CN114251674A - 燃油喷射头部、燃烧室、燃气涡轮发动机、燃烧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃油喷射头部、燃烧室、燃气涡轮发动机以及燃烧控制方法。其中，所述燃油喷射头部包括燃油喷嘴，具有多个喷孔；第一壳体；第二壳体；其中，所述燃油喷嘴位于所述第一壳体内部；所述第一壳体位于所述第二壳体的内部；所述第一壳体具有第一段以及位于所述第一段下游与其连接的第二段，所述第一段在分布有多个贯穿其厚度的斜切孔，所述第二段为缩口段，所述燃油喷嘴与所述第一壳体的第一段以及第二段限定第一通道，所述燃油喷嘴的所述喷孔的朝向所述第二段；所述第一壳体与所述第二壳体之间限定第二通道，所述第一段的所述斜切孔的一端连通所述第二通道，另一端连通所述第一通道。

Description

燃油喷射头部、燃烧室、燃气涡轮发动机、燃烧控制方法

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机领域，尤其涉及一种燃油喷射头部、燃烧室、燃气涡轮发动机、燃烧控制方法。

背景技术

航空发动机特别是民用航空发动机对污染物排放有明确的规定，如国际民航组织ICAO(International Civil Aviation Organization)制订了民用航空发动机的污染物排放标准，其中又以氮氧化物的要求最为严格。作为航空发动机污染物生成的主要部件，燃烧室的污染物生成对整机的污染物排放性能有重要影响，因此需要研制低污染物排放的航空发动机燃烧室。在低污染物排放燃烧室的研究中，贫油燃烧技术通过控制燃油和空气在一个较低油气比例的范围内燃烧，实现较低的燃烧火焰温度，从而减少氮氧化物生成。

随着技术的发展，航空发动机为了提高热力循环效率，需要不断提高燃烧室工作的循环参数，如更高的燃烧室入口总温、总压。发明人在完成发明的过程中发现，更高的燃烧室入口条件，对燃烧室贫油燃烧的设计提出了更大的挑战，例如易引发燃油在进入燃烧区之前在燃烧室头部就发生自燃；燃烧室内部燃烧火焰温度过高引发燃烧污染物特别是氮氧化物的生成难以降低；燃烧室出口温度分布均匀性变差等。

因此，本领域需要一种燃油喷射头部、燃烧室、燃气涡轮发动机、燃烧控制方法，以满足燃气涡轮发动机在高温、高压宽范围工作的燃烧室低排放燃烧的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃油喷射头部。

本发明的目的在于提供一种燃烧室。

本发明的目的在于提供一种燃气涡轮发动机。

本发明的目的在于提供一种燃烧控制方法。

根据本发明一个方面的一种燃油喷射头部，包括燃油喷嘴，具有多个喷孔；第一壳体；第二壳体；其中，所述燃油喷嘴位于所述第一壳体内部；所述第一壳体位于所述第二壳体的内部；所述第一壳体具有第一段以及位于所述第一段下游与其连接的第二段，所述第一段在分布有多个贯穿其厚度的斜切孔，所述第二段为缩口段，所述燃油喷嘴与所述第一壳体的第一段以及第二段限定第一通道，所述燃油喷嘴的所述喷孔的朝向所述第二段；所述第一壳体与所述第二壳体之间限定第二通道，所述第一段的所述斜切孔的一端连通所述第二通道，另一端连通所述第一通道。

在所述燃油喷射头部的一个或多个实施例中，还包括第一凸部，所述第一凸部为环状，其径向一端连接所述第一壳体，径向另一端连接所述燃油喷嘴，填充所述第一壳体与所述燃油喷嘴之间的径向间隙，所述第一凸部具有贯穿其轴向厚度的多个斜切孔，该斜切孔与所述第一通道连通。

在所述燃油喷射头部的一个或多个实施例中，还包括第二凸部，所述第二凸部包括多个凸筋，该凸筋的径向一端连接所述第二壳体，径向另一端连接所述第一壳体；至少一个该凸筋具有贯穿其径向的第一油道，所述第一凸部具有贯穿其径向的第二油道，所述第一油道与所述第二油道连通。

在所述燃油喷射头部的一个或多个实施例中，所述第一凸部与所述燃油喷嘴一体成形；所述第二凸部与所述第一壳体一体成形，所述第二壳体具有油孔，所述油孔与所述第一油道连通。

在所述燃油喷射头部的一个或多个实施例中，所述第一壳体还包括位于所述第二段的下游与其连接的第三段，所述第三段为扩口段，限定第三通道，所述第三通道的上游端与所述第一通道的下游端连通，所述第三段具有贯穿其厚度的多个冷却孔，该冷却孔的一端连通所述第二通道，另一端连通所述第三通道。

在所述燃油喷射头部的一个或多个实施例中，还包括第三凸部，所述第三凸部为环状，其径向一端连接所述第二壳体，径向另一端连接所述第一壳体的第三段的下游端，填充所述第一壳体与所述第二壳体之间的径向间隙，所述第三凸部具有贯穿其轴向厚度的多个斜切孔，该斜切孔与所述第二通道连通。

在所述燃油喷射头部的一个或多个实施例中，所述燃油喷嘴的燃油均由朝向所述第二段的所述喷孔喷出。

根据本发明一个方面的一种燃烧室，包括扩压器，火焰筒，还包括多个以上任意一项所述的燃油喷射头部，所述第一通道，第二通道的一端连通所述扩压器，所述第二通道的另一端连通所述火焰筒。

根据本发明一个方面的一种燃气涡轮发动机，包括所述的燃烧室。

根据本发明一个方面的一种燃烧控制方法，用于燃气涡轮发动机的燃烧室，包括：燃油喷嘴被设置通过多个喷孔直接喷射燃油；在中小工况下，从所述多个喷孔直射喷射的燃油在第一通道的壁面溅射形成局部油膜，所述油膜在所述第一通道内的空气气动剪切作用下向下游运动，形成油雾；在大工况下，从所述多个喷孔直接喷喷射的燃油直接喷入在所述第一通道内的空气，形成油雾。

在所述燃烧控制方法的一个或多个实施例中，流向燃油喷射头部的空气被设置为分别沿第一流动路径、第二流动路径以及第三流动路径流动；在所述第一流动路径，空气被设置为经过斜切孔在所述第一通道的缩口段形成旋流空气；在所述第二流动路径，空气被设置为流入设置于缩口段下游与之连接的扩口段，与所述油雾掺混；在所述第三流动路径，空气被设置为经过所述喷射头部的轴向下游端的斜切孔形成流场主旋流。

综上，本发明的进步效果包括但不限于以下之一或组合：

1.通过具有直接喷射的喷油孔的燃油喷嘴结构，配合斜切孔以及第一通道、第二通道的设置，使得燃烧过程可以自适应来流气动工况条件实现良好的雾化，在在燃烧室中小工况下使燃油借助壁面溅射和气流剪切实现良好的燃油散布，提高雾化效果；在燃烧室高工况下，喷油孔喷射的燃油在非常短的距离内实现雾化和蒸发后直接进入燃烧区燃烧，避免燃油自燃的发生；

2.同时，由于具有直接喷射的喷油孔的燃油喷嘴结构，配合斜切孔以及第一通道、第二通道的设置，使得进气、喷油的规律简单，无需如现有技术一般设置多级的燃烧室结构，以及具有旋流器而进行复杂的气流组织，一旦设计定型，则局部油气比固定，可便于设计阶段结合发动机总体输出功率要求、来流空气状态进行缩放，易于实现气动、几何与功率的缩放设计，亦便于多个同样或类似的喷嘴基元组件的排列组合使用；

3.第一通道、第二通道、第三通道及三者之间的连通关系，实现燃油喷射的气流运动分为多条流动路径，在第一通道的第一流动路径实现将直接喷射的燃油气动雾化，第二通道的第二流动路径实现壁面冷却与燃油-空气的初步掺混，在第三通道的第三流动路径形成流场的主旋流，用于形成扩张型的火焰稳定区，使得可燃混合器在火焰筒内分布均匀，保证燃烧的稳定性以及燃烧效率，控制主燃区温度降低燃烧室的污染排放。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1是燃气涡轮发动机的示意图。

图2是一实施例的燃烧室的内部结构示意图。

图3是一实施例的燃油喷射头部分解结构示意图。

图4A以及图4B是一实施例的燃油喷射头部组装结构示意图。

图5是一实施例的燃油喷射头部的内部气流路径示意图。

图6A以及图6B是一实施例的燃油喷射头部中小工况的示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。“一个实施例”、“一个或多个实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一些实施例”或“一个实施例”或“一个或多个实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

图1是燃气涡轮发动机结构示意图，发动机包括风扇1、低压压气机2、高压压气机3、燃烧室4、高压涡轮5及低压涡轮6以及风扇机匣7。发动机工作时，空气经过风扇1、低压压气机2压缩后，进入高压压气机3，高压空气再进入燃烧室4中与燃油掺混燃烧，燃烧后形成的高温高压燃气进入到高压涡轮5和低压涡轮6，通过涡轮做功分别驱动高压压气机3和低压压气机2及风扇1。

参考图2，在一些实施例中，燃烧室4可以包括扩压器8，燃烧室外机匣9，燃烧室内机匣10，燃烧室外火焰筒11，燃烧室内火焰筒12，油杆13和多个燃油喷射头部14，空气从扩压器8进入燃油喷射头部14，燃油通过油杆13输入燃油喷射头部，并从燃油喷嘴的喷孔直接喷射。此处的“直接喷射”为本领域的特定用语，指的是燃油不经过与空气预混，或经过非常短的预混距离，就喷向燃烧区，与大量空气混合并充分燃烧。

参考图3至图5，在一个或多个实施例中，燃油喷射头部14包括燃油喷嘴100，第一壳体200以及第二壳体300。其中，燃油喷嘴100位于第一壳体200内部，第一壳体200位于第二壳体300的内部，具体地可以是燃油喷嘴100位于燃油喷射头部14的中心，第一壳体200、第二壳体300分别同轴线地由内至外围绕燃油喷嘴100。第一壳体200具有第一段201以及位于第一段201下游与其连接的第二段202，第一段201在分布有多个贯穿其厚度的斜切孔2011，第二段202为径向尺寸逐渐缩小的缩口段，类似于锥形结构，燃油喷嘴100与第一壳体200的第一段201以及第二段202限定第一通道1000，燃油喷嘴100具有多个喷孔101，喷孔101可以是沿燃油喷嘴100的周向分布，如图5喷孔101的朝向第二段202，第一壳体200与第二壳体300之间第二通道2000，第一段201的斜切孔2011的一端连通第二通道2000，另一端连通第一通道1000。如此可以取得的有益效果可以参考图5、图6A以及图6B所示的，从扩压器8流入燃油喷射头部14的空气先分成两股流入与扩压器相通的第一通道1000、第二通道2000；其中流入第二通道2000的空气25占比较大，流入第一通道1000的空气26占比较小，空气25的部分从第一段201的斜切孔2011进入第一通道1000，形成旋流空气28，此时旋流空气28即为第一流动路径空气29。如图6A、图6B所示，当处于中小工况时，喷孔101喷射的燃油形成的喷雾34，在缩口的第二段202发生溅射，形成局部油膜35，油膜35在第一流动路径空气29的气动剪切作用下快速向下游运动，最终形成喷雾36，该过程提高了中小工况下燃油雾化液滴的散布，保证了雾化效果，降低头部下游的燃油局部集中度，减少了燃烧火焰中产生局部高温区的可能，从而控制污染物特别是氮氧化物的生成，图6A、图6B是从不同视角得到的中小工况下的示意图。而如图5所示，当处于大工况时，气流运动强，喷孔101喷射的燃油直接喷出，不会撞击第一通道1000的壁面发生溅射，而是直接进入第一流动路径空气29形成喷雾34，之后和第一流动路径空气29混合直接输送至下游参与燃烧。并且，采用以上实施例的头部结构，使得进气、喷油的规律简单，无需如现有技术方案的设置分级主燃级、预燃级喷射燃油的燃烧室结构，以及具有旋流器而进行复杂的气流组织，燃油喷嘴的燃油均由朝向第二段202的喷孔101喷出，一旦设计定型，则局部油气比固定，可便于设计阶段结合发动机总体输出功率要求、来流空气状态进行缩放，易于实现气动、几何与功率的缩放设计，亦便于多个同样或类似的喷嘴基元组件的排列组合使用。例如可以改变斜切孔2011的孔径、数量和角度实现第一流动路径空气29的气动参数变化，用于调节燃油喷射头部14的气动雾化性能，也可以调整燃油喷孔101的孔径和孔数实现燃油喷射头部14燃油喷射性能的调整。

继续参考图3、图4A以及图4B所示的，在一些实施例中，燃油喷射头部14还包括第一凸部150，第一凸部150为环状，其径向一端连接第一壳体200，径向另一端连接燃油喷嘴100，填充第一壳体200与燃油喷嘴100之间的径向间隙，第一凸部150具有贯穿其轴向厚度的多个斜切孔151，斜切孔151的轴向一端连通扩压器，另一端与第一通道1000连通。如此取得的技术效果可以参考图5所示的，空气26经过斜切孔151的作用形成旋流空气27，此时旋流空气27与旋流空气28为第一流动路径空气29，如此可以进一步加强在第一通道1000的旋流空气的旋流作用，进一步优化燃油喷射头部对航空发动机宽工况的气动、燃油自适应性，即中小工况下溅射雾化、高工况下直接喷射气动雾化。类似地，通过改变斜切孔151的孔径、数量和角度，也可以实现第一流动路径空气29的气动参数变化，用于调节燃油喷射头部14的气动雾化性能。尽管以上描述将第一凸部150作为部件，但第一凸部150可以是例如图3以及图5、图6A、图6B所示的第一凸部150与燃油喷嘴100是一体成形的，事实上燃油喷射头部14的整体也可以通过三维打印技术一体成形。当然，第一凸部150也可以是独立的部件，与燃油喷嘴100和/或第一壳体200焊接等连接结构固定连接。

继续参考图3、图4A以及图4B、图5所示的，在一些实施例中，燃油喷射头部14还包括第二凸部220，第二凸部220包括多个凸筋221，凸筋221的径向一端连接第二壳体300，径向另一端连接第一壳体200；至少一个该凸筋221具有贯穿其径向的第一油道222，第一凸部150具有贯穿其径向的第二油道152，第一油道222与第二油道152连通，第二壳体300具有油孔301，从油杆13输入的燃油32依次经过油孔301、第一油道222、第二油道152进入燃油喷嘴100。如此设置可以将巧妙地输油油路集成至第二壳体300的内部，使得燃油喷射头部14的结构紧凑。同时，由于凸筋221本身的所占的流通面积小，对大部分的空气25进入第二通道2000并不会造成明显影响。类似地，第二凸部220可以是与第一壳体200一体成形，也可以是作为独立的部件与第二壳体300和/或第一壳体200焊接等连接结构固定连接。

继续参考图3、图4A以及图4B、图5，在一个或多个实施例中，第一壳体200还包括位于第二段202的下游与其连接的第三段203，第三段203为扩口段，限定第三通道3000，第三通道3000的上游端与第一通道1000的下游端连通，第三通道3000的下游端连通火焰筒12。第三段203具有贯穿其厚度的多个冷却孔2031，冷却孔2031的一端连通第二通道2000，另一端连通第三通道3000。可以理解到，冷却孔2031的主要作用是冷却，其孔径小于需要组织气流运动的斜切孔151、斜切孔2011。如此可以扩口的第三段203的设置，使得空气从第二通道2000流入第三通道3000，为第二流动路径的空气32，用于冷却扩张段的壁面，并实现燃油-空气的初步掺混。继续参考图3、图4A以及图4B、图5，在一实施例中，在一些实施例中，燃油喷射头部14还包括第三凸部330，第三凸部330为环状，其径向一端连接第二壳体300，径向另一端连接第一壳体200的第三段203的下游端，填充第一壳体200与第二壳体300之间在下游端的径向间隙，第三凸部330具有贯穿其轴向厚度的多个斜切孔3301，该斜切孔3301一端与第二通道2000连通，另一端火焰筒连通。如此设置使得空气从第二通道2000经过斜切孔3301的作用输入与第二通道2000连通的火焰筒12的旋流空气为第三流动路径空气30，如形成流场主旋流31，用于形成扩张型的火焰稳定区。满足燃烧所需的空气，主要为第三流动路径空气30，通过改变斜切孔3301的孔径、数量和角度，可以实现燃油喷射头部14的进气量和进气旋流强度的调整。承上可知，第一通道1000、第二通道2000、第三通道3000及三者之间的连通关系，实现燃油喷射的气流运动分为多条流动路径，在第一通道的第一流动路径实现将直接喷射的燃油气动雾化，第二通道的第二流动路径实现壁面冷却与燃油-空气的初步掺混，在第三通道的第三流动路径形成流场的主旋流，用于形成扩张型的火焰稳定区，使得可燃混合器在火焰筒内分布均匀，保证燃烧的稳定性以及燃烧效率，控制主燃区温度降低燃烧室的污染排放。

承上所述，对于燃气涡轮发动机的燃烧室，实现低氮氧化物排放的燃烧控制方法包括：

燃油喷嘴被设置通过多个喷孔直接喷射燃油；

在中小工况下，从所述多个喷孔直射喷射的燃油在第一通道的壁面溅射形成局部油膜，所述油膜在所述第一通道内的空气气动剪切作用下向下游运动，形成油雾；

在大工况下，从所述多个喷孔直接喷喷射的燃油直接喷入在所述第一通道内的空气，形成油雾。

进一步地，流向燃油喷射头部的空气被设置为分别沿第一流动路径、第二流动路径以及第三流动路径流动；

在所述第一流动路径，空气被设置为经过斜切孔在所述第一通道的缩口段形成旋流空气；

在所述第二流动路径，空气被设置为流入设置于缩口段下游与之连接的扩口段，与所述油雾掺混；

在所述第三流动路径，空气被设置为经过所述喷射头部的轴向下游端的斜切孔形成流场主旋流。

综上，采用上述实施例提供的燃油喷射头部、燃烧室、燃气涡轮发动机、燃烧控制方法的有益效果在于：

1.通过具有直接喷射的喷油孔的燃油喷嘴结构，配合斜切孔以及第一通道、第二通道的设置，使得燃烧过程可以自适应来流气动工况条件实现良好的雾化，在在燃烧室中小工况下使燃油借助壁面溅射和气流剪切实现良好的燃油散布，提高雾化效果；在燃烧室高工况下，喷油孔喷射的燃油在非常短的距离内实现雾化和蒸发后直接进入燃烧区燃烧，避免燃油自燃的发生；

2.同时，由于具有直接喷射的喷油孔的燃油喷嘴结构，配合斜切孔以及第一通道、第二通道的设置，使得进气、喷油的规律简单，无需如现有技术一般设置多级的燃烧室结构，以及具有旋流器而进行复杂的气流组织，一旦设计定型，则局部油气比固定，可便于设计阶段结合发动机总体输出功率要求、来流空气状态进行缩放，易于实现气动、几何与功率的缩放设计，亦便于多个同样或类似的喷嘴基元组件的排列组合使用；

3.第一通道、第二通道、第三通道及三者之间的连通关系，实现燃油喷射的气流运动分为多条流动路径，在第一通道的第一流动路径实现将直接喷射的燃油气动雾化，第二通道的第二流动路径实现壁面冷却与燃油-空气的初步掺混，在第三通道的第三流动路径形成流场的主旋流，用于形成扩张型的火焰稳定区，使得可燃混合器在火焰筒内分布均匀，保证燃烧的稳定性以及燃烧效率，控制主燃区温度降低燃烧室的污染排放。

本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种燃油喷射头部，其特征在于，包括

燃油喷嘴，具有多个喷孔；

第一壳体；

第二壳体；

其中，所述燃油喷嘴位于所述第一壳体内部；所述第一壳体位于所述第二壳体的内部；所述第一壳体具有第一段以及位于所述第一段下游与其连接的第二段，所述第一段在分布有多个贯穿其厚度的斜切孔，所述第二段为缩口段，所述燃油喷嘴与所述第一壳体的第一段以及第二段限定第一通道，所述燃油喷嘴的所述喷孔的朝向所述第二段；所述第一壳体与所述第二壳体之间限定第二通道，所述第一段的所述斜切孔的一端连通所述第二通道，另一端连通所述第一通道。

2.如权利要求1所述的燃油喷射头部，其特征在于，还包括第一凸部，所述第一凸部为环状，其径向一端连接所述第一壳体，径向另一端连接所述燃油喷嘴，填充所述第一壳体与所述燃油喷嘴之间的径向间隙，所述第一凸部具有贯穿其轴向厚度的多个斜切孔，该斜切孔与所述第一通道连通。

3.如权利要求2所述的燃油喷射头部，其特征在于，还包括第二凸部，所述第二凸部包括多个凸筋，该凸筋的径向一端连接所述第二壳体，径向另一端连接所述第一壳体；至少一个该凸筋具有贯穿其径向的第一油道，所述第一凸部具有贯穿其径向的第二油道，所述第一油道与所述第二油道连通。

4.如权利要求3所述的燃油喷射头部，其特征在于，所述第一凸部与所述燃油喷嘴一体成形；所述第二凸部与所述第一壳体一体成形，所述第二壳体具有油孔，所述油孔与所述第一油道连通。

5.如权利要求1所述的燃油喷射头部，其特征在于，所述第一壳体还包括位于所述第二段的下游与其连接的第三段，所述第三段为扩口段，限定第三通道，所述第三通道的上游端与所述第一通道的下游端连通，所述第三段具有贯穿其厚度的多个冷却孔，该冷却孔的一端连通所述第二通道，另一端连通所述第三通道。

6.如权利要求5所述的燃油喷射头部，其特征在于，还包括第三凸部，所述第三凸部为环状，其径向一端连接所述第二壳体，径向另一端连接所述第一壳体的第三段的下游端，填充所述第一壳体与所述第二壳体之间的径向间隙，所述第三凸部具有贯穿其轴向厚度的多个斜切孔，该斜切孔与所述第二通道连通。

7.如权利要求1所述的燃油喷射头部，其特征在于，所述燃油喷嘴的燃油均由朝向所述第二段的所述喷孔喷出。

8.一种燃烧室，包括扩压器，火焰筒，其特征在于，还包括多个如权利要求1-7任意一项所述的燃油喷射头部，所述第一通道，第二通道的一端连通所述扩压器，所述第二通道的另一端连通所述火焰筒。

9.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括如权利要求8所述的燃烧室。

10.一种燃烧控制方法，用于燃气涡轮发动机的燃烧室，其特征在于，包括：

燃油喷嘴被设置通过多个喷孔直接喷射燃油；

在中小工况下，从所述多个喷孔直射喷射的燃油在第一通道的壁面溅射形成局部油膜，所述油膜在所述第一通道内的空气气动剪切作用下向下游运动，形成油雾；

在大工况下，从所述多个喷孔直接喷喷射的燃油直接喷入在所述第一通道内的空气，形成油雾。

11.如权利要求10所述的燃烧控制方法，其特征在于，流向燃油喷射头部的空气被设置为分别沿第一流动路径、第二流动路径以及第三流动路径流动；

在所述第一流动路径，空气被设置为经过斜切孔在所述第一通道的缩口段形成旋流空气；

在所述第二流动路径，空气被设置为流入设置于缩口段下游与之连接的扩口段，与所述油雾掺混；

在所述第三流动路径，空气被设置为经过所述喷射头部的轴向下游端的斜切孔形成流场主旋流。

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