CN212406895U - 一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置，包括进气道和压气机等；进气道位于燃气轮机最前端，压气机与进气道相连，储气室置于压气机下游，压气机排气管连接储气室和燃烧室进气道，燃烧室进气锥布置在燃烧室进气道内，燃烧室气动阀安装在燃烧室进气锥上，脉冲爆震燃烧室与燃烧室进气道相连，脉冲爆震燃烧室头部设置有火花塞，脉冲爆震燃烧室的出口布置有特斯拉涡轮，集气腔置于特斯拉涡轮的侧边，排气管与集气腔相连，压气机变速器左端与压气机转子相连，右端与涡轮转子相连，发电机变速器左端与涡轮转子相连，右端与发电机相连。本实用新型解决了将脉冲爆震燃烧室替换地面燃气轮机等发电动力装置中的等压燃烧室后出现的问题。

Description

一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种燃气轮机，特别涉及一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置，应用于将低品质燃料释热内能转换为高品质电能。

背景技术

缓燃燃烧是一种通过热传导、热扩散、热辐射的方式加热可燃混合物并发生化学反应的燃烧方式，火焰传播速度小，常低于1m/s。目前地面燃气轮机、舰用燃气轮机、航空发动机、弹用发动机等动力装置常采用基于缓燃燃烧方式的等压燃烧室。燃料在燃烧过程中燃烧室内燃气压力基本不变或略有降低，该类动力装置的性能已经发展到一个较为成熟的阶段。其理想循环热效率主要取决于压气机的增压比，理论上增压比越大动力装置的循环热效率越高，但随着动力装置压气机压比的升高，进入燃烧室的空气初始温度也大幅升高，而在材料受限的情况下动力装置中的涡轮入口温度又不可超限，进而导致燃烧室的加热量大幅下降，致使动力装置的输出功率降低。要进一步提高动力装置的性能主要得依靠新材料和叶片冷却技术的研发，而在材料及冷却方法受限时，其将受到采用等压燃烧方式的布莱顿热力循环的限制。

爆震燃烧是一种由引导激波绝热压缩可燃混合物，诱导可燃混合物产生高温高压引燃区，进而发生剧烈化学反应的燃烧方式，化学反应所释放的能量反过来维持并推动引导激波继续向前发展，激波和释热两者相互促进，相辅相成。正因为爆震燃烧是在激波压缩诱导作用下进行，火焰传播速度极快，通常在10³m/s量级，此外可燃混合物燃烧释热的同时燃气压力也升高，即爆震燃烧具有传播速度快、自增压等特点，发展基于爆震燃烧的动力装置有望进一步提高现有动力装置的总体性能。

基于爆震燃烧的上述优势，国内外学者提出了采用脉冲爆震燃烧的新型动力装置，将脉冲爆震燃烧室替换地面燃气轮机、舰用燃气轮机、航空发动机、弹用发动机等动力装置中的等压燃烧室，但在研究中发现，1)脉冲爆震燃烧后产生的高温高压燃气具有强脉动特性，燃气能量分布极为集中，高能量燃气占循环工作周期的时间比例小，基于准稳态来流设计条件的涡轮对爆震燃气的能量转换效率低；2)脉冲爆震燃烧室内形成脉冲爆震燃烧波后，燃烧室头部压力升高，燃烧压缩波会反传入燃烧室进气道，影响压气机的正常工作。

实用新型内容

为了解决将脉冲爆震燃烧室替换地面燃气轮机等发电动力装置中的等压燃烧室后出现的问题，如爆震燃气能量转换效率低、爆震燃烧波压力反传影响压气机工作等，本实用新型提出一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置。本实用新型中采用特斯拉涡轮作为脉冲爆震燃气能量转换部件，特斯拉涡轮是利用流体的物理黏性来实现流体在涡轮内的能量转换，高速脉冲爆震燃气从涡轮壳切向进入涡轮后，在涡轮内形成螺旋状流线，燃气与涡轮叶盘之间形成附面层，根据牛顿黏性定律叶盘在受到燃气黏性作用力下高速旋转，将从燃气中所获取的能量以轴功率的方式输出。由于特斯拉涡轮不存在任何叶片结构，与现有动力装置中采用的轴流和向心涡轮相比，非稳态脉冲爆震燃气可在特斯拉涡轮内自适应地以瞬态黏性力做功方式进行能量转换，解决轴流和向心涡轮对脉冲爆震燃气能量转换效率低的问题。本实用新型同时针对脉冲爆震燃烧室的工作特性，提出了一种可自适应跟随脉冲爆震燃烧室工作频率变化的气动阀结构，利用进气压力差和爆震燃烧波反传压力差，自动打开和关闭气动阀，解决爆震燃烧波压力反传影响压气机工作的问题。

本实用新型采用如下技术方案来实现的：

一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置，包括进气道、压气机、储气室、压气机变速器、压气机排气管、燃烧室进气道、燃烧室进气锥、燃烧室气动阀、火花塞、脉冲爆震燃烧室、特斯拉涡轮、集气腔、排气管、发电机变速器和发电机；其中，进气道位于燃气轮机最前端，压气机与进气道相连，储气室置于压气机下游，压气机排气管连接储气室和燃烧室进气道，燃烧室进气锥布置在燃烧室进气道内，燃烧室气动阀安装在燃烧室进气锥上，脉冲爆震燃烧室与燃烧室进气道相连，脉冲爆震燃烧室头部设置有火花塞，脉冲爆震燃烧室的出口布置有特斯拉涡轮，集气腔置于特斯拉涡轮的侧边，排气管与集气腔相连，压气机变速器左端与压气机转子相连，右端与涡轮转子相连，发电机变速器左端与涡轮转子相连，右端与发电机相连。

本实用新型进一步的改进在于，特斯拉涡轮包括涡轮动力盘、涡轮转子、涡轮排气壳、集气腔、涡轮排气通道和涡轮燃气壳；涡轮动力盘由一组直径相同等厚的圆形薄板组成，圆形薄板间的布置距离相同，圆形薄板的中心开设有扇形排气孔，圆形薄板通过扇形排气孔间的肋板与涡轮转子连接；涡轮燃气壳为圆柱体腔体结构，其上设计有封严篦齿，防止高能爆震燃气直接泄漏至由涡轮排气壳与涡轮燃气壳包裹形成的涡轮排气通道，涡轮排气壳上设计有涡轮轴承安装座，集气腔布置在特斯拉涡轮的排气侧，集气腔与涡轮排气通道相连通。

本实用新型进一步的改进在于，工作时，外界空气被压气机吸入燃气轮机，并经压缩增压后进入储气室，通过压气机排气管并经燃烧室进气道内燃烧室气动阀进入脉冲爆震燃烧室，燃料由燃料供给管道进入燃烧室进气道内燃烧室进气锥，并在燃烧室进气锥尾部的锥形旋流喷嘴内被高压气雾化后喷入脉冲爆震燃烧室，待空气和燃料充满脉冲爆震燃烧室后，由脉冲爆震燃烧室头部的火花塞点火可燃混合物并形成爆震燃烧波，爆震燃烧波以超声速传播并燃烧完脉冲爆震燃烧室内可燃混合物，燃烧后生成的高温高压强脉动爆震燃气高速喷入特斯拉涡轮，利用爆震燃气的黏性力带动涡轮动力盘高速旋转做功，做完功的乏气先后经涡轮排气通道和集气腔，最终由排气管排出燃气轮机，涡轮功以轴功率的形式输出给压气机和发电机。

本实用新型进一步的改进在于，所述进气道、压气机与传统燃气轮机的进气道和压气机相同，压气机级数减少为2至3级；所述压气机转子采用悬臂转子设计结构，压气机叶片布置在压气机转子的悬臂端，压气机转子轴承安装在储气室内缸上。

本实用新型进一步的改进在于，所述储气室的入口为一扩张式环形通道，压气机出口亚音速气流经扩张通道后减速增压；所述储气室的主体部分为一等截面的环形腔体，储气室的体积容量较大，主要用于当燃烧室气动阀关闭时，存储压气机排出的压缩空气，防止压气机进入喘振等不稳定工作边界。

本实用新型进一步的改进在于，所述压气机排气管为一普通金属圆管，管路上安装有压缩空气流量计和空气流量调节阀，根据燃气轮机负荷变化对空气流量大小进行精确控制。

本实用新型进一步的改进在于，所述燃烧室进气道为长方形横截面腔体结构，是脉冲爆震燃烧室燃烧燃料所需空气的主要进气通道，其内安装有燃烧室进气锥和燃烧室气动阀。

本实用新型进一步的改进在于，所述燃烧室进气锥头部为锥形体，主体为圆柱体结构，燃烧室进气锥内设置有雾化空气流道、燃料流道和锥形旋流喷嘴，雾化空气流道将雾化空气进气管道与锥形旋流喷嘴相连，燃料流道将燃料供给管道与锥形旋流喷嘴相连；所述燃烧室进气锥是燃烧室燃料的供给结构，实现液体燃料的雾化和喷射，液体燃料经锥形旋流喷嘴，在高压雾化空气旋转射流的剪切作用下破碎并形成细小油滴喷入燃烧室。

本实用新型进一步的改进在于，所述燃烧室气动阀具有高速响应和自适应工作特点，安装在燃烧室进气锥的末端，由进气孔板、爆震波截止板和进气罩杯组成，进气孔板为长方形薄板结构，其上均匀等距开设有多个进气孔，爆震波截止板为长方形薄板，进气罩杯为右端开口左端开孔的长方形腔体结构；所述燃烧室气动阀在脉冲爆震燃烧室填充新鲜空气和燃料阶段，爆震波截止板在进气压力作用下向气流下游方向移动，直至被进气罩杯滞止，并完全遮盖进气罩杯左端的开孔结构，新鲜空气从进气罩杯与燃烧室进气道形成的腔体结构进入脉冲爆震燃烧室，完成燃烧室燃烧用空气供给；在脉冲爆震燃烧室内形成爆震燃烧波并往燃烧室进气道的上游传播时，爆震波截止板在爆震燃烧波反传压力作用下往气流上游方向移动，直至被进气孔板滞止，并完全遮盖进气孔板上所开设的进气孔，阻止爆震燃烧波继续往气流上游方向传播，影响压气机工作。

本实用新型进一步的改进在于，所述脉冲爆震燃烧室是一横截面为长方形的直管腔体结构，其上设置有火花塞安装座，用于安装火花塞；新鲜空气和燃料在脉冲爆震燃烧室内边填充边掺混，待填充完成后，火花塞点燃燃烧室内可燃混合物，燃烧火焰在往气流方向传播过程中形成爆震燃烧波，并快速完成可燃混合物的燃烧释热过程；

所述排气管为一直圆形喷管，将燃气轮机内做完功的乏气排出；

所述压气机变速器、发电机变速器和发电机与传统燃气轮机所采用的变速器和发电机相同。

本实用新型至少具有如下有益的技术效果：

本实用新型提出的一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置，采用通过燃气黏性力做功方式的特斯拉涡轮提取转换具有强脉动、高能量集中度的脉冲爆震燃气，因特斯拉涡轮是由结构简单的圆形薄盘组成，无叶型复杂的叶片结构，故可避免基于稳态来流条件设计的径向和轴向涡轮效率对燃气进气攻角敏感的问题，无需考虑一个工作周期内强脉动燃气的进气攻角、速度等参数的变化，特斯拉涡轮可在全工作周期内自适应工作，提高脉冲爆震燃气能量转换利用的效率，解决传统径向和轴向涡轮对脉冲爆震燃气能量转换效率低的问题。同时本实用新型提出了一种可高速自适应响应的气动阀结构，利用燃烧室进气压力差以及爆震燃烧波反传压力差，实现燃烧室进气时气动阀自动打开，爆震燃烧波反传时气动阀自动关闭，气动阀可自适应跟随脉冲爆震燃烧的工作频率工作，解决了脉冲爆震燃烧波的压力反传问题。另本实用新型与传统地面燃气轮机发电装置相比，因本实用新型采用了脉冲爆震燃烧室，爆震燃烧具有自增压、火焰传播速度快等优点，故本实用新型燃气轮机可大减小压气机级数，降低压气机压缩功，增加涡轮输出发电功率，提高燃气轮机的循环热效率。

附图说明

图1是一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置实施案例的示意图；

附图标记说明：

1、进气道；2、压气机；3、储气室；4、压气机转子；5、压气机转子轴承；6、压气机变速器；7、压缩空气流量计；8、压气机排气管；9、空气流量调节阀；10、燃烧室进气道；11、燃烧室进气锥；12、雾化空气进气管道；13、燃料供给管道；14、燃烧室气动阀；15、进气罩杯；16、进气孔板；17、爆震波截止板；18、锥形旋流喷嘴；19、火花塞；20、火花塞安装座；21、脉冲爆震燃烧室；22、特斯拉涡轮；23、涡轮动力盘；24、封严篦齿；25、涡轮轴承；26、涡轮排气壳；27、集气腔；28、排气管；29、涡轮排气通道；30、涡轮转子；31、涡轮燃气壳；32、发电机变速器；33、发电机。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型具体实施例进行详细说明。

请参阅图1所示，本实施例所涉及的燃气轮机，以转轴为中心旋转的压气机转子4、进气道1、压气机2和呈环形安装于转子4外侧的储气室3、压气机排气管8、燃烧室进气道10、燃烧室进气锥11、燃烧室气动阀14、脉冲爆震燃烧室21、特斯拉涡轮22及排气管28组成，并形成如图1中箭头所示通过它们的气体流路。

沿燃气轮机的气流方向，进气道1置于燃气轮机的最前端，压气机2与进气道1相连，由于爆震燃烧具有自增压优势，本实例中压气机级数仅需2至3级；储气室3位于压气机2的下游，储气室3入口为一扩张环形通道，主体为一等截面环形腔体；在储气室3的外壳机匣设有压气机排气管8，在压气机排气管8内安装有压缩空气流量计7和空气流量调节阀9，根据燃气轮机负荷变化情况可通过空气流量调节阀9实时精确控制进入脉冲爆震燃烧室的空气流量；燃烧室进气道10位于压气机排气管8的下游，燃烧室进气锥11布置在燃烧室进气道10内，雾化空气进气管道12和燃料供给管道13安装在燃烧室进气锥11的头部，燃烧室气动阀14安装在燃烧室进气锥11的尾部；脉冲爆震燃烧室21与燃烧室进气道10相连，其上设置有火花塞安装座20，脉冲爆震燃烧室21的出口布置有特斯拉涡轮22；集气腔27置于特斯拉涡轮22的侧边，排气管28与集气腔27相连，压气机变速器6左端与压气机转子4相连，右端与涡轮转子30相连；发电机变速器32左端与涡轮转子30相连，右端与发电机33相连。

一种利用脉冲爆震燃气黏性力做功的一个工作循环分为填充、燃烧和排气三个阶段：在填充阶段：大气中的空气被高速旋转的压气机2压缩后进入储气室3，然后经压气机排气管8进入燃烧室进气道10，爆震波截止板17在进气压力作用下向气流下游方向移动，直至被进气罩杯15滞止，并完全遮盖进气罩杯15左端的开孔结构，燃烧室气动阀14自动打开，新鲜空气从进气罩杯15与燃烧室进气道10形成的腔体结构进入脉冲爆震燃烧室21；同时高压雾化空气由雾化空气进气管道12进入燃烧室进气锥11，燃料由燃料供给管道13进入燃烧室进气锥11，高压雾化空气在锥形旋流喷嘴18内与燃料混合并形成高速旋转剪切流，燃料在高速旋转剪切流作用下破碎成细小油滴，雾化后的燃料经位于燃烧室进气锥11尾部的锥形旋流喷嘴18喷入脉冲爆震燃烧室21，待脉冲爆震燃烧室内填充满可燃混合物后，燃气轮机填充阶段结束。在燃烧阶段：填充阶段完成后，燃气轮机控制系统发出点火命令通过火花塞19点火，可燃混合物被点燃并在燃烧室内快速形成脉冲爆震燃烧波，燃烧室头部压力升高，在脉冲爆震燃烧波反传压力的作用下，爆震波截止板17往气流上游方向移动，直至被进气孔板16滞止，并完全遮盖进气孔板16上所开设的进气孔，阻止爆震燃烧波继续往气流上游方向传播，影响压气机2工作；燃烧火焰在燃烧室内以超音速爆震波的速度快速传播，待脉冲爆震燃烧室21内可燃混合物燃烧完全后，燃烧阶段结束。在排气阶段：燃烧阶段完成后，具有强脉动、高能量集中度的脉冲爆震燃气从脉冲爆震燃烧室21出口高速喷出，并切向喷入特斯拉涡轮22，涡轮动力盘23在高速爆震燃气黏性力作用下高速旋转，做完功的乏气经涡轮动力盘23中心的扇形通道排出至涡轮排气通道29，再经集气腔27、排气管28排出燃气轮机，特斯拉涡轮22从爆震燃气中提取的能量以轴功率的形式输出给压气机2和发电机33，在脉冲爆震燃气喷出燃烧室过程中，一系列膨胀波从燃烧室出口进入燃烧室，脉冲爆震燃烧室21头部压力下降，直至燃烧室头部压力低于燃烧室进气道10内进气压力，排气阶段结束。排气阶段完成后，燃气轮机又进入下一个循环的填充阶段，周而复始循环工作。

Claims (10)

1.一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于，包括进气道(1)、压气机(2)、储气室(3)、压气机变速器(6)、压气机排气管(8)、燃烧室进气道(10)、燃烧室进气锥(11)、燃烧室气动阀(14)、火花塞(19)、脉冲爆震燃烧室(21)、特斯拉涡轮(22)、集气腔(27)、排气管(28)、发电机变速器(32)和发电机(33)；其中，

进气道(1)位于燃气轮机最前端，压气机(2)与进气道(1)相连，储气室(3)置于压气机(2)下游，压气机排气管(8)连接储气室(3)和燃烧室进气道(10)，燃烧室进气锥(11)布置在燃烧室进气道(10)内，燃烧室气动阀(14)安装在燃烧室进气锥(11)上，脉冲爆震燃烧室(21)与燃烧室进气道(10)相连，脉冲爆震燃烧室(21)头部设置有火花塞(19)，脉冲爆震燃烧室(21)的出口布置有特斯拉涡轮(22)，集气腔(27)置于特斯拉涡轮(22)的侧边，排气管(28)与集气腔(27)相连，压气机变速器(6)左端与压气机转子(4)相连，右端与涡轮转子(30)相连，发电机变速器(32)左端与涡轮转子(30)相连，右端与发电机(33)相连。

2.根据权利要求1所述的一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于，特斯拉涡轮(22)包括涡轮动力盘(23)、涡轮转子(30)、涡轮排气壳(26)、集气腔(27)、涡轮排气通道(29)和涡轮燃气壳(31)；涡轮动力盘(23)由一组直径相同等厚的圆形薄板组成，圆形薄板间的布置距离相同，圆形薄板的中心开设有扇形排气孔，圆形薄板通过扇形排气孔间的肋板与涡轮转子(30)连接；涡轮燃气壳(31)为圆柱体腔体结构，其上设计有封严篦齿(24)，防止高能爆震燃气直接泄漏至由涡轮排气壳(26)与涡轮燃气壳(31)包裹形成的涡轮排气通道(29)，涡轮排气壳(26)上设计有涡轮轴承安装座，集气腔(27)布置在特斯拉涡轮(22)的排气侧，集气腔(27)与涡轮排气通道(29)相连通。

3.根据权利要求1所述的一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于，所述进气道(1)、压气机(2)与传统燃气轮机的进气道和压气机相同，压气机级数减少为2至3级；所述压气机转子(4)采用悬臂转子设计结构，压气机叶片布置在压气机转子的悬臂端，压气机转子轴承(5)安装在储气室(3)内缸上。

4.根据权利要求1所述的一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于，所述储气室(3)的入口为一扩张式环形通道，压气机出口亚音速气流经扩张通道后减速增压；所述储气室(3)的主体部分为一等截面的环形腔体，储气室(3)的体积容量较大，主要用于当燃烧室气动阀(12)关闭时，存储压气机(2)排出的压缩空气，防止压气机(2)进入喘振等不稳定工作边界。

5.根据权利要求1所述的一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于，所述压气机排气管(8)为一普通金属圆管，管路上安装有压缩空气流量计(7)和空气流量调节阀(9)，根据燃气轮机负荷变化对空气流量大小进行精确控制。

6.根据权利要求1所述的一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于，所述燃烧室进气道(10)为长方形横截面腔体结构，是脉冲爆震燃烧室(21)燃烧燃料所需空气的主要进气通道，其内安装有燃烧室进气锥(11)和燃烧室气动阀(14)。

7.根据权利要求1所述的一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于，所述燃烧室进气锥(11)头部为锥形体，主体为圆柱体结构，燃烧室进气锥内设置有雾化空气流道、燃料流道和锥形旋流喷嘴(18)，雾化空气流道将雾化空气进气管道(12)与锥形旋流喷嘴(18)相连，燃料流道将燃料供给管道(13)与锥形旋流喷嘴(18)相连；所述燃烧室进气锥(11)是燃烧室燃料的供给结构，实现液体燃料的雾化和喷射，液体燃料经锥形旋流喷嘴(18)，在高压雾化空气旋转射流的剪切作用下破碎并形成细小油滴喷入燃烧室。

8.根据权利要求1所述的一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于，所述燃烧室气动阀(14)具有高速响应和自适应工作特点，安装在燃烧室进气锥(11)的末端，由进气孔板(16)、爆震波截止板(17)和进气罩杯(15)组成，进气孔板(16)为长方形薄板结构，其上均匀等距开设有多个进气孔，爆震波截止板(17)为长方形薄板，进气罩杯(15)为右端开口左端开孔的长方形腔体结构；所述燃烧室气动阀(14)在脉冲爆震燃烧室(21)填充新鲜空气和燃料阶段，爆震波截止板(17)在进气压力作用下向气流下游方向移动，直至被进气罩杯(15)滞止，并完全遮盖进气罩杯(15)左端的开孔结构，新鲜空气从进气罩杯(15)与燃烧室进气道(10)形成的腔体结构进入脉冲爆震燃烧室(21)，完成燃烧室燃烧用空气供给；在脉冲爆震燃烧室(21)内形成爆震燃烧波并往燃烧室进气道(10)的上游传播时，爆震波截止板(17)在爆震燃烧波反传压力作用下往气流上游方向移动，直至被进气孔板(16)滞止，并完全遮盖进气孔板(16)上所开设的进气孔，阻止爆震燃烧波继续往气流上游方向传播，影响压气机(2)工作。

9.根据权利要求1所述的一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于，所述脉冲爆震燃烧室(21)是一横截面为长方形的直管腔体结构，其上设置有火花塞安装座(20)，用于安装火花塞(19)；新鲜空气和燃料在脉冲爆震燃烧室(21)内边填充边掺混，待填充完成后，火花塞(19)点燃燃烧室内可燃混合物，燃烧火焰在往气流方向传播过程中形成爆震燃烧波，并快速完成可燃混合物的燃烧释热过程。

10.根据权利要求1所述的一种结合黏性涡轮的脉冲爆震燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于，所述排气管(28)为一直圆形喷管，将燃气轮机内做完功的乏气排出；

所述压气机变速器(6)、发电机变速器(32)和发电机(33)与传统燃气轮机所采用的变速器和发电机相同。

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