CN111751078A - 在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法和多电高温涡轮模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法和多电高温涡轮模拟器，涉及发动机领域。该在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法包括：根据获取的目标流量、目标压比和目标排气总温，计算出在目标工作状态下的目标转速；根据目标排气总温，计算目标余气系数；根据目标转速，控制电机，使电机的转速等于目标转速；在目标转速下，控制喷管的喉道面积，以使多电高温涡轮模拟器的压比为目标压比；在目标压比下，根据目标余气系数，控制燃烧室的燃油泵，以使燃烧室的余气系数等于目标余气系数。本发明实施例能够实现模拟真实涡轮发动机工作状态或缩比模拟发动机工作状态的功能。

Description

在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法和多电高温涡轮模 拟器

技术领域

本发明涉及发动机领域，具体而言，涉及一种在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法和多电高温涡轮模拟器。

背景技术

涡轮模拟器又称涡轮动力模拟器(Turbine Powered Simulator,简称TPS)，是一种用于在飞行器缩比风洞试验研究中用于模拟发动机的进排气流场，以反映发动机工作对飞行器的影响的试验装置。

目前常见的涡轮模拟器方案有以下2种：

第一，压缩空气驱动的方案。这种涡轮模拟器以压缩空气为能源，驱动涡轮，涡轮带动轴流压气机由进气口抽吸空气，向后排出。轴流压气机排气与涡轮排气混合共同排出成为喷流。这种方案应用较为广泛。由于不使用高温部件，技术相对简单，使用比较方便。

第二，电驱动涡轮动力模拟器(Electric Motor Powered Aero-engineSimulation，简称EMPAS)。这种涡轮模拟器以电机驱动轴流压气机，取代压缩空气驱动的空气涡轮。此装置不需要额外提供压缩空气，但需要供电。

以上两种涡轮模拟器的核心功能部件均是轴流压气机，区别在于采用何种方式带动轴流压气机转动。都是通过轴流压气机部件的工作实现对气流抽吸、增压作用，并藉由轴流压气机后较高的压力实现高速喷射，以在风洞试验或其它试验中模拟发动机对进气道的反压作用，和机身周围的流场分布影响。

现有的两种涡轮模拟器出口气流温度低，而真实发动机出口气流温度较高。而且排气速度较低，与真实发动机差异很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法和多电高温涡轮模拟器，其能够实现模拟真实涡轮发动机工作状态或缩比模拟发动机工作状态的功能。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供一种在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法，用于在试验中，利用多电高温涡轮模拟器，模拟真实涡轮发动机的性能参数，所述多电高温涡轮模拟器包括：外机匣、内机匣、压缩装置、电机、燃烧室和喷管，所述内机匣安装于所述外机匣内，并与所述外机匣围成进气通道，所述电机安装于所述内机匣内，所述压缩装置与所述电机传动连接，所述燃烧室与所述外机匣连接，并与所述压缩装置的出口通道连通，所述喷管与所述燃烧室连接，所述方法包括：

获取目标工作状态的目标流量、目标压比和目标排气总温；

根据所述目标流量、所述目标压比、所述目标排气总温、以及所述压缩装置的特性，计算出在所述目标工作状态下的目标转速；

根据所述目标排气总温，计算目标余气系数；

根据所述目标转速，控制所述电机，使所述电机的转速等于所述目标转速；

根据所述目标余气系数，控制所述燃烧室的燃油泵，以使所述燃烧室的余气系数实时动态地等于所述目标余气系数；

在所述目标转速和余气系数下，控制所述喷管的喉道面积，以使所述多电高温涡轮模拟器的压比为所述目标压比。

在可选的实施方式中，在所述获取目标工作状态的目标流量、目标压比和目标排气总温的步骤之前，所述方法还包括：

获取目标发动机的高度速度特性和节流特性；

根据所述高度速度特性和所述节流特性，计算得到所述目标发动机在飞行包线内，任一高度马赫数、任一油门杆位置下的进气流量、压比和排气总温。

第二方面，本发明实施例提供一种多电高温涡轮模拟器，包括外机匣、内机匣、压缩装置、电机、燃烧室、喷管、燃油泵和控制器；

所述内机匣安装于所述外机匣内，并与所述外机匣围成进气通道；

所述电机安装于所述内机匣内，所述压缩装置与所述电机传动连接，所述控制器与所述电机通信连接，用于控制电机，以控制所述压缩装置的转速；

所述燃烧室与所述外机匣连接，所述喷管与所述燃烧室连接，并与所述控制器通信连接，所述控制器还用于控制所述喷管的吼道面积；

所述燃油泵与所述燃烧室连接，并与所述控制器通信连接，所述控制器还用于控制所述燃油泵，以控制进入所述燃烧室的燃油流量。

在可选的实施方式中，所述多电高温涡轮模拟器还包括与所述控制器通信连接的传感器组，所述传感器组用于获取所述电机的当前转速、所述喷管的排气总温、所述进气通道的进气压力和所述喷管的排气压力。

在可选的实施方式中，所述压缩装置为离心压气机或轴流压气机，所述离心压气机或所述轴流压气机与所述电机传动连接。

在可选的实施方式中，所述喷管为可调喷管，所述控制器还用于控制所述可调喷管的喉道面积。

本发明实施例的有益效果是：多电高温涡轮模拟器是采用电机为动力，驱动轴流压气机或压气机等压缩装置，提高气流总压。气流流动到燃烧室通过与燃料混合燃烧升温，获得高温高压的燃气，并由喷管排出，获得模拟真实发动机的高速高温射流。该多电高温涡轮模拟器的结构简单。该在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法基于该多电高温涡轮模拟器，获取发动机在目标工作状态下的流量、压比和排气总温，即目标流量、目标压比和目标排气总温。根据该目标流量、目标压比和目标排气总温、以及压缩装置的特性，计算该发动机在目标工作状态下的目标转速，并控制电机，使其转速等于目标转速；根据目标排气总温，计算燃烧室的目标余气系数，并根据该目标余气系数，控制燃烧室的燃油泵，使其余气系数实时动态地等于目标余气系数。在目标转速和目标余气系数下，控制喷管的喉道面积，使压比为目标压比。通过上述调节，可以实现模拟真实涡轮发动机工作状态或缩比模拟发动机工作状态的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法的流程示意框图；

图2为本发明实施例提供的多电高温涡轮模拟器的结构示意图；

图3为多电高温涡轮模拟器和加力涡喷发动机的热力过程P-V图；

图4为图2中内外机匣的结构示意图。

图标：100-多电高温涡轮模拟器；110-外机匣；120-内机匣；121-第一安装部；122-第二安装部；1221-连接部；1222-延伸部；1223-轴承安装部；130-压缩装置；140-电机；150-燃烧室；160-喷管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明实施例提供一种多电高温涡轮模拟方法，可以利用如图2所示的多电高温涡轮模拟器100模拟真实发动机的工作状态，使涡轮发动机的自由射流试验易于开展。

如图2所示，该多电高温涡轮模拟器100包括：外机匣110、内机匣120、压缩装置130、电机140、燃烧室150和喷管160，内机匣120安装于外机匣110内，并与外机匣110围成进气通道，电机140安装于内机匣120内，压缩装置130与电机140传动连接，燃烧室150与外机匣110连接，并与进气通道连通，喷管160与燃烧室150连接。

需要说明的是，对于现有技术中的两种涡轮模拟器：压缩空气驱动的TPS采用一定气流流量的压缩空气驱动空气涡轮，这部分气体经涡轮膨胀后排出，其气体状态参数与真实涡扇发动机的内涵气流差异较大。大涵道比涡扇发动机核心机流量较小，因此可以一定程度上忽略TPS核心气流状态与真实发动机差异较大的问题。但小涵道比涡扇发动机和涡喷发动机核心机内涵排气占发动机排气的大部分或全部流量，采用压缩空气驱动的TPS模拟发动机喷流误差较大。所以，压缩空气仅适合在飞机风洞试验中模拟低飞行马赫数的大涵道比涡扇发动机。

压缩空气驱动的TPS进出口流量差异较大。进气流量为轴流压气机流量，压缩空气由管路引入TPS内部，不由轴流压气机进气口进入，而与轴流压气机排气流共同排出，因此排气流量为轴流压气机流量与压缩空气流量之和。因此用以模拟发动机工作引入了一定的误差。模拟对象发动机涵道比越小，误差越大，通常不用于模拟涵道比3以下的发动机。

电驱动涡轮动力模拟器(简称EMPAS)进出口流量连续，与真实发动机较为一致，但由于没有加温能力，同样无法真实模拟发动机工作状态。排气的温度和速度都与真实发动机有差异，同样不适用于涵道比较小的发动机模拟。

以上两种方案，均不适合在风洞试验中模拟小涵道比涡扇发动机、涡喷发动机以及带加力的涡喷、涡扇发动机。由于模拟发动机排气速度和温度误差较大，也不能用于在进气道/发动机/排气系统联合试验中模拟真实涡轮发动机的工作。

而在本发明实施例中，该多电高温涡轮模拟器100是采用高速电机140为动力，驱动轴流压气机或压气机等压缩装置130，提高气流总压。气流流动到燃烧室150通过与燃料混合燃烧升温，获得高温高压的燃气，并由喷管160排出，获得模拟真实发动机的高速高温射流。

如图1所示，该在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法包括以下步骤。

步骤S100：获取目标工作状态的目标流量、目标压比和目标排气总温。

需要说明的是，在本发明实施例中，在上述的步骤S100：获取目标工作状态的目标流量、目标压比和目标排气总温的步骤之前，该方法还可以包括：

步骤S10：获取目标发动机的高度速度特性和节流特性；

步骤S20：根据高度速度特性和节流特性，计算得到目标发动机在飞行包线内，任一高度马赫数、任一油门杆位置下的进气流量、压比和排气总温。

在该步骤S20中，获得了目标发动机的飞行包线内的进气流量、压比和排气总温等参数；在上述的步骤S100中，可以从步骤S20所获得的参数中，选择需要模拟的目标工作状态下的参数，即上述的目标工作状态的目标流量、目标压比和目标排气总温。

步骤S200：根据目标流量、目标压比、目标排气总温、以及压缩装置130的特性，计算出在目标工作状态下的目标转速。

步骤S300：根据目标排气总温，计算目标余气系数。

在该步骤S200和S300中，可以参考现有计算公式实现目标转速和目标余气系数的计算。

步骤S400：根据目标转速，控制电机140，使电机140的转速等于目标转速。

在该步骤S400中，可以通过转速传感器获取电机的实时转速，以便根据目标转速将该电机的转速调节为目标转速。

步骤S500：根据目标余气系数，控制燃烧室150的燃油泵，以使燃烧室150的余气系数实时动态地等于目标余气系数。

步骤S600：在目标转速和余气系数下，控制喷管160的喉道面积，以使多电高温涡轮模拟器100的压比为目标压比。

需要说明的是，在利用该多电高温涡轮模拟器100模拟真实涡轮发动机工作状态或缩比模拟发动机工作状态时，以加力涡喷发动机为例与多电高温涡轮模拟器100进行热力循环过程对比。请参阅图3，其为两者在工作过程中的P-V图(气体压力和体积关系图)。

如图3所示，在P-V图中表达加力涡喷发动机的热力过程为中的2-3-4-5-7-9过程。其中，2-3为压缩过程，在发动机上由压气机实现；3-4为等压加热过程，在发动机中由燃烧室150实现；4-5为膨胀做功过程，在发动机中由涡轮实现；5-7为等压加热过程，在发动机中由加力燃烧室150实现；7-9过程为膨胀排气过程，在发动机中由喷管160实现。

本发明实施例提供的多电高温涡轮模拟器100以及基于该多电高温涡轮模拟器100的在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法，其热力循环过程在图4所示的P-V图中为2-3’-7’-9过程。其中2-3’是压缩过程，由轴流压气机或压气机等压缩装置130实现；3’-7’是等压加热过程，由燃烧室150实现；7’-9为膨胀排气过程，由喷管160实现。2由工作环境决定，3’由压气机转速和流量控制，其中流量由喷管160面积决定，由于3’和7’压力相等，进而也就控制了7’的压力；7’的比体积由燃烧温度决定，燃烧温度由燃烧室150的油气比决定，可以通过供油量控制和保证，这样就可以实现7和7’点完全重合。在两者喷管160均完全膨胀的情况下，9由环境决定。这样就实现了发动机进出口截面相同的气动参数。

从发动机性能的角度，Pt3/Pt2(图3中，3点与2点的总压之比)即涡轮发动机涡轮出口总压与发动机进口总压之比(称为EPR)。本发明实施例通过电驱动压缩装置130的压比模拟了EPR，通过燃烧室150出口总温Tt7’模拟涡轮发动机加力燃烧室150出口总温Tt7，从而实现模拟真实发动机必要的性能参数。

同时，本发明实施例提供的多电高温涡轮模拟器100及其对应的多电高温涡轮模拟方法，其在热力循环中，没有3’-3-4-5的热力循环过程，减小了循环功，简化了热力过程，因此，可以比真实的涡轮发动机大幅度简化结构，降低技术难度和成本。同时，可以做到进、出口的参数与所模拟的目标发动机相同，可以实现模拟真实发动机对上游的进气道和下游的排气系统的作用，可以满足进气道、发动机、排气系统之间的匹配试验研究的需求。本发明实施例能够简化热力循环过程，简化功能结构，实现各模拟参数的独立调节，在满足模拟发动机进出口气流单位参数的同时实现涡轮发动机的缩比模拟。

综上，本发明实施例提供的多电高温涡轮模拟器100可以建立涡轮发动机的缩比模型。采用多电高温涡轮模拟器100可以保持单位气动参数与真实发动机一致而按一定比例缩小流量，实现对真实发动机的缩比模拟，满足自由射流试验设备较小的流量和尺寸条件，解决涡轮发动机难以开展自由射流、半自由射流等试验，其设备对尺寸敏感的问题。

请继续参阅图2，本发明实施例提供一种多电高温涡轮模拟器100，包括外机匣110、内机匣120、压缩装置130、电机140、燃烧室150、喷管160、燃油泵和控制器；内机匣120安装于外机匣110内，并与外机匣110围成进气通道；电机140安装于内机匣120内，压缩装置130与电机140传动连接，控制器与电机140电连接，用于控制电机140，以调节压缩装置130的转速；燃烧室150与外机匣110连接，喷管160与燃烧室150连接，燃油泵与燃烧室150连接，控制器与燃油泵电连接，用于控制燃油泵，以调节进入燃烧室150的燃油流量。

在本发明实施例中，采用燃烧室150模拟发动机出口温度，实现对涡轮发动机进出口总温、总压、马赫数、密度等气流状态参数的全面模拟。通过电机140控制压缩装置130的转速并配合排气面积的调节控制流量和压比，通过供油量控制燃烧温度，实现多电高温涡轮模拟器100工作状态可控，可满足对发动机变化的工作状态的模拟。通过对轴流压气机气流加温而不大幅度增减工质的方式，满足进出口流量连续的条件，符合真实发动机工作的特点。

进一步地，该控制器还可以用于存储进气通道的目标转速、目标压比和目标排气总温，控制器可以用于控制电机140，使压缩装置130的转速为目标转速；还可以用于控制燃烧室150的燃油泵，以使燃烧室150的余气系数实时动态地等于目标余气系数；还可以用于控制喷管160的喉道面积，以使多电高温涡轮模拟器100的压比为目标压比。

在本发明实施例中，该控制器还可以用于存储压缩装置130的特性数据。

可选地，压缩装置130可以为离心压气机或轴流压气机，该离心压气机或轴流压气机与电机140传动连接，可以通过你控制电机140，控制离心压气机或轴流压气机的转速，从而控制进风量。压气机和轴流压气机的尺寸较小，能使多电高温涡轮模拟器100结构紧凑。

在可选的实施方式中，该多电高温涡轮模拟器100还可以包括传感器组，传感器组与控制器电连接，传感器组用于获取多电高温涡轮模拟器100的数控采集参数，并将数控采集参数传输至控制器；控制器还用于根据数控采集参数控制压缩装置130、燃油泵和喷管160，使电机140转速为目标转速、燃烧室150的余气系数为目标余气系数、模拟器的压比为目标压比。

可选地，该传感器组可以包括均与控制器通信连接的转速传感器、燃油流量传感器和压力传感器；该转速传感器用于获取电机140的转速；燃油传感器用于获取进入到燃烧室150内的燃油流量；压力传感器设置于压缩装置130气流出口，用于间接获取压缩装置130的压比。可选地，该转速传感器、燃油流量传感器和压力传感器获取的参数可以存储在控制器中。

可选地，上述的压缩装置130为轴流压气机，轴流压气机套设于电机140的转轴上，并与转轴同轴转动，轴流压气机延伸至进气通道并靠近进气通道的进气口处，转轴与内机匣120转动连接。

请参阅图4，进一步地，内机匣120设置有第一安装部121和第二安装部122，第一安装部121与外机匣110连接，第二安装部122与转轴转动连接。

更进一步地，第二安装部122包括依次连接的连接部1221、延伸部1222和轴承安装部1223，连接部1221设置于内机匣120上，轴承安装部1223与转轴通过轴承转动连接。

可选地，转轴位于内机匣120内，且转轴为中空结构。

可选地，转轴上设置有与转轴内腔连通的多个通风孔。

请结合参阅图1至图4，本发明实施例提供的在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法和多电高温涡轮模拟器100：该多电高温涡轮模拟器100是采用电机140为动力，驱动轴流压气机或压气机等压缩装置130，提高气流总压。气流流动到燃烧室150通过与燃料混合燃烧升温，获得高温高压的燃气，并由喷管160排出，获得模拟真实发动机的高速高温射流。该多电高温涡轮模拟器100的结构简单。该在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法基于该多电高温涡轮模拟器100，获取发动机在目标工作状态下的流量、压比和排气总温，即目标流量、目标压比和目标排气总温。根据该目标流量、目标压比和目标排气总温、以及压缩装置130的特性，计算该发动机在目标工作状态下的目标转速，并控制电机140，使其转速等于目标转速；根据目标排气总温，计算燃烧室150的目标余气系数，并根据该目标余气系数，控制燃烧室150的燃油泵，使其余气系数实时动态地等于目标余气系数。在目标转速和目标余气系数下，控制喷管160的喉道面积，使压比为目标压比。通过上述调节，可以实现模拟真实涡轮发动机工作状态或缩比模拟发动机工作状态的功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法，用于在试验中，利用多电高温涡轮模拟器，模拟真实涡轮发动机的性能参数，其特征在于，所述多电高温涡轮模拟器包括：外机匣、内机匣、压缩装置、电机、燃烧室和喷管，所述内机匣安装于所述外机匣内，并与所述外机匣围成进气通道，所述电机安装于所述内机匣内，所述压缩装置与所述电机传动连接，所述燃烧室与所述外机匣连接，并与所述压缩装置的出口通道连通，所述喷管与所述燃烧室连接，所述方法包括：

获取目标工作状态的目标流量、目标压比和目标排气总温；

根据所述目标流量、所述目标压比、所述目标排气总温、以及所述压缩装置的特性，计算出在所述目标工作状态下的目标转速；

根据所述目标排气总温，计算目标余气系数；

根据所述目标转速，控制所述电机，使所述电机的转速等于所述目标转速；

根据所述目标余气系数，控制所述燃烧室的燃油泵，以使所述燃烧室的余气系数实时动态地等于所述目标余气系数；

在所述目标转速和余气系数下，控制所述喷管的喉道面积，以使所述多电高温涡轮模拟器的压比为所述目标压比。

2.根据权利要求1所述的在试验中模拟涡轮发动机性能参数的方法，其特征在于，在所述获取目标工作状态的目标流量、目标压比和目标排气总温的步骤之前，所述方法还包括：

获取目标发动机的高度速度特性和节流特性；

根据所述高度速度特性和所述节流特性，计算得到所述目标发动机在飞行包线内，任一高度马赫数、任一油门杆位置下的进气流量、压比和排气总温。

3.一种多电高温涡轮模拟器，其特征在于，包括外机匣、内机匣、压缩装置、电机、燃烧室、喷管、燃油泵和控制器；

所述内机匣安装于所述外机匣内，并与所述外机匣围成进气通道；

所述电机安装于所述内机匣内，所述压缩装置与所述电机传动连接，所述控制器与所述电机通信连接，用于控制电机，以控制所述压缩装置的转速；

所述燃烧室与所述外机匣连接，所述喷管与所述燃烧室连接，并与所述控制器通信连接，所述控制器还用于控制所述喷管的吼道面积；

所述燃油泵与所述燃烧室连接，并与所述控制器通信连接，所述控制器还用于控制所述燃油泵，以控制进入所述燃烧室的燃油流量。

4.根据权利要求3所述的多电高温涡轮模拟器，其特征在于，所述多电高温涡轮模拟器还包括与所述控制器通信连接的传感器组，所述传感器组用于获取所述电机的当前转速、所述喷管的排气总温、所述进气通道的进气压力和所述喷管的排气压力。

5.根据权利要求3所述的多电高温涡轮模拟器，其特征在于，所述压缩装置为离心压气机或轴流压气机，所述离心压气机或所述轴流压气机与所述电机传动连接。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的多电高温涡轮模拟器，其特征在于，所述喷管为可调喷管，所述控制器还用于控制所述可调喷管的喉道面积。

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