DE102008033783A1 - Gas turbine and method for changing the aerodynamic shape of a gas turbine blade - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Verändern der aerodynamischen Gestalt einer Schaufel (22, 24) einer Gasturbine sieht vor, diese mit einer Beschichtung (42) aus einer Formgedächtnis-Legierung zu versehen. Über Kanäle (32) wird Heißluft (36) zur beschichteten Schaufel (22, 24) transportiert, um eine Phasenänderung der Beschichtung (42) und eine aerodynamische Gestaltänderung der Schaufel (22, 24) herbeizuführen.A method of altering the aerodynamic shape of a blade (22, 24) of a gas turbine is to provide it with a shape memory alloy coating (42). Via ducts (32) hot air (36) is transported to the coated blade (22, 24) to cause a phase change of the coating (42) and an aerodynamic change in shape of the blade (22, 24).

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit Leit- und Laufschaufeln im Verdichter- und Turbinenabschnitt.The The invention relates to a gas turbine with guide vanes and blades in the Compressor and turbine section.

Gasturbinen werden insbesondere als Flugantriebe verwendet und weisen zumindest einen Rotor und mindestens einen Stator auf, und zwar sowohl im Verdichter- als auch im Turbinenbereich. Die dem Rotor zugeordneten Laufschaufeln rotieren gegenüber dem feststehenden Gehäuse und den ebenfalls feststehenden Leitschaufeln.gas turbines are used in particular as aircraft propulsion and have at least a rotor and at least one stator, both in Compressor as well as in the turbine area. The associated with the rotor Blades rotate opposite the fixed housing and the likewise fixed vanes.

Gasturbinen, insbesondere Fluggasturbinen, sind unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und Strömungsbedingungen ausgesetzt, die sie im Betrieb durchlaufen. Diese unterschiedlichen Bedingungen machen es wünschenswert, die geometrische Gestalt der Schaufeln temporär zu ändern. Es sind bereits verschiedene Formen von sogenannten adaptiven Schaufeln angedacht worden. Eine dieser Optionen besteht darin, daß Drähte aus Formgedächtnis-Legierungen an oder in einer Schaufel zur Formänderung des Profiles benutzt werden. Diese Drähte werden elektrisch erwärmt, bis es zu der bei Formgedächtnis-Legierungen spezifischen abrupten Phasenänderung kommt. Durch die sich dadurch ändernde Form der Drähte (Ausdehnen oder Zusammenziehen) wird die Schaufelform geändert.Gas turbines, In particular, aircraft gas turbines are different environmental conditions and flow conditions exposed in the factory. These different ones Conditions make it desirable to temporarily change the geometric shape of the blades. They are already different Forms of so-called adaptive blades have been considered. A of these options is that wires of shape memory alloys on or in a shovel to change the shape of the profile. These wires are heated electrically until it to that in shape memory alloys specific abrupt phase change comes. By changing thereby Shape of the wires (Expansion or contraction) the blade shape is changed.

Diese Methode zur Änderung der aerodynamischen Gestalt einer Schaufel ist jedoch mit sehr hohem elektrischem Energieaufwand verbunden, da die benötigten Energiemengen (insbesondere die Stromstärken) sehr groß sein müssen und natürlich extern bereitzustellen sind. Darüber hinaus müssen die Drähte auch zueinander isoliert sein, das heißt zur Reduzierung des Aufwands werden diese Drähte bislang nur bei nicht-metallischen Schaufeln oder deren Abschnitten eingesetzt.These Method of change However, the aerodynamic shape of a blade is very high connected electrical energy expenditure, since the required amounts of energy (especially the currents) be very tall have to and of course externally are to be provided. About that In addition, the wires also be isolated from each other, that is to reduce the effort These wires are so far used only for non-metallic blades or their sections.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbine bereitzustellen, bei der die aerodynamische Gestaltänderung der Schaufeln in vereinfachter Weise erfolgen kann. Darüber hinaus soll ein möglicht kostengünstig realisierbares Verfahren zum Verändern der aerodynamischen Gestalt einer Schaufel einer Gasturbine während deren Betriebs angegeben werden.task The invention is to provide a gas turbine in which the aerodynamic shape change the blades can be done in a simplified manner. Furthermore should one possible economical feasible method for changing the Aerodynamic shape of a blade of a gas turbine during the Operation can be specified.

Die erfindungsgemäße Gasturbine hat Leit- und Laufschaufeln im Verdichter- und Turbinenabschnitt. Zumindest einige der Schaufeln weisen eine Beschichtung aus einer Formgedächtnis-Legierung auf. Zumindest ein wahlweise Heißluft führender Kanal endet so an einer oder mehreren beschichteten Schaufeln, daß die Heißluft eine Phasenänderung der Legierung hervorruft, so daß die Schaufel ihre aerodynamische Gestalt ändert.The Gas turbine according to the invention has guide and rotor blades in the compressor and turbine section. At least some The blades have a shape memory alloy coating. At least one optional hot air leading Channel ends so on one or more coated blades that the hot air a Phase change of Alloy causes, so that the Shovel changes its aerodynamic shape.

Bei der erfindungsgemäßen Gasturbine wird das Formgedächtnismaterial durch Legieren einer Schaufel auf diese aufgebracht, so daß sich eine einfache und optimale Verbindung zwischen Schaufel und ihrer Beschichtung ergibt. Die Aktivierung des Formgedächtnis-Materials erfolgt nicht elektrisch, sondern über üblicherweise sowieso bei Gasturbinen zur Verfügung stehende Heißluft, die über zumindest einen Heißluftkanal zum Formgedächtnis-Material transportiert wird. Die durch die Heißluft transportierte Energiemenge muß ausreichend sein, um die Phasenänderung hervorzurufen. Natürlich könnte ständig eine gewisse Heißluftmenge zur beschichteten Schaufel geführt und nur für die Phasenänderung dann eine zusätzliche Heißluftenergiemenge herantransportiert werden. Alternativ hierzu wird nur dann Heißluft zur beschichteten Schaufel bzw. den beschichteten Schaufeln geführt, wenn die Phasenänderung herbeigeführt werden soll. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch das Einblasen von Luft, insbesondere bei einem Verdichter, das sogenannte Pumpen verhindert werden kann, welches vorzugsweise im Teillastbereich (Off-Design-Zustand) auftreten kann. Mit der Zufuhr der Heißluft wird damit optional auch eine Doppelfunktion erfüllt, nämlich die verbesserte Verdichterstabilisierung als auch die Schaufelgestaltänderung. Darüber hinaus können, da keine elektrische Energie zur Phasenänderung notwendig ist, die beschichteten Schaufeln aus Metall sein.at the gas turbine of the invention becomes the shape memory material Aligned by alloying a blade on this, so that a simple and optimal connection between the blade and its coating results. The activation of the shape memory material does not take place electrically, but usually anyway with gas turbines available standing hot air, the above at least one hot air duct transported to the shape memory material becomes. The through the hot air transported amount of energy must be sufficient be to the phase change cause. Naturally could constantly a certain amount of hot air led to the coated blade and only for the phase change then an additional Hot air amount of energy be transported. Alternatively, only hot air for coated blade or the coated blades, if the phase change brought shall be. Another advantage of the invention is that by the blowing of air, especially in a compressor, the so-called Pumps can be prevented, which preferably in the partial load range (Off-design state) may occur. With the supply of hot air is so optionally also fulfills a dual function, namely the improved compressor stabilization as well as the blade shape change. About that in addition, since no electrical energy is necessary for the phase change, the be coated metal blades.

Vorzugsweise sind die Schaufeln außenseitig mit der Formgedächtnis-Legierung beschichtet. Optional könnte natürlich auch die Schaufel innenseitig beschichtet sein, nämlich indem sie innen hohl ausgeführt ist.Preferably the blades are outside coated with the shape memory alloy. optional could Naturally Also, the blade to be coated inside, namely by they are hollow inside is.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind die beschichteten Schaufeln Verdichterschaufeln, bei denen naturgemäß die Temperatur noch nicht so hoch wie im Turbinenbereich ist, wodurch zwischen der Heißluftzufuhr- und der Heißluftunterbrechung starke Temperaturunterschiede generiert werden können.According to the preferred Embodiment are the coated blades compressor blades, where naturally the temperature not as high as in the turbine area, which means between the hot air supply and the hot air interruption strong temperature differences can be generated.

Der Kanal oder die Kanäle gehen insbesondere von einer stromabwärtigen Verdichterstufe aus und führen Heißluft aus dieser Verdichterstufe stromaufwärts.Of the Channel or the channels in particular assume a downstream compressor stage and to lead hot air from this compressor stage upstream.

Der Kanal oder die Kanäle können am Gehäuse enden und von dort aus die Heißluft in Richtung Schaufeln leiten und/oder in das Innere der beschichteten Schaufel münden und Heißluft in diese einblasen. Diese Heißluft kann dann beispielsweise über Öffnungen zur Schaufelaußenseite geführt werden, wo die Beschichtung aus der Formgedächtnislegierung abrupt erwärmt wird.Of the Channel or the channels can on the housing ends and from there the hot air lead in the direction of blades and / or in the interior of the coated Shovel open and hot air blow into it. This hot air can then, for example, via openings to the blade outside guided where the shape memory alloy coating is abruptly heated.

Gemäß einer Ausführungsform sind die beschichteten Schaufeln Leitschaufeln oder/und Laufschaufeln.According to one embodiment, the be layered vanes vanes and / or blades.

Durch die Erfindung ist es auch möglich, eine Gasturbine vorzusehen, die ohne variables Leitgitter auskommt.By the invention it is also possible To provide a gas turbine, which manages without variable guide grille.

Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Schaufel, welche mit der Formgedächtnis-Legierung beschichtet ist, aus Metall besteht.Furthermore is provided according to the invention, that the Shovel, which with the shape memory alloy coated, is made of metal.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verändern der aerodynamischen Gestalt einer Schaufel einer Gasturbine ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:

  • a) Vorsehen einer Beschichtung aus einer Formgedächtnis-Legierung an der Schaufel, und
  • b) wahlweises Zuführen von Heißluft zur beschichteten Schaufel zum Hervorrufen der Phasenänderung der Beschichtung.
The inventive method for changing the aerodynamic shape of a blade of a gas turbine is characterized by the following steps:
  • a) providing a shape memory alloy coating on the blade, and
  • b) selectively supplying hot air to the coated blade to cause the phase change of the coating.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird als Heißluft heiße Verdichterluft verwendet.According to the preferred Embodiment is as hot air name is Compressor air used.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird.Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description and from the following drawings, to the reference is taken.

In den Zeichnungen zeigen:In show the drawings:

1 eine Längsschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Gasturbine, und 1 a longitudinal sectional view through a gas turbine according to the invention, and

2 eine schematische Längsschnittansicht durch den Verdichterbereich der Gasturbine nach 1. 2 a schematic longitudinal sectional view through the compressor region of the gas turbine according to 1 ,

In 1 ist eine Gasturbine mit einem Einlaufdiffusor 10, einem Verdichter 12, einer Brennkammer 14, einer Turbine 16 und einer Schubdüse 18 dargestellt, die alle in einem Gehäuse 20 liegen. Nur beispielhaft sind einige der zahlreichen Laufschaufeln 22 als Teil des Rotors und Leitschaufeln 24 als Teil des Stators im Verdichter- oder Turbinenabschnitt dargestellt.In 1 is a gas turbine with an inlet diffuser 10 , a compressor 12 , a combustion chamber 14 , a turbine 16 and a thruster 18 shown, all in one housing 20 lie. Just by way of example are some of the numerous blades 22 as part of the rotor and vanes 24 shown as part of the stator in the compressor or turbine section.

2 ist zu entnehmen, daß der dargestellte Verdichter 12 mehrstufig und in axialer Bauart ausgeführt ist. Gut zu sehen ist, daß die Leitschaufeln 24 mit dem Gehäuse 20 verbunden sind und die Laufschaufeln 22 mit dem Rotor 26. 2 It can be seen that the compressor shown 12 multi-stage and designed in axial design. Good to see is that the vanes 24 with the housing 20 are connected and the blades 22 with the rotor 26 ,

Unmittelbar stromaufwärts der sogenannten Schaufelspitze 28 eines Laufschaufelkranzes hat das Gehäuse 20 mehrere am Umfang gleichmäßig verteilte Einblasöffnungen 30 für Heißgas. Die Einblasöffnungen 30 sind das Ende eines oder mehrerer Kanäle 32, welche Heißluft aus einer stromabwärtigen Verdichterstufe über eine oder mehrere Auslaßöffnungen 34 nach stromaufwärts führen. Mit dem Pfeil 36 sind die Heißgase symbolisiert.Immediately upstream of the so-called blade tip 28 a blade ring has the housing 20 several evenly distributed blowing openings on the circumference 30 for hot gas. The injection openings 30 are the end of one or more channels 32 which hot air from a downstream compressor stage via one or more outlet openings 34 lead to upstream. With the arrow 36 the hot gases are symbolized.

Alternativ oder zusätzlich können die Kanäle 32 auch in hohle Schaufeln 22 oder 24 münden. Entsprechende Hohlräume im Inneren einer Leitschaufel 24 tragen das Bezugszeichen 38 und sind mit unterbrochenen Linien dargestellt.Alternatively or additionally, the channels 32 also in hollow shovels 22 or 24 lead. Corresponding cavities in the interior of a guide vane 24 bear the reference number 38 and are shown with broken lines.

Optional können in den Kanälen 36 auch Absperrorgane 40 angeordnet sein, die den Heißgasstrom freigeben oder unterbrechen. Die Lage dieser Absperrorgane 40 ist nicht auf die in 2 angegebene Position beschränkt.Optionally, in the channels 36 also shut-off devices 40 be arranged, which release the hot gas flow or interrupt. The location of these shut-off devices 40 is not on the in 2 Limited specified position.

Einige oder alle der Leit- und Laufschaufeln 22, 24 einer oder mehrerer Stufen sind zumindest abschnittsweise außenseitig mit einer Beschichtung 42 versehen.Some or all of the blades and blades 22 . 24 one or more steps are at least partially outside with a coating 42 Mistake.

Vorzugsweise ist diese Beschichtung 42 im Bereich der stromaufwärts gewandten Seite der entsprechenden Schaufeln 22, 24 vorgesehen.Preferably, this coating is 42 in the area of the upstream side of the corresponding blades 22 . 24 intended.

Die Formgedächtnis-Legierungen werden auch als Memory-Legierungsbauteile oder -werkstoffe bezeichnet. Solche Werkstoffe wechseln ihre Gefügephasen bei einer Über- oder Unterschreitung charakteristischer Temperaturwerte.The Shape memory alloys are also referred to as memory alloy components or materials. Such materials change their structural phases in an over- or Fall below characteristic temperature values.

Als Werkstoffe kommen beispielsweise Nickel-Titan-Legierungen, Kupfer-Zink-Aluminium-Legierungen oder Kupfer-Aluminium-Nickel-Legierungen in Frage. Natürlich ist diese Aufzählung nicht abschließend. Die Beschichtung 42 wird bei der Herstellung der Schaufeln 22, 24 aufgebracht, so daß kein vorgefertigtes Teil aus einer Formgedächtnis-Legierung separat angebracht werden muß. Das Material, aus dem die Schaufeln 22, 24 bestehen, ist vorzugsweise eine Metall-Legierung.Suitable materials are, for example, nickel-titanium alloys, copper-zinc-aluminum alloys or copper-aluminum-nickel alloys in question. Of course, this list is not exhaustive. The coating 42 is used in the manufacture of the blades 22 . 24 applied so that no prefabricated part of a shape memory alloy must be attached separately. The material from which the blades 22 . 24 is preferably a metal alloy.

Die dargestellte Gasturbine besitzt aufgrund der nachfolgenden Eigenschaften kein variables Leitgitter, was sie in ihrem Aufbau und in ihrer Herstellung vereinfacht.The shown gas turbine has due to the following characteristics no variable baffle, what they are in their construction and in theirs Production simplified.

Die außenseitige Beschichtung 42 aus einer Formgedächtnis-Legierung kann wahlweise im Betrieb der Gasturbine eine Phasenänderung durchlaufen, die durch gezielte Erwärmung mittels der Heißluft 36 erreicht wird. Ab einem bestimmten Betriebszustand kann es wünschenswert werden, die aerodynamische Gestalt einzelner Schaufeln 22 oder 24 zu verändern. Um dies zu erreichen, wird über den oder die Kanäle 32 Heißluft aus stromabwärtigen Verdichterstufen in stromaufwärtige Verdichterstufen gefördert, entweder über das Gehäuse 20 und entsprechende Einblasöffnungen 30, oder über das hohle Innere von Schaufeln 22, 24, deren Hohlräume 38 vorzugsweise auf der Außenseite (insbesondere auf der stromaufwärtigen Außenseite) der entsprechenden Schaufel 22, 24 enden. Die auf die Beschichtung 42 treffende Heißluft führt zu einer Phasenänderung, so daß sich die dünne Legierungsschicht zusammenzieht oder ausdehnt. Da die Schicht vollflächig auf der Schaufel 22, 24 aufgebracht wird, wird die Schaufel 22, 24 in die gewünschte Richtung gebogen oder, allgemeiner, eine elastische Deformation der Schaufel 22, 24, die natürlich reversibel ist, erfolgt.The outside coating 42 From a shape memory alloy can optionally undergo a phase change during operation of the gas turbine, by targeted heating by means of the hot air 36 is reached. From a certain operating condition, it may be desirable to have the aerodynamic shape of individual blades 22 or 24 to change. To accomplish this, is via the one or more channels 32 Conveying hot air from downstream compressor stages to upstream compressor stages, either via the housing 20 and corresponding injection openings 30 , or about the hollow interior of shovels 22 . 24 whose cavities 38 in front preferably on the outside (in particular on the upstream outside) of the corresponding blade 22 . 24 end up. The on the coating 42 Hitting hot air leads to a phase change, so that the thin alloy layer contracts or expands. Because the layer is completely on the blade 22 . 24 is applied, the blade is 22 . 24 bent in the desired direction or, more generally, an elastic deformation of the blade 22 . 24 , which is naturally reversible, takes place.

Aufgrund der einströmenden Verdichterluft wird zusätzlich die Gasturbinenverdichterströmung stabilisiert, was insbesondere für den Teillastbereich wichtig ist. Durch die eingeblasene Luft wird die Pumpgrenze möglichst weit zu niedrigen Durchsätzen verschoben.by virtue of the inflowing Compressor air is added stabilizes the gas turbine compressor flow, which in particular for the part load range is important. By the blown air will the surge limit as possible far too low throughputs postponed.

Die Kombination der beiden verdichterstabilisierenden Effekte, nämlich die Einblasung und die Adaption der Schaufelgeometrie, ermöglicht eine überdurchschnittliche Erweiterung des stabilen Arbeitsbereichs eines Verdichters.The Combination of the two compressor stabilizing effects, namely the Injection and the adaptation of the blade geometry, allows an above-average Extension of the stable working range of a compressor.

1010
Einlaufdiffusorinlet diffuser
1212
Verdichtercompressor
1414
Brennkammercombustion chamber
1616
Turbineturbine
1818
Schubdüseexhaust nozzle
2020
Gehäusecasing
2222
Laufschaufelblade
2424
Leitschaufelvane
2626
Rotorrotor
2828
Schaufelspitzeblade tip
3030
Einblasöffnungeninjection openings
3232
Kanalchannel
3434
Auslaßöffnungenoutlet
3636
Heißgashot gas
3838
Hohlräumecavities
4040
Absperrorganeshut-off devices
4242
Beschichtungcoating

Claims (11)

Gasturbine, mit Leit- und Laufschaufeln (24, 22) im Verdichter- und Turbinenabschnitt (12, 16), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Schaufeln (22, 24) eine Beschichtung (42) aus einer Formgedächtnis-Legierung aufweisen und zumindest ein, wahlweise Heißluft (36) führender Kanal (32) so an einer oder mehreren beschichteten Schaufeln (22, 24) endet, daß die Heißluft (36) eine Phasenänderung der Legierung hervorruft, welche die Schaufeln (22, 24) in ihrer aerodynamischen Gestalt ändert.Gas turbine, with guide and rotor blades ( 24 . 22 ) in the compressor and turbine section ( 12 . 16 ), characterized in that at least some of the blades ( 22 . 24 ) a coating ( 42 ) of a shape memory alloy and at least one, optionally hot air ( 36 ) leading channel ( 32 ) on one or more coated blades ( 22 . 24 ) ends that the hot air ( 36 ) causes a phase change of the alloy containing the blades ( 22 . 24 ) changes in its aerodynamic shape. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (22, 24) außenseitig mit der Formgedächtnis-Legierung beschichtet sind.Gas turbine according to claim 1, characterized in that the blades ( 22 . 24 ) are coated on the outside with the shape memory alloy. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichteten Schaufeln (22, 24) Verdichterschaufeln sind.Gas turbine according to claim 1 or 2, characterized in that the coated blades ( 22 . 24 ) Are compressor blades. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (32) von einer stromabwärtigen Verdichterstufe ausgeht und Heißluft (36) aus dieser stromabwärtigen Verdichterstufe stromaufwärts führt.Gas turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the duct ( 32 ) emanates from a downstream compressor stage and hot air ( 36 ) leads upstream from this downstream compressor stage. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (32) am Gehäuse (20) endet.Gas turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the duct ( 32 ) on the housing ( 20 ) ends. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (32) in das Innere einer beschichteten Schaufel (22, 24) mündet und Heißluft (36) in diese eingeblasen wird.Gas turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the duct ( 32 ) in the interior of a coated blade ( 22 . 24 ) and hot air ( 36 ) is blown into this. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichteten Schaufeln (22, 24) Leitschaufeln (24) und/oder Laufschaufeln sind.Gas turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the coated blades ( 22 . 24 ) Guide vanes ( 24 ) and / or blades are. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß keine variablen Leitgitter vorgesehen sind.Gas turbine according to one of the preceding claims, characterized characterized in that no variable guide gratings are provided. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichteten Schaufeln (22, 24) aus einer Metalllegierung bestehen.Gas turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the coated blades ( 22 . 24 ) consist of a metal alloy. Verfahren zum Verändern der aerodynamischen Gestalt einer Schaufel (22, 24) einer Gasturbine, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Vorsehen einer Beschichtung (42) aus einer Formgedächtnis-Legierung an der Schaufel (22, 24), und b) wahlweises Zuführen von Heißluft (36) zum Hervorrufen der Phasenänderung der Beschichtung (42).Method for changing the aerodynamic shape of a blade ( 22 . 24 ) of a gas turbine, characterized by the following steps: a) providing a coating ( 42 ) of a shape memory alloy on the blade ( 22 . 24 ), and b) optionally supplying hot air ( 36 ) for causing the phase change of the coating ( 42 ). Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißluft (36) heiße Verdichterluft ist.Method according to claim 10, characterized in that the hot air ( 36 ) is hot compressor air.
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