DE2124504C2 - Gasturbinenanlage - Google Patents
GasturbinenanlageInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage der im > · Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Eine bekannte Gasturbinenanlage dieser Art (DE-PS 25 984) weist einen zweistufigen Verdichter auf. Der
Verdichter hat zwei Auslässe, von welchem der eine der ersten Verdichterstufe nachgeordnet ist und in einen ···
Kanal mündet, während der andere Auslaß am Ausgang der zweiten Verdichterstufe angeordnet ist. Der
Turbineneinlaß ist in zwei Sektoren unterteilt. Der erste Sektor wird von dem Auslaß der zweiten Verdichterstufe
unter Zwischenschaltung einer Verbrennungskammer gespeist. Der zweite Sektor wird unmittelbar von
der ersten Verdichterstufe versorgt, so daß die hinter der ersten Stufe des Verdichters austretende Kaltluft
unmittelbar in den /weiten EinlaU-Sektor der Turbine
einströmt. '■'
Diese bekannte ι i.i.stiirbiflenfinläge hai den Nachfeil,
daß die dem /weiten KmIaB Sektor der Turbine
/uströmendr KaItIuIt, die eine wenig höhere Tempera
tür als die Kalthifiquelle. /.. B. die Atmosphäre, aufweist,
einen wesentlich geringeren Druck als die an d".r '
/weiten Verdichterstufe austretende und in der Brennkammer erwärmt»- I.lift aufweist Dem/.ufolp··
weisen dit Strome von Kalt und Warmluft, .· il·.
beiden Einlaß-Sektoren der Turbine beaufschlagen, sehr unterschiedliche Drücke auf. Wenn auch die in dei
zweiten Verdichterstufe austretende Luft in der Brennkammer einen schwachen Druckabfall erleidet in
der Größenordnung von einigen Prozenten, so weist doch die in den zweiten Einlaß-Sektor der Turbine
eingespeiste Kaltluft einen Druck auf, der um mehrere 10% niedriger sein kann, als derjenige des Heißluftstromes,
der in den ersten Einlaß-Sektor der Turbine einströmt. Da alle Rotorflügel der Turbine aufeinander
folgend und mit großer Geschwindigkeit die beiden. Einlaß-Sektoren durchlaufen, sind sie einer sehr großen
Zahl von sehr beträchtlichen Änderungen der Betriebsbedingungen pro Zeiteinheit unterworfen, was nicht
a''ein zu erheblichen mechanischen Beanspruchungen der Rotorflügel führt, sondern vor allem eine wesentliche
Störung der Gleichförmigkeit der Strömung der Gasturbine in Umfangsrichtung des Rotors zu: Folge
hat. Darüber hinaus rufen die von der ersten Stufe des Verdichters in den zweiten Einlaß-Sektor der Turbine
einströmende Kaltluft und die in den ersten Einlaß-Sektor der Turbine einströmende Heißluft einen Temperatursprung
hervor, der so wesentlich ist, daß gefährliche thermische Spannungen in den Turbinenflügein oder
-schaufeln auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art die
Druck- und Temperaturzustände der Ströme von Heißjnd Kaltluft, die in beiden Einlaß-Sektoren der Turbine
einströmen, einander anzunähern, so daß die vorstehend aufgeführten Nachteile der bekannten Gasturbinenanlage
vermieden werden.
Diese Aufgabe ist bei einer Gasturbinenanlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung durch
die Merkmale irn Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 Udos·.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Gasturbinenanlage vereinheitlicht die Zufuhrbedingungen und
-zustände der Heiß- und Kaltluft zu drr Turbine, so daß
die Strömlingsbedingungen der Gase durch die beiden Einlaß-Sektoren der Turbine vergleicftmäßigt werden.
Die beiden Luftströme, von denen der eine unmittelbar und der andere nach Durchlauf der Brennkammer der
Turbine zugeführt werden, werden nicht an verschiedenen Druckstufen des Verdichters, sondern an der
gleichen, höchsten Druckstufe abgenommen, so daß die Drücke der beiden Luftströme aneinander weitgehend
angenähert sind. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen vergrößern insgesamr vorteilhaft die Haltbarkeit und
die Lebensdauer des Rotors, wobei sie zugleich eine genügende Rückkühlung des Rotors sicherstellen.
Aus der CH-PS 2 98 259 ist eine Turbinenanlage bekannt, deren Verdichter- und Turbinenrotoren als
Radialrädcr in Rücken-an-Rücken-Anordnung ausgebildet sind. Zwischen dem Gehäuse des Verdichters und
der Turbine ist eine Trennwand angeordnet, die öffnungen für den Durchtritt von Luft zur Kühlung des
Turbinenrades aufweist. Auch bei einer solchen Gasturbinenanlage läßt sich die Erfindung vorteilhaft
anwenden, wobei gemäß Anspruch 3 die Trennwand als Radscheibe mil in radialer Richtung sich fortsetzender
Blende ausgebildet ist, die in einem dem zweiten Einlaß-Sektnr der Turbine entsprechenden Bereich
unterbrochen ist, so daß hier eine direkte Strömlings verbindung /wischen den Verdichter- und Turbinen
schaufeln besteh:.
Die Erfindimg ist anhand von in der Zeichnung
sehcmatisrh dargestellten Ausführungsbcispiclen im
folgenden beschrieben. Es zeigt
Fig. I einen Axialschnitt einer Gasturbinenanlage vom Radialtyp mit einem freien Wellenzug und einem
Nuizkraft liefernden Wellenzug,
Fig. 2 eine Vorderansicht der Turbine in Fig. I, in
vergrößertem Maßstab,
Fig. 3 eine Vorderansicht des Verdichters in Fig. 1.
in vergrößertem Maßstab,
Fig.4 einen Axialschnilt einer Gasturbinenanlage
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem zweistufigen Verdichter,
Fig. 5 —7 jeweils einen Axialschnitt einer Gasturbinenanlage
gemäß einem dritten, vierten und fünften Ausführungsbeispiel.
Die in Fig. 1—3 gezeigte Gasturbinenanlage enthält
ein zentrifugales Verdichterrad 66 und ein zentripetales Turbinenrad 76, die beide auf derselben, in Lagern 96
gelagerten Welle 86 sitzen. Verdichterrad 66 und Turbinenrad 76 sind Rücken-an-Rücken miteinander
verbunden. Das Verdichterrad 66 saugt bei 126 Frischluft von außen an, verdichtet sie und drückt sie
über eine Leitvorrichtung 266 in ein Spiralgehäuse 136, das mit einer mit einem Brenner 166 versehenen
Brennkammer 156 verbunden ist. Die Leitvorrichtung 266 und das Spiralgehäuse 136 bilden das, was im
folgenden mit »Diffusor« des Verdichters 66 bezeichnet ist. Die in der Brennkammer erzeugten Heißgase
werden über ein Spiralgehäuse 186 des Turbineneingangs einer Verteilvorrichtung 196 der Turbine 76
geführt, die die Schaufeln 206 des Turbinenrades 76 speist. Diese Gase werden in diesem Turbinenrad
entspannt und über eine Auslaßleitung 216 in eine Niederdruckturbine 236 entlassen, die auf einer Achse
246 in 24'6gelagert ist.
Der Verdichter 66 stößt nur über einen durch Trennwände 27 und 28 begrenzten Teil seines Umfangs
(Fig. 3) in den Diffusor 266, 136 aus. Desgleichen empfängt die Verteilvorrichtung 196 der Turbine 76
(Fig. 2) die Heißgase aus dem Spiralgehäuse 186 nur über einen durch dieselben Trennwände 27 und 28
begrenzten Teil des Umfangs der Turbine 76. In dem verbleibenden, zwischen diesen Trennwänden liegenden
Sektor ist der Auslaß des Verdichterrades über eine Leitung 29 in Form eines Torusabschnittes unmittelbar
mit dem Einlaß des Turbinenrades verbunden. Die Schaufeln des Turbinenrades werden somit über die
Teile 186, 196, 29 gespeist, wobei ein erster Einlaß-Sektor 19' (gebildet durch die Verteilvorrichtung 196 und
begrenzt durch die Trennwände 27, 28) mit Heißgasen gespeist wird und ein zweiter Einlaß-Sektor 29'
(gebildet durch die Leitung 29 zwischen den Trennwänden 27, 28) mit Luft gespeist wird. Außerdem ist ein
ringförmiger Eingangsabschnitt 30, der die vom Turbinenrad kommenden Heißgase aufnehmenden
Auslaßleitung 216 durch zwei Trennwände 31, 32 unterbrochen und an eine Hilfsleitung 33 angeschlossen,
die bei M ins Freie mündet. Die Trennwände 31, 32 begrenzen in diesem Eingangsabschnitt 30 einen Sektor
35, der in der schematisch durch den Pfeil F angedeuteten Drehrichtung der Turbine 76 vor die in
Form eines Torusabschnittes ausgebildete Leitung 29 verschoben angeordnet ist.
In F i g. I und 2 ist der Weg der vom Verdichter 66 iiusgesloßcnen kalten Strömung mit einer Punktierung
gekennzeichnet. Der vom Verdichter 66 ausgestoßene ι Kaltluftstrom wird in zwei leite geteilt, von denen einer
normalerweise die Brennkammer 15/? speist, wobei die
dort erzeugten 1 IciÜ," .se die beiderseits der Trennwände
27 und 28 liegende Verteilvorrichtung 196 der Turbine 76 speisen, während der andere Teil der
Erhitzung durch Verbrennung nicht unterworfen wird und weder den Diffusor 266, 136, noch die Verteilvorrichtung
29 durchquert, sondern direkt in die Verbindiingsleitung
29 sirömt, um das Turbinenrad zu erreichen und zu durchqueren und über die Auslaßleitung
33 auszutreten, ohne mit dem von der Brennkammer kommenden heißen Luftstrom vermischt zu
werden. Man sieht also, daß die Turbine 76 in dem in F i g. 2 rechts befindlichen Teil (in F i g. 1 schematisch im
unteren Teil dargestellt) von Luft mit geringer Temperatur durchströmt wird, während sie in ihren
anderen Teilen von dem von der Brennkammer 156 kommenden heißen Luftstrom durchströmt wird.
Aufgrund der großen Drehgeschwindigkeit des Turbinenrades nimmt dieses von allen seinen Punkten eine
mittlere Temperatur an, die zwischen der Temperatur des beaufschlagenden heißen Luftstromes und der
Tempeiatur des beaufschlagenden kalten Luftstromas liegt. In F i g. 3 deuten Pfeile f\ se.' --/nansen den Weg der
vom Verdichter 66 in die Leitvorrichtung 266 und von dort in das in die Brennkammer 156 mündenden
Spiralgehäuses 136 ausgestoßenen Luft an und die Pfeile h stellen schematisch den Weg der Luft dar, die in
die direkte Verbindungsleitung 29 und von dieser in den davor liegenden Sektor der Turbine 76 ausgestoßen
wird. Die Pfeile h sind auch in F i g. 2 eingezeichnet.
In Fig.2 ist mit gestrichelten Linien bei 36
schematisch eine ideale Trennungsfiäche zwischen dem von verhältnismäßig kalter Luft (durch Punktierung
gekennzeichnet) und dem durch die heißen Gase eingenommenen Volumen dargestellt. Man sieht, daß
diese ideale Tren:iungsfläche in einem Kanal 37
zwischen zwei einander benachbarten Schaufeln des Turbinenrades vom Eingang zum Ausgang dieses
Kanals 37 während der Rotation der Turbine 76 bei der dieses sich von der Trennwand 27 entfernt, vorrückt.
Die Trennwand 31 sollte also gegenüber dieser Trennwand 27 in einem Ausmaß vorgerückt sein, das
ausreicht, damit die Trennungsfiäche 36 den Ausgang des Kanals 37 erreicht, sobald dieser sich gegenüber
dem Sektor 35 befindet. Desgleichen sollte die Trennwand 32 gegenüber der Trennwand 28 derart
vorgerückt sein, daß die hinter der verhältnismäßig kalten Luft in den Kanal 37 eintretenden Heißgase,
nachdem sie diesen Kanal 37 gegenüber der Trennwand 28 durchströmt haben, den Ausgang dieses Kanals 37 in
dem Augenblick erreichen, wenn dieser die Trennwand 32 passiert. Man verhindert somit den Abbau des
thermodynamischen Kreislaufes, was zu einer Vermischung der heißen und kalten Strömungen führen
würde. Die Lage der Trennwände 31 und 32 in Bezug auf d;: Trennwände 27 und 28 kann nach den Gesetzen der
Thermodynamik und Mechanik von Strömungsmitteln bestimmt weiJen. Der Fachmann verfügt über die
Mittel, um die zu diesem Zweck notwendigen Berechnungen durchzuführen.
Es wird darauf hingewiesen, daß die direkte
Verbindungsleitung 29 zwischen dem Ausgang des Verdichters 66 und dem Eingang der Turbine 76 weder
ein Diffusor noch ein Spiralgehäuse, noch eine Verteilvorrichtung aufweist. Wie schon oben erwähnt,
können durch diese Anordnung die Verluste vermieden werden, die sich von aufeinanderfolgenden Umwandlungen
kinetischer Energie in Druck und umgekehrt ergeben würden. Diese Anordnung wird dadurch
ermöelichl. <laD bei rinrr (iastiirbineruinlnec des
dargestellten Radialtyps mit fieiern Wellen/tig die
Ausgangsverhältnisse des Verdichlerrades durch die Konstruktion den Eingangsverhältnissen des Turbinetiradcs
angepaßt sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach I' ι g. 4. in der feile,
die funktionsmäOig mit denen der F-" ι g. 1 übereinstim
men. mit denselben Bczugsz.eichcn unter Hinzufügen des Indexes c bezeichnet sind, hat der Verdichtet
strömungsaufwärts des zentrifugalen Rades 6c eine Axialstufe, deren Rotor 38 auf dem Wcllcn/ug 8t
angeordnet ist. Die von außen bei 12c angesaugte Luft wird in der den Rotor 38 und eine Leitvorrichtung 39
aufwehenden Axialstufe und dann in dem Verdichterrad 6c verdichtet, welches die Luft über seinen Umfang übe
die Teile 26c und 29c mit demjenigen Gesamtdruck, der für die Speisung der Brennkammer 15cgceignel ist. und
dann über das Turbinenrad 7c und die Niederdrucktur bine 23c ausstößt. Dieser Gesamtdruck richtet sich nach
den Betriebseigenschaften der Gasturbinenanlage. Wenn also die Turbine und die Brennkammer mit denen
der in Fig. I libcrcinstimmen. wird der die Axialstufe
38, 39 und das zentrifugale Rad 6c aufweisende Verdichter dasselbe Druckverhältnis liefern, wie das
einzige zentrifugale radiale Rad 6/>. das in I ig 1
dargestellt ist. )edoch wird der statische Druck am Umfang des Rades 6cgrößer sein, was die Strömung der
Kuhlluft in der Turbine 7c verbessern wird, wie oben
erläutert.
Bei der Ausführungsform nach F- i g. 5. in der die Teile,
die funktionsmäßig mit denen der F i g. 4 übereinstim
men. mit denselben Bcz.ugszcichen unter Hinzuftigung
des Indexes c bezeichnet sind, erstrecken sich die Schaufeln 41 des zentrifugalen Rades 6c und die
Schaufeln 42 des zcntripcdalcn Rades 7c an der mittleren Trennwand 43. beiderseits welcher sie
befestigt sind. Der zwischen den Umfangsabschnnten
dieser Beschaufelungen befindliche Ringraum 44 w ird in
dem /wischen dem Diffusor 26c und der Verteilvorrich
lung 19c befindlichen Sektor durch eine feste Blende 45 •.-ingenommen. die sich radial nach außen zwischen
diesen Diffusor 26c und dieser Verteilvorrichtung 19c verlängert Auf dem übrigen Teil des Umfangs. d h..
entlang des vor den Leitungen 29c in F ι g. 4
eingenommenen Sektors, bleibt der Ringraum 44 leer
:',d wird von der Kuhlluft durchquert, die unmittelbar
■•on den Schaufeln 41 zu den Schaufeln 42 übergeht V) ■
direkte Yerbindungsleitung zwischen diesen Schaufeln
wird durch diesen Sektor des Ringraumes 44 gebildet :nd ist nach außen durch eine Wand 46 in Form eine^
Abschnittes eines Zylinders begrenzt, in dem die
Sch,infe!η 41, a? mit geringem Spiel sich drehen
In Abwandlung kann die Leitung nach außen durch
■ •■η,· t'i.-s'r.-.hclt angedeutete Wandung 29c begrenz;
se-, die sich radial über die Schaufeln 41. 42 hinaus
,,τ«.·reckt Die Kühlluft passiert dann zum Teil der
R'^gra'irr 44 und zum anderen Teil den Abschni't 44
-ie" l.e-v.iig. der radial außerhalb dieses Ringraumes
Mi·1^ zeigt, wie die F.rfindung in eine- Gasturbinen
.!-!'•!ge -ίγτ' Axiaityp verwirklicht werden karn. in
diese- ! i· s'nd die Tci:e. die mit denen der F ■ g ' — 5
:'-jp.k'-ii^sg!e;ch sind, mn denselben Bezbgszeichen unter
H'r/ijfMgeo des indexes /' bezeichne:. Mar, sieht das
,iviiile V crdichterrad des Verdichters 6.'" das im
I .'ntcschjü- oder Uberschallgebiet arbeiten kann, be·
'.Λ I .^!■■ΛΓΓ,
J9/
'«"•jr'eilv o'-ichtune der diesen Vc-rdicfver hf antreibender
T'j-b1-·: 7f. die d:e HeOease aus de- Brennkammer
15/erhalt und einen Sektor ties axialen I urbinenr.ides
speist Die von dort austretenden Heißgase werden durch eine Leitung 21/Vu der Verteilvorrichtung 22/der
Niitzlcistungsturbirie 2if geführt, und /war zum Rad
dieser turbine 2 3/". das ebenfalls ein axiales Turbinenrad
ist Die diese Nutzleistungslurbinc 23/ verlassenden
(jase treten durch die Leitung 25/"aus. Nicht dargestellte
I'rennwände. entsprechend den Trennwänden 27 und 28. in F ι g. 2 und 3. begrenzen eine direkte Verbmdungs
leitung 23/" /wischen dem Ausgang des Verdichters 6/'
und dem Fingang der Turbine 7 f. Andere nicht
dargestellte I rennwände, entsprechend den Trennwänden 31 und 32 der F ig 2. begrenzen einen l.tiftauslaßka
naI 3 3/' Wie m F" ι g. I -5 wird die in einen außerhalb der
Leitung 29/gelegenen Auslaßsektor des Verdichters ft/ atisgestoßene Luft zu der Brennkammer 15/geleitet,
wahrend die in den gegenüber dem F'ingang der Leitung
29/ hegenden Sektor ausgestoßene Luft unmittelbar
7/"geleitet wird. Die die Auslaßleitung 2 !/'begrenzenden
I'rennwände sind gegenüber den die Leitung 29/ begrenzten Trennwänden in Drehrichtung der Turbine
7/iiach vorn geruckt. Die die Leitung 29/durchslromen
de Luft wird vom Verdichter ftf unmittelbar in den
Linlaß der Turbine 7! gebracht, ohne durch eine
Leitvorrichtung oder eine Verteilvorrichtung zu stm men. Die Auslegung des Verdichters 6/ΊιικΙ der Turbine
7/" u- .! ihre Abmessungsparametcr. insbesondere der
manometrische Koeffizient und der Reaktionsgrad des Verdichters ftf und der Reaktionsgrad der Turbine 7f.
werden derart gewählt, daß die Strömungsverhällnisse
am Ausgang der bewegten Schaufeln des Verdichters 6/ den .Stromungsverhältnissen am F.ingang der bewegten
Schaufeln der Turbine 7/"angepaßt sind. Der Fachmann
kann /\\ diesem /weck die charakteristischen F!igcn
schäften des Verdichters 6ΛιηιΙ der Turbine 7/"festlegen
I ι g. 7 zeigt, wie die Erfindung in dem Fall
verwirklicht werden kann, wenn die Verdichtung durch
zwei in Reihe liegende Verdichter bewirkt wird. In
diesem I all wird die Kühlluft der Hochtcmperatur-Turbine
7^7 nicht zur Umgebungsatmosphärc ausgelassen,
sondern wieder der Luft zugeführt, die von dem Niederdruckverdichter 47 ausgestoßen wird, welcher
den durch diese Turbine 7g angetriebenen Hochdruckverdichter 61: speist. In F i g. 7 sind die Teile, die mit
denen der Fig. I —b funktionsgleich sind, durch
dieselben Bezugs/eichen unter Hinzufügen des Indexes q bezeichnet Der Hochdruckverdichter 6^ und die
Hochdruckturbine 7g s'nd vom Radialiyp und sind wie
der Verdichter ftb und die Turbine 7b nach Fi el
angeordnet mit einer direkten Vcrbindungsle-"ing 29t'
in Form eines Torusabschnittcs. Die Welle 24^.· der
Turbine 23c treibt zusätzlich zu dem nicht dargestellten F.mpfangerteil einen Niederdruckverdichter 37 an. der
bei 48 die Luft von außen ansaugt, sie verdichtet und
über eine Leitvorrichtung 49 in ein Spiralgehäuse 50
stoßt, das über eine Leitung 51 mit dem Umgang \2gac-Hochdruckverdichter
fig verbunden ist. Die Auslaßle;
tune 33,tT der Luft, ciie die Turbine 7g gekühlt hat.
münde; nicht nach außen, wie bei den Ausfuhrungsarten
der vorhergehenden Figuren, sondern ist wieder an die
Leitung 51 angeschlossen. Diese Kühlluft vermischt sich also mit der von dem Ntederdruckverdichter 47
ausgestoßenen Luft, um zusammen den Hochdruckvcr
dichter 6tT zu speisen Die Mischung kann auf bekannter
Art strömyripsniifwarts drs Horhdnirkverdichters 6tT
durch eine gestrichelt angedeutete Vorrichtung 52 gekühlt werden.
Hierzu 5 BhIt Zeichnungen
Claims (3)
1. Gasturbinenanlage mit einem ggf- mehrere
Stufen aufweisenden Turboverdichter, der mindestens einen ersten und einen zweiten Verdichter-Auslaß
aufweist, und mit einer mit dem Turboverdichter über eine Welle fest verbundenen Turbine.
deren Einlaß in mindestens einen ersten und einen zweiten Einlaß-Sektor unterteilt ist, wobei der erste
Verdichter-Auslaß mit einer Brennkammer verbunden ist, deren Verbrennungsgas dem ersten EinlnU
Sektor der Turbine zuführbar ist, und wobei durch eine Umgehungsleitung zwischen dem zweiten
Verdichter-Auslaß und dem zweiten Einlaß-Sektor der Turbine eine Strömungsverbindung für verdichtete
Luft besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (266; 26c; 26e; 26/; 26g) und der zweite
Verdichter-Auslaß (29; 29c; 29e; 29/; 29g) jeweils
einen Sektor des Austrittsquerschnitts der HöcKstdruckstufe dts Verdichters (6b; 6c, 6e; 6f; 6g)
umgreifen.
2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Umgehungsleitung
(29; 29c; 29e: 29/"; 29g) die Form eines
Umfangsabschnitis eines ringförmigen Kanals aufweist.
3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2.
deren Verdichter- und Turbinenrotoren als Radialrader in Rücken-an-Rücken-Anordnung mit einer
gemeinsamen meridionalen Radscheibe ausgebildet sind, wobei die Schaufeln der Radialräder in radialer
Richtung über die Radscheibe hinausragen und die Trennung der Gasströme in di_sem Bereich durch
eine gehäusefeste, die Koiuur der Radscheibe in
radialer Richtung fortsetzende Blende erfolgt, dadurch gekennzeichnet, d3ß die Blende (45) in
einem dem zweiten Einlaß-Sektor der Turbine (7c) entsprechenden Bereich unterbrochen ist, so daß
hier eine direkte Strömungsverbindiing zwischen den Verdichter- (41) und Turbinenschaufeln (42)
besteht.
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