DE102017207487A1 - combustion chamber - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkammer (1) mit einer einen Brennraum (2) umschließenden Tragstruktur (3) und mit einer aus einer Vielzahl von an der Tragstruktur (3) befestigten Hitzeschildelementen gebildeten Innenauskleidung, wobei mindestens ein Hitzeschildelement (4) eine Wand (5) mit einer mit einem heißen Medium beaufschlagbaren Heißseite (6), einer der Heißseite (6) gegenüberliegenden Kaltseite (7) und einen umlaufenden Randsteg (8) aufweist, der sich über die Kaltseite (7) hinaus in Richtung der Tragstruktur (3) erstreckt und im Betrieb der Brennkammer (1) unter Berücksichtigung von thermischen Dehnungen im Wesentlichen dicht auf der Tragstruktur (3) aufliegt, so dass zwischen der Wand (5), dem umlaufenden Randsteg (8) und der Tragstruktur (3) ein Hohlraum (9) gebildet ist, wobei in der Tragstruktur (3) mehrere erste Öffnungen (10) für die Zugabe von Luft in den Hohlraum (9) angeordnet sind, wobei in der Wand (5) mehrere zweite Öffnungen (11) vom Hohlraum (9) zum Brennraum (2) in Hauptströmungsrichtung (12) der Verbrennungsgase der Brennkammer (1) stromab der ersten Öffnungen (10) angeordnet sind, wobei in der Tragstruktur (3) mehrere dritte Öffnungen (13) für die Zugabe von Brennstoff in den Hohlraum (9) angeordnet sind, wobei die dritten Öffnungen (13) in Strömungsrichtung der Luft durch den Hohlraum (9) stromab der ersten Öffnungen (10) angeordnet sind. Der Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer (1).The invention relates to a combustion chamber (1) having a support structure (3) enclosing a combustion space (2) and having an inner lining formed from a multiplicity of heat shield elements attached to the support structure (3), at least one heat shield element (4) having a wall (5). comprising a hot side (6) which can be charged with a hot medium, a cold side (7) opposite the hot side (6) and a peripheral edge web (8) which extends beyond the cold side (7) in the direction of the support structure (3) and in operation of the combustion chamber (1), taking into account thermal expansions, rests substantially tightly on the support structure (3), so that a cavity (9) is formed between the wall (5), the peripheral edge web (8) and the support structure (3) is, wherein in the support structure (3) a plurality of first openings (10) for the addition of air in the cavity (9) are arranged, wherein in the wall (5) a plurality of second openings (11) from the cavity (9) to Bre in the main flow direction (12) of the combustion gases of the combustion chamber (1) are arranged downstream of the first openings (10), wherein in the support structure (3) a plurality of third openings (13) for the addition of fuel into the cavity (9) are arranged, wherein the third openings (13) in the flow direction of the air through the cavity (9) downstream of the first openings (10) are arranged. The invention further relates to a method for operating a combustion chamber (1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkammer sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.The invention relates to a combustion chamber and a method for its operation.
Im Zuge der Weiterentwicklung von Brennkammern für Gasturbinen sind häufig deutliche Anhebungen der Brennkammertemperaturen im Betrieb vorgesehen. Damit sind mehrere Nachteile bzw. Risiken verbunden, wie beispielsweise der Anstieg der Stickoxidemissionen, möglicherweise starke, thermoakustische Schwingungen verbunden mit Bauteilschädigung sowie ein hoher korrosiv-erosiver Verschleiß keramischer Hitzeschildelemente.In the course of the further development of combustion chambers for gas turbines, significant increases in the combustion chamber temperatures during operation are often provided. This involves several disadvantages or risks, such as the increase in nitrogen oxide emissions, possibly strong, thermoacoustic vibrations associated with component damage and high corrosive erosive wear of ceramic heat shield elements.
Üblicherweise wird dem Anstieg der Brennkammertemperatur mit verschiedenen Strategien begegnet. Eine Möglichkeit ist es, zu versuchen, über eine Änderung des Strömungs-und Mischungsfelds der Hauptbrenner den Anstieg der Stickoxidemission möglichst klein zu halten und thermoakustische Schwingungen zu kompensieren. Dies ist allerdings mit einem erheblichen Aufwand und einem gewissen Erfolgsrisiko verbunden, geht man davon aus, dass es sich bei Weiterentwicklungen um bereits über Jahre optimierte Systeme handelt.Usually, the rise of the combustion chamber temperature is countered with various strategies. One possibility is to try to keep the increase in nitrogen oxide emission as small as possible and to compensate for thermoacoustic oscillations by changing the flow and mixing field of the main burners. However, this is associated with a considerable effort and a certain risk of success, assuming that further developments are systems that have already been optimized for years.
Die Thematik korrosiv-erosiver Verschleiß ist ein bereits bei der heutigen Gasturbinengeneration bestehendes Problem und es wird versucht, dieses durch Entwicklung neuer keramischer Hitzeschildmaterialien bzw. -beschichtungen zu lösen.The issue of corrosive erosive wear is a problem already existing in today's gas turbine generation and it is attempted to solve this by developing new ceramic heat shield materials or coatings.
Bekannt sind verschiedene Lösungen, bei denen mit einer sequentiellen Verbrennung bzw. einer axial gestuften Brennstoffeindüsung gearbeitet wird. Dabei kann der Brennstoff vorgemischt oder auch ohne Vormischung in die Brennkammer über Düsen eingebracht werden. Neben einer Verbesserung der Teillastfähigkeit haben diese das Ziel, mit der Eindüsung in dieser zweiten Stufe bei gleichen Stickoxid-Emissionen eine höhere Brennkammertemperatur zu erreichen, ermöglicht durch die geringe Verweilzeit des Heißgases bis zum Brennkammerende.Various solutions are known in which a sequential combustion or an axially stepped fuel injection is used. In this case, the fuel can be premixed or introduced without premix in the combustion chamber via nozzles. In addition to improving the partial load capacity, these have the goal of achieving a higher combustion chamber temperature with the injection in this second stage with the same nitrogen oxide emissions, made possible by the short residence time of the hot gas up to the combustion chamber end.
Die
Auch die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkammer bereitzustellen, bei der in allen Betriebszuständen eine ausreichende Kühlung der Hitzeschildelemente erfolgen kann, bei der eine weitgehend homogene Vormischung des Brennstoffes der stromabwärtigen axialen Stufe mit Luft erfolgen kann, wobei die Einstellung eines geeigneten Zeitverzugs möglich ist, so dass die zusätzliche Wärmezufuhr in der axialen Stufe nicht in thermoakustische Wechselwirkung mit entsprechenden akustischen Eigenfrequenzen der Brennkammer tritt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung bezieht sich auf ein entsprechendes Verfahren.The object of the present invention is to provide a combustion chamber in which a sufficient cooling of the heat shield elements can take place in all operating states, in which a largely homogenous premixing of the fuel of the downstream axial stage can take place with air, wherein the setting of a suitable time delay is possible, so that the additional heat input in the axial stage does not enter thermoacoustic interaction with corresponding acoustic natural frequencies of the combustion chamber. Another object of the invention relates to a corresponding method.
Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird gelöst durch eine Brennkammer mit einer einen Brennraum umschließenden Tragstruktur und mit einer aus einer Vielzahl von an der Tragstruktur befestigten Hitzeschildelementen gebildeten Innenauskleidung, wobei mindestens ein Hitzeschildelement eine Wand mit einer mit einem heißen Medium beaufschlagbaren Heißseite, einer der Heißseite gegenüberliegenden Kaltseite und einen umlaufenden Randsteg aufweist, der sich über die Kaltseite hinaus in Richtung der Tragstruktur erstreckt und im Betrieb der Brennkammer unter Berücksichtigung von thermischen Dehnungen im Wesentlichen dicht auf der Tragstruktur aufliegt, so dass zwischen der Wand, dem umlaufenden Randsteg und der Tragstruktur ein Hohlraum gebildet ist, wobei in der Tragstruktur mehrere erste Öffnungen für die Zugabe von Luft in den Hohlraum angeordnet sind, wobei in der Wand mehrere zweite Öffnungen vom Hohlraum zum Brennraum in Hauptströmungsrichtung der Verbrennungsgase der Brennkammer stromab der ersten Öffnungen angeordnet sind, wobei in der Tragstruktur mehrere dritte Öffnungen für die Zugabe von Brennstoff in den Hohlraum angeordnet sind, wobei die dritten Öffnungen in Strömungsrichtung der Luft durch den Hohlraum stromab der ersten Öffnungen angeordnet sind.The object directed to a combustion chamber is achieved by a combustion chamber having a support structure enclosing a combustion chamber and having an inner lining formed from a multiplicity of heat shield elements attached to the support structure, wherein at least one heat shield element has a wall with a hot side which can be acted upon by a hot medium, one of the hot side opposite cold side and a peripheral edge web which extends beyond the cold side in the direction of the support structure and rests in the operation of the combustion chamber, taking into account thermal expansion substantially close to the support structure, so that between the wall, the peripheral edge web and the support structure a Cavity is formed, wherein in the support structure a plurality of first openings for the addition of air are arranged in the cavity, wherein in the wall a plurality of second openings from the cavity to the combustion chamber in the main flow direction of the combustion gases of Combustion chamber are arranged downstream of the first openings, wherein in the support structure a plurality of third openings for the addition of fuel are arranged in the cavity, wherein the third openings are arranged in the flow direction of the air through the cavity downstream of the first openings.
Durch diese relative Anordnung der ersten, zweiten und dritten Öffnungen, insbesondere der Eindüsung des Brennstoffs stromab der Luftzufuhröffnungen, wird sichergestellt, dass die Verbrennung innerhalb der Brennkammer und keinesfalls innerhalb des Hitzeschildelementes erfolgt. Es ist erwünscht, dass der umlaufende Randsteg des Hitzeschildelements im Betrieb der Brennkammer unter Berücksichtigung von thermischen Dehnungen weitgehend dicht auf der Tragstruktur aufliegt. Wenn dies nicht direkt erreicht werden kann, können in den Randsteg Dichtungen z.B. Riffle Seals eingesetzt werden. Die Höhe eines Randstegs liegt im Bereich von ca. 5 bis 15mm.This relative arrangement of the first, second and third openings, in particular the injection of the fuel downstream of the air supply openings, ensures that the combustion takes place within the combustion chamber and in no way within the heat shield element. It is desirable that the peripheral edge web of the heat shield element rests in the operation of the combustion chamber, taking into account thermal expansions largely tightly on the support structure. If this can not be achieved directly, seals such as riffle seals can be used in the edge web become. The height of an edge ridge is in the range of about 5 to 15mm.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die ersten und zweiten Öffnungen bezogen auf den Hohlraum diametral angeordnet, so dass die Durchströmung des Hohlraums mit einer fast direkten Querströmung der Luft erfolgt. Dies sorgt sowohl für eine gute Kühlung des Hitzeschildelements als auch für eine gute Durchmischung von Brennstoff und Luft.In an advantageous embodiment of the invention, the first and second openings are arranged diametrically relative to the cavity, so that the flow through the cavity takes place with an almost direct transverse flow of the air. This ensures both good cooling of the heat shield element and good mixing of fuel and air.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Hitzeschildelement eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Hitzeschildelementes an der Tragstruktur auf und die dritten Öffnungen sind in Strömungsrichtung der Luft durch den Hohlraum stromab der Befestigungsvorrichtung angeordnet. Dadurch wird das Risiko von unkontrollierten Brennstoffleckagen vermindert.In a further advantageous embodiment, the heat shield element has a fastening device for fastening the heat shield element to the support structure, and the third openings are arranged in the flow direction of the air through the hollow space downstream of the fastening device. This reduces the risk of uncontrolled fuel leaks.
Es ist vorteilhaft, wenn auf der Kaltseite des Hitzeschildelements Stege im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sind, wobei ihr stromabwärtiges Ende am stromabwärtigen Teil des umlaufenden Randstegs angeordnet ist, und die zweiten Öffnungen zwischen je zwei Stegen angeordnet sind.It is advantageous if webs are arranged substantially parallel to the main flow direction on the cold side of the heat shield element, wherein its downstream end is arranged on the downstream part of the peripheral edge web, and the second openings are arranged between two webs.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Höhe der weitgehend parallelen Stege mindestens 90% der Höhe des Hohlraums beträgt, so dass sie sich wie der umlaufende Randsteg fast bis zur Tragstruktur erstrecken. Durch diese Stege wird der Luftstrom in Teilströme geteilt. Dadurch kann Brennstoff in Teilströme der querströmenden Luft eingedüst werden.It is expedient if the height of the substantially parallel webs is at least 90% of the height of the cavity, so that they extend as the peripheral edge web almost to the support structure. Through these webs of the air stream is divided into partial streams. As a result, fuel can be injected into partial streams of the transverse air.
Durch die Stege werden Kanäle zwischen Hitzeschildelement und Tragstruktur gebildet. Deren Länge ist durch die Länge benachbarter Stege, deren Breite durch den Abstand benachbarter Stege und deren Höhe durch die Höhe des Hohlraums definiert. Eine gute Vermischung des Brennstoffes mit der Luft wird erreicht, wenn ein Verhältnis von Länge zum hydraulischen Durchmesser eines Kanals größer als 7 ist. Der hydraulische Durchmesser ist definiert durch ein gleiches Verhältnis von Querschnittsfläche zum Umfang, d.h. durch [4 * (Höhe * Breite)] / [2 * (Höhe + Breite)].Channels are formed between the heat shield element and the support structure by the webs. Their length is defined by the length of adjacent webs whose width is defined by the distance between adjacent webs and their height by the height of the cavity. A good mixing of the fuel with the air is achieved when a ratio of length to the hydraulic diameter of a channel is greater than 7. The hydraulic diameter is defined by an equal ratio of cross-sectional area to circumference, i. by [4 * (height * width)] / [2 * (height + width)].
Im Nachlauf der Befestigungsvorrichtung kann evtl. eine Verringerung in der Luftströmung zu den Kanälen vorliegen. Es ist daher zweckmäßig, wenn im Nachlauf der Befestigungsvorrichtung die Kanäle an ihrem Eintritt eine größere Breite aufweisen als die übrigen Kanäle oder insgesamt eine geringere Länge.In the wake of the fastening device may possibly be present a reduction in the flow of air to the channels. It is therefore expedient if, in the wake of the fastening device, the channels at their inlet have a greater width than the remaining channels or, overall, a shorter length.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die zweiten Öffnungen Austritte der Kanäle darstellen und die dritten Öffnungen an jeweils den Austritten gegenüberliegenden Eintritten der Kanäle angeordnet sind.It is expedient if the second openings constitute outlets of the channels and the third openings are arranged on each of the outlets opposite inlets of the channels.
Um die Gefahr von Selbstzündungen aufgrund einer ungleichförmige Luftströmung im Nachlauf der Befestigungsvorrichtung zu verringern, ist es zweckmäßig, wenn die dritten Öffnungen für Brennstoff unterschiedlich groß sind bzw. entsprechend angepasst werden.In order to reduce the risk of auto-ignition due to a non-uniform air flow in the wake of the fastening device, it is expedient if the third openings for fuel are of different sizes or be adapted accordingly.
Um die Mischung weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn an den Eintritten der Kanäle oder in den Kanälen zumindest teilweise turbulenzerzeugende Einbauten angeordnet sind. Diese können Teil des Hitzeschildelementes oder auch der Tragstruktur sein. Die Anordnung solcher turbulenzerzeugender Einbauten erfolgt bevorzugt stromauf der dritten Öffnungen, also stromauf der Öffnungen für die Zugabe von Brennstoff.In order to further improve the mixture, it is advantageous if at least partially turbulence-generating internals are arranged at the inlets of the channels or in the channels. These may be part of the heat shield element or the support structure. The arrangement of such turbulence-generating internals is preferably carried out upstream of the third openings, ie upstream of the openings for the addition of fuel.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die dritten Öffnungen, also diejenigen für Brennstoff, derart versetzt angeordnet sind, dass über die Kanäle einander zuordenbare zweite und dritte Öffnungen unterschiedlich voneinander beabstandet sind. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Mischstrecken und damit unterschiedliche Verzugszeiten bis zum Austritt in den Brennraum durch die zweiten Öffnungen, was eine mögliche Kopplung mit thermoakustischen Schwingungen vermindert.Furthermore, it is advantageous if the third openings, that is to say those for fuel, are arranged offset in such a way that second and third openings, which can be assigned to one another, are spaced apart from one another by way of the channels. This results in different mixing distances and thus different delay times up to the exit into the combustion chamber through the second openings, which reduces a possible coupling with thermoacoustic oscillations.
Um ein unkontrolliertes Ausströmen von Brennstoff über Leckagen in den Spalt zwischen zwei Hitzeschildelementen weitgehend zu verhindern, ist es zweckmäßig, wenn die äußersten, durch je einen Steg und den Randsteg gebildeten Randkanäle frei von zweiten und dritten Öffnungen sind, d.h. wenn die Kanäle, die sich an den beiden Rändern des Hitzeschildelementes befinden, nicht mit Brennstoff versorgt werden.In order to largely prevent uncontrolled leakage of fuel via leaks in the gap between two heat shield elements, it is expedient if the outermost edge channels formed by a respective web and the edge web are free of second and third openings, i. when the channels located at the two edges of the heat shield element are not fueled.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der umlaufende Randsteg vierte Öffnungen auf. So können benachbarte Hitzeschildelementseiten und der Spalt zwischen benachbarten Hitzeschildelementen gekühlt bzw. gegen Heißgaseinzug gesperrt werden.In an advantageous embodiment of the invention, the peripheral edge web fourth openings. Thus, adjacent heat shield element sides and the gap between adjacent heat shield elements can be cooled or locked against hot gas injection.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Hitzeschildelement 4 so in der Brennkammer angeordnet, dass die zweiten Öffnungen ein bis 4 mal soweit von einem Brennkammerausgang entfernt sind, wie der Brennkammerausgang hoch ist. Im Teillastbetrieb, in dem kein Brennstoff den Brennstoffbohrungen, also den dritten Öffnungen zugeführt wird, kann das Hitzeschildelement als Luftbypass dienen, so dass die Gasturbine über einen zu tiefer Teillast erweiterten schadstoffarmen Betriebsbereich verfügt. Bei hoher Last, also bei Einspritzung von Brennstoff, ist dadurch zwar noch ein vollständiges Abbrennen des Gemisches sichergestellt, jedoch ist die Verweilzeit der entstehenden Heißgase vergleichsweise sehr klein, so dass nur vergleichsweise geringe Mengen an Stickoxiden entstehen.In a further advantageous embodiment of the invention, the at least one heat shield element 4 is arranged in the combustion chamber such that the second openings are one to four times as far away from a combustion chamber exit as the combustion chamber exit is high. In part-load operation, in which no fuel is supplied to the fuel bores, ie the third openings, the heat shield element can serve as an air bypass, so that the gas turbine has an extended low-partial load low-emission operating range. At high load, ie at injection of Fuel, although this still ensures complete burning of the mixture, however, the residence time of the resulting hot gases is comparatively very small, so that only relatively small amounts of nitrogen oxides.
Um ein Eindringen von Brennstoff in den Spalt am bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung der Verbrennungsgase in der Brennkammer stromabwärtigen Ende des Hitzeschildelements zu vermeiden, ist es zweckmäßig, wenn im Spalt in der Tragstruktur fünfte Öffnungen vorgesehen sind.In order to avoid penetration of fuel into the gap at the downstream end of the heat shield element with respect to a main flow direction of the combustion gases in the combustion chamber, it is expedient if fifth openings are provided in the gap in the support structure.
Schließlich ist es vorteilhaft, wenn das Hitzeschildelement ein metallisches Hitzeschildelement ist, weil metallische Platten wegen der einfachen Gießbarkeit bzw. Möglichkeit einer maschinellen Herstellung mit den entsprechenden Geometrien am besten für die Herstellung solcher Hitzeschildelemente geeignet sind.Finally, it is advantageous if the heat shield element is a metallic heat shield element, because metallic plates are most suitable for the production of such heat shield elements because of the ease of casting or the possibility of machining with the corresponding geometries.
Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer mit einer einen Brennraum umschließenden Tragstruktur und mit einer aus einer Vielzahl von an der Tragstruktur befestigten Hitzeschildelementen gebildeten Innenauskleidung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem der Hitzeschildelemente Brennstoff und Luft für eine Verbrennung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff und Luft im Hitzeschildelement vorgemischt werden und als Brennstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum zur dortigen Verbrennung abgegeben werden.The object directed to a method is achieved by a method for operating a combustion chamber having a support structure enclosing a combustion chamber and having an inner lining formed from a plurality of heat shield elements attached to the support structure, characterized in that at least one of the heat shield elements comprises fuel and air for combustion be fed, characterized in that fuel and air are premixed in the heat shield element and discharged as a fuel-air mixture into the combustion chamber for local combustion.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in der konkreten Gestaltung eines Hitzeschildelements, das kontrolliert beströmte, berandete Kanäle zur Einmischung von Brennstoff zur Verfügung stellt. Gleichzeitig wird durch das vorgeschlagene Design ermöglicht, dass das Hitzeschildelement während des gesamten Betriebs ausreichend gekühlt ist. Das Hitzeschildelement weist Stege auf, die die strömende Kühlluft in kleine Kanäle teilt, in denen trotz kleiner absoluter Kanallänge bzw. Baugröße eine gute Mischung wegen der großen relativen Kanallänge erreicht wird.The advantages achieved by the invention are in particular in the specific design of a heat shield element, the controlled flows, bounded channels for mixing fuel provides. At the same time, the proposed design allows the heat shield element to be sufficiently cooled throughout its operation. The heat shield element has webs, which divides the flowing cooling air into small channels, in which, despite small absolute channel length or size, a good mixture is achieved because of the large relative channel length.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
-
1 einen Längsschnitt durch eine Ringbrennkammer einer Gasturbine und -
2 die Kaltseite eines Hitzeschildelements nach der Erfindung.
-
1 a longitudinal section through an annular combustion chamber of a gas turbine and -
2 the cold side of a heat shield element according to the invention.
Bei Verwendung einer solchen Brennkammer
Insbesondere zeigt die
Das Hitzeschildelement
In der Tragstruktur
Weiter sind in der Wand
Schließlich sind in der Tragstruktur
Auf der Kaltseite
In der Ausführungsform der
Im Ausführungsbeispiel der
Außerdem zeigt die
Hinsichtlich Kühl- bzw. Sperrluft sind beim Hitzeschildelement
Gemäß der Erfindung ist ein solches Hitzeschildelement
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 1493972 A1 [0007]EP 1493972 A1 [0007]
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2018
- 2018-04-16 WO PCT/EP2018/059617 patent/WO2018202407A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
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Also Published As
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WO2018202407A1 (en) | 2018-11-08 |
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