CN112628065A - 风能设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风能设备(100)，其具有带有至少一个转子叶片(108)的空气动力学的转子(106)，转子叶片(108)具有主动的流控制装置，其构成用于主动地影响在转子叶片上的流，流控制装置(128)包括转子叶片表面上的开口，其称为转子叶片表面开口(130)，流控制装置(128)设置用于，通过转子叶片表面开口(130)以可控制的空气流抽吸和/或吹出空气，风能设备(100)具有控制器(112)，其设置用于，根据以下规则中的至少一项规则控制穿过转子叶片表面开口(130)的可控制的空气流的量：当超过转子的转速(n)的转速阈值时，随转速升高而逐渐提高最大可控制的空气流，当超过转子的扭矩(M)的扭矩阈值时，随扭矩升高而逐渐提高最大可控制的空气流。

Description

风能设备
技术领域
本发明涉及一种风能设备，其具有带有至少一个转子叶片的空气动力学的转子，其中转子叶片具有主动的流控制装置，所述流控制装置构成用于，主动地影响在转子叶片上的流。
背景技术
已知用作风能设备的转子叶片的被动的流控制措施的涡流发生器。所述涡流发生器基本上是用来延迟在转子叶片轮廓上的流的分离，或更确切地说是使所述流朝向更大的迎角移动。因此，通过使用涡流发生器可以在更大的迎角范围内运行转子叶片，而不会引起流分离。因此，大的迎角范围是有利的，因为风能设备处于非常不同的运行条件下，在某些情况下甚至偏离设计点。
因此，为了确保尽可能少波动并且同时最优的设备产能，必须确保在转子叶片上尽可能在所有工作点上都不会发生流分离，否则可能会导致风能设备中的显著的功率损失。
可能导致迎角关键性地增加的已知运行条件例如是：被雨水润湿或被其他污染的转子叶片，入流中的高涡流强度，当设备部分地遇到障碍时在入流中的地面边界层的高垂直剪切力，相对于设计空气密度降低的空气密度。为了能够抵挡所有这些影响因素，已将涡流发生器构造为低成本的且有效的被动的流控制装置。通常，将涡流发生器在转子叶片的吸力侧上直至相对转子半径r/R＝0.2-0.7的区域中安装，在个别情况下，也在压力侧上进行安装，并且越来越多地也在吸力侧上直至在r/R＝0.95-1的叶片尖部的区域中进行安装。
涡流发生器的安装然而在产能和噪声方面是非关键性的。涡流发生器在转子叶片上的边界层流中产生纵向涡流，这导致靠近叶片边界层中的壁的流速提高，由此实际上降低了边界层分离的风险，同时当然在此提高了摩擦阻力，这会造成滑动系数的显着下降。已知的是，滑动系数对设备功率的影响随着越来越靠近叶片尖部而显著增加。
已知的涡流发生器的缺点在于，其在例如因为没有下雨而不需要稳定作用的工作区域中或工作点处也具有降低功率的影响。由于存在固定的，即持久地安装的涡流发生器，因此，其产能低于其在如下工作点处能达到的产能，在所述工作点处存在于转子叶片上的迎角是足够小的且不会出现流分离的情况。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是，提供具有改善的产能的风能设备。尤其，为此本发明的目的是，提供一种风能设备，其仅在存在流分离的风险时，才调取涡流发生器的稳定作用，其中在所有其他情况下放弃对边界层流的干扰性的干预。
根据本发明，所述目的通过一种风能设备实现，其具有带有至少一个转子叶片的空气动力学的转子。转子叶片具有主动的流控制装置，所述流控制装置构成用于，主动地影响在转子叶片上的流。流控制装置包括转子叶片表面上的开口，其称为转子叶片表面开口，其中流控制装置设置用于，通过转子叶片表面开口以可控制的空气流吸入和/或吹出空气。风能设备具有控制器，所述控制器设置用于，根据以下规则中的至少一项规则控制穿过转子叶片表面开口的可控制的空气流的量：a)当超过转子的转速的转速阈值时，随转速升高而逐渐提高最大可控制的空气流，和/或b)当超过转子的扭矩的扭矩阈值时，随扭矩增加而逐渐提高最大可控制的空气流。
根据本发明进一步提高转子叶片的产能。原则上，涡流发生器的稳定边界层流的作用仅在存在流分离的风险时才使用，为此设有主动的流控制装置。如果不存在所述风险，理想地应当放弃所有对边界层流进行干扰的干预。
主动的流控制装置由于动量和/或能量的输入具有类似于固定的涡流发生器的对边界层流的稳定作用。主动的流控制装置优选以如下方式工作，使得经由转子叶片表面上的开口以稳定或非稳定的方式吹入或吸出空气。通过吹入或吸出，在开口处产生纵向涡流，所述纵向涡流导致靠近壁的流速增加，进而使边界层流稳定以防止流分离。
该主动的流控制装置的优点在于，可以根据需要打开或关闭空气的吹出或抽吸。由此，可以消除现有技术的被动的涡流发生器的主要缺点，即仅在由于存在的边界条件而必要时才将流稳定以防止分离，否则不进行稳定，以便不必忍受控制措施的降低功率的作用。
通过根据本发明地操控主动的流控制装置，即当超过转子的转速的转速阈值时，随转速增加而逐渐提高最大可控制的空气流和/或当超过转子的扭矩的扭矩阈值时，随扭矩增加而逐渐提高最大可控制的空气流，现在保证：正是当存在分离的风险时和仅当存在分离的风险时，才真正进行流的稳定以防止分离。借助于所述方式由此可以总体上进一步提高设备产能。
最大可控制的空气流可以在一个实施方式中经由转子叶片表面的一个或多个开口上的最大垂直于壁的速度的值来确定和表达。这尤其在垂直于转子叶片的表面敞开的开口的情况下是有利的。在其他情况下，例如当空气流与转子叶片表面的法线成角度地吹出或抽吸时，特别有利的是，作为体积流确定或控制空气流的量。
在此，在一定的边界内通常可以假定，随着可控制的空气流的量增加，稳定作用，即防止转子叶片上的流分离的作用增加。
因此，本发明的一个方面基于：限制最大空气流。所述最大空气流不必强制性在整个开口或整个转子叶片上是恒定的和是用于控制的，更确切地说，根据本发明的调节提供如下可能性，即沿转子叶片的纵向方向设置不同的出流，其中限制在整个转子叶片上的最大空气流。
据此，根据本发明在超过转速阈值或扭矩阈值时最大可控制的空气流随着转速增加或扭矩增加而逐渐提高。特别优选地，最大可控制的空气流逐渐提高，直至大于所述转速阈值或扭矩阈值的第二转速阈值或第二扭矩阈值，并且在超过第二转速阈值或第二扭矩阈值时不再继续提高，尽管转速或扭矩继续增加。
优选地，正值对应于吹出，也就是说穿过开口向外的空气流，而负值对应于抽吸。特别优选可行的是，在转子叶片的不同的运行区域中和/或不同的位置处既出现吹出又出现抽吸。
优选地，流控制装置设置用于沿着转子的转子叶片长度改变穿过转子叶片表面开口的空气流的量。
特别有利地，这在设备转速恒定时实现。
开口在此可以包括唯一的拉长的开口，所述开口基本上沿转子叶片纵向方向伸展，或者包括多个子开口，例如缝隙或孔，所述子开口沿转子叶片纵向方向设置在不同位置上。多个子开口可以在沿轮廓深度方向的相同位置处构成或在沿轮廓深度方向的不同位置处构成。例如，多排子开口也可以在沿轮廓深度方向的不同位置处构成并且分别基本上沿转子叶片纵向方向延伸。
特别优选地，开口在转子叶片的前缘的周围的区域中设置，例如在局部轮廓深度的5％至35％的区域中，优选在局部轮廓深度的15％至35％的区域中并且特别优选在局部轮廓深度的20％至35％的区域中设置。替选地或附加地，另外的开口在转子叶片后缘的区域中，例如在局部轮廓深度的30％至100％的区域中，特别优选80％至100％的区域中设置。在这两种情况下开口构成为唯一的拉长的开口或构成为多个子开口。
优选地，控制器设置用于，控制穿过转子叶片表面开口的可控制的空气流的量，使得空气流的量在转子叶片长度上减小。
优选地，控制器设置用于，根据空气密度控制穿过转子叶片表面开口的可控制的空气流的量，尤其控制成，使得所述量在转子叶片长度上的减小量随着空气密度减小而减小。
优选地，控制器设置用于，根据涡流强度控制穿过转子叶片表面开口的可控制的空气流的量，使得所述量在转子叶片长度上的减小量随着涡流强度减小而增加。
本实施方案基于的认识是，较低的涡流强度仅需要在靠近转子叶片根部的区域中的吹出或抽吸。特别有利的是，本实施方案与根据例如在冬季的空气密度的控制的组合。
优选地，控制器设置用于，根据转子的方位角改变穿过转子叶片表面开口的空气流的量。
在此，尤其在设备转速恒定时可以考虑竖直的和/或水平的剪切力的作用。
优选地，控制器设置用于，关于方位角周期性地控制穿过转子叶片表面开口的空气流的量，使得在转子叶片的具有最大离地距离的方位位置，称为12点钟位置处，出现比具有最小离地距离的称为6点钟位置的方位位置中更大的通过转子叶片表面开口的空气流的量。所述控制器在具有正的剪切系数的竖直剪切力的情况下，即当风速随着高度增加时是特别有利的，通常是这种情况。
对于风速随着在地面上方的高度增加而减小的情况，也就是说在12点钟位置中的风速小于在6点钟位置中的风速，竖直剪切力具有负的剪切系数。在此情况下，控制器特别优选设置用于，关于方位角周期性地控制穿过转子叶片表面开口的空气流的量，使得在12点钟位置处出现比在6点钟位置中更小的穿过转子叶片表面开口的空气流的量。
由此特别优选地可以抵抗竖直的风剪切，即抵抗风速和/或风向在高度上的变化。
类似地，附加地或替选地可以通过沿水平方向在两侧，即3点钟位置和9点钟位置的改变的控制来考虑水平的风剪切，所述水平的风剪切例如由于障碍物的尾流而引起。
优选地，流控制装置的开口构成为，使得空气流基本上平行于转子叶片表面流出或流入。
由此，特别低阻力的吹出/抽吸是可能的。替选地，开口可以相对于转子叶片表面至少部分地和/或部段地倾斜或平行地构成，例如具有突起部、倾斜部和/或棱边。由此可考虑在量和方向方面可几乎任意地限定的空气流。
优选地，穿过流控制装置的开口的空气流经由流速和/或吹出率或抽吸率控制。
优选地，吹出率或抽吸率作为表面孔隙率和如下比的乘积确定，所述比是在开口上的平均吹出速度或抽吸速度与不受干扰的流的相对入流速度的比。
在此，表面孔隙率优选限定为敞开的面积，即由一个或多个开口形成的面积与转子叶片总表面积的比例。
优选地，开口包括多个在转子叶片长度上分布的子开口。子开口可以构成为缝隙或构成为不同成形的开口，所述开口例如具有矩形的、圆的、椭圆的或任意形状的横截面。
附图说明
下面，参照附图描述其他优点和优选的设计方案。在此示出：
图1示意地和示例地示出风能设备；
图2示意地和示例地示出转子叶片；
图3示意地和示例地示出在控制器中执行的结果；
图4示意地和示例地示出在控制器中执行的结果；以及
图5示意地和示例地示出在控制器中执行的结果。
具体实施方式
图1示出根据本发明的风能设备的示意图。风能设备100具有塔102和在塔102上的吊舱104。在吊舱上设有空气动力学的转子106，所述转子具有三个转子叶片108和导流罩110。空气动力学的转子106在风能设备的运行中由风置于转动运动中进而也转动发电机的电动的转子或转动件，所述电动的转子或转动件直接或间接与空气动力学的转子106耦联。发电机设置在吊舱104中并且产生电能。风能设备100的运行由控制器112控制。控制器112可以完全地或部分地在吊舱104、塔102之内实现或者也远离风能设备100，例如在风电厂的风电厂中央控制机构中实现。
图2示出图1的风能设备100的转子叶片108的示意图。转子叶片108沿转子叶片纵向方向L从转子叶片根部114延伸至转子叶片尖部116。转子叶片108沿转子叶片纵向方向的长度由于装入转子106中也称作为半径R。
在转子叶片根部114的区域中设有用于将转子叶片108与转子106的转子叶片轮毂连接的叶片接口118。转子叶片108的桨距角可以通过例如在相应的转子叶片108的转子叶片根部114上的变桨马达改变。
沿着转子叶片纵向方向L，转子叶片108在半径位置r上具有不同的空气动力学的轮廓。每个空气动力学的轮廓从前缘102的点伸展至后缘122的点，所述前缘和后缘经由吸力侧124和相对置的压力侧126彼此连接。在前缘120上，空气流经由吸力侧124和压力侧126分为两个子流。
后缘122在靠近毂的区域中具有钝的后缘部段122a和在靠近转子叶片尖部116的区域中具有尖的后缘部段122b。后缘122的厚度沿转子叶片纵向方向L实质上减小。
在图2中同样示出流控制装置128，所述流控制装置构成用于，主动地影响在转子叶片108上的流。流控制装置128包括多个构成为开口的转子叶片表面开口130，所述转子叶片表面开口在本实例中沿转子叶片纵向方向L在不同半径位置上设置并且基本上具有矩形的横截面。流控制装置设置用于，穿过转子叶片表面开口130以可控制的空气流抽吸和/或吹出空气。
转子叶片表面开口130可以具有任意形状并且在任意位置上以任意数量设置在吸力侧124和/或压力侧126上。不同形状的组合或唯一的转子叶片表面开口130也是可考虑的。
本发明涉及空气流的操控和调节，所述空气流借助于流控制装置128通过转子叶片表面开口130吹出和/或抽吸。通过吹入或抽吸在转子叶片表面开口130上产生纵向涡流，所述纵向涡流造成靠近壁的流速的提高从而造成使边界层流稳定以防止流分离。所述主动的流控制措施的优点是，可以接通或切断空气的吹出或抽吸，即根据需要进行空气的吹出或抽吸。流的稳定以防止分离据此仅在由于当前的边界条件而必要时才进行。在其他情况下则不必这样做，为了不必承受控制措施的任何降低功率的效果。由此，以这种方式可以总体上进一步提高设备产能。
下面示例地参照图3至5阐述通过控制器112调节流控制装置128的一些实例，所述实例造成设备产能的优化。借助于流控制装置128的主动控制措施的效应在此经由穿过转子叶片表面开口130的最大可控制的空气流的量或经由在转子叶片表面开口130上的最大的垂直于壁的速度表征。正值对应于吹出的最大空气流/垂直于壁的速度，负值对应于将在转子叶片表面开口130中设定的最大抽吸率/抽吸速度。通常，直至一定的极限可以假设：随着转子叶片表面开口130中的最大空气流的量或速度的增加也产生增大的稳定作用，即能防止在转子叶片上的流分离。
对于能够实现垂直于表面的吹出的转子叶片表面开口130，对空气流的观察能够容易转变为最大的垂直于壁的速度。尤其当由于转子叶片表面开口130的几何形状而穿过转子叶片表面开口130产生显著的切向流分量时产生区别。尤其对于这些情况可以将下面针对最大的垂直于壁的速度示例性地描述的实施方式相应地概括为最大的可控制的空气流。
图3示意地和示例地示出在控制器112中的优选的实施方案，其中在竖轴上记录关于设备转速n或设备扭矩M的最大的垂直于壁的速度|vmax|的变化曲线。最大的垂直于壁的速度|vmax|的数值随着转速n增加而增加，因为在部分负荷区域302中通常不预期流分离，控制措施的介入不是必要的，转子叶片108可以提供最大的功率系数和产能。随着风速和转速n的增加在转子叶片处的大幅降低功率的流分离的风险提高从而流控制的必要性提高。因此，最大的垂直于壁的速度相应地从转速n的阈值304起逐渐地随着转速n增加而提高，直至最大转速值nmax。
根据其他运行参数或环境参数，最大的垂直于壁的速度|vmax|的提高的变化曲线从设备转速n的阈值304起是不同的并且例如可以具有线性升高的变化306、有界的变化曲线308或指数型变化曲线310。
图4示意地和示例地示出在设备转速n恒定时分别针对入流的两种空气密度ρ1、ρ2或两种涡流强度TI1、TI2的最大的垂直于壁的速度|vmax|关于用最大半径R标准化的转子半径r/R的变化曲线。变化曲线402属于空气密度ρ1和涡流强度TI1。变化曲线404属于空气密度ρ2和涡流强度TI2。
在本实例中，如提到那样转速n恒定，ρ1＞ρ2和/或TI2＞TI1。也就是说，空气密度越小或入流的涡流强度越大，那么必须越靠外地、也就是说在更大的r/R处控制转子叶片绕流，也就是说转子叶片表面开口130中的最大的垂直于壁的速度|vmax|的量值采用大于零的值。对于变化曲线402，最大的垂直于壁的速度|vmax|的量值直至半径位置406为大于零，对于变化曲线404相应地直至半径位置408为大于零，所述半径位置408比半径位置406更靠近转子叶片尖部。与对于变化曲线402的情况相比，对于变化曲线404最大的垂直于壁的速度|vmax|的量值相应地从转子叶片根部的区域中的全局最大值更缓慢地降低。尽管示出线性变化404、402，但是其他具有所述半径位置的递减的变化曲线也是可能的。
设备在多个安装地点处承受可能的强烈波动的涡流强度TI和/或由于平均温度的季节波动也承受波动的空气密度ρ。根据环境条件，用于分离控制的控制措施径向地在转子叶片108上朝向叶片尖部仅以需要的距离激活。
在涡流强度TI相同时，例如与夏季相比，在冬季仅直至更小的半径位置r/R激活控制，在夏季空气密度ρ相对于冬季降低。同样表现出涡流强度TI的影响。这样多个安装地点在一个昼夜变化中，即在24小时之内，在可忽略的空气密度ρ波动的情况下经受一个日夜循环，其中与夜晚相比在白天的日照下在用于风能设备100的入流中存在更高的涡流强度TI，而在夜晚涡流强度TI明显更低。通过控制器112的调节应对所述昼夜变化，即在白天，在高的涡流强度TI下，朝向比在夜晚更大的半径位置r/R激活流控制，在夜晚涡流强度TI降低。这仅是两个实例：因素空气密度ρ和涡流强度TI如何以有利的方式影响转子叶片108上的主动的流控制措施128的调节，以便尽可能阻止转子叶片绕流的分离。
最后，图5示意地和示例地针对入流的地面边界层的不同的竖直剪切力η1、η2，在恒定转速n下示出关于转子方位角ω的在转子叶片表面开口130中的最大的垂直于壁的速度|vmax|的量值。
地面边界层的不同的剪切力η通常还在一个昼夜变化中在风能设备100上出现。在高的正剪切力的情况下，在图5的实例中在η2的情况下在此在较大离地距离处的风速可能明显大于在地面附近的风速。在图5中，最大的垂直于壁的速度|vmax|的变化曲线针对相对低的剪切力η1作为变化曲线502示出，而变化曲线504针对较大的剪切力η2示出，η2＞η1。
当转子叶片处于所谓的12点位置，即叶片尖部具有最大的离地距离的位置中时，换言之在0°的转子方位角ω的情况下，转子叶片108在该位置中通常比在6点钟位置中或者在180°的转子方位角时经受更高的风速vw，在所述6点钟位置或180°的转子方位角时，叶片尖部具有最小的离地距离。这在区域506中针对两条变化曲线502、504作为最大的垂直于壁的速度|vmax|的最低点示出。
这样的结果是，在12点钟位置中存在比在6点钟位置中更大的迎角。因此优选的是，在12点钟位置中激活控制措施，而这在6点钟位置中不是必要的或是不太必要的。竖直剪切力越高，则越显著地应用所述方式。
也存在如下情况：产生负的竖直剪切力，即风速基本上随着高度降低。在此，于是可以在6点钟位置中激活控制措施，而这在12点钟位置中不是必要的或是不太必要的。在负的竖直剪切力的情况下，剪切力的数值越高，则越显著地应用所述方式。
所述方式也在水平的剪切力的情况下可有利地应用。显著的水平的剪切力例如可以当风能设备100的转子圆盘的一部分处在其他风能设备或其他障碍物的尾流中时出现。转子圆盘的处于尾流中的部分于是经受比转子圆盘的被无干扰地入流的部分更小的风速。
原则上，在此在竖直剪切力的情况下提供如图5中所示出的方式，具有区别：在最大的垂直于壁的速度的变化曲线中，进行朝向3点钟或9点钟位置的90°的相移。
本发明的应用领域尤其是风能设备100的转子叶片108，所述转子叶片具有主动的流控制系统，例如流控制装置128，其中经由在转子叶片表面中的开口稳定地或不稳定地将空气吹入转子叶片处的边界层流中或者通过开口抽吸。所述系统在此能在幅值和频率方面改变吹出的或抽吸的空气的速度。
本发明的目的是风能设备的产能优化，其方式是转子叶片边界层中的流控制措施仅在需要其稳定作用时才被激活和主动地调节，以便防止大幅降低功率的流分离。如果这种干预不是必要的，那么控制措施被停用并且对设备产能几乎没有损害作用。控制措施的调节在此优选考虑作用到风能设备100上的风场和表征风场的参数，如涡流强度、竖直的和水平的剪切力和空气密度，以便求得流控制系统的最优的运行参数，其目的是避免在转子叶片108上的流分离。

Claims (11)

1.一种风能设备(100)，具有空气动力学的转子(106)，所述转子具有至少一个转子叶片(108)，
其中所述转子叶片(108)具有主动的流控制装置，所述流控制装置构成用于主动地影响在所述转子叶片上的流，
其中所述流控制装置(128)包括在转子叶片表面上的开口，其称为转子叶片表面开口(130)，其中所述流控制装置(128)设置用于，通过所述转子叶片表面开口(130)以可控制的空气流抽吸和/或吹出空气，
其中所述风能设备(100)具有控制器(112)，所述控制器设置用于，根据以下规则中的至少一项规则控制穿过所述转子叶片表面开口(130)的可控制的空气流的量：
-当超过所述转子的转速(n)的转速阈值时，随转速升高而逐渐提高最大可控制的所述空气流，
-当超过所述转子的扭矩(M)的扭矩阈值时，随扭矩(M)升高而逐渐提高最大可控制的所述空气流。
2.根据权利要求1所述的风能设备(100)，其中所述流控制装置(128)设置用于，沿着所述转子叶片的转子叶片长度改变穿过所述转子叶片表面开口的空气流的量。
3.根据权利要求2所述的风能设备(100)，其中所述控制器(112)设置用于，控制穿过所述转子叶片表面开口(130)的可控制的所述空气流的量，使得所述空气流的量在所述转子叶片长度上减小。
4.根据权利要求3所述的风能设备(100)，其中所述控制器(112)设置用于，根据空气密度来控制穿过所述转子叶片表面开口(130)的可控制的所述空气流的量，尤其控制成，使得所述量在转子叶片长度上的减小量随着空气密度减小而减小。
5.根据权利要求3或4所述的风能设备(100)，其中所述控制器设置用于，根据涡流强度来控制穿过所述转子叶片表面开口(130)的可控制的所述空气流的量，使得所述量在所述转子叶片长度上的减小量随着涡流强度减小而增加。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的风能设备(100)，其中所述控制器设置用于，根据所述转子的方位角来改变穿过所述转子叶片表面开口的空气流的量。
7.根据权利要求6所述的风能设备(100)，其中所述控制器设置用于，关于方位角周期性地控制穿过所述转子叶片表面开口(130)的空气流的量，使得在所述转子叶片的具有最大离地距离的、称为12点钟位置的方位位置处，通过所述转子叶片表面开口(130)的空气流的量大于在具有最小离地距离的、称为6点钟位置的方位位置中的空气流的量。
8.根据上述权利要求中任一项所述的风能设备(100)，其中所述流控制装置(128)的所述转子叶片表面开口(130)构成为，使得空气流基本上平行于所述转子叶片表面流出或流入。
9.根据上述权利要求中任一项所述的风能设备(100)，其中经由流速和/或吹出率或抽吸率控制穿过所述流控制装置的转子叶片表面开口(130)的空气流。
10.根据权利要求9所述的风能设备(100)，其中所述吹出率或抽吸率作为表面孔隙率和如下比的乘积来确定，所述比是在所述开口(130)上的平均吹出速度或抽吸速度与不受干扰的流的相对入流速度的比。
11.根据上述权利要求中任一项所述的风能设备(100)，其中所述开口(130)由分布在转子叶片长度上的多个子开口(130)组成。
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