CN114441157A - 一种涡流器流量试验数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡流器流量试验数据处理方法,其技术方案要点是所述换算方法包括以下步骤：根据涡流器流量试验获取实测质量流量W_a，通过质量流量修正模型对实测质量流量W_a进行处理，获得处理后的换算质量流量W_t。本发明解决了航空发动机燃烧室涡流器流量试验中涡流器质量流量受环境因素影响较大导致测量不确定度(U_a＝4.1％，k＝2.35，置信水平99％)较低不满足测量精度(±1.0％)要求的问题。

Description

一种涡流器流量试验数据处理方法

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种涡流器流量试验数据处理方法。

背景技术

涡流器是航空发动机燃烧室最重要的部件之一，它的好坏直接影响燃烧室的工作性能。其中双级径向涡流器是一种较为先进的头部进气结构，具有促进燃油良好雾化，保证火焰稳定的功效，在当前较多的高性能航空发动机上得到成功应用。涡流器组件(包含但不限于：由一级涡流器和二级涡流器组合而成或由一级涡流器、二级涡流器、三级涡流器等组合而成等类型或一体式的涡流器组件。)通过模具铸造(或复杂的机械加工工艺制造)而成，由于其结构尺寸小、内部结构复杂，使得涡流器内部结构参数难以直接测量(直接测量需要对涡流器解剖)。而涡流器结构尺寸的微小偏差或加工瑕疵都可能对涡流器流量和燃烧室头部流场结构产生较大的影响，从而造成燃烧室出口温度场的明显变化。如涡流器叶型厚度、叶型喉道宽度和节流通道宽度等参数出现偏差时。为保障加工后的涡流器能满足设计要求，需要对涡流器进行合格品评定。

目前，涡流器流量试验是对涡流器(含一级涡流器和二级涡流器，下文简称“单级涡流器”)进行合格品评定的主要手段，亦是进行涡流器组件配对工作的主要依据。涡流器流量试验具有试验速度快、试验结果可靠性高和试验成本较低的优点，是对大批量涡流器加工质量进行间接测量的主要手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡流器流量试验数据处理方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种涡流器流量试验数据处理方法，所述换算方法包括以下步骤：

根据涡流器流量试验获取实测质量流量W_a，

通过质量流量修正模型对实测质量流量W_a进行处理，

获得处理后的换算质量流量W_t。

优选的，所述质量流量修正模型满足公式：

其中，W_a：实测质量流量，质量流量计实测的涡流器质量流量；

△P：是标准样件设计状态下的进出口压差；

P_t-H：为标准状态时的环境压力，取P_t-H＝101325Pa；

P_t1：稳压筒内总压探针测得的表压；

P_s1：稳压筒内静压压探针测得的表压；

P_a-H：为实测状态时的环境压力，Pa；

T_t：标准状态时稳压筒内气体温度，取T_t＝288.15K；

T_a：实测状态时稳压筒内气体温度。

优选的，在△P与实测值P_t1相等，则满足公式：

其中，P_t1与△P的偏差γ小于或等于±0.2％。

优选的，在所述涡流器流量试验前需进行标准样件基准试验，标准样件基准试验的频次为每天至少进行一次。

优选的，所述标准样件基准试验结果需满足公式，

-1％＜W_t/W_t-ref-1＜1％

则标准样件基准试验结果符合要求，可以进行正式试验，其中，W_t-ref为标准样件基准试验参考值。

优选的，所述标准样件基准试验步骤包括：

先将标准样件装在涡流器试验装置上，然后调节△P至30000Pa，待状态稳定后，测量其参数；

分析标准样件的换算质量流量W_t与标准样件基准试验参考值的误差，当误差小于±1％时，说明涡流器流量试验设备状态正常，进行涡流器流量试验。

优选的，在进行涡流器流量试验时，每个试验结果应连续采集多次，并取其算术平均值。

优选的，在进行涡流器流量试验前，涡流器流量测量设备应选择科氏力质量流量计来测量涡流器流量，所述涡流器流量测量工况中的精度控制在±0.5％以内；

在进行涡流器流量试验时，稳压筒内流场的雷诺数不超过5000，稳压筒上布置总温、总压、静压测点，并布置在同一个截面，总压、静压测量精度小于或等于±0.5％。

优选的，所述涡轮器流量试验需经多次试验，多次试验满足不确定度评定，所述不确定度评定包括：

质量流量计的不确定度u₁，

稳压筒实测总压P_t1的不确定度u₂，

稳压筒实测静压P_s1的不确定度u₃，

实测大气压力P_a-H的不确定度u₄，

稳压筒实测总温T_a的不确定度u₅，

其中T_t＝288.15K。

优选的，所述涡轮器流量试验需经多次试验，其中，多次试验满足测量次数建议大于等于12次。

优选的，将各不确定度分量的自由度及其不确定度代入不确定度模型，得到单级涡流器的合成不确定度自由度v_c。

优选的，所述不确定度模型满足：

U＝k×u_c

其中，U为扩展不确定度，k为置信水平99％对应的包含因子k，U_c为各不确定度分量。

本发明的技术效果和优点：

本发明提出的涡流器流量换算方法在不改变或小幅调整现有设备测点布置的情况下现有设备的基础上，可提升涡流器质量流量测量精度3倍的效果，换算后的涡流器质量流量即换算质量流量，测量不确定度U_t＝0.9％，k＝2.45，置信水平99％，可满足涡流器流量试验测量精度的要求，并可为涡流器结构设计、组件配对、型号排故等提供高精度和高可靠性的试验数据支撑。

附图说明

图1为本发明的涡流器流量试验数据处理方法的流程图；

图2为本发明的偶然误差随测量次数N的变化规律图；

图3为本发明的采用换算公式后试验结果对比图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在现有的涡流器流量试验方法尚不够完善，主要存在如下问题：如单个状态时数据连续采集次数(n)缺乏统一规定。采集次数n＝1时，偶然误差较大，甚至可达±0.2％；然而采集次数n取值过大又会降低试验效率。因此合理确定数据采集次数需要兼顾精度和效率。

稳压筒压力温度测点等缺少统一规定。稳压筒的压力、温度测点数据可为涡流器试验装置排故、试验结果分析提供有效支撑。

流量测量设备选型缺乏明确规定。有的选择质量流量精度较低的涡街涡流计、流量喷嘴、文丘里流量计等，使得试验结果精度不能达到±1％的测量精度要求。

试验结果测量结果未进行不确定度评定，试验结果的测量精度和可靠性受到质疑。一般设计人员会直接选用流量测量设备的读数结果(即实测质量流量)作为最终结果；或者用流量设备的测量精度作为试验结果(涡流器质量流量)的测量精度，从而人为的提高了试验结果的测量精度。

现有试验结果的可重复性较差，试验结果受环境因素影响较大。对现有涡流器器试验装置2015年～2017年的标准样件试验结果进行分析发现，当温度变化±12℃，涡流器标准样件流量试验结果波动±3.8％。因此当试验时间跨度超过半年后再进行重复试验时，现有测量装置的测量精度不能满足试验技术要求，从而给涡流器组件配对、型号排故和涡流器设计带来了困扰。

综上，因为关键测试设备、数据采集、数据处理方法的不明确或不统一，导致不同实验室的涡流器流量试验结果差异性较大，而且测量结果精度往往不能达到±1％的试验技术要求。

涡流器流量试验是一种高精度的空气流量试验类型，为确保换算质量流量的精度能控制在±1％以内，相比于现有试验方法，本发明提供了一种涡流器流量试验数据处理方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

根据涡流器流量试验获取实测质量流量W_a，通过质量流量修正模型对实测质量流量W_a进行处理，获得处理后的换算质量流量W_t。

具体的，换算质量流量W_t：在稳压筒内温度15℃，大气压力101325Pa时(即标准状态下)通过涡流器的质量流量。(注温度、压力可以调整为其它任意数值，此处仅是其中一种情形。)

式中：

W_a：实测质量流量，质量流量计实测的涡流器质量流量，g/s；

△P：是标准样件设计状态下的进出口压差，Pa；

P_t-H：取值101325Pa，为标准状态时的环境压力(当标准状态改变时，其数值相应调整)，Pa；

P_t1：稳压筒内总压探针测得的表压。

P_s1：稳压筒内静压压探针测得的表压。

P_a-H：为实测状态时的环境压力，Pa。

T_t：标准状态时稳压筒内气体温度，取T_t＝288.15K，K；

T_a：实测状态时稳压筒内气体温度，K；

假设公式(1)中的△P与实测值P_t1相等，则公式可简化为：

公式(2)相比公式(1)的优点：

相比于公式(1)，公式(2)一旦写入数采程序中可适用各类型号的涡流器流量试验。

公式(1)需要根据涡流器的设计状态进出口压差不断修改△P，因涡流器型号多、状态多使得试验效率下降且因更改程序需要人手工实现从而增加了出错概率。

公式(2)使用时的注意事项：

P_t1与△P的偏差γ应控制在一定范围，如不宜大于±0.2％。公式(2)与公式(1)的偏差为P_t1与△P偏差的γ一半。因W_t的不确定度为1％，所以当公式(2)与公式(1)的偏差在0.1％以内时，这个偏差是一种微小偏差，可以忽略。

本发明对测量设备的要求：

流量测量设备的精度是涡流器质量流量的主要不确定度来源之一。为提高换算质量流量测量不确定度，本发明明确要求流量测量设备应选择科氏力质量流量计(或更高精度的流量测量设备)来测量涡流器流量。合理选择科氏力质量流量的规格，使其在涡流器流量测量工况中的精度在±0.5％以内。

稳压筒内流场的雷诺数不宜超过5000。稳压筒上应布置总温、总压、静压测点，并尽量布置在同一个截面。

总压、静压测量精度应优于等于±0.5％。

数据采集的要求

涡流器流量试验时，每个状态应连续采集n次，并取其算术平均值，以减小偶然误差。推荐采集次数n≥12次。此时偶然误差，可降低至0.06％。

涡流器流量试验不确定度评定方法

所述涡轮器流量试验需经多次试验，多次试验需满足不确定度评定。

假设W_a、P_t1、P_s1、P_a-H、T_a彼此独立，根据不确定度传播率，换算质量流量W_t的方差表达式为：

从数学模型可以看出，换算质量流量与实测质量流量W_a(质量流量计的读数值)、P_t1、P_s1、P_a-H、T_a等有关。此外，因为试验时状态参数在允许范围不断波动，数据采集时还需考虑测量次数不同带来的偶然误差；由于试验系统本身存在系统误差，还需考虑因多次重复测量而引入的不确定度。因此，换算质量流量的不确定度主要来源包括：

1)质量流量计的不确定度u₁，

2)稳压筒实测总压P_t1的不确定度u₂，

3)稳压筒实测静压P_s1的不确定度u₃，

4)实测大气压力P_a-H的不确定度u₄，

5)稳压筒实测总温(开尔文温度)T_a的不确定度u₅，

T_t＝288.15K；

6)状态参数波动，带来的偶然误差u₆；

7)重复测量引入的不确定度u₇。

不确定度分量的自由度、标准偏差的计算公式参考相关不确定度评定规范。

不确定度分量u₁～u₅，可代入试验结果求得。

以三种(可以是一种，也可以多种，根据需要确定)型号单级涡流器为对象开展不确定度评定。测量对象：标准样件、A型单级涡流器、B型单级涡流器。试验状态：根据当次试验要求，按照涡流器流量试验流程进行试验。测量条件：室温。

各不确定度分量评定：

已知主要测试测量设备精度如下表1所示。

表1 主要测试测量设备精度

质量流量计的不确定度

质量流量计的精度为±0.5％，假设其为均匀分布，则：

质量流量计的精度为±0.5％，估计其△u₁/u₁＝10％，得其自由度为：v₁＝1/2[10％]²＝50。

稳压筒实测总压的不确定度

稳压筒实测总压P_t1的测量精度为±0.5％，假设其为均匀分布，则：

u₂的数值需要代入具体数值计算才能得到。

稳压筒实测总压P_t1的精度为±0.5％，估计其△u₂/u₂＝10％，其自由度为：v₂＝1/2[10％]²＝50。

稳压筒实测静压的不确定度

稳压筒实测总压P_s1的测量精度为±0.3％，假设其为均匀分布，则：

u₃的数值需要代入具体数值计算才能得到。

稳压筒实测总压P_s1的精度为±0.3％，估计其△u₃/u₃＝5％，其自由度为：v₃＝1/2[5％]²＝200。

实测大气压力的不确定度

实测大气压力P_a-H的测量精度为±0.01％F.S.，假设其为均匀分布，则：

u₄的数值需要代入具体数值计算才能得到。

实测大气压力P_a-H的精度±0.01％F.S.，估计其△u₄/u₄＝1％，其自由度为：v₄＝1/2[1％]²＝5000。

稳压筒实测总温(开尔文温度)的不确定度

稳压筒实测总温(开尔文温度)的测量精度为±0.5℃或±0.4％t，假设其为均匀分布，则：

u₅的数值需要代入具体数值计算才能得到。

稳压筒实测总温(开尔文温度)T_a的精度为±0.5℃或±0.4％t，估计其△u₅/u₅＝10％，其自由度为：v₅＝1/2[10％]²＝50。

状态参数波动带来的偶然误差

标准样件在稳定状态下，连续采集24次数据。当n分别取6～24次时，试验结果的单次测量百分比标准偏差和算术平均值百分比标准偏差见图2。状态参数波动，带来的偶然误差u₆即图中算术平均值百分比标准偏差)，当n＝6时，u₆＝0.081％；n＝12时，u₆＝0.06％；当n＝14时，u₆＝0.052％。从图2可知，测量次数建议大于等于12次。

涡流器流量试验单次测量次数一般为12次，因此取u₆＝0.06％。作为A类不确定度，其自由度为v₆＝24-1＝23。

重复测量引入的不确定度

在压缩空气温度变化小于±3℃的条件下，对标准样件进行重复试验。每采集完一组标准样件数据后，对标准样件进行拆装，共重复进行了4次试验(见表2，每次试验采集12组数据，取平均值)。4次试验的标准偏差为±0.18％。即，u₇＝0.18％。

作为A类不确定度，其自由度为v₇＝4-1＝3。

表2 标准样件重复测量结果

合成不确定度计算：

每种单级涡流器随机选择4个试验状态的试验结果(连续采集12次的算术平均值)，试验数据见表3。

表3 涡流器流量试验数据(算术平均值)

将试验数据代入不确定度计算公式，可得各不确定度分量、合成不确定度的值。计算合成不确定度的自由度，根据t分布表，选择置信水平99％对应的包含因子k，根据U＝k×u_c，可得扩展不确定度U，计算结果见表4。

表4 换算质量流量不确定度计算表

扩展不确定度计算

将各不确定度分量的自由度及其不确定度代入相关公式，可得单级涡流器的合成不确定度自由度v_c分别为：

标准样件自由度的平均值为v_c-s＝29.9；

A型单级涡流器自由度的平均值为v_c-A＝31.1；

B型单级涡流器自由度的平均值为v_c-B＝30.5。

所以合成不确定度的自由度取v_c＝32。

根据t分布表，当置信水平为p＝99％时，k＝2.45。

从表4中可知，换算质量流量的扩展不确定度U_t＝0.862％≈0.9％，k＝2.45，置信水平99％。

标准样件基准试验

在进行涡流器流量流量试验前应进行标准样件基准试验。基准试验的频次为每天至少进行一次即可。

测量设备、被测量和环境因素是影响测量结果精度的三大要素。试验前采用标准件对涡流器试验设备进行检查，不仅可确保试验前测量设备、环境因素带来的不确定度在接受范围之内，还可以保证每次试验的试验结果具有可比性。对涡流器流量试验系统进行标准件基准试验有着重大的计量价值，而对标准件基准试验的合格标准进行明确，则是多次试验的试验结果具有可比性的重要基准。

具体要求如下：

在每次试验前，应完成标准样件基准试验，同时记录试验日期、大气压力、温度、实测质量流量、换算质量流量等参数。标准样件基准试验结果满足以下公式，则标准样件基准试验结果符合要求，可以进行正式试验。

-1％＜W_t/W_t-ref-1＜1％ (1)

为了保证涡流器试验设备测量数据的有效性以及前后试验测量值的对比性，需要开展涡流器标准样件检定试验，比较参数为换算质量流量W_t。如果在相同状态下，标准样件的测量值误差小于±1％则说明涡流器试验设备的状态正常，可以进行试验；若误差过大，则说明可能存在气密性问题或其他问题，需要解决问题后再进行基准试验，直至测量值误差小于±1％。标准样件基准试验步骤如下：

先将标准样件装在涡流器试验装置上，然后调节△P至30000Pa，待状态稳定后，测量其参数；

分析标准样件的换算质量流量W_t与标准样件基准试验参考值的误差，当误差小于±1％时，说明涡流器流量试验设备状态正常，可以进行涡流器流量试验；

标准样件基准试验的结果见下表5。

表5 标准样件基准试验结果示例

综上，不确定度评定方法可使用与涡流器流量试验的测量不确定度评定。该方法的核心是换算质量流量公式，依据是不确定度传播率，同时在每次试验前进行标准样件基准试验。

与此同时，本发明提出的涡流器流量换算方法的可行性已经经过试验验证，验证可大幅减小环境因素对精度的不利影响，实现测量精度提升3倍以上的效果。由现有的4.1％，提升至U_t＝0.9％，k＝2.45，置信水平99％。试验结果如下：

试验件：标准样件(一种二级涡流器)。标准样件在试验验证中保持不变。

试验状态：设计状态下进出口压差△P＝30000Pa。

试验过程：在2018年～2020年间，连续进行了163次标准样件基准试验。试验过程中，试验装置不变、试验状态不变、试验件保持不变，仅环境改变。

试验结果如下：

表6 2018年～2020年标准样件试验结果分析

换算质量流量扩展不确定度的试验验证

采用统计分析的方法来验证换算质量流量的不确定度评定报告有效性。对2018年～2020年的163次标准样件基准试验结果数据进行分析(表6)。换算质量流量W_t的标准样件基准试验结果分析如下：

有效试验次数：163次；

W_t-ref换算质量流量标准样件基准试验参考值：5.655g/s；

标准偏差σ_t：0.020g/s；

百分比标准偏差u_t：0.347％。

自由度：162。查t分布表，置信水平为99％时对应的包含因子k＝2.35。

W_t扩展不确定度U_t＝2.35×0.347％＝0.817％≈0.9％，k＝2.35，置信水平99％。

统计分析的扩展不确定度与采用不确定度传播率评估的扩展不确定度基本一致，这充分证明了经过修正后的涡流器流量试验结果(W_t)，环境因素对试验精度的不利影响被大幅削弱，同时W_t的精度能满足试验技术要求的需要。

实测质量流量扩展不确定度的试验验证

对表6结果进行分析，实测质量流量W_a的标准样件基准试验结果分析如下：

有效试验次数：163次；

平均值：5.543g/s；

最大值：5.747/s；

最小值：5.381g/s；

标准偏差σ：0.096g/s；

百分比标准偏差u_a：1.74％；

自由度：162；

置信水平为99％时对应的包含因子k：查t分布表，k＝2.35；

W_a扩展不确定度U_a＝2.35×1.74％＝4.09％≈4.10％，k＝2.35，置信水平99％。

故，实测质量流量的测量精度为±4.1％，远不能满足试验要求精度±1％。

优化前(采用实测质量流量)和优化后(采用换算公式)的试验结果见图3。从图中可知，优化后的试验结果幅值波动相比优化前的分布更加集中，优化后试验结果随着环境等因素的波动幅度大大减小，试验精度由4.1％，提升至0.9％，试验精度提升了3倍。优化后的试验精度能满足试验技术要求的需要。

本发明提出的涡流器流量试验数据处理方法具有良好的适用性，可适用于各类涡流器。可在现有设备基础上，进行小幅改动，再运用本发明的处理方法即可大幅提升测量精度。改动量小，改造效果显著。对现有涡流器流量试验技术中的测量设备、数据采集、数据处理方法、标准样件基准试验等有了明确的要求和判断指标，可以大幅减小人为因素在以上各个环节中带来的影响，提高试验精度。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (12)

1.一种涡流器流量试验数据处理方法，其特征在于，所述换算方法包括以下步骤：

根据涡流器流量试验获取实测质量流量W_a，

通过质量流量修正模型对实测质量流量W_a进行处理，

获得处理后的换算质量流量W_t。

2.根据权利要求1所述的一种涡流器流量试验数据处理方法，其特征在于，所述质量流量修正模型满足公式：

其中，W_a：实测质量流量，质量流量计实测的涡流器质量流量；

△P：是标准样件设计状态下的进出口压差；

P_t-H：为标准状态时的环境压力，取P_t-H＝101325Pa；

P_t1：稳压筒内总压探针测得的表压；

P_s1：稳压筒内静压压探针测得的表压；

P_a-H：为实测状态时的环境压力，Pa；

T_t：标准状态时稳压筒内气体温度，取T_t＝288.15K；

T_a：实测状态时稳压筒内气体温度。

3.根据权利要求2所述的一种涡流器流量试验数据处理方法，其特征在于，在△P与实测值P_t1相等，则满足公式：

其中，P_t1与△P的偏差γ小于或等于±0.2％。

4.根据权利要求1所述的一种涡流器流量试验数据处理方法，其特征在于，在所述涡流器流量试验前需进行标准样件基准试验，标准样件基准试验的频次为每天至少进行一次。

5.根据权利要求4所述的一种涡流器流量试验数据处理方法，其特征在于，所述标准样件基准试验结果需满足公式，

-1％＜W_t/W_t-ref-1＜1％

则标准样件基准试验结果符合要求，可以进行正式试验，其中，W_t-ref为标准样件基准试验参考值。

6.根据权利要求4或5所述的一种涡流器流量试验数据处理方法，其特征在于，所述标准样件基准试验步骤包括：

先将标准样件装在涡流器试验装置上，然后调节△P至30000Pa，待状态稳定后，测量其参数；

分析标准样件的换算质量流量W_t与标准样件基准试验参考值的误差，当误差小于±1％时，说明涡流器流量试验设备状态正常，进行涡流器流量试验。

7.根据权利要求6所述的一种涡流器流量试验数据处理方法，其特征在于，在进行涡流器流量试验时，每个试验结果应连续采集多次，并取其算术平均值。

8.根据权利要求1所述的一种涡流器流量试验数据处理方法，其特征在于：在进行涡流器流量试验前，涡流器流量测量设备应选择科氏力质量流量计来测量涡流器流量，所述涡流器流量测量工况中的精度控制在±0.5％以内；

在进行涡流器流量试验时，稳压筒内流场的雷诺数不超过5000，稳压筒上布置总温、总压、静压测点，并布置在同一个截面，总压、静压测量精度小于或等于±0.5％。

9.根据权利要求1所述的一种涡流器流量试验数据处理方法，其特征在于，所述涡轮器流量试验需经多次试验，多次试验满足不确定度评定，所述不确定度评定包括：

质量流量计的不确定度u₁，

稳压筒实测总压P_t1的不确定度u₂，

稳压筒实测静压P_s1的不确定度u₃，

实测大气压力P_a-H的不确定度u₄，

稳压筒实测总温T_a的不确定度u₅，

其中T_t＝288.15K。

10.根据权利要求7所述的一种涡流器流量试验数据处理方法，其特征在于，所述涡轮器流量试验需经多次试验，其中，多次试验满足测量次数大于等于12次。

11.根据权利要求1所述的一种涡流器流量试验数据处理方法，其特征在于，将各不确定度分量的自由度及其不确定度代入不确定度模型，得到单级涡流器的合成不确定度自由度v_c。

12.根据权利要求11所述的一种涡流器流量试验数据处理方法，其特征在于，所述不确定度模型满足：

U＝k×u_c

其中，U为扩展不确定度，k为置信水平99％对应的包含因子k，U_c为各不确定度分量。

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