CN115342384A - 一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃气轮机分级低污染燃烧室技术领域，具体涉及一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构。本发明中值班级采用扩散燃烧模式，保证燃烧室低工况下的稳定工作，同时加强了燃烧室点火性能；主燃级采用贫油预混预蒸发技术，有利于均匀燃烧。本发明采用两级燃油直射喷嘴共用同一燃油流道、向径向双向相反喷射的燃油供给和喷射方案，在使用三级燃油油路的条件下，实现了四级燃油喷射，相较单一方向喷射方案，喷嘴数量增加一倍，从而保证燃油与每级旋流器空气良好混合，确保燃烧均匀充分不产生局部热点；本发明可以在保证燃烧室性能的同时，能够使污染物排放大幅度降低，进而实现超低排放的目的。

Description

一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构

技术领域

本发明属于燃气轮机分级低污染燃烧室技术领域，具体涉及一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构。

背景技术

燃气轮机污染物排放的源头来自燃烧室，因此发展低污染燃烧技术是降低燃气轮机污染排放的关键。燃烧室的主要污染物包括氮氧化物、一氧化碳和未燃碳氢，其中最重要的是减少氮氧化物的生成量。在燃烧室中，热力型氮氧化物生成机理起到主导作用，因此降低燃烧区燃烧温度是降低氮氧化物生成量的有效手段之一。贫油燃烧技术可有效降低燃烧区燃烧温度，从而减少氮氧化物的生成量。先进低排放燃烧室的降低污染排放的能力，在很大程度上要归功于先进头部组织燃烧的技术设计。针对贫油低排放燃烧室，由于空气分区燃油分级燃烧的需要，大部分先进的低排放燃烧室喷嘴主要由值班级喷嘴(离心式)和主燃级(直射式)喷嘴组成。针对贫油燃烧技术，国外研究者们提出了贫油预混预蒸发燃烧技术，并对其开展了广泛研究，该技术可有效控制主燃区燃烧温度，在降低氮氧化物方面具有很大的潜力。

GE公司的TAPS燃烧室就已申请了多项美国专利，专利号为US6453660B1、US6381964B1、US6389815B1等的低排放燃烧室头部专利提出的技术方案是：值班级由离心喷嘴、两级轴向旋流器、文氏管和套筒构成，主燃级由直射式喷嘴和一级或两级径向旋流构成。头部大喷嘴由值班级单油路离心喷嘴和主燃级直射式喷嘴组成。北京航空航天大学和中国燃气涡轮研究院也申请了多种贫油部分预混预蒸发燃烧室的专利，如专利CN101169252A、CN101275751A、CN101275750A、CN202032612U、CN202032613U和CN202082953U等，NOx是燃气轮机燃烧室设计人员需要重点考虑的污染物之一，在燃烧室中，NOx主要由燃烧区火焰温度和燃气停留时间决定。目前已有低污染燃烧室采用中心分级的贫油预混预蒸发技术来降低污染排放，这种低排放燃烧室的头部分为值班级和环绕值班级外的主燃级组成，这种头部组织燃烧技术在工程应用中显示出了巨大的潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构。

一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构，包括值班级与主燃级；所述值班级包括值班级旋流器、一级燃油油路、离心喷嘴；所述主燃级包括一级主燃级旋流器、二级主燃级旋流器、三级主燃级旋流器、二级燃油油路、三级燃油油路、二级燃油喷嘴、三级燃油喷嘴、四级燃油喷嘴；

所述三级主燃级旋流器的外环与三级主燃级旋流器的内环之间安装有三级主燃级旋流叶片；所述三级燃油油路的外壁面为三级主燃级旋流器的内环，内壁面为二级主燃级旋流器的外环；所述二级主燃级旋流器的外环与一级主燃级旋流器的外环之间安装有二级主燃级旋流叶片；所述一级主燃级旋流器的外环与一级主燃级旋流器的内环之间安装有一级主燃级旋流叶片；所述二级燃油油路的外壁面为一级主燃级旋流器的内环，内壁面为文氏管即值班级旋流器的外环；所述文氏管与值班级旋流器的内环之间安装有值班级旋流叶片；所述离心喷嘴置于值班级旋流器的内环，二级燃油喷嘴置于一级主燃级旋流器的内环，三级燃油喷嘴置于二级主燃级旋流器的外环，四级燃油喷嘴置于三级主燃级旋流器的内环；

所述值班级燃油通过一级燃油油路、离心喷嘴形成油雾，在文氏管内壁面上形成油膜，经过值班级空气的来流作用下进行雾化，在值班级旋流器的出口进行扩散燃烧；所述三级燃油喷嘴向二级主燃级旋流器的预混通道喷射燃油，四级燃油喷嘴向三级主燃级旋流器的预混通道喷射燃油，燃油在主燃级内旋流的作用下进行蒸发、预混和掺混，实现燃油蒸发并与空气均匀掺混。

进一步地，所述值班级旋流器、一级主燃级旋流器、二级主燃级旋流器为轴向旋流器，值班级旋流叶片、一级主燃级旋流叶片、二级主燃级旋流叶片均采用采用曲叶片；所述三级主燃级旋流器为径向旋流器，三级主燃级旋流叶片采用直叶片。

进一步地，所述值班级旋流器的旋流数为0.8～1.2，叶片数为8～10个；所述一级主燃级旋流器、二级主燃级旋流器为空气顺时针旋向，叶片数为12～16个，旋流数为0.6～0.8；所述三级主燃级旋流器为空气顺时针旋向，叶片数为28～36个，旋流数为0.5～0.7。

进一步地，所述三级主燃级旋流器的外径范围为110～120mm。

进一步地，所述离心喷嘴的喷射锥角为60°～90°；所述二级燃油喷嘴、三级燃油喷嘴、四级燃油喷嘴均为直射喷嘴。

进一步地，所述二级燃油喷嘴数量为6～8个，直射喷嘴出口直径为0.01～0.8mm；所述三级燃油喷嘴、四级燃油喷嘴数量为14～18个，喷射方向与轴向夹角范围为45°～135°，三级燃油喷嘴、四级燃油喷嘴共用三级燃油油路；所述主燃级的燃油占总燃油量的比例为50％～90％，主燃级内直射喷孔与旋流器出口的轴向距离为20～40mm。

进一步地，所述二级燃油油路、三级燃油油路过圆环形集油腔与直射喷嘴连接，三级燃油油路的圆环形集油腔置于二级主燃级旋流器与三级主燃级旋流器之间。

进一步地，所述圆环形集油腔的圆环径向宽度为2～6mm，轴向长度为20～80mm。

进一步地，所述值班级旋流器、一级主燃级旋流器、二级主燃级旋流器、二级燃油喷嘴、三级燃油喷嘴、四级燃油喷嘴组成一体化空气燃油组合喷嘴，三级主燃级旋流器与一体化空气燃油组合喷嘴间隙配合，三级主燃级旋流器与火焰筒相连。

进一步地，所述值班级旋流器与一级主燃级旋流器内空气在二级燃油喷嘴后合流，二级燃油喷嘴尾部向外偏转，一级主燃级旋流器内空气流道截面积减小，尾部偏转角度范围为30°～45°；所述二级主燃级旋流器与三级主燃级旋流器内空气在燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部的出口前掺混，二级主燃级旋流器的尾部向上偏转，用于对二级主燃级旋流器内气流进行导流，流道截面积减小，偏转角度范围为30°～45°。

本发明的有益效果在于：

本发明中主燃级采用贫油预混预蒸发技术，有利于均匀燃烧。采用四级空气与燃油分级，相比传统二级或三级头部方案，进一步增加了燃油分布的均匀性，使燃烧室具有很大的降低污染排放的潜力；

本发明采用两级燃油直射喷嘴共用同一燃油流道、向径向双向相反喷射的燃油供给和喷射方案，在使用三级燃油油路的条件下，实现了四级燃油喷射，相较单一方向喷射方案，喷嘴数量增加一倍，从而保证燃油与每级旋流器空气良好混合，确保燃烧均匀充分不产生局部热点；

本发明中外级旋流器与火焰筒直径接近，充分利用火焰筒的径向空间，同时使得燃油能够在径向均匀分布，有利于减少头部结构的轴向尺寸，在相同火焰筒长度内提高轴向掺混距离。

附图说明

图1为本发明中的一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构的示意图。

图2为本发明中的一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构与火焰筒装配示意图。

图3为本发明中的一体化空气燃油组合喷嘴的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明设计了一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构，该头部可使燃烧室在全工况范围内能稳定高效工作，有效地抑制燃烧不稳定性的发生，同时这种方案具有结构紧凑、工况过度平稳、出口温度场均匀性好、工作范围宽、燃烧稳定性好、排放低、负荷适应性强、可在轻型燃机和重型燃机上通用等优点。

如图1所示，一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构，包括值班级与主燃级，主燃级包括一级主燃级旋流器、二级主燃级旋流器、三级主燃级旋流器、二级燃油油路13、三级燃油油路6、二级燃油喷嘴14、三级燃油喷嘴7、四级燃油喷嘴8；值班级包括值班级旋流器、一级燃油油路17、离心喷嘴18。三级主燃级旋流器包括三级主燃级外壳1、三级主燃级旋流叶片2、三级主燃级内壳3、三级主燃级内环4；二级主燃级旋流器包括二级主燃级外环5、二级主燃级旋流叶片9；一级主燃级旋流器包括一级主燃级外环10、一级主燃级旋流叶片11、一级主燃级内环12；值班级旋流器包括文氏管15、值班级旋流叶片16。

三级主燃级旋流器的外壳1与三级主燃级旋流器的内环4之间安装有三级主燃级旋流叶片2；三级燃油油路6的外壁面为三级主燃级旋流器的内环4，内壁面为二级主燃级旋流器的外环5；二级主燃级旋流器的外环5与一级主燃级旋流器的外环10之间安装有二级主燃级旋流叶片9；一级主燃级旋流器的外环10与一级主燃级旋流器的内环12之间安装有一级主燃级旋流叶片11；二级燃油油路13的外壁面为一级主燃级旋流器的内环12，内壁面为文氏管15即值班级旋流器的外环；文氏管15与值班级旋流器的内环之间安装有值班级旋流叶片16；离心喷嘴18置于值班级旋流器的内环，二级燃油喷嘴14置于一级主燃级旋流器的内环12，三级燃油喷嘴7置于二级主燃级旋流器的外环5，四级燃油喷嘴8置于三级主燃级旋流器的内环4。

值班级燃油通过一级燃油油路17、离心喷嘴18形成油雾，在文氏管15内壁面上形成油膜，经过值班级空气的来流作用下进行雾化，在值班级旋流器的出口进行扩散燃烧；三级燃油喷嘴7向二级主燃级旋流器的预混通道喷射燃油，四级燃油喷嘴8向三级主燃级旋流器的预混通道喷射燃油，燃油在主燃级内旋流的作用下进行蒸发、预混和掺混，实现燃油蒸发并与空气均匀掺混。

实施例1：

作为优选，一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构由4级径向和轴向旋流器组合而成，其中1级旋流器为值班级旋流器，采用轴向旋流器，旋流数0.8～1.2，叶片数8～10个，采用曲叶片；2～4级分别旋流器为一级主燃级旋流器、二级主燃级旋流器、三级主燃级旋流器，其中一级主燃级旋流器、二级主燃级旋流器为轴向旋流器，采用曲叶片，空气顺时针旋向，叶片数12～16个，旋流数0.6～0.8；第4级即三级主燃级旋流器为径向旋流器，采用直叶片，空气顺时针旋向，叶片数28～36个，旋流数0.5～0.7，三级主燃级旋流器外径范围为110～120mm。

实施例2：

作为优选，所述值班级所使用的离心喷嘴18喷射锥角60°～90°，主燃级燃油喷嘴(二级燃油喷嘴14、三级燃油喷嘴7、四级燃油喷嘴8)为直射喷嘴，直射喷嘴出口直径为0.01～0.8mm，二级燃油喷嘴14数量6～8个，直射喷嘴出口直径为0.01～0.8mm，三级燃油喷嘴7、四级燃油喷嘴8数量为14～18个，三级燃油喷嘴7、四级燃油喷嘴8喷射方向与轴向夹角范围为45°～135°，三级燃油喷嘴7、四级燃油喷嘴8共用第三级燃油油路6，主燃级燃油占总燃油量的比例为50％～90％；所述主燃级内直射喷孔与旋流器出口的轴向距离为20～40mm。

作为优选，二级燃油油路13、三级燃油油路6过圆环形集油腔与直射喷嘴连接，三级燃油油路6的圆环形集油腔置于二级主燃级旋流器与三级主燃级旋流器之间，圆环形集油腔的圆环径向宽度为2～6mm，轴向长度为20～80mm。

实施例3：

作为优选，所述值班级旋流器、一级主燃级旋流器、二级主燃级旋流器、二级燃油喷嘴14、三级燃油喷嘴7、四级燃油喷嘴8组成一体化空气燃油组合喷嘴，三级主燃级旋流器与一体化空气燃油组合喷嘴间隙配合，三级主燃级旋流器与火焰筒通过焊接相连。值班级旋流器与一级主燃级旋流器内空气在二级燃油喷嘴14后合流，二级燃油喷嘴14尾部向外偏转，一级主燃级旋流器内空气流道截面积减小，尾部偏转角度范围为30°～45°；所述二级主燃级旋流器与三级主燃级旋流器内空气在燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部的出口前掺混，二级主燃级旋流器的尾部向上偏转，用于对二级主燃级旋流器内气流进行导流，流道截面积减小，偏转角度范围为30°～45°。

实施例4：

本发明公开了一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构。燃烧室的头部由值班级、主燃级构成，其中值班级由一级轴向旋流器、文氏管和离心喷嘴构成；主燃级由三级旋流器、两级燃油油路、三级直射式喷嘴构成。主燃级采用离散多点直射式喷嘴进行初始压力雾化，之后进行空气剪切气动雾化。主燃级结构上分为三级，避免了主燃级一级的情况下，主级油气混合变差导致的污染排放的增加，这种燃烧室头部可以在保证燃烧室性能的同时，能够使污染物排放大幅度降低，进而实现超低排放的目的。考虑到工程装配、维修的实际应用情况，该燃烧室头部结构上做成一体化设计。

二级燃油油路13与三级燃油油路6通过圆环形集油腔与直射喷嘴相连，三级燃油油路6的圆环形集油腔置于二、三级主燃级空气旋流器之间，集油腔圆环径向宽度2～6mm，轴向长度20～80mm，2～4级燃油喷嘴为直射喷嘴，每级喷嘴数量6～36个，喷射方向与轴向夹角范围为45°～135°，三级燃油喷嘴7、四级燃油喷嘴8共用三级燃油油路6，主燃级燃油占总燃油量的比例为50％～90％，；四级燃油喷嘴8置于三级内环，向主燃三级预混通道喷射燃油，燃油在主燃级内旋流的作用下进行蒸发和预混和掺混，实现燃油蒸发并与空气均匀掺混；

三级燃油油路6外壁面为三级主燃级内环4、内壁面为二级主燃级外环5，三级燃油喷嘴7置于二级外环，向主燃二级预混通道喷射燃油，二级燃油油路13外壁面为一级主燃级内环12、内壁面为文氏管15即值班级外环，二级燃油喷嘴14置于一级主燃级内环12；值班级燃油通过一级燃油油路17、离心喷嘴18形成油雾，离心喷嘴18喷射锥角60°～90，值班级油雾旋流器文氏管15内壁面上形成油膜，在经过值班级通道的来流作用下进行雾化，在值班级出口进行扩散燃烧。

燃油喷嘴与值班级、一级主燃级、二级主燃级空气旋流器组成一体化空气燃油组合喷嘴，三级主燃级空气旋流器焊接在火焰筒上，三级主燃级空气旋流器与一体化空气燃油组合喷嘴间隙配合，一体化空气燃油组合喷嘴在安装维护时不需要拆装火焰筒，间隙配合使得不需要借助工具即可完成头部与火焰筒的分离，方便单独进行喷嘴的更换或维护。

值班级与主燃一级旋流器空气在二级燃油喷嘴14后合流，二级燃油喷嘴14尾部向外偏转，一级主燃级空气流道截面积减小，尾部偏转角度范围10°～45°，截面积减小有助于气流加速，能够有效防止预混燃料发生回火现象；二级主燃级与三级主燃级旋流空气在头部出口前、三、四级燃油喷嘴8后合流，二级主燃级旋流器尾部向上偏转，用于对二级主燃级气流进行导流，流道截面积减小，偏转角度范围30°～45°，三级主燃级利用径向旋流器的特点，减小流道截面积，使得气流加速，防止回火现象反生，二级主燃级利用一级主燃级外环10尾部解结构进行导流，减小二级主燃级流道截面积，同时与三级主燃级的气流在头部出口前掺混，进一步强化燃油与空气的雾化旋流掺混过程。

本发明的工作原理是：值班级采用扩散燃烧模式，保证燃烧室低工况下的稳定工作，同时加强了燃烧室点火性能；主燃级采用贫油部分预混预蒸发燃烧技术，能大幅度降低NOx、UHC、CO和烟粒子等污染物的排放；主燃级旋流器的设计考虑了预防回火自燃现象的出现，通过旋流器轮毂形状，将各级空气气流进行导流加速；三级主燃级旋流器的设计考虑了进气均匀性和主燃级燃油气动雾化以及头部装拆的问题，燃油喷嘴与值班级、一级主燃级、二级主燃级空气旋流器组成一体化空气燃油组合喷嘴，三级主燃级空气旋流器与一体化空气燃油组合喷嘴间隙配合，一体化空气燃油组合喷嘴在安装维护时不需要拆装火焰筒，间隙配合使得不需要借助工具即可完成头部与火焰筒的分离，具有很高的实用价值。通过三级燃油喷嘴7、四级燃油喷嘴8共用第三级燃油油路6，喷嘴向径向相反方向喷射的设计，使得仅使用两级燃油油路就可以同时向三级空气旋流器喷射燃油进行雾化，充分利用了火焰筒的径向空间，同时简化了供油系统，NOx排放能在0.5～1.0工况内保持在60ppm以下。

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 (10)

1.一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构，其特征在于：包括值班级与主燃级；所述值班级包括值班级旋流器、一级燃油油路(17)、离心喷嘴(18)；所述主燃级包括一级主燃级旋流器、二级主燃级旋流器、三级主燃级旋流器、二级燃油油路(13)、三级燃油油路(6)、二级燃油喷嘴(14)、三级燃油喷嘴(7)、四级燃油喷嘴(8)；

所述三级主燃级旋流器的外环与三级主燃级旋流器的内环(4)之间安装有三级主燃级旋流叶片(2)；所述三级燃油油路(6)的外壁面为三级主燃级旋流器的内环(4)，内壁面为二级主燃级旋流器的外环(5)；所述二级主燃级旋流器的外环(5)与一级主燃级旋流器的外环(10)之间安装有二级主燃级旋流叶片(9)；所述一级主燃级旋流器的外环(10)与一级主燃级旋流器的内环(12)之间安装有一级主燃级旋流叶片(11)；所述二级燃油油路(13)的外壁面为一级主燃级旋流器的内环(12)，内壁面为文氏管(15)即值班级旋流器的外环；所述文氏管(15)与值班级旋流器的内环之间安装有值班级旋流叶片(16)；所述离心喷嘴(18)置于值班级旋流器的内环，二级燃油喷嘴(14)置于一级主燃级旋流器的内环(12)，三级燃油喷嘴(7)置于二级主燃级旋流器的外环(5)，四级燃油喷嘴(8)置于三级主燃级旋流器的内环(4)；

所述值班级燃油通过一级燃油油路(17)、离心喷嘴(18)形成油雾，在文氏管(15)内壁面上形成油膜，经过值班级空气的来流作用下进行雾化，在值班级旋流器的出口进行扩散燃烧；所述三级燃油喷嘴(7)向二级主燃级旋流器的预混通道喷射燃油，四级燃油喷嘴(8)向三级主燃级旋流器的预混通道喷射燃油，燃油在主燃级内旋流的作用下进行蒸发、预混和掺混，实现燃油蒸发并与空气均匀掺混。

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构，其特征在于：所述值班级旋流器、一级主燃级旋流器、二级主燃级旋流器为轴向旋流器，值班级旋流叶片(16)、一级主燃级旋流叶片(11)、二级主燃级旋流叶片(9)均采用采用曲叶片；所述三级主燃级旋流器为径向旋流器，三级主燃级旋流叶片(2)采用直叶片。

3.根据权利要求2所述的一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构，其特征在于：所述值班级旋流器的旋流数为0.8～1.2，叶片数为8～10个；所述一级主燃级旋流器、二级主燃级旋流器为空气顺时针旋向，叶片数为12～16个，旋流数为0.6～0.8；所述三级主燃级旋流器为空气顺时针旋向，叶片数为28～36个，旋流数为0.5～0.7。

4.根据权利要求3所述的一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构，其特征在于：所述三级主燃级旋流器的外径范围为110～120mm。

5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构，其特征在于：所述离心喷嘴(18)的喷射锥角为60°～90°；所述二级燃油喷嘴(14)、三级燃油喷嘴(7)、四级燃油喷嘴(8)均为直射喷嘴。

6.根据权利要求5所述的一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构，其特征在于：所述二级燃油喷嘴(14)数量为6～8个，直射喷嘴出口直径为0.01～0.8mm；所述三级燃油喷嘴(7)、四级燃油喷嘴(8)数量为14～18个，喷射方向与轴向夹角范围为45°～135°，三级燃油喷嘴(7)、四级燃油喷嘴(8)共用三级燃油油路(6)；所述主燃级的燃油占总燃油量的比例为50％～90％，主燃级内直射喷孔与旋流器出口的轴向距离为20～40mm。

7.根据权利要求5或6所述的一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构，其特征在于：所述二级燃油油路(13)、三级燃油油路(6)过圆环形集油腔与直射喷嘴连接，三级燃油油路(6)的圆环形集油腔置于二级主燃级旋流器与三级主燃级旋流器之间。

8.根据权利要求7所述的一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构，其特征在于：所述圆环形集油腔的圆环径向宽度为2～6mm，轴向长度为20～80mm。

9.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构，其特征在于：所述值班级旋流器、一级主燃级旋流器、二级主燃级旋流器、二级燃油喷嘴(14)、三级燃油喷嘴(7)、四级燃油喷嘴(8)组成一体化空气燃油组合喷嘴，三级主燃级旋流器与一体化空气燃油组合喷嘴间隙配合，三级主燃级旋流器与火焰筒相连。

10.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部结构，其特征在于：所述值班级旋流器与一级主燃级旋流器内空气在二级燃油喷嘴(14)后合流，二级燃油喷嘴(14)尾部向外偏转，一级主燃级旋流器内空气流道截面积减小，尾部偏转角度范围为30°～45°；所述二级主燃级旋流器与三级主燃级旋流器内空气在燃气轮机燃烧室贫油预混一体化头部的出口前掺混，二级主燃级旋流器的尾部向上偏转，用于对二级主燃级旋流器内气流进行导流，流道截面积减小，偏转角度范围为30°～45°。

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