CN1910346A - 用于涡轮增压器的曲面叶片 - Google Patents

Abstract

本发明的曲面叶片被构造以使用在叶片式涡轮增压器之中，并且内部翼面邻近涡轮机叶轮，以及外部翼面相对于内部翼面。该内部和外部翼面定义了叶片的翼型厚度。曲面叶片的前沿或者前端沿着第一内部和外部翼面接合点被设置，并且叶片的后缘沿着第二内部和外部表面的接合点被设置。叶片的内部和外部翼面被特别地构造以提供具有弯曲部分的叶片的曲面线。具体地说，叶片曲面线的弯曲部分具有通过叶片布置或者旋转直径在公差程度之内所定义的曲率测度，其通常通过安装在涡轮增压器上直径相对的叶片之间测量，用于提供改进的气流分布，从而增加涡轮增压器的有效的运行范围。

Description

用于涡轮增压器的曲面叶片

技术领域

本发明通常涉及涡轮增压器领域，并且尤其涉及采用可动叶片的可变几何形状的涡轮增压器，为了在涡轮增压器中扩展运行窗口和最佳化阻力系数，该可动叶片被特别地成形。

背景技术

用于汽油机和柴油机的涡轮增压器在现有技术中是已知的，其通过使用发动机排出的废气的热量和体积流量，对进入发动机燃烧室的进气流进行加压或者加速。具体地说，从发动机排出的废气进入到涡轮增压器的涡轮机壳体中，以使得废气驱动的涡轮在壳体之中旋转的方式。废气驱动的涡轮安装到与径向的空气压气机共有的轴的一端上，其中空气压气机被安装到该轴的相对端上并且容纳在压气机壳体中，因此，涡轮的旋转作用还会导致空气压气机在涡轮增压器的压气机壳体内旋转，其中该压气机壳体与涡轮机壳体是分离的。空气压气机的旋转作用会导致进气进入压气机壳体中并且被增压或者加速到所需的量，在其与燃料混合并且在发动机燃烧室燃烧之前。

在涡轮增压器中，通常可以根据需要来控制进入涡轮中的废气的流量，以改进涡轮增压器的效率或者工作范围。可变几何形状涡轮增压器(VGTs)已经被构造以满足该需要。这样类型的VGT具有可变的或者可调节的排气喷嘴，称为可变喷嘴的涡轮增压器。可变喷嘴的不同构造已经使用在可变喷嘴的涡轮增压器中，以控制废气流量。在这样的VGTs中用来获得废气流量控制的一个途径包括使用多个叶片，这些叶片可以环状地围绕涡轮进口被固定，旋转和/或滑动的设置。叶片通常被控制以改变在叶片之间的通道的喷口面积，从而起到控制流入涡轮的废气的功能。

在VGTs上使用的传统的叶片被成形为直的叶片外形，该叶片外形被设计来提供翼型，当设置在停止位置时，叶片被构造以与相邻的叶片一起提供互补的配合，当设置在打开位置时，在涡轮机壳体之内提供废气的通道。因此，这样直的叶片的功能是用来控制涡轮机壳体的喷口面积，从而起到控制由涡轮增压器所传送出的加速。然而，这样直的叶片仅仅能够提供在总使用范围中较小部分中提供均匀的废气流动到涡轮机叶轮中，因此不会有助于最大效率的涡轮增压器操作。

因此，希望在可变几何形状涡轮增压器中使用的叶片可特别地以加宽所需气流分布窗口的方式进行构造，从而以便于和促进有效率的涡轮增压器操作。还希望这样的叶片被设计，以便于在具有最小调节或者改型变化的可变几何形状的涡轮增压器中使用的方式。

发明内容

本发明的曲面叶片被构造以使用在叶片式的涡轮增压器中，其可包括但是不限于VGT。该VGT包括一涡轮机壳体，其具有废气进口和出口，连接到进口的蜗壳和邻接该蜗壳的喷嘴壁。涡轮机叶轮被送到涡轮机壳体之内并且连接到一轴上。许多这样的曲面叶片被设置在涡轮机壳体之内以及废气进口和涡轮机叶轮之间。

每个曲面叶片包括方向为相邻涡轮机叶轮的内部翼面，和方向为与内部翼面相对的外部翼面。该内部和外部翼面定义了叶片的翼型厚度。曲面叶片的前沿或者前端被设置为沿着第一内部和外部翼面接合点，并且叶片的后缘设置为沿着第二内部和外部表面的接合点。

该叶片的内部和外部翼面被特别的构造以提供叶片的曲面线(camberline)，其设置在翼面之间并且沿着叶片的长度进行延伸，该翼面沿着曲面线的实际长度进行弯曲。曲面线的弯曲截面具有曲率测度，该曲率测度限定在根据叶片布置直径(vane placement diameter)的公差等级之内，该叶片布置直径是在直接相对的叶片之间进行测量。在一个示例的实施例中，曲面线的弯曲具有在叶片布置直径的75％至125％的范围之内的曲率测度。

叶片以可在涡轮机壳体内提供改进的气流分布的方式被构造，从而可促进增加涡轮增压器的有效运行范围。

附图说明

本发明通过参见下面的附图可更加清楚的理解，其中：

图1是包括本发明的多个旋转叶片的可变几何形状的涡轮增压器的仰角的侧视图；

图2是图1的可变几何形状的涡轮增压器的截面的侧视图；

图3A至图3C是设置在图1的可变几何形状的涡轮增压器的涡轮机壳体之内的喷嘴环的相对表面的顶部平面图。

图4A和4B是表示具有图3A和3B的喷嘴环的可旋转叶片布置的相应的侧面截面和顶部平面图；

图5A和5B是在可变几何形状涡轮增压器中使用的第一现有技术的叶片设计的相应的仰角侧视图，及其曲面线图表；

图6A和6B是在本发明的第一示例的曲面叶片实施例的相应的仰角侧视图，及其曲面线图表；和

图7A和7B是在本发明的第二示例的曲面叶片实施例的相应的仰角侧视图，及其曲面线图表。

具体实施方式

根据本发明的原理所构造的，包括使用在叶片式涡轮增压器中的曲面叶片，其中可包括但是不限于可变几何形状的涡轮增压器(VGT)。为了方便起见，在整个本说明书中，采用VGT的示例的实施例将进行描述。然而，本领域技术人员将轻易的推断出本发明的改进的叶片能够使用在多种涡轮增压器构造中，其中包括固定叶片的涡轮增压器和其他滑动和/或旋转叶片式。

一般说来，叶片被构造具有弯曲翼型，其目的是为了在涡轮增压器中加宽所需的气流分布窗口，从而与常规的涡轮增压器叶片设计相比时，可以促进最小化在涡轮机壳体之内的任何不需要的空气动力学效果并且提高涡轮增压器运行效率。

参见图1，涡轮增压器10通常包括中心壳体12，其具有连接在一端的涡轮机壳体14，和连接在相对端的压气机壳体16。参见图2，轴18可旋转地设置在轴承装置20之中，该轴承装置20包含在中心壳体12之中。涡轮或者涡轮机叶轮22连接到一轴端上并且设置在涡轮机壳体之内，并且压气机叶轮24连接到相对轴端上并且设置在压气机壳体之内。涡轮和压气机壳体连接到中心壳体上，通过诸如在相邻壳体之间延伸的螺栓。

返回参见图1，涡轮机壳体被构造具有废气进口26，该废气进口26被构造以直接将废气径向导入涡轮机叶轮中，和废气出口28，该废气出口28被构造直接将废气轴向的导出涡轮机叶轮和涡轮机壳体。蜗壳(未示出)连接到废气进口，并且外喷嘴壁被结合在相邻着蜗壳的涡轮机壳体中。供给到涡轮增压器的废气或者其它高能量的气体通过进口26进入到涡轮机壳体中，并且通过在涡轮机壳体中的蜗壳进行分布，以用于通过圆周的喷嘴入口基本上径向的输入到涡轮机叶轮上。压气机壳体16包括进气口30，其用于直接将空气轴向的导入压气机叶轮，和排气口(未示出)，其用于直接将增压空气径向的导出压气机壳体并且导入到发动机进气系统中以用于随后的燃烧。

图3A示出了喷嘴和调和环装置32的前部端面，该装置设置在涡轮机壳体之中，并且径向地围绕涡轮机叶轮。一般说来，喷嘴调和环装置用来控制流入涡轮机壳体的废气的流量进入到涡轮机叶轮中，从而调节涡轮增压器操作。该装置32包括喷嘴环34，其设置在，例如，邻近涡轮机壳体的喷嘴壁，并且可围绕涡轮机叶轮同心的设置。许多可移动的，例如，可旋转的，叶片36被可移动的连接到喷嘴环34上。叶片36围绕着涡轮机叶轮进行设置并且用来控制流入涡轮机叶轮的废气。一调和环(见图3B中的38)可移动的连接在喷嘴环34的相对表面上，并且到多个叶片36上以实现叶片的运动一致。

图3B示出了喷嘴和调和环装置32的相对表面，再一次示出了在此围绕设置的喷嘴环34和调和环38。多个臂40被插入到喷嘴环34和调和环38之间或者邻近它们，其目的为了连接调和环到叶片上。每个臂40包括外端42，其设计用来可移动的配合在相对应的互补的空间或者槽44之中，该互补空间或者槽44设置在调和环之间，并且内部端46被设计来连接相对应的叶片。图3C示出了如图3B的喷嘴和调和环装置32同样的视图，这次是该装置32被设置在VGT涡轮机壳体14中。

如此构造，调和环相对于固定喷嘴环在涡轮机壳体内进行旋转，该旋转会导致臂40相对于喷嘴环进行移动，从而移动叶片。驱动器组件(未示出)连接到调和环38上并且被构造以在一个方向或者另一个所需的方向旋转调和环，以径向向外或者向内的移动叶片，从而控制导入涡轮的废气的压力和/或体积流量。

图4A和4B示出了臂40和相对应的叶片36是怎样通过喷嘴环34彼此结合的。每个叶片36可移动的连接到喷嘴环上，通过例如销48，该销48的一端连接到叶片的轴面上，并且其相对端连接到臂40的端46上。该销通过喷嘴环中的开口50伸出，并且叶片和臂被固定的连接到每个对应的销端。如此构造，在喷嘴环的一个表面上的每个臂的转动会导致在喷嘴环的相对表面上的叶片的旋转运动。

图5A示出了如上所述与VGTs一起使用的已知的常规的″直的″叶片50。此特定的叶片特征为具有内部翼面52和外部翼面54，它们的每个在设计上都是平的或者平面的。每个内部和外部翼片表面从具有第一曲率半径的叶片的前沿或者前端56延伸到，具有基本上较小的曲率半径的叶片后缘或者尾部58上。该常规的叶片设计的特征为相对于一轴具有对称形状，该轴从前端到后端贯穿叶片。也就是说，内部翼面52和外部翼面54相对彼此是对称的，从而导致平的或者直的曲面线。

此第一常规叶片设计的对称形状反映在图5B中，并且示出了用于该叶片的曲面线图表。该叶片的曲面线，通常也称为中心线，是穿过在叶片内部和外部翼面之间和在前端和后端叶片边缘的中点的线。该意思是本领域技术人员可以很好理解的。

曲面线的数学描述为相对复杂的系列的函数，但是这些函数还通常可以由本领域技术人员可理解出。实际上，叶片的曲面线可以沿着在前端和后端叶片边缘之间所限定的叶片的长度，通过以设定的间隔绘制叶片的内部和外部翼面的中点所表示。该曲面线还可以由绘制在与内部和外部翼面相切的叶片内部的多个圆的中心的图所表示。

在此所使用的，叶片的长度为叶片的固有长度，并且定义为在前端和后端叶片边缘之间布置的直线的长度。对于图5B，6B和7B中的包含的图表，x轴表示被测量为叶片长度的百分比的沿着叶片的距离。该y轴表示距离平行x轴的任意基准线的距离；为了在此描述的方便，叶片的前端和后端每个都具有设置为零的y坐标，并且因此x轴通过这两个点。在图5B的情况下，用于此常规叶片设计的曲面线图表基本上是平的，并且示出叶片中的曲率没有变化，这解释了为什么常规的叶片被称为直的叶片。

在VGTs中这样直的叶片的使用已经表示出提供了在涡轮机壳体中的不需要空气动力效果。具体地说，该叶片的设计会在涡轮机壳体中产生不希望的背压，该背压认为是当废气通过叶片前端并且沿着剩余叶片表面时由于加速的降低率所导致的，从而会限制该叶片能够提供较好分布的气流到涡轮机叶轮的范围。同样地，该叶片的前缘外形不会有助于最佳的空气动力效率。另外，内部和外部翼面的直的设计不会提供平滑的空气动力面，当叶片分级在一起并处于关闭位置时，例如，当空气从一个叶片的尾部流过并且流入到相邻叶片的前端时，空气的转移不会实现所需的空气动力学效果。

图6A示出了本发明的第一实施例的曲面叶片60，其包括外部翼面62和相对的内部翼面64，该外部翼面62通常在形状上是凸的并且由连续曲线或者合成的曲线组所定义，该内部翼面64通常是凸的并且由连续曲线或者合成的曲线组所定义。前缘66或者前端设置在内部和外部翼面之间的叶片的一端，并且后缘68或者前端设置在内部和外部翼面之间的叶片的相对端。

现在参见图6A和6B，本发明的曲面叶片的关键特征在于它们具有曲面线70或者设置在内部和外部翼面之间的中心线，该线沿着该曲面线长度的实际长度是弯曲的并且不是直的。更具体地说，本发明的曲面叶片具有曲面线，其特征为具有曲率测度的曲线，其中该曲率测度与在涡轮增压器之内沿着涡轮增压器喷嘴壁的叶片的布置所定义的直径的曲率测度相类似。

如上所述的，涡轮增压器包括多个叶片，这些叶片沿着涡轮增压器的喷嘴壁并同心围绕着涡轮机叶轮进行设置。在叶片沿着喷嘴壁旋转的叶片上的点与涡轮机叶轮的中心之间的距离称为叶片旋转半径。回来参见图3A，通过沿着喷嘴壁连接所有叶片的枢轴点所形成的圆69的直径称为叶片的旋转直径。因此，用于该种叶片的旋转直径与叶片的位置无关，例如，它们是否被取向在打开或者关闭位置，并且集中在叶片相对喷嘴壁的粘附点上。希望的是本发明的曲面叶片具有曲面线70或者中心线，其从前缘到后端贯穿叶片并且通过在翼面之间，并且其具有弯曲部分，该弯曲部分的曲率测度与叶片的旋转直径在尺寸上非常接近，也就是在曲率上相当于叶片的旋转直径。

虽然本发明的原理已经在包含有围绕喷嘴壁旋转的叶片的涡轮增压器的上下文中公开和示出了，需要理解的是本发明的一般原理也用于具有不与上述方式运行，或者被构造以除了上述的以外的方式运行的叶片的涡轮增压器。在这样的情况下，用于该叶片的曲面线在尺寸上非常接近于围绕涡轮机叶轮的叶片的布置直径。一般来说，术语叶片的旋转直径被理解为叶片布置直径的一种特定类型，也就是可枢轴连接叶片的使用的一个特性类型。

在一个示例的实施例中，其中叶片不会运动或者被构造以与上述不同的方式运动，本发明的曲面叶片具有曲面线弯曲部分，其具有由叶片布置直径而不是由叶片旋转直径所定义的曲率测度。在这样叶片的实施例中的叶片布置直径通过定义第一圆和定义第二圆所得到，其中第一圆与叶片的最外面的部分相切，例如，沿着外部翼面的每个叶片前缘的一部分，当围绕涡轮机叶轮设置时，其中第二圆在第一圆之内同心的设置并且与叶片的最内部的部分相切，例如，沿着内部翼面的每个叶片后缘的一部分。此技术的应用与叶片是否取向在打开或者关闭位置无关。用于这样的叶片的叶片布置直径设置在第一和第二圆的中间。

在一个示例的实施例中，本发明的曲面叶片具有曲面线，由具有曲率测度的弯曲部分或者弧所定义的实际的长度在用于特定的涡轮增压器的叶片旋转或者叶片布置直径的大约75％到125％的范围之内，更优选的在叶片旋转或者叶片布置直径的大约90％到100％的范围之内，并且最优选为叶片旋转或者布置直径的100％。

在上面使用的，术语″实际的″是考虑到用于本发明的特定的叶片可包括一个或多个曲面部分，这些曲面部分不是以所需的旋转或者布置直径为特征的，例如，一个或者两个翼面的反射部分不是彼此对称的或者不具有由单个曲率半径所定义的曲线型式。然而，在这种情况下，需要理解的是曲面线的弯曲部分的实际部分或者大多数具有在叶片旋转或者布置直径所需范围之内的曲率测度。

具有曲率测度小于叶片旋转或者布置直径的大约75％的曲面线部分的曲面叶片通常不是所需的，因为其会在涡轮上游的涡轮机壳体之内产生高水平的漩涡，从而产生高的摩擦损失。这样会减少传送到涡轮的能量，从而减少涡轮增压器效率。具有曲率测度大于叶片旋转或者布置直径的大约125％的曲面线部分的曲面叶片通常不是所需的，因为其会在涡轮机壳体之内产生太少的漩涡，从而使得叶片的性能非常类似于现有技术中直的叶片。

曲面叶片60具有前缘66或者前端，和后缘68或者尾部，每个由相对应的切成圆角的表面所定义，其中前缘由通常大于后缘的曲率半径所定义。曲面叶片60还具有可变的叶片厚度，其定义在内部翼面62和外部翼面64之间。具体地说，该特定实施例的曲面叶片具有从前缘66移动到后缘68逐渐降低的厚度。

在示例的实施例中，上述曲面叶片具有曲面线，其由大约59mm的叶片旋转直径和18mm的叶片长度(从叶片前缘和后缘之间的直线所测量)所定义。

图7A示出了本发明的另一个曲面叶片72，其有点类似于上述的并且在图6中所示出的曲面叶片，由于其还包括通常为凹的外部翼面74，并且还具有贯穿叶片的曲面线76或者中心线，其提供了与叶片旋转直径的一定义的关系。然而，在该特定的实施例中，内部翼面78包括两个不同构造部分的合成；也就是，从前缘81延伸一段距离的第一部分80并且其被成形为具有平的或者平面的外形，和从第一部分延伸到后缘的第二部分82并且其具有凹的成形外形。

现在参见图7B，尽管该特定的叶片实施例包括具有平面引导部分80的合成的内部翼面，通过叶片的曲面线的实际长度仍然是以弯曲线为特征，该弯曲线由叶片旋转直径的上述范围之内所定义。

在该曲面叶片的实施例中，提供内部翼面的平面引导部分的目的是朝向涡轮机叶轮引导废气，从而增加气流流过叶片和流向涡轮机叶轮的空气动力效率。更具体的说，特定的内部翼面构造促进废气有效率的流入涡轮机壳体的喉管中，在叶片离开关闭位置的最初的打开范围时。

虽然本曲面叶片实施例被示出具有平面的引导内部翼面，需要理解的是内部翼面的该部分可以不同的成形以提供类似所需的叶片空气动力效果。例如，该引导内部翼面可包含稍微凹的或者凸表面特征，除了或者代替平面特征，以提供类似的空气动力效果。

在一个示例的实施例中，需要的是内部翼面的引导部分或者第一部分80至多为总叶片长度的大约35％。在优选实施例中，翼面的第一部分大约为总叶片长度的25％，从前缘81开始测量起。具有大于总叶片长度的大约35％的内部翼面的第一部分的曲面叶片不是所需的，因为当叶片设置在喷嘴环上时，具有太大的平的部分会导致必须比另外的使用更大数目的叶片，这对提供以封闭的叶片组时必要的。采用比另外必须的多的叶片不是所需的，因为所使用的每个额外的叶片会增加适当的叶片操作的力学复杂性，增加发生在涡轮机壳体之内的不必要的空气动力摩擦和/或增加成本。

在示例的实施例中，上述的第二曲面叶片由大约59mm的叶片旋转直径，大约22mm的叶片长度(由叶片的前缘和后缘之间的直线所测量)，和大约为5mm的内部翼面引导部分或第一部分所定义。

本发明的曲面叶片的特定的设计，其目的是为了提供与在涡轮机壳体中流入到涡轮机叶轮的废气的通道相关的改进的空气动力效率。叶片的外部和内部翼面被构造以提供叶片的曲面线或者中心线，其是弯曲的并且通过叶片旋转直径在所需的公差程度之内所定义。如此构造，本发明的曲面叶片可增加在涡轮机壳体之内的均匀的气流分布范围，从而增加涡轮增压器的有效运行窗口。

本发明的曲面叶片可以由相同类型的材料，并且以相同的方式，例如，模制，折叠或者加工，这些运用来形成常规的现有技术叶片的技术所形成。本发明的曲面叶片具有基本上实心的设计或者被构造具有中空的或者作出空心的设计，这取决于具体的应用。在示例的实施例中，本发明的改进的叶片被构造具有实心的轴面。

在此根据专利法规所需详细的描述了本发明，本领域技术人员应当可意识到对在此公开的特定的实施例的修改和替换。这些修改是在本发明的范围和意图之内。

Claims (13)

1.一种使用在可变几何形状的涡轮增压器中的曲面叶片，其包括：一内部翼面；与内部翼面相对的外部翼面，内部和外部翼面限定了叶片的翼型厚度；沿着第一内部和外部翼面的接合点所设置的前缘；和沿着第二内部和外部翼面的接合点所设置的后缘；其中叶片围绕着涡轮增压器中的涡轮机叶轮同心地设置，内部翼面和外部翼面定义了设置在其之间的曲面线，该曲面线从前缘延伸到后缘，并且其中曲面线包括沿着在前缘和后缘之间叶片的实际长度的曲面部分，该曲面部分具有在叶片布置直径的75％至125％范围之内的曲率测度，该叶片布置直径由围绕涡轮机叶轮的叶片的同心布置所限定。

2.如权利要求1所述的叶片，其中叶片曲面线的弯曲部分的曲率测度在叶片布置直径的90％至110％的范围之内。

3.如权利要求1所述的叶片，其中外部翼面包括连续的凸形，并且内部翼面包括连续的凹形。

4.如权利要求1所述的叶片，其中外部翼面包括连续的凸形，并且内部翼面包括邻近叶片前缘的平面的部分。

5.如权利要求4所述的叶片，其中当由在叶片前缘和后缘之间所取的直线进行测量时，平面部分不超过总叶片长度的大约35％。

6.一涡轮增压器装置，其包括：具有废气进口和废气出口的涡轮机壳体，和连接到进口的蜗壳；保持在涡轮机壳体之内并且连接到一轴的涡轮机叶轮；可枢轴的设置在废气进口和涡轮机叶轮之间的涡轮机壳体之内的多个叶片，每个叶片包括：邻近涡轮机叶轮的内部翼面；与内部翼面相对的外部翼面，内部和外部翼面限定了翼型厚度；沿着第一内部和外部翼面的接合点所设置的前缘；和沿着第二内部和外部翼面的接合点所设置的后缘；其中内部翼面和外部翼面限定了沿着在前缘和后缘之间延伸的叶片长度延伸的叶片曲面线，其中叶片曲面线包括沿着其实际长度的曲面部分，其具有在叶片布置直径的75％至125％之内的曲率测度，该叶片布置直径限定在直径相对的叶片之间。

7.如权利要求6所述的涡轮增压器装置，其中叶片曲面线的弯曲部分的曲率测度在叶片布置直径的90％至110％的范围之内。

8.如权利要求6所述的涡轮增压器装置，其中外部翼面包括连续的凸形，并且内部翼面包括连续的凹形。

9.如权利要求6所述的涡轮增压器装置，其中外部翼面包括连续的凸形，并且内部翼面包括邻近叶片前缘的平面的部分。

10.如权利要求9所述的涡轮增压器，其中当由连接叶片前缘和后缘的直线进行测量时，平面部分不超过总叶片长度的大约35％。

11.用于制造在涡轮增压器中使用的空气动力的叶片的方法，该空气动力的叶片包括限定在叶片前缘和后缘之间的长度，和限定在叶片外部翼面和内部翼面之间的厚度，该方法包括以下步骤：确定同心的围绕设置在涡轮增压器中的涡轮机叶轮的多个空气动力叶片的布置位置，这样的布置位置限定了围绕涡轮机叶轮的布置直径；和构造叶片外部翼面和叶片内部翼面，从而使得在外部翼面和内部翼面之间，和在前缘和后缘之间设置的曲面线的实际部分具有在布置直径的75％至125％范围之内的曲率测度。

12.如权利要求11所述的方法，其中在构造的步骤期间，弯曲的曲面线具有在布置直径90％至110％之内的曲率测度。

13.如权利要求11所述的方法，其中通过柱(posts)和对应于涡轮增压器中的柱的布置位置的直径，叶片可枢轴的连接到涡轮增压器上。

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