CN113825968A - 涵道式空气/流体热交换器及其制造方法以及布置有这种交换器的涡轮风扇发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于涡轮风扇发动机的涵道式空气/流体热交换器(2)。根据本发明,该交换器(2)包括流通:‑具有两个壁的环形外护罩(3),这两个壁为内壁(32)和外壁(31),‑与外护罩(3)同心的环形内护罩(4),‑一系列的OGV导向叶片(5),该OGV导向叶片将所述外护罩连接到所述内护罩,‑以及用于使所述流体流通的流通回路(6),两个护罩界定了涵道式空气流动路径,流体流通回路(6)形成在外护罩(3)的主体中以及OGV导向叶片(5)中的至少一个OGV导向叶片的主体中,该流通回路(6)在其相应的两个端部处通向入口开口(34)和出口开口(35),入口开口和出口开口穿过外护罩的所述外壁(31)而形成,并且两个护罩(3,4)、OGV导向叶片(5)以及所述流体的流通回路(6)是一体的。
Description
技术领域
本发明涉及用于涵道式涡轮机的次级空气/流体热交换器、一种配备有该交换器的涡轮机以及用于制造该交换器的方法。
背景技术
作为提醒,将参照附图1简要地回顾涵道式涡轮机的结构。
在该图上可以看到涵道式双轴涡轮机1,该涡轮机在空气的流通方向上、即从上游(图中左侧)到下游(图中右侧)相继地具有空气入口10和风扇11,该风扇一方面输出主空气路径12中的空气,另一方面输出次级空气路径13中的空气。术语“空气路径”被理解为表示空气流流通所通过的空间。
涡轮机的纵向轴线被表示为X-X’。
在主空气路径12中流通的空气流相继地穿过低压压缩机14a、高压压缩机14b、燃烧腔室15、高压涡轮16a以及低压涡轮16b。
此外,在次级空气路径13中流通的次级空气流在穿过一系列的OGV导向叶片17(OGV表示出口导向叶片,Outlet Guide Vanes)之后,单独通过次级流喷嘴排出。
在涡轮机中,旋转轴由滚珠轴承或滚子轴承支撑。这些轴承必须用润滑油冷却以保持其机械完整性,因为这些轴承不能暴露于150℃以上的温度。因此,行进穿过轴承后流出的热油必须冷却之后才能再次被输送穿过该轴承。
目前有两种对涡轮机中的油进行冷却的方法。根据第一种方法,涡轮机的燃料被用作与油进行热交换的热交换流体。然后热油被输送到油/燃料交换器中以对油进行冷却。根据第二种方法,油被输送到位于发动机的冷流中的一个冷流的水平处的空气/油交换器中,以对油进行冷却。因此,从文献FR 3 028 021中获知一种热交换器,该热交换器包括配备有可移动面板的设备,该设备旨在附接到外壳体的内表面,该外壳体的内表面界定了涡轮机的次级空气路径。
因此,该热交换器被布置在图1的附图标记A的水平处,即靠近次级流喷嘴。
然而,在涡轮机规范中的趋势是增大相关的旋转速度和功率,这导致提高了对润滑油的冷却要求。因此,需要对更大体积的油进行冷却或进一步改善油的冷却,并且需要在整体尺寸和质量方面已经非常有限的发动机(涡轮机)上这样做。
此外,热交换器的引入不得对涡轮机的空气动力学造成任何有害影响。现有的空气/油交换器具有很大的径向和方位的总体尺寸,因此,希望进一步改进交换器到涡轮机中的整合。
从文献US 4 914 904还获知了一种次级空气/润滑油热交换器,该热交换器包括:具有双壁的外环;内环;一系列的叶片,该系列的叶片将所述外环连接到所述内环;以及用于使待冷却的润滑油进行流通的回路。
然而,油流通回路的入口孔和出口孔被布置在叶片上,这使得很难接近油流通回路的入口孔和出口孔,甚至可能扰乱涡轮机的空气动力学。此外,该交换器的不同部件不是整体的,这需要对它们进行组装,并且导致整体重量的增加。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种空气/油热交换器(更一般地,提供一种空气/流体交换器,该流体可以是在涡轮机内流通的任何待冷却的流体),该空气/油热交换器:
-可以插入到涡轮机的受限制的空间中,
-不会显著地增加交换器的重量,并且
-不会扰乱空气在涡轮机内的流动。
为此,本发明涉及用于涵道式涡轮机的次级空气/流体热交换器。
根据本发明,该热交换器包括:
-外环,该外环为环形的,具有两个壁,两个壁分别被称为“内壁”和“外壁”,
-内环,该内环为环形的,与外环同心,
-一系列的OGV导向叶片,该一系列的OGV导向叶片将所述外环连接到所述内环,
-以及回路,该回路用于使所述流体流通,
两个环界定了次级空气路径,所述流体流通回路形成在所述外环的在所述外环的内壁和外壁之间的厚度中以及形成在所述OGV导向叶片中的至少一个OGV导向叶片的厚度中,该流通回路在其相应的端部处通向入口孔和出口孔,该入口孔和出口孔穿过外环的所述外壁而形成,并且两个环、OGV导向叶片以及所述流体的流通回路是一体的,热交换发生在所述流体和在次级空气路径中流通的次级空气之间。
由于本发明的这些特征,该交换器可以插入到外壳体中,代替并取代界定次级空气路径的外壳体、OGV导向叶片以及在涡轮机的主空气流和次级空气流之间的前部整流罩的一部分,因为交换器的外环、内环以及导向叶片使得能够引导次级流。此外,由于用于使待冷却流体流通的回路直接形成到外环和导向叶片的厚度中,这使得能够将用于使待冷却流体流通的回路整合到受限制的环境中,并且将引导次级空气流的功能和使流体冷却的功能结合起来。
将流体流通回路直接结合到引导次级空气流的元件中,使得能够不增加热交换器的体积和重量、甚至不增加涡轮机的体积和重量、并且不会扰乱次级空气流的流通。
最后,交换器的不同部分的整体性质简化了交换器的制造,也减轻了交换器的重量。
根据本发明的单独采用或者组合采用的其他优点和非限制性的特征:
-热交换器包括多个冷却突片,该多个冷却突片仅在该内壁和内环之间的距离的一部分上从外环的内壁沿内环的方向突出,这些冷却突片被布置在所述内壁的圆周的在OGV引导叶片之间的至少一部分上,并且所述冷却突片与外环的所述内壁是一体的;
-所述OGV导向叶片中的至少一个OGV导向叶片具有两个隔板,该两个隔板分别被称为“第一隔板”和“第二隔板”,第一隔板和第二隔板在其各自的上游端部处和其各自的下游端部处相接,中间分隔件在这两个隔板之间从所述外环的外壁突出,该中间分隔件在比所述隔板的高度小的高度上从第一隔板和第二隔板各自的上游端部一直延伸到第一隔板和第二隔板各自的下游端部,以形成弯道部,该弯道部使得能够将在流通回路中流通的流体的流从第一空间引导朝向第二空间、然后朝向第三空间并且最终朝向第一空间的另一部分,第一空间在所述OGV导向叶片的上游处、位于外环的内壁和外壁之间,第二空间形成在第一隔板和中间分隔件之间,第三空间形成在中间分隔件和第二隔板之间,第一空间的另一部分在该同一OGV导向叶片的下游处、位于外环的内壁和外壁之间,该上游和下游是相对于在所述流体的所述流通回路中的流体的流通方向而言的,并且该中间分隔件与外环的外壁是一体的;
-OGV导向叶片的第一隔板和第二隔板以及中间分隔件相对于交换器的轴向方向弯曲;
-热交换器包括至少所谓的第一“去除粉末”孔和至少所谓的第二“去除粉末”孔,第一“去除粉末”孔在该中间分隔件与外环的外壁以及OGV导向叶片的第一隔板和第二隔板各自的上游端部的接合点的水平处、形成在中间分隔件中,第二“去除粉末”孔在该中间分隔件与外环的外壁以及OGV导向叶片的第一隔板和第二隔板各自的下游端部的接合点的水平处、形成在中间分隔件中;
-冷却突片按照与OGV导向叶片的两个隔板相同的轮廓沿轴向方向弯曲;
-热交换器包括环形的前部整流罩,该环形的前部整流罩与内环的圆形上游端部为一体,并且旨在使在所述涵道式涡轮机中流通的主空气流和次级空气流分隔,并且所述前部整流罩是中空的并且界定了第四空间,该第四空间构成流体流通回路的一部分;
-外环的上游端部和下游端部朝向交换器的外侧回折,以形成上游附接凸缘和下游附接凸缘;
-流体是润滑油。
本发明还涉及涵道式涡轮机。根据本发明,涵道式涡轮机包括如以上所述的次级空气/流体热交换器,该热交换器的外环和内环分别附接到所述涡轮机的外壳体和内壳体,所述涡轮机的外壳体和内壳体一起界定了所述涵道式涡轮机的次级流动路径,并且流体流通回路的入口孔和出口孔连接到所述涡轮机的待冷却的流体的源头。
最后,本发明涉及用于制造上述次级空气/流体热交换器的方法。根据该方法,该空气/流体热交换器是由通过粉末床激光熔融进行的增材制造来制造的。
附图说明
本发明的其它特征、目标和优点将通过以下描述变得明显,以下描述仅是说明性的而非限制性的,并且必须参照附图来阅读,在附图中:
[图1]是现有技术的涵道式涡轮机的轴向截面视图,
[图2]是根据本发明的热交换器的透视图,
[图3]是沿着图2中的附图标记P3表示的平面所截取的该同一交换器的横截面视图,
[图4]是图3的下部部分的详细视图,
[图5]是图2的交换器的下部部分的详细视图,
[图6]是图2的交换器的上部部分的局部轴向截面视图,
[图7]是交换器的下部部分的透视图,
[图8]是沿着图2中的附图标记P8表示的截平面所截取的热交换器的上部部分的轴向截面视图,
[图9]是沿着图4中的附图标记P9表示的截平面所截取的OGV导向叶片的截面视图,以及
[图10]是沿着图2中的附图标记P10表示的平面所截取的交换器的横截面视图,
在所有附图中,相似的元件用相同的附图标记表示。
具体实施方式
现在将更详细地描述根据本发明的空气/流体热交换器2。空气/流体热交换器旨在在同一图中的附图标记B的水平处安装在涡轮机1上,即代替并取代了OGV导向叶片和外壳体18的一部分,该外壳体界定次级空气路径。
在图2中可以看出,热交换器2包括外环3、内环4以及一系列的臂5,该臂起到OGV导向叶片的作用。在说明书和权利要求的其余部分中,这些臂5将被命名为“OGV导向叶片”。
有利地,该热交换器还包括在主空气流和次级空气流之间的前部整流罩。
更确切地说,外环3和内环4是环形的,并且关于纵向轴线X1-X’1同轴且同心,当热交换器2就位时,该纵向轴线X1-X’1与涡轮机1的纵向涡轮机X-X’合并。两个环3和4是同心的,直径较小的内环4被布置在外环3的内侧。OGV导向叶片5使外环3和内环4相互连接,并且对这些环的结构具有保持作用。这些叶片5沿着径向或基本上径向的方向延伸。
此外,如在图3和图4中可以更清楚地看到,根据本发明的热交换器2包括用于使流通待冷却流体流通的回路6。
有利地,两个环3和4、OGV导向叶片5和回路6是一体的,即它们形成为单个部件,并且优选地通过增材制造方法来获得,特别地,通过粉末床激光熔融方法来获得。
如在图4中可以看到,外环3具有双壁,即外壁31和内壁32。这两个壁彼此间隔很小的距离,并且共同成形为(即形成了)第一环形空间61,待冷却的流体可以在该第一环形空间内流通,并且该第一环形空间构成回路6的一部分。这些内壁32和外壁31在交换器的上游和下游(相对于涡轮机内部的空气流的流动方向)相接,以横向地包围第一空间61。
如在图6和图8中可以更清楚地看到,外壁31的宽度可以小于内壁32的宽度,使得空间61仅形成在交换器2的宽度的一部分(宽度沿交换器的轴向方向进行测量)上。
优选地,并且如在图6中可以看到,外环3的两个端部33都向外弯曲,从而分别形成上游凸缘331和下游凸缘332。这两个凸缘使得热交换器2能够附接到涡轮机的外次级流壳体(例如图1中的壳体18)。
此外,如在图7中可以看到,外壁31被入口孔34和出口孔35穿过,入口孔和出口孔通往回路6的空间61的内部。两个弯管接头341、351可以分别连接到所述出口孔34、35。可选择地,这两个弯管接头可以与交换器的其余部分成为一体,但这不是强制性的。
优选地,并且如在图4中可以更清楚地看到,入口孔34和出口孔35沿着交换器的周向方向形成在OGV导向叶片5的两侧。
现在将更详细地描述OGV叶片5的结构。
交换器2的至少一个OGV叶片5并且优选地所有OGV叶片包括两个隔板,这两个隔板分别被称为“第一隔板”51和“第二隔板”52。每个隔板51、52将外环3的内壁32连接到内环4。
优选地,并且如在图5和图9中可以更清楚地看到,第一隔板51和第二隔板52相对于交换器的轴向方向X1-X’1弯曲,以引导在内环4和外环3之间流通的次级空气流,并且在次级空气流已经行进穿过风扇11后使次级空气流变直。
第一隔板51具有上游端部511和下游端部512,并且第二隔板52具有上游端部521和下游端部522(相对于次级空气的流动方向)。
两个上游端部511、521相接,并且两个下游端部512、522也相接,以包围两个隔板51、52之间的空间。
优选地,中间分隔件53被布置在第一隔板51和第二隔板52之间。中间分隔件在比第一隔板51和第二隔板52的高度小的高度上、从外环3的外壁31朝向交换器的内侧径向地延伸,使得中间分隔件不与内环4接触。如果隔板51和52是弯曲的并且具有曲率半径,则分隔件53也在与隔板51和52相同的方向上弯曲并且具有与隔板51和52相同的曲率半径。
分隔件53从隔板51的上游端部511和隔板52的上游端部521的接合点一直延伸到隔板51的下游端部512和隔板52的下游端部522的接合点。
因此,中间分隔件53起到弯道部的作用,并且与第一隔板51一起界定了第二空间62,该第二空间与位于OGV导向叶片5上游的第一空间61的一部分流体连通,该中间分隔件53被布置在该第一空间的内部。分隔件53也与第二隔板52一起界定了第三空间63,该第三空间被发现与位于OGV导向叶片5下游的第一空间61的一部分流体连通,该中间分隔件53被布置在该第一空间的内部。在此,上游和下游的概念是相对于待冷却的流体在流通回路6中的流通方向来应用的。第二空间62和第三空间63相互连通并且构成回路6的一部分。
待冷却的流体的流通轨迹在图4中用箭头F1表示。热流体进入入口孔34,在第一空间61中流通,在第二空间62中径向向内地接合,绕过分隔件53,在第三空间63中径向向外地接合,并且进入第一空间61的下一部分。该流通继续直到流已经行进围绕了外环3的整个圆周,并且在已经冷却之后通过出口孔35返回流出。
因此,外环3和OGV导向叶片5给次级流和流体之间的热交换提供了大的表面。
有利地,热交换器2还包括多个冷却突片7,该多个冷却突片沿内环4的方向从外环3的内壁32径向地突出。这些突片7分布在所述内壁31的圆周的位于OGV导向叶片5之间的至少一部分上。
这些突片7的高度小于OGV导向叶片5的高度,使得突片不会接触内环4。优选地,这些突片7也与外环3的内壁32是一体的。
优选地,并且可以在图5中更清楚地看到,冷却突片7也在与OGV导向叶片相同的方向上相对于轴向方向弯曲,并且具有与OGV导向叶片5相同的曲率半径,使得冷却突片也遵循OGV导向叶片的轮廓。这些冷却突片7增加了内壁32与次级空气流的接触表面。
有利地,如在图8上可以看到,热交换器2还包括用于使主空气流和次级空气流环形地分离的整流罩80。该整流罩与内环4的上游端部一起形成单个部件。
有利地,整流罩80是中空的,使得整流罩界定了第四空间64,该第四空间构成了流体流通回路6的一部分。该环形的第四空间64在交换器2的内环4的整个圆周上延伸。
如在图2和图7中可以看到,在该第四空间64和第一空间61之间形成附加的向外管道65和附加的返回管道65’,以使这两个空间流体连通。优选地,这些附加管道65,65’通向如下OGV导向叶片5:该OGV导向叶片位于待冷却流体(例如油)的入口孔34和出口孔35的旁边或者位于入口孔和出口孔之间。
在这种情况下,在热状态下进入第四空间64的流体通过使得整流罩能够被加热而主要用于对整流罩80进行除冰。
如前文所述,整个空气/流体热交换器2优选地是一体的(整体的),并且优选地是通过粉末床激光熔融进行的增材制造得到的。
为此,热交换器2基于水平的背衬P、沿着竖直的制造方向(由图8中的箭头F2表示)一层一层地制造。
优选地,并且为了使用尽可能少的背衬组件,热交换器2从其下游端部(在下游凸缘332的一侧)开始一直到其上游端部来进行制造。
注意,如果选择实施实际上圆柱形的、并且因此实际上垂直于背衬平面P和突片7的外环3,该突片相对于竖直方向形成45°的最大角度,则能够在限制背衬的数量的同时,制造交换器2。只有OGV导向叶片5在制造期间需要支撑,这相当地简化了制造过程。
交换器也可以在其他方向(从上游到下游)上制造,但是整流罩80相对于上游凸缘331突出,则需要对上游凸缘进行支撑或者将上游凸缘布置在与前部整流罩80相同的平面中。
当交换器2通过上述增材制造技术打印时,在流通某些空腔(这些空腔形成流通管道6)内存在没有由于激光束的通过而被硬化的粉末。因此,重要的是能够对制造的部件去除粉末,并清空这些空腔。因此,需要确保在去除粉末的过程期间粉末能够离开交换器2。
为此,有利地,在该中间分隔件53与外环3的外壁31以及第一隔板51和第二隔板52各自的上游端部511、521的接合点的水平处、布置了第一小孔530,即穿过中间分隔件53的所谓的“去除粉末孔”,使得粉末能够离开。
类似地且有利地,在该中间分隔件53与外环3的外壁31以及第一隔板51和第二隔板52各自的上游端部512、522的接合点的水平处、在中间分隔件53中还布置了第二去除粉末孔530’。
优选地,在每个OGV导向叶片5的水平处,有两个孔530,530’。
在制造之后,热交换器2被摇晃和翻转,使得粉末可以降落到每个OGV导向叶片5的底部,从而通过入口孔34和出口孔35离开。
注意,当交换器运行时,油将采用与粉末在去除粉末期间的路径相同的路径。有一部分油会直接到达分隔件53的位置,还有一部分油会绕过分隔件。孔530、530’不通往热交换器的外壁。因此没有泄漏的风险。
因此,如图1所示,特别地,热交换器2可以使用上游凸缘331和下游凸缘332来附接在涡轮机中,代替并取代叶片17和外壳体18的一部分。
Claims (11)
1.次级空气/流体热交换器(2),所述次级空气/流体热交换器用于涵道式涡轮机,其特征在于,所述次级空气/流体热交换器包括:
外环(3),所述外环为环形的,具有两个壁,所述两个壁分别被称为“内壁”(32)和“外壁”(31),
内环(4),所述内环为环形的,与所述外环(3)同心,
一系列的OGV导向叶片(5),所述一系列的OGV导向叶片将所述外环(3)连接到所述内环(4),
以及回路(6),所述回路用于使所述流体流通,
其特征还在于,两个环(3,4)界定了次级空气路径,所述流体流通回路(6)形成在所述外环(3)的在所述外环的内壁(32)和外壁(31)之间的厚度中以及形成在所述OGV导向叶片(5)中的至少一个OGV导向叶片的厚度中,该流通回路(6)在其相应的端部处通向入口孔(34)和出口孔(35),所述入口孔和所述出口孔穿过所述外环(3)的所述外壁(31)而形成,并且所述两个环(3,4)、所述OGV导向叶片(5)以及所述流体的流通回路(6)是一体的,所述热交换发生在所述流体和在所述次级空气路径中流通的所述次级空气之间。
2.根据权利要求1所述的热交换器(2),其特征在于,所述热交换器包括多个冷却突片(7),所述多个冷却突片仅在该内壁(32)和所述内环(4)之间的距离的一部分上从所述外环(3)的内壁(32)沿所述内环(4)的方向突出,这些冷却突片(7)被布置在所述内壁(32)的所述圆周的在所述OGV导向叶片(5)之间的至少一部分上,并且所述冷却突片(7)与所述外环(3)的所述内壁(32)是一体的。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的热交换器(2),其特征在于,所述OGV导向叶片(5)中的至少一个OGV导向叶片具有两个隔板,所述两个隔板分别被称为“第一隔板”(51)和“第二隔板”(52),所述第一隔板和所述第二隔板在其各自的上游端部(511,521)处和其各自的下游端部(512,522)处相接,中间分隔件(53)在这两个隔板(51,52)之间从所述外环(3)的外壁(31)突出,该中间分隔件(53)在比所述隔板(51,52)的高度小的高度上从所述第一隔板(51)和所述第二隔板(52)各自的上游端部(511,521)一直延伸到所述第一隔板和所述第二隔板各自的下游端部(512,522),以形成弯道部,所述弯道部使得能够将在所述流通回路中流通的流体从第一空间(61)引导朝向第二空间(62)、然后朝向第三空间(63)并且最终朝向所述第一空间(61)的另一部分,所述第一空间在所述OGV引导叶片的上游处、位于所述外环的内壁和外壁之间,所述第二空间形成在所述第一隔板(51)和所述中间分隔件(53)之间,所述第三空间形成在所述中间分隔件(53)和所述第二隔板(52)之间,所述第一空间的另一部分在该同一OGV引导叶片(5)的下游处、位于所述外环的内壁和外壁之间,所述上游和所述下游是相对于在所述流体的所述流通回路(6)中的流体的流通方向而言的,并且该中间分隔件(53)与所述外环的外壁是一体的。
4.根据权利要求3所述的热交换器(2),其特征在于,所述OGV导向叶片(5)的第一隔板(51)和第二隔板(52)以及所述中间分隔件(53)相对于所述交换器的轴向方向弯曲。
5.根据权利要求2和权利要求4所述的热交换器(2),其特征在于,所述冷却突片(7)按照与所述OGV导向叶片(5)的两个隔板(51,52)相同的轮廓沿所述轴向方向弯曲。
6.根据权利要求3或权利要求4所述的热交换器(2),其特征在于,所述热交换器包括至少所谓的第一“去除粉末”孔(530)和至少所谓的第二“去除粉末”孔(530’),所述第一“去除粉末”孔在该中间分隔件(53)与所述外环(3)的外壁(31)以及所述OGV导向叶片(5)的第一隔板(51)和第二隔板(52)各自的上游端部(511,521)的接合点的水平处、形成在所述中间分隔件(53)中,所述第二“去除粉末”孔在该中间分隔件(53)与所述外环(3)的外壁(31)以及所述OGV导向叶片(5)的第一隔板(51)和第二隔板(52)各自的下游端部(512,522)的接合点的水平处、形成在所述中间分隔件(53)中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器(2),其特征在于,所述热交换器包括环形的前部整流罩(80),所述环形的前部整流罩与所述内环(4)的圆形上游端部为一体,并且旨在使在所述涵道式涡轮机中流通的主空气流和所述次级空气流分隔,并且所述前部整流罩(80)是中空的并且界定了第四空间(64),所述第四空间构成所述流体流通回路(6)的一部分。
8.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器(2),其特征在于,所述外环(3)的上游端部和下游端部朝向所述交换器的外侧回折,以形成上游附接凸缘(331)和下游附接凸缘(332)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器(2),其特征在于,所述流体是润滑油。
10.涵道式涡轮机,其特征在于,所述涵道式涡轮机包括如前述权利要求中任一项所述的次级空气/流体热交换器(2),该热交换器的所述外环(3)和所述内环(4)分别附接到所述涡轮机的外壳体和内壳体,所述涡轮机的外壳体和内壳体一起界定了所述涵道式涡轮机的次级流动路径,并且所述流体流通回路(6)的入口孔(34)和出口孔(35)连接到所述涡轮机的待冷却的流体的源头。
11.用于制造根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的次级空气/流体热交换器(2)的方法,其特征在于,该次级空气/流体热交换器(2)是由通过粉末床激光熔融进行的增材制造来制造的。
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