DE2155344A1

DE2155344A1 - INTEGRAL TURBINE WHEEL WITH OPEN AXIAL BREAKTHROUGHTS ON THE OUTER WREATH AND CONTROLLED WREATH Cracks

Info

Publication number: DE2155344A1
Application number: DE2155344A
Authority: DE
Inventors: Alfred Hueber
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1971-11-08
Filing date: 1971-11-08
Publication date: 1973-05-17
Also published as: FR2160107A5; US3817657A; GB1417132A; IT970290B; JPS4857003A

Description

Integrales Turbinenrad mit offenen axialen Durchbrüchen am äußeren Kranz und kontrollierten KranzrissenIntegral turbine wheel with open axial openings on the outer rim and controlled rim cracks

Die Erfindung bezieht sich auf ein Turbinenrad, bei dem Kranz und Schaufeln aus einem Stück gefertigt sind, welches an der äußeren Kranzpartie Sollbruchstellen für radiale Wärmerisse an den Enden von Radialschlitzen aufweist, ferner Durchbrüche, welche die Kranzpartien in axialer Richtung durchbrechen und dadurch die Wärmerisse an ihrer weiteren radial nach innen gerichteten Fortpflanzung hindern.The invention relates to a turbine wheel, in which the ring and blades are made of one piece, which on the outer rim part has predetermined breaking points for radial heat cracks at the ends of radial slots, furthermore breakthroughs, which break through the rim parts in the axial direction and thereby the heat cracks on their further radially inward Prevent reproduction.

Bei bekannten Rädern dieser Art werden die Durchbrüche an der engsten Stelle nachträglich wieder verschlossen. Damit können Scheibe und Turbinenkranz nicht genügend gekühlt werden, weshalb diese Turbinenräder für hohe Turbinen-Eintrittstemperaturen nicht geeignet sind. Außerdem müssen die Durchbrüche, teilweise auch die Kranzrisse und/oder Schlitze mit besonderem Aufwand abgedichtet werden, um Eindringen und Durchfluß von Heißgas und damit weitere Überhitzung zu verxiindern.In known wheels of this type, the openings are subsequently closed again at the narrowest point. So can Disc and turbine ring are not cooled sufficiently, which is why these turbine wheels are not designed for high turbine inlet temperatures are suitable. In addition, the breakthroughs, and in some cases also the rim cracks and / or slots, have to be sealed with particular effort to prevent the ingress and flow of hot gas and thus further overheating.

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Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Turbinenrad zu schaffen, das durch intensive innere Kühlung des Kranzes höhere Prozeßtemperaturen und gleichzeitig durch Einführen kontrollierter Kranzrißse größere Flexibilität in der Leistungsregelung ermöglicht, wobei radial durchgehende Schlitze mit ihren Leckverlusten und die Notwendigkeit einer besonderen Abdichtung zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite des Turbinenrades vermieden werden. Eine weitere Aufgabe ist es, die Schaufelschwingungen mit geeigneten Mitteln zu dämpfen.The object of this invention is to create a turbine wheel which, through intensive internal cooling of the ring, has higher process temperatures and at the same time enables greater flexibility in power control by introducing controlled crown cracks, with radially continuous slots with their leakage losses and the need for a special seal avoided between high and low pressure side of the turbine wheel will. Another task is to dampen the blade vibrations by suitable means.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, da£ die Durchbrüche, die Hochdruck- "und Fiederdruckseite uirbereijü. ander verbinden und daß sich die Sollbruchstellen zwii-^iien den Schlitzen und den Durchbrüchen befinden. Während also beim Stand der Technik die Bohrungen nachträglich verschlossen werden, bleiben sie bei der Lösung nach der Erfindung offen.The solution to the problem is that the Breakthroughs that uirbereijü the high pressure "and feather pressure side. connect to the other and that the predetermined breaking points are between the slots and the breakthroughs are located. So while in the prior art, the holes are subsequently closed they remain open in the solution according to the invention.

Die gemäß der Erfindung angeordneten im wesentlichen axial verlaufenden Durchbrüche verbinden in vorteilhafter Weise die intensive, innere Kühlung des Turbinenrad-AußenkraBzes mit dem Auffangen der kontrollierten Kranzrisse, deren Lage sie außerdem im Zusammenwirken mit den Radialschlitzen bestimmen. Dadurch ermöglichen sie höhere Prozeßtemperaturen und vermindern die Gefahr von Badbrüchen* Dar überhinaus tragenThe arranged according to the invention substantially axially extending breakthroughs connect in an advantageous manner the intensive, internal cooling of the turbine wheel outer ring with the interception of the controlled crown cracks, the position of which they also determine in cooperation with the radial slots. In this way they enable higher process temperatures and reduce the risk of bath breakage

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die Kranzrisse zur Verbesserung der Temperatur-Wechselfestigkeit und zur Dämpfung von Schaufel schwingungen bei. Durch die Verbindung von Hochdruck- und Niederdruckseite wird zudem der der bei den bekannten Rädern erforderliche Aufwand zur Abdichtung der Durchbrüche eingespart.the rim cracks contribute to the improvement of the thermal fatigue strength and to the damping of blade vibrations. Through the The connection of the high-pressure and low-pressure sides is also the effort required for sealing with the known wheels of breakthroughs saved.

In weiterer Ausgestaltung sind in besonders zweckmäßiger Weise die axialen Durchbrüche prismenartig ausgeführt. Sie verlaufen in geringem Abstand parallel unter den Radialschlitzen, wobei der schmale restliche Steg die Sollbruchstelle ist. In den Durchbrüchen sind Röhrchen eingelegt, deren innerer Querschnitt an einer Stelle durch eine Trennwand verschlossen ist, Außerdem sind sie so bemessen, daß zwischen Durchbruch und Röhrchen ein ausreichender Spalt bleibt, um genügend Kühlluft durchzulassen. Die Durchbrüche können schon beim Gießen ausgespart werden, oder auch später durch Bohren bzw. elektrochemische oder elektroerosive Abtragungsverfahren eingebracht werden. Auf ähnliche Art kann man die Schlitze erzeugen.In a further embodiment, the axial openings are designed in a prism-like manner in a particularly expedient manner. she run parallel under the radial slots at a small distance, with the narrow remaining web being the predetermined breaking point. In Tubes are inserted into the openings, the inner cross-section of which is closed at one point by a partition, In addition, they are dimensioned so that a sufficient gap remains between the opening and the tube to allow sufficient cooling air to pass through. The openings can be left out during casting, or later by drilling or electrochemical or electrical discharge machining processes can be introduced. The slots can be produced in a similar way.

Bei dieser Ausführungsform wird bei einfacher Herstellung durch die dichte Heranführung von Kühlluft an innere Kühlflächen des Radkranzes eine weitere Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur ermöglicht. Die schmale Sollbruchstelle unterdrückt auch nach dem Bruch das Eindringen von Heißgas von auben, wobei sie durch die Anlagefläche des Röhrchens noch unterstützt wird.In this embodiment, it is easy to manufacture due to the dense supply of cooling air to inner cooling surfaces the wheel rim a further increase in the turbine inlet temperature enables. The narrow predetermined breaking point suppresses the penetration of hot gas from outside even after the break, where it is still supported by the contact surface of the tube.

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In einer weiteren Ausgestaltung haben Durchbrüche und Eöhrchen Kreisquerschnitt. Damit können die Durchbrüche gebohrt und die Eöhrchen als Stangenmaterial beschafft werden, wodurch dfe Herstellkosten erheblich gesenkt werden.In a further embodiment, they have openings and tubules Circular cross-section. This allows the openings to be drilled and the tubules to be procured as rod material, which means that dfe Manufacturing costs can be reduced significantly.

In weiterer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Turbinenrades weisen die Durchbrüche ovales, evtl. elliptisches Profil auf, wobei die größere Halbachse radial zur Eadachse liegt. Diese Form ermöglicht eine bessere Spannungs-" verteilung im übergang zwischen Schaufelfuß und Vollscheibe. Die Herstellung geschieht zweckmäßigerweise durch Gießen, kann aber auch durch andere Verfahren, z.B. Erosionsverfahren erfolgen. Die eingelegten Eöhrchen können ovalen oder einen anderen geeigneten Grundquerschnitt aufweisen.In a further embodiment of a turbine wheel according to the invention the openings have an oval, possibly elliptical profile, with the larger semiaxis being radial to the Eadachse lies. This shape enables a better distribution of stress in the transition between the blade root and the solid disk. The production is expediently done by casting, but can also be done by other processes, e.g. erosion processes. The inserted tubes can have an oval or some other suitable basic cross-section.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Efihrchen außen profiliert und zwar dergestalt, daß an ihrer Außenseite drei oder mehr Stege entlanglaufen, welche zur Einhaltung des gewünschten radialen Abstandes zwischen Eöhrchen und Bohrung dienen. In Umfangsrichtung zwischen den Stegen liegen die Kanäle für die Kühlluft. Letztere wird dabei sehr dicht an der zu kühlenden Fläche entlanggeführt, was eine gute Kühlung mit sparsam bemessener Kühlluft ermöglicht. Die Herstellung erfolgt dann z.B. durch Ausfragen der Kühlkanäle zwischen den Stegen. Man kann aber auch die Eöhrchen aus einfachem Eohr mit konstanter Wandstärke herstellten beispielsweise mit Hilfe einer Ziehdüse. Hier lassen sich die Stege leicht ein-In a further embodiment, the small guides are profiled on the outside in such a way that three or more webs run along its outside, which to maintain the desired radial Serve the distance between the tubule and the bore. The channels for the cooling air are located in the circumferential direction between the webs. Latter is guided very close to the surface to be cooled, which enables good cooling with sparingly dimensioned cooling air. Production then takes place, for example, by querying the cooling channels between the webs. But you can also make the tubules from a simple tube with constant wall thickness, for example with the help of a drawing nozzle. Here the bars can be easily

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formen, auch von der runden oder ovalen Form abweichende Grundquerschnitte zur Optimierung des Kühlluftkanalquerschnitts lassen sich, so leicht herstellen.shapes, also deviating from the round or oval shape Basic cross-sections for optimizing the cooling air duct cross-section can thus be easily produced.

In weiterer Ausgestaltung können Durchbrüche und Röhrchen soIn a further embodiment, openings and tubes can be used in this way

gestaltet sein, daß die zur Einhaltung des Radialspiels dienensich be designed so that they serve to maintain the radial play

den Stege/nicht an den Röhrchen, sondern an der Innenkontur der Durchbrüche befinden. Für den Fall, daß bei den Herstellkosten der Durchbrüche deren Form keine ausschlaggebende Rolle spielt, kann man damit wenigstens die Herstellung der Röhrchen vereinfachen.the bars / not on the tubes, but on the inner contour the breakthroughs are located. In the event that the manufacturing costs the breakthroughs whose shape does not play a decisive role, you can at least use them to manufacture the tubes simplify.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in jedem Durchbruch einer der Stege etwas breiter als die anderen und wird so angeordnet, daß er sich an der bezüglich der Turbinenradachse am weitesten radial nach außen gelegenen Stelle befindet^ nämlich dort, wo die Sollbruchstelle in den Durchbruch einmündet. Obwohl schon die Sollbruchstellen im Vergleich zu eingearbeiteten durchgehenden Schlitzen wegen ihrer geringen Abmessungen und auch durch die Labyrinthwirkung ihrer Bruchflächen eine gute Abschirmung der Kühlkanäle gegen von außen eindringendes Heißgas erbringen, wird zusätzlich mit der oben genannten Maßnahme erreicht, daß die Röhrchen auf die Einmündung der KranzrisseIn a further embodiment of the invention, one of the webs in each opening is slightly wider than the others and is arranged so that it is located on the axis with respect to the turbine wheel The furthest point radially outward is located where the predetermined breaking point joins the breakthrough. Even though already the predetermined breaking points compared to incorporated continuous slots because of their small dimensions and the labyrinth effect of their fracture surfaces also provides good shielding of the cooling channels against hot gas penetrating from the outside produce, is achieved in addition with the above measure that the tube on the confluence of the rim cracks

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zu liegen kommt und diesen dadurch, noch besser abdichtet. Dabei spielt es keine Rolle, ob der Steg zur Außenkontur oder zum Röhrchen gehört, im erster en Pail muß jedoch der Steg so breit sein, daß der Riß durch ihn radial nindurchläuft.comes to rest and thereby seals it even better. It does not matter whether the bar belongs to the outer contour or to the tube, but the bar must be in the first pail be so wide that the crack runs radially through it.

In weiterer Ausgestaltung weisen die Röhrchen an beiden Enden je eine Lasche auf, die nach dem Einführen der Röhrchen in die Durchbrüche etwas nach außen aufgebogen wird und P dabei in kranzseitige Nuten zu liegen kommt. Dadurch werden die Röhrchen gegen axiale Verschiebung und gegebenenfalls auch, gegen Verdrehung gesichert. Diese Laschen sind ebenso wie die bereits erwähnten breiteren Stege radial nach außen angeordnet, so daß die Anlage der Stege und damit ihre Fixierung im Betrieb durch die Fliehkraft unterstützt wird.In a further embodiment, the tubes each have a tab at both ends, which is opened after the tubes have been inserted is slightly bent outward in the breakthroughs and P comes to rest in the rim-side grooves. This will be the tubes are secured against axial displacement and possibly also against rotation. These tabs are just like that already mentioned wider webs arranged radially outward, so that the contact of the webs and thus their fixation during operation is supported by centrifugal force.

In weiterer Ausgestaltung soll die Kühlung durch Turbulenzverstärkung in den Kühlluftkanälen verbessert werden. Deshalb weisen die Röhrchen außerhalb der Stege Bohrungen auf, durch, die Kühlluft aus den Röhrcheninneren direkt gegen die Bohrungswände geblasen wird (impingement cooling). Um diese Zone verbesserter Kühlung zu erweitern, kann die Trennwand ins Röhrchen, falls gewünscht, bis zum Niederdruckseitigen Ende des Röhrchens verschoben sein.In a further embodiment, the cooling should be achieved by increasing turbulence can be improved in the cooling air ducts. Therefore, the tubes have holes outside of the webs, through which the cooling air is blown from the inside of the tube directly against the bore walls (impingement cooling). Better for this zone To expand cooling, the partition can be moved into the tube, if desired, to the end of the tube on the low-pressure side be.

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In der Zeichnung sind Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung dargestellt und zwar zeigenIn the drawing, exemplary embodiments of the invention are shown and indeed show

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes integrales Turbinenrad1 shows an integral turbine wheel according to the invention

im Schnitt, wobei Sollbruchstelle und Durchbruch zur Vereinfachung der Zeichnung nur gestrichelt dargestellt sind,in section, with predetermined breaking point and breakthrough only dashed to simplify the drawing are shown,

Fig. 2 das gleiche Rad gemäß Schnitt II-II der Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie IH-III der Fig. 2,FIG. 2 shows the same wheel according to section II-II of FIG. 1, Fig. 3 is a section along the line IH-III of Fig. 2,

Fig. 4- einen abgewickelten Schnitt nach Linie IV-IV in Fig. 2,Fig. 4- a developed section along line IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Durchbruch mit Röhrchen gemäß Schnitt V-V in Fig. 4-,5 shows a breakthrough according to the invention with small tubes according to section V-V in Fig. 4-,

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Stirnseite von Durchbruch und Röhrchen gemäß Ansicht VI in Fig. 5₅ FIG. 6 shows a plan view of the end face of the opening and the tube according to view VI in FIG. ₅

Fig. 7 - Io vier Ausführungsbeispiele mit verschiedenen Durchbruchsformen,Fig. 7 - Io four exemplary embodiments with different Breakthrough shapes,

Fig. 11 eine erfindungsgemäße Ausführung mit verbesserter Kühlung und11 shows an embodiment according to the invention with improved cooling and

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Fig. 12 zeigt den Durchbruch nach Pig. 11 im Schnitt XII-XII.Fig. 12 shows the Pig breakthrough. 11 on average XII-XII.

Das in Fig. 1 geschnitten dargestellte Turbinenrad besteht im wesentlichen aus der Scheibe 1, dem Kranz 2 und den Schaufeln Ein erfindungsgemäßer Durehbruch 4, hier als Bohrung ausgebildet, eine Sollbruchstelle 5 und ein Radialschlitz 6 sind hier nur gestrichelt dargestellt. Das eingelegte Röhrchen wurde hier weggelassen. The turbine wheel shown in section in Fig. 1 consists essentially of the disk 1, the ring 2 and the blades A breakthrough break 4 according to the invention, designed here as a bore, a predetermined breaking point 5 and a radial slot 6 are only shown here with dashed lines shown. The inserted tube has been omitted here.

Der in Scheibenebene liegende Schnitt II-II (Fig. 2) zeigt zwei Durchbrüche 7 mit den zugehörigen Sollbruchstellen und Radialschlitzen. Wegen des nicht achsparallelen Verlaufs der Durchbrüche erscheinen sie hier oval. Zwei schmale Stege 9 und ein breiterer Steg 1o bestehen mit dem Röhrchen 8 aus einem Stück. Die Kühlkanäle 12 liegen-in Umfangsrichtung gesehen - zwischen den Stegen.Section II-II (FIG. 2) lying in the plane of the disk shows two Breakthroughs 7 with the associated predetermined breaking points and radial slots. Because the openings are not axially parallel, they appear oval here. Two narrow webs 9 and one wider web 1o are made of one piece with the tube 8. The cooling channels 12 are - seen in the circumferential direction - between the webs.

Die von der Achsparalleln abweichende gemeinsame Richtung der Radialschlitze (nach Schnitt III-III, Fig. 2) und der Durchbrüche (Schnitt IV-IV in Fig. 2) sind in Fig. 3 und 4- dargestellt. Ebenfalls erkennbar ist die Anordnung von jeweils einem Durehbruch zwischen zwei benachbarten Schaufelfüßen (Fig. 3). In Fig. 4 sind weiter die eingelegten Röhrchen mit den Trennwänden 11 zu sehen. Ein Schnitt gemäß Linie V-V zeigt in Fig. 5 das gleiche Röhrchen mit den Laschen 13 zum Fixieren. Die Stirnseite des Rölirchens mit einer Befestigungslasche zeigt Fig. 6 gemäß Ansicht Vl in Fdg.5.The common direction of the radial slots (according to section III-III, FIG. 2) and the openings, which deviates from the axis parallel (Section IV-IV in Fig. 2) are shown in Figs. 3 and 4-. The arrangement of one breakthrough in each case can also be seen between two adjacent blade roots (Fig. 3). In FIG. 4, the inserted tubes with the partitions 11 can also be seen. A section along line V-V shows in Fig. 5 the same tube with the tabs 13 for fixing. The front of the Rölirchen with a fastening strap is shown in FIG. 6 according to view VI in FIG.

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In den Fig. 7■> 8, 9 und ίο sind vier verschiedene Gestaltungsformen für die Durchbrüche und Röhrchen dargestellt. Dabei soll die Schnittebene gemäß der in Fig. 5 bezeichneten Linie VII-VII verlaufen.In Figs. 7 8, 9 and ίο four different forms of design for the openings and tubes are shown. In this case, the sectional plane should run according to the line VII-VII denoted in FIG. 5.

Die Fig. 7 und 8 zeigen Durchbrüche 7 bzw. 14- und Röhrchen 8 bzw. 15 mit einer kreisrunden Grundform, während Fig. 9 und 1o solche 18, 22, 19i 23 mit elliptischer Grundform aufweisen. In den Fig. 7 und 9 bestehen aber die Stege 8 bzw. 15 mit den Röhrchen aus einem Stück, dagegen sind sie bei den Ausführungsformen nach Fig. 9 und 1o mit dem Kranz aus einem Stück hergestellt, bexspxelsweise durch Aussparen beim Gießen.7 and 8 show openings 7 and 14 and tubes 8 and 14 respectively. 15 with a circular basic shape, while FIGS. 9 and 1o such 18, 22, 19i 23 have an elliptical basic shape. In FIGS. 7 and 9, however, there are webs 8 and 15 with the Tubes from one piece, on the other hand, in the embodiments according to FIGS. 9 and 10, they are made from one piece with the wreath, by way of example by leaving out when pouring.

Eine weitere Verbesserung der Kühlung ergibt die Ausstattung der Röhrchen mit Bohrungen 26, wie sie in Fig. 11 zu sehen sind. Diese durchbrechen die Röhrchenwände zwischen den Stegen in dem durch die Trennwände begrenzten nachdruckseitigen Teil der Röhrchen. Um aber dadurch den Bereich intensiver Kühlung nicht unnötig einzuengen, ist hier die Trennwand etwas zur Niederdruckseite hin verschoben.A further improvement of the cooling results from equipping the tubes with bores 26, as can be seen in FIG. 11. These break through the tube walls between the webs in the part of the downstream pressure side that is delimited by the partition walls Tube. However, in order not to unnecessarily restrict the area of intensive cooling, the partition is a little on the low-pressure side moved there.

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Claims

*. i 1. yTurbine wheel, with the ring and blades from one piece are made, which at the outer rim paitie predetermined breaking points for radial heat cracks at the ends of Hadialschlitzen, furthermore Durclibrbruch, which the rim parts break through in the axial direction and thereby the heat cracks at their radially inward propagation prevent, characterized in that the openings (7, 12, 18, 22) the high pressure side and the low pressure side connect with each other and that the predetermined breaking points (5) between the slots (6) and the through

"fractions (7, 14-, 18, 22) are located.

2. Turbine wheel according to claim 1, characterized in that the openings are prism-shaped and with tubes (8, 15 »21, 23) are provided which have a partition (11, 28) in the inner cross-section, which completely blocks this cross-section and which insert into the breakthroughs while maintaining radial play,

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j U JfÜMJ / 0 36 \

3 turbine wheel according to claims 1 and 2, characterized

shows that the perforations and the tubules have circular cross-sections (Figures 7 and 8).

4. turbine wheel according to claims 1 and 2, characterized in that that the openings are oval, for example in the shape of an ellipse, the longer one Axis is directed radially with respect to the turbine wheel axis and that the tubules have an oval cross-section (Fig. 9 and 1ο).

5. turbine wheel according to claims 1 and 2 and 3 or 4-, characterized in that the outer contour of the tubules is profiled and webs f9, 1o; 16, 17; 2o, 21; 24, 25) to support the tubules in the openings as well as channels (12) arranged between the webs for guiding the cooling air. .

6. turbine wheel according to claim 1 and 2, and according to claim 3 or 4, characterized in that the outer contour of the tubules is smooth and the inner walls of the openings with substantially axially extending ribs are provided (Fig. 8 and 1o).

7. turbine wheel according to claim 5 or 6, characterized in that one of the webs (1o, 17-21, 25) is slightly wider than the The rest is executed and arranged radially outward with respect to the turbine wheel axis.

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8. turbine wheel according to claim 7> characterized in that

the tubes have a tab (13) at each end that extends into corresponding grooves located on the turbine wheel engage, the grooves being on the axis with respect to the turbine wheel are located radially outward side of the openings.

9. turbine wheel according to claims 1 to 8, characterized in that that the tubes have (radial) bores (27) outside the region of the webs.

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