔热砖包括:
屏蔽板,其具有第一面,该第一面在使用中暴露于流过燃气涡轮发动机的燃烧室的热气体、与第一面相对的第二面、以及后缘;
外沿,其从屏蔽板沿与其第一面相反的方向延伸,并具有第一侧部和与第一侧部相对的第二侧部;
后表面和在屏蔽板的第一面和后表面之间的后缘;
外沿中的多个密封孔;
其中:
屏蔽板的第一面构造为围绕中心轴线的旋转表面的一部分;
密封孔包括在外沿的第一侧部和第二侧部中的多个侧密封孔和在外沿的后部中的多个后密封孔,每个侧密封孔具有相应的侧孔轴线,并且每个后密封孔具有相应的后孔轴线;
对于每个侧密封孔,相应的侧孔轴线与第一参考平面形成±15°的第一角度,并且相应的侧孔轴线在第一参考平面上的投影与垂直于中心轴线的第二参考平面形成±30°的第二角度;
第一参考平面平行于中心轴线并垂直于包括中心轴线的屏蔽板的第一面的中平面。
由此实现的密封效果在防止相邻砖之间、且特别是砖的侧面上的热气体摄入方面非常有效。由于转移和排出热气体的有效性,隔热砖需要减少密封气流并有助于提高燃气涡轮发动机的效率和性能。
根据本发明的一个方面,侧密封孔具有在1mm和5mm之间的相应直径。
根据本发明的一个方面,外沿的第一侧部和第二侧部中的一个中的侧密封孔的第一角度在0°和15°之间,而外沿的第一侧部和第二侧部中的另一个中的侧密封孔的第一角度在0°和-15°之间。
因此可使得能够进一步提高密封效果。
根据本发明的一个方面,外沿的第一侧部和第二侧部中的一个中的侧密封孔的第一角度在0°和15°之间,而外沿的第一侧部和第二侧部中的另一个中的侧密封孔的第一角度在0°和-15°之间。
根据本发明的一个方面,分别设在第一侧部和第二侧部中的成对的相应侧密封孔布置成使得其出口位于平行于中心轴线的方向上的相应位置处。
以此方式,侧密封孔的相对倾斜和相应的轴向位置在两个相邻的砖之间的间隙中提供相反的密封作用,并且分别同时使密封作用有效。
根据本发明的一个方面,对于每个后密封孔,相应的后孔轴线与平行于中心轴线的方向形成5°和45°之间的第三角度。
后密封孔的构造在防止在砖下游的间隙中的热气体摄入方面特别有效,如在燃烧室和燃气涡轮发动机的膨胀区段的入口之间的界面处。
根据本发明的一个方面,第二面和外沿界定凹部,并且后密封孔的相应的后孔轴线倾斜,使得通过后密封孔从凹部流到外面的流体朝中心轴线引导。
根据本发明的一个方面,后密封孔具有在1mm和5mm之间的相应直径。
根据本发明的一个方面,后缘以第一曲率半径成圆形,第一曲率半径优选地在1mm和3mm之间。
根据本发明的一个方面,隔热砖18的后表面具有由脊部分开的第一凹入区域和第二凹入区域,所有均平行于外沿的第一侧部和第二侧部之间的后缘延伸。
根据本发明的一个方面,第一凹入区域由后缘和脊部界定,并且具有第二曲率半径,第二曲率半径优选地在20mm和30mm之间。
根据本发明的一个方面,外沿的第一侧部和第二侧部具有在平行于中心轴线的方向上交替的相应的侧向凸起和凹部,侧向凸起和凹部构造成使得当隔热砖和另一个相同的隔热砖并排布置时,隔热砖的交替的侧向凸起和凹部与另一个隔热砖的交替的侧向凸起和凹部接合。
外沿的侧部中的侧向凸起和凹部进一步同时通过在相邻的砖之间形成迷宫间隙来改善密封作用。
根据本发明的一个方面,燃气涡轮发动机包括设有隔热罩的环形燃烧室,其中隔热罩包括至少一个根据如上所限定的隔热砖,并且燃烧室围绕中心轴线延伸。
根据本发明的一个方面,燃气涡轮发动机包括膨胀区段,该膨胀区段具有入口导叶级,该入口导叶级构造成接收从燃烧室流出的热气体,其中隔热罩包括多个如上所限定的隔热砖,其围绕中心轴线布置,以在与膨胀区段的入口导叶级的界面处形成出口排。
根据本发明的一个方面,隔热罩的出口排和膨胀区段的入口导叶级通过环形间隙轴向分开,隔热砖具有相应的后缘,其朝向膨胀区段的入口导叶级轴向突出,从而部分地封闭间隙,并且后密封孔面向间隙。
由于隔热砖的后缘的形状,减少了需要防护热气体摄入的空间,特别是在燃烧室和燃气涡轮发动机的膨胀区段的界面处。因此,减少了对密封空气的需求。
根据本发明的一个方面,燃气涡轮发动机包括围绕燃烧室的空气仓室,其中燃烧室包括壳,隔热砖固定到该壳,并且其中冷却室限定在壳、第二面和相应隔热砖的外沿之间,冷却室通过壳中的进料孔流体地联接到空气仓室。
根据本发明的一个方面,密封层设在每个隔热砖的外沿和燃烧室的壳之间,密封层例如由陶瓷基质层限定。
附图说明
现在将参考附图描述本发明,所述附图示出了本发明的一些非限制性实施例,在附图中:
- 图1是沿纵向轴向平面切割的燃气涡轮发动机的横截面侧视图;
- 图2是沿纵向轴向平面切割的图1的燃气涡轮发动机的燃烧器的放大的横截面侧视图;
- 图3是根据本发明的一个实施例的沿纵向轴向平面切割并且包括隔热砖的燃烧器和图1的燃气涡轮发动机的膨胀区段的界面的放大横截面视图;
- 图4示出了图3的界面的放大细节;
- 图5是图3的隔热砖的后部(后)视图;
- 图6是图3的隔热砖的底视图,可见部分朝向燃烧器的外侧定向;
- 图7是图3的隔热砖的透视图;
- 图8是图2的燃烧器的壳的细节的透视图;
- 图9示意性地示出了与图3的隔热砖相关的量;
- 图10进一步放大地示出了图4的部分细节;
- 图11是根据本发明的另一个实施例的隔热砖的底视图;以及
- 图12是图11的隔热砖的侧视图。
具体实施方式
图1整体示出了发电厂的燃气涡轮发动机1。
燃气涡轮发动机1包括壳2和可旋转地安装在壳2中的转子3。壳2和转子3沿中心轴线AC延伸并形成压缩机4和涡轮或膨胀区段5。燃烧器7设在压缩机4和膨胀区段5之间,并且包括环形燃烧室8和多个烧嘴10,该环形燃烧室8也围绕中心轴线AC延伸。
空气仓室11围绕燃烧器7设置,用于供应用于燃烧的空气、冷却空气和密封空气。
如图2中所示,燃烧室8包括环形壳,该环形壳围绕中心轴线AC延伸并且包括第一径向外壳13和第二径向内壳14。燃烧室8设有隔热罩15,该隔热罩15覆盖在使用时暴露于热气体的第一壳13和第二壳14的表面,并且包括多个耐火隔热砖17和多个金属隔热砖18。耐火隔热砖17和金属隔热砖18所有都固定至第一壳13或第二壳14。耐火隔热砖17布置成多个环形排。在燃烧室8和膨胀区段5之间的界面处的出口排20(也参见图3)由金属隔热砖18形成。
图3和4更详细地示出了燃烧室8与燃气涡轮发动机1的膨胀区段5的入口导叶级21之间的界面,该入口导叶级21构造成接收从燃烧室8流出的热气体。在一个实施例中,金属隔热砖18的出口排20通过环形间隙22与入口导叶级21分开。
金属隔热砖18中的一个在图5-7中示出;理解的是,出口排20的所有其它金属隔热砖18具有相同的结构。
隔热砖18包括屏蔽板25,其具有在使用中暴露于流过燃烧室8的热气体的热面25a和与热面25a相对的冷面25b。此外,隔热砖18具有相对于热气流方向布置在下游的后面18a和在热面25a和后面18a之间的后缘18b。穿过屏蔽板25的中心孔26允许插入螺钉(未示出),用于以已知的方式将隔热砖18固定到第一壳13。除了诸如中心孔26的表面特征之外,屏蔽板25的热面25a基本上构造为围绕中心轴线的回转表面的一部分,在隔热砖18装配至第一壳13时,该中心轴线与燃气涡轮发动机1的中心轴线AC重合。隔热砖18还包括外沿27,该外沿27从屏蔽板25沿与热面25a相反的方向延伸,并与冷面25b一起界定凹部28。外沿27具有第一侧部27a、与第一侧部27a相对的第二侧部27b、以及至少部分地限定隔热砖18的后表面18a的后部27c。因此,冷却室29限定在各个隔热砖18的第一壳13、冷面25b和外沿27之间。如图3和8中所示,冷却室29通过第一壳13中的进料孔40流体地联接到空气仓室11。此外,密封层50设在每个隔热砖18的外沿27和燃烧室8的第一壳13之间。密封层50可例如由能够承受高达至少800℃的温度的陶瓷基质层限定,并且可具有与外沿27相同的轮廓,例如具有0.5-1.5mm的厚度。
在外沿27中设有多个密封孔。确切地说,密封孔包括在外沿27的第一侧部27a和第二侧部27b中的多个侧密封孔30以及在外沿27的后部27c中的多个后密封孔31。侧密封孔30和后密封孔31限定通路,以将密封空气从冷却室29供给到隔热砖18周围的外部,即,侧密封孔30和后密封孔31的入口是在冷却室29中。
分别设在第一侧部27a和第二侧部27b中的成对的相应侧密封孔30布置成使得其出口位于平行于中心轴线A的方向上的相应位置处。因此,相邻的隔热砖18的侧密封孔30的出口彼此面对地设置。
也如图9中所示,每个侧密封孔30具有相应的侧孔轴线AS,其与第一参考平面P1形成±15°的第一角度α。第一参考平面P1平行于中心轴线AC并垂直于包括中心轴线AC的屏蔽板25的热面25a的中平面PM。侧孔轴线AS在第一参考平面P1上的投影与垂直于中心轴线AC的第二参考平面P2形成±30°的第二角度β。在一个实施例中,侧密封孔30具有在1mm和5mm之间的相应直径。如在此理解的那样,当侧密封孔30的入口比出口(图5,左侧)更靠近屏蔽板25时,第一角度α是正的,而当侧密封孔30的入口距离屏蔽板25比出口(图5,右侧)更远时,第一角度α是负的。当侧密封孔30的入口相比出口与外沿27的后部27c更靠近(图6,左侧)或更远离(图6,左侧)时,第二角度β分别是正的或负的。
在一个实施例(图6)中,外沿27的第一侧部27a的侧密封孔30相对于第二侧部27b的侧密封孔30具有相反的倾斜度。换句话说,外沿27的第一侧部27a和第二侧部27b中的一个中的侧密封孔30的第一角度α在0°和15°之间,并且第一侧部27a和第二侧部27b中的另一个中的侧密封孔30的第一角度α在0°和-15°之间或全部在0°和-15°之间。
外沿27的第一侧部27a和第二侧部27b中的一个中的侧密封孔30的第二角度β在0°和30°之间,并且外沿27的第一侧部27a和第二侧部27b中的另一个中的侧密封孔30的第二角度β在0°和-30°之间。
如上所述构造的侧密封孔30在相邻砖之间的密封空间方面非常有效,并从而防止通过其的热气体摄入。实际上,侧密封孔30将密封空气的倾斜射流供给到相邻砖之间的空间中。密封空气的射流相互作用并产生循环,该循环避免热气体从燃烧室8朝向第一壳13通过。因此实现了改善的热保护和减少的空气消耗。
后密封孔31布置成面向间隙22(图3和4),使得从凹部28流出后密封孔31的密封空气供给到间隙中。每个后密封孔31具有相应的后孔轴线AA,其与平行于中心轴线AC的方向形成在5°和45°之间的第三角度γ。更确切地说,后密封孔31的后孔轴线AA是倾斜的,使得通过后密封孔31从凹部28流到外部的密封空气朝向中心轴线AC引导。后密封孔31也具有在1mm和5mm之间的相应直径。
如图4中所示,由于后密封孔31的倾斜,密封空气的射流引导越过间隙22,到达入口导叶级21的外部平台37并且朝向隔热砖18偏离,因此在间隙22中产生涡流V,其防止可能接近间隙22的热气体的摄入。
隔热砖18的后缘18b朝向膨胀区段5的入口导叶级21轴向突出并且部分地封闭间隙22。此外,后缘18b具有低于阈值半径的第一曲率半径R1,并且优选地在1mm和3mm之间。确切地说,曲率半径R足够小以确保从燃烧室8流出的气体HG从隔热砖18在后缘18b处分离,并且通过康达效应(Coanda effect)至少在基本负载操作条件下并且优选地在从最小环境负载到基本负载的负载范围内防止热气HG偏离到间隙22中。
如图10中所示,隔热砖18的后表面18a具有由脊部18e分开的第一凹入区域18c和第二凹入区域18d。第一凹入区域18c、第二凹入区域18d和脊部18e平行于后缘18b在外沿27的第一侧部27a和第二侧部27b之间延伸。第一凹入区域18c由后缘18b和脊部18e界定,并具有20mm至30mm之间的第二曲率半径R2。第二凹部18d区域在一侧由脊部18e界定,并且占据隔热砖18的后表面18a的剩余部分。与脊部18e相切的平面与屏蔽板25的中心孔26的轴线形成35°-45°的角度δ(见图3)。
隔热砖18的后表面18a的形状有助于激励涡流V,并因此改善间隙22的密封以防热气体摄取。
隔热砖18的后表面18a以及屏蔽板25的热面25a可设有隔热涂层55。可提供粘合层56以改善热障涂层55的粘合性。
图11和12示出了这里由数字118表示的隔热砖的一个实施例,其与图3-8的隔热砖18具有相同的总体结构,只是外沿127的第一侧部127a和第二侧部127b具有在平行于中心轴线的方向(这里未示出)上交替的相应的侧向凸起150和凹部151。侧向凸起150和凹部151构造成使得当相同的隔热砖118并排布置时,相邻的隔热砖118的交替的侧向凸起150和凹部151彼此接合。隔热砖118的侧面的形状形成迷宫,其有助于密封效果,因此进一步减少了对于密封空气的需要。为了有利于相邻的隔热砖18的安装和联接,侧向凸起150和凹部151的侧面152与平行于中心轴线AC的方向形成60°和90°之间的角度ε。
最后显而易见的是,在不脱离所附权利要求的保护范围的情况下,可对所描述和所示的所述隔热砖做出改变和变化。
具体而言,根据本发明的隔热的使用不限于燃烧室的出口处的最后一排。相反理解的是,所描述的隔热砖可良好地用于在与燃气涡轮发动机的膨胀区段的界面上游形成隔热罩的中间排。举例来说,根据本发明的一排隔热砖可设在最后一排附近。在此情况下的最后一排可具有任何常规类型。此外,所描述的隔热砖可用作任何上游排中的闭合砖。安装隔热罩排中的最后一块砖通常需要特殊的安装程序和手段。通常还需要特殊的砖。金属砖特别适合于此目的,因为允许制造中(例如形状中)的更大灵活性。因此,如上所述的隔热砖可用作封闭砖以改善效率和/或提供更可靠的保护以防止热气体的不利影响。
Claims (16)
1.一种用于燃气涡轮发动机的燃烧室的金属隔热砖,所述隔热砖包括:
屏蔽板(25),其具有在使用中暴露于流过燃气涡轮发动机(1)的燃烧室(8)的热气体的第一面(25a)、与所述第一面(25a)相对的第二面(25b);
后表面(18a)和所述屏蔽板(25)的第一面(25a)与所述后表面(18a)之间的后缘(18b);
外沿(27),其从所述屏蔽板(25)沿与其第一面(25a)相反的方向延伸,并具有第一侧部(27a)、与所述第一侧部(27a)相对的第二侧部(27b)、以及后部(27c);
所述外沿(27)中的多个密封孔(30,31);
其中:
所述屏蔽板(25)的第一面(25a)构造为围绕中心轴线(AC)的旋转表面的一部分;
所述密封孔(30,31)包括在所述外沿(27)的第一侧部(27a)和第二侧部(27b)中的多个侧密封孔(30)和所述外沿(27)的后部(27c)中的多个后密封孔(31),每个侧密封孔(30)具有相应的侧孔轴线(AS),并且每个后密封孔(31)具有相应的后孔轴线(AA);
对于每个侧密封孔(30),所述相应的侧孔轴线(AS)与第一参考平面(P1)形成±15°的第一角度(α),并且所述相应的侧孔轴线(AS)在所述第一参考平面(P1)上的投影与垂直于所述中心轴线(AC)的第二参考平面(P2)形成±30°的第二角度(β);
所述第一参考平面(P1)平行于所述中心轴线(AC),并垂直于包括所述中心轴线(AC)的所述屏蔽板(25)的第一面(25a)的中平面(PM)。
2.根据权利要求1所述的隔热砖,其中,所述侧密封孔(30)具有1mm和5mm之间的相应直径。
3.根据权利要求1所述的隔热砖,其中,所述外沿(27)的第一侧部(27a)和第二侧部(27b)中的一个中的所述侧密封孔(30)的第一角度(α)在0°和15°之间,并且所述外沿(27)的第一侧部(27a)和第二侧部(27b)中的另一个中的所述侧密封孔(30)的第一角度(α)在0°和-15°之间。
4.根据权利要求1所述的隔热砖,其中,所述外沿(27)的第一侧部(27a)和第二侧部(27b)中的一个中的所述侧密封孔(30)的第二角度(β)在0°和30°之间,并且所述外沿(27)的第一侧部(27a)和第二侧部(27b)中的另一个中的所述侧密封孔(30)的第二角度(β)在0°和-30°之间。
5.根据权利要求1所述的隔热砖,其中,分别设在所述第一侧部(27a)和第二侧部(27b)中的成对的相应侧密封孔(30)布置成使得其出口位于在平行于所述中心轴线(AC)的方向上的相应位置处。
6.根据权利要求1所述的隔热砖,其中,所述后密封孔(31)的后孔轴线(AA)与平行于所述中心轴线(AC)的方向形成在5°和45°之间的相应的第三角度(γ)。
7.根据权利要求6所述的隔热砖,其中,所述第二面(25b)和所述外沿(27)界定凹部(29),并且所述后密封孔(31)的各自的后孔轴线(AA)倾斜,使得通过所述后密封孔(31)从所述凹部(29)流到外面的流体朝所述中心轴线(AC)引导。
8.根据权利要求6所述的隔热砖,其中,所述后密封孔(31)具有在1mm和5mm之间的相应直径。
9.根据权利要求1所述的隔热砖,其中,所述后缘(18b)是圆形的,具有第一曲率半径(R1),所述第一曲率半径(R1)优选地在1mm和3mm之间。
10.根据权利要求9所述的隔热砖,其中,所述隔热砖18的后表面(18a)具有由脊部(18e)分开的第一凹入区域(18c)和第二凹入区域(18d),全部在所述外沿(27)的第一侧部(27a)和第二侧部(27b)之间平行于所述后缘(18b)延伸。
11.根据权利要求10所述的隔热砖,其中,所述第一凹入区域(18c)由所述后缘(18b)和所述脊部(18e)界定,并具有第二曲率半径(R2),所述第二曲率半径(R2)优选地在20mm和30mm之间。
12.根据权利要求1所述的隔热砖,其中,所述外沿(127)的第一侧部(127a)和第二侧部(127b)具有在平行于所述中心轴线(AC)的方向上交替的相应的侧向凸起(150)和凹部(151),所述横向凸起(150)和所述凹部(151)构造成使得当所述隔热砖和另一个相同的所述隔热砖并排布置时,所述隔热砖的交替的侧向凸起(150)和凹部(151)与所述另一个隔热砖的交替的侧向凸起(150)和凹部(151)接合。
13.一种燃气涡轮发动机,包括设有隔热罩(15)的环形燃烧室(8),其中所述隔热罩(15)包括根据前述权利要求中任一项所述的至少一个隔热砖(18;118),并且所述燃烧室(8)围绕所述中心轴线(AC)延伸。
14.根据权利要求13所述的燃气涡轮发动机,包括膨胀区段(5),所述膨胀区段(5)具有入口导叶级(21),所述入口导叶级构造成接收从所述燃烧室(8)流出的热气体,其中所述隔热罩(15)包括围绕所述中心轴线(AC)布置的根据权利要求1至12中任一项所述的多个绝缘砖,以在与所述膨胀区段的所述入口导叶级(21)的界面处形成出口排。
15.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机,其中,所述隔热罩(15)的出口排和所述膨胀区段的入口导叶级(21)通过环形间隙(22)轴向分开,所述隔热砖(18)的所述后缘(18b)朝所述膨胀区段的入口导叶级(21)轴向突出,从而部分地封闭所述间隙(22),并且所述后密封孔(31)面向所述间隙(22)。
16.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机,其中,所述后缘(18b)以第一曲率半径(R1)成圆形,所述第一曲率半径(R1)优选地在1mm和3mm之间,且其中隔热砖(18;118)的后缘(18b)的第一曲率半径(R1)低于阈值半径,使得所述第一曲率半径(R1)通过至少在基本负载操作条件下从所述燃烧室(8)流出的热气体(HG)的康达效应防止偏离到所述间隙(22)中。
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