DE2718662A1

DE2718662A1 - Verfahren und vorrichtung zur beschraenkung des einsaugens von fremdkoerpern in den einlass eines gasturbinentriebwerkes

Info

Publication number: DE2718662A1
Application number: DE19772718662
Authority: DE
Inventors: William Carl Ruehr; Charles Robert Vanfleet
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-05-03
Filing date: 1977-04-27
Publication date: 1977-11-17
Also published as: US4070827A; JPS6014174B2; FR2350464B1; DE2718662C2; BE854215A; FR2350464A1; IT1071343B; JPS52142114A

Description

Dr. rer. not. Horst Schüler PATENTANWALT

6000 Frankfurt/Main 1,26. April 1977

Kci»erstr<me 41 WK/We.

Telefon (0611) 235555

Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M.

Bankkonto: 225/0389

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GENERAL ELECTRIC COMPANY

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Verfahren und Vorrichtung zur Beschränkung des Einsaugens von Fremdkörpern in den Einlass eines Gasturbinentriebwerkes

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uie Erfindung betrifft Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerke für den Antrieb von Luftfahrzeugen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschränkung des Einsaugens von störenden Fremdkörpern in den Einlass solcher Triebwerke.

Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise Gasturbinentriebwerke, benötigen allgemein grosse Mengen von Luft mit hoher Strömungsgeschwindigkeit zur Erzeugung eines Antriebschubs oder zur Krafterzeugung. Es ist an sich bekannt, dass Fremdkörper in dem Luftstrom mitgeführt werden können, welcher in den Triebwerkseinlass eingesaugt wird. Auf Luftfahrzeugen befestigte Gasturbinentriebwerke sind besonders anfällig für das Einsaugen von Fremdkörpern vom Boden auf den Landebahnen des Flugfeldes bei der Fahrt von und zur Landebahn, beim Starten und beim Landen. Bei einigen Triebwerken ist eine rasche Verschlechterung der Leistung und eine verminderte Betriebsdauer aufgetreten durch eine Erosion der Profilteile durch die abschleifende Wechselwirkung dieser Fremdkörper mit den Profilteilen des Triebwerkes. Weiterhin kann ein Triebwerksausfall mit katastrophalen Folgen durch eine sofortige Beschädigung der inneren Teile des Triebwerkes auftreten, wenn die in das Triebwerk eingesaugten Fremdkörper aus grossen Steinen oder anderen Gegenständen bestehen.

Es ist ebenfalls bekannt, dass einerseits ein Teil der Leistungsverschlechterung durch Einsaugen von in der Luft mitgeführten Teilchen in das Triebwerk verursacht wird und andererseits eine beudetende Leistungsverschlechterung sich aus dem Einsaugen von Bodenfremdkörpern in das Triebwerk ergibt, welches durch eine Wirbelbildung zwischen dem Triebwerkseinlass und dem Boden verursacht wird. Ins-

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besondere ist gemäss der Beschreibung im Stand der Technik das Phänomen der Wirbelbildung bei Gasturbinentriebwerken und Luftfahrzeugen ähnlich der in der Natur auftretenden Wirbelbildung, wie sie in ihrer stärkeren Form als Tornado und in ihrer milderen Form als Staubwirbel bekannt ist. Der Wirbel unter dem Einlass eines Gasturbinentriebwerkes ist im Grunde genommen ähnlich den vorgenannten Wirbel bildungen der Natur mit der Ausnahme, dass er durch andere Bedingungen hervorgerufen wird.

In der Natur wird der Wirbel durch die Wechselwirkung zwischen horizontalen Oberflächenwinden mit dem vertikalen aufsteigenden Warmluftstrora gebildet, welcher in höhere Luftschichte mit geringerer Dichte aufsteigt. Beim Gasturbinentriebwerk wirken horizontale Oberflächenwinde zusammen mit dem vertikalen Luftstrom unterhalb des Triebwerkes zur Bildung eines Wirbels, welcher vom Triebwerkseinlass nach unten bis zur Oberfläche der Landebahn reicht. Wie bei dem in der Natur erzeugten Gegenstück, dem Staubwirbel, wird der Wirbel bei einem Gasturbinentriebwerk beim Kontakt mit dem Boden lose Teile oder Fremdkörper vom Boden entfernen und diese nach oben vor den Triebwerkseinlass schleudern, so dass diese Teile in dem Luftstrom mitgeführt werden, welcher in den Triebwerkseinlass eintritt. Vorbekannte Lösungsversuche zur Beseitigung des Einsaugens von Fremdkörpern in den Triebwerkseinlass, das durch Wirbelbildung verursacht wird, waren sehr vielfältig und sehr zahlreich. Ein solcher Lösungsversuch bestand einfach in der Ausführung einer intensiven Reinigung der Landebahnen des Flugfeldes. Dieser Lösungsweg ist zwar einfach und zweckgerichtet. Er hat sich jedoch als kostspielig erwiesen infolge der raschen Ansammlung von Verunreinigungen auf der Landebahn und der hohen Kosten der

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Reinigungsgeräte. Bei einem weiteren Lösungsweg wurden Abschirmungen oder Siebe verwendet, welche in oder um den Einlass des Triebwerkes angeordnet wurden zur Filterung der in das Triebwerk einströmenden Luft. Dieser Lösungsversuch erwies sich als unbefriedigend, da die Filter oder Siebe eine Tendenz zur Verstopfung mit Fremdkörpern besitzen und unter normalen Dauerflugverhältnissen den Luftstrom in das Triebwerk hemmen. Ausfahrbare Siebe ergaben keine annehmbare Lösung für das Problem, da beim Einfahren der Siebe die Teilchen vom Sieb gelöst wurden und in dem Triebwerkseinlass eingesaugt wurden.

Bei einem weiteren bekannten Lösungsweg wurden nach vorn blasende Luftstrahlen verwendet, die so angeordnet waren, dass sie auf den Boden vor dem Triebwerkseinlass gerichtet waren, zum Wegblasen der losen Fremdkörper. Bei diesem Lösungsweg wurden jedoch Fremdkörper vom Boden abgeblasen und in die Luftströme geblasen, welche in den Triebwerkseinlass einströmen. Spätere Verfahren benutzten ebenfalls einen Luftstrahl; jedoch in etwas anderer Weise. Bei einem Lösungsweg dieser Art wurde ein Ausstoss verdichteter Luft an einem Punkt hinter dem Triebwerkseinlass und in Vorwärtsrichtung vorgesehen, um den Mittelpunkt der Entstehung des Wirbels zu treffen und wegzublasen. Schliesslich wurden auch noch Luftstrahlen vor dem Triebwerkseinlass angebracht zum Ausstoss von Luft in Richtung nach rückwärts zur Bildung eines künstlichen Gegenwindes, welcher der Bildung des Wirbels entgegenwirkte. Von diesen Lösungswegen war jedoch kein Weg völlig zufriedenstellend. Insbesondere muss ein Ausleger zur Aufnahme der Luftstrah len vor dem Triebwerkseinlass vorgesehen werden und muss mit Enteisungsvorrichtungen ausgestattet werden, um die Bildung von Eis auf diesem Ausleger bei Dauerflugbedingungen

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zu verhindern. Ohne eine solche Vorrichtung kann das von dem Ausleger abbrechende Eis in das Triebwerk gelangen und bedeutende Schäden verursachen. Durch die vorliegende Erfindung werden die Nachteile der bekannten Verfahren dadurch überwunden, dass ein neuartigeres und leistungsfähigeres Verfahren und Vorrichtung zur Verhinderung des Einsaugens von Bodenfremdkörpern in den Triebwerkseinlass geschaffen werden.

Die Erfindung ergibt ein Verfahren zur Beschränkung des Einsaugens von Bodenfremdkörpern in ein Gasturbinentriebwerk, wobei der Wirbel unterdrückt wird, welcher dieses Einsaugen verursacht. Eine Quelle für ein fliessfähiges Mittel unter einem gewissen Druck wird vorgesehen und ist in Strömungsmittelverbindung mit ersten Vorrichtungen zur Einleitung mindestens eines Strahls dieses Fluids an einem Punkt hinter der Eintrittskante einer Gondel, welche mit dem Triebwerkseinlass wrbunden ist. Der Fluidstrahl wird durch diese erste Vorrichtung von der Eintrittskante weggerichtet in Richtung nach rückwärts zum Aufbau eines Bereichs mit Unterdruck hinter der Eintrittskante, welcher noch in einer ausreichenden Nähe zu einem zweiten Wirbelbildungsbereich liegt, um auf diese Weise Luftströme von diesem zweiten Bereich in den Niederdruckbereich zu saugen und von dem Triebwerkseinlass abzuleiten. Der Niederdruckbereich kann entweder mit einem solchen Druck eingestellt werden, welcher zum Abziehen des Wirbelruhepunktes in der Niederdruckbereich ausreicht, oder mit einer Grosse des Drucks, welche zur Verhinderung der Bildung des Wirbels ausreicht. Die erste Vorrichtung enthält Auslassdüsen, welche in oder unter der Triebwerksgondel in einem Abstand von D/2 oder darunter und vorzugsweise D/4 oder darunter angeordnet werden, wobei D der Durchmesser des Triebwerk-

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einlasses ist. Die Düsen können über den Umkreis mit Abstand oder axial mit Abstand angeordnet werden und können eine zweidimensiouule Anordnung von Düsen umfassen, welche unter verschiedenen Winkeln angebracht sind.

Die Figur 1 zeigt eine perspektivische schematische Abbildung eines Gasturbinentriebwerkes, das in der Tragfläche eines Luftfahrzeuges in der Nähe des Bodens befestigt ist, und zeigt in symbolischer Darstellung einen Wirbel.

Die Figur 2 ist eine schematische Ansicht des Einlasses eines Gasturbinentriebwerkes für ein Luftfahrzeug und zeigt die Wirbelbildung bei einem Triebwerk, welches nicht mit der erfindungsgemässen Anordnung ausgestattet ist.

Die Figur 3 ist eine schematische Schnittansicht des vorderen Teils eines Gasturbinentriebwerkes, welches mit der erfindungsgemässen Vorrichtung ausgestattet ist.

Die Figur 4 ist eine schematische Ansicht entlang der Linie 4-4 in Figur 3.

Die Figur 5 ist eine schematische Darstellung und zeigt ein Gasturbinentriebwerk, welches mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist und bei dem die Wirbelbildung vollständig beseitigt ist.

Die Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerkes, welches mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, wobei der Wirbel hinter den Triebwerkseinlass abgezogen wurde.

Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gas-

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turbinentriebwerkes 3o, welches an der Tragfläche 32 eines Luftfahrzeuges befestigt ist. Gemäss der Abbildung erstreckt sich unter den Betriebsbedingungen des Triebwerkes ein verwirbeltes Luftstromfeld, allgemein als Wirbel 34 bezeichnet, von dem Erdboden nach oben zu dem Einlass 36, welcher durch die Gondel 38 gebildet wird..Der Wirbel 34 enthält einen Staupunkt 39 in der Nähe des Bodens abseits von dem Triebwerkseinlass, wobei dieser Punkt entsprechend den Umgebungswindverhältnisses wandert.

In der Figur 2 ist die vorgenannte Wirbelerscheinung ohne Verbindung mit der vorliegenden Erfindung abgebildet. Unter den Betriebsbedingungen wird das Triebwerk 3o mit Luft von Bereichen vor und hinter der umkreisförmig verlauienden Eintrittskante 42 der Gondel 38 versorgt. Insbesondere wird das Triebwerk 3o mit Luft durch einen nach rückwärts strömenden Hauptluftstrom versorgt, welcher teilweise durch die Strömungslinien 44 vor der Eintrittskante 42 abgebildet ist, und weiterhin wird das Triebwerk mit Luft durch einen nach vorne strömenden sekundären Luftstrom versorgt, welcher teilweise durch die Strömungslinien 46 abgebildet ist. Die Wechselwirkung zwischen dem Luftstrom 44, dem Luftstrom 46 und dem Oberflächenwind der Atmosphäre erzeugt einen Bereich 47 etwa unterhalb der Eintrittskante 42, in dem die grösste Wahrscheinlichkeit für die Bildung des Wirbels 34 besteht, und in dem der einmal gebildete Wirbel 34 verharrt. Wie bereits festgestellt, wandert der - Staupunkt , 39 des Wirbels 34 über den Boden entsprechend der herrschenden Windgeschwindigkeit und Windrichtung. Gelegentlich wird der •Staupunkt. 39 den Boden berühren und ein Anheben von losen Fremdkörpern in den Triebwerkseinlass 36 bewirken. Der Wirbel kann das Einsaugen von Fremdkörpern auf zwei We-

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gen verursachen: einmal durch Aufwirbelung der Fremdkörper und Einführung in einen der beiden Einlassluftströme 34 und 46 oder durch impulsives Aufheben der Fremdkörper nach oben in den Niederdruckkern des Wirbels.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerkes, welches eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. Für die verschiedenen Triebwerksbauteile und Luftströme werden die gleichen Bezugsziffern wie in den Figuren 1 und 2 verwendet. Ein Verteiler 48 zur Verteilung des fliessfähigen Mittels ist in der Triebwerksgondel 38 in der Nähe und hinter der Eintrittskante 42 angeordnet und verläuft teilweise in einem Kreisbogen um den Einlass 36 herum. Vom Verteiler 48 aus ragt eine Anzahl von am Umkreis beabstandet angeordneten Fluiddüsen 5o radial nach aussen und ist so angeordnet, dass sie nach unten und rückwärts weisen unter einem Winkel B zu einer gedachten horizontalen Bezugsebene X-X. Die Figur 3 zeigt die Düsen 5o in einer Anordnung, bei der sie über den Umfang beabstandet angebracht sind. Die Düsen können jedoch auch so angeordnet sein, dass sie nicht nur am Umfang angebracht sind, sondern sich auch nach rückwärts erstrecken und dadurch eine zweidimensionale Anordnung von Düsen bilden. Weiterhin kann der Winkel B jeder Düse mit einer horizontalen Ebene unterschiedlich sein zu dem Winkel B anderer Düsen in der Anordnung. Der Verteiler 48 ist eingerichtet zur Strömungsmittelverbindung mit einer Quelle für das verdichtete Strömungsmittel oder Fluid, beispielsweise einem Verdichter 52 des Gasturbinentriebwerkes 3o, wobei die Verbindung durch eine Leitung 54 für das Strömungsmittel hergestellt wird. Zwischen dem Verdichter 52 und dem Verteiler 48 kann in die Leitung 54 eine Steuereinrichtung 55 eingefügt

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werden, um die Zufuhr des Strömungsmittels zum Verteiler zu steuern. In Figur 3 wird als Quelle für das verdichtete Strömungsmittel der Verdichter 52 gezeigt; andere Quellen können jedoch ebenfalls zur Strömungsmittel verbindung mit dem Verteiler 48 eingerichtet werden. Insbesondere kann der Verteiler 48 mit zahlreichen anderen unter Druck stehenden Bauteilen des Gasturbinentriebwerkes 3o oder mit einer getrennten Pumpe oder mit der Hilfsluftversorgung verbunden sein, welche am Auslass eines Ejektors vorhanden ist, welcher durch die Abzweigluft des Triebwerkes versorgt wird. Weiterhin können die auf den Figuren 3 und 4 im Innern der Gondel 38 abgebildeten Verteiler 48 und Strömungsmitteldüsen 5o auch ausserhalb der Gondel 38 angeordnet sein.

Verdichtetes Strömungsmittel, beispielsweise Luft wird dem Verteiler 48 vom Verdichter 52 über die Leitung 54 und die Steuereinrichtung 55 zugeführt, wird auf die Anzahl von Düsen 5o verteilt und von der Eintrittskante 42 weggerichtet in einem Fluidstrahl abgegeben, welcher aus einem fächerförmigen Luftstrahl besteht, der bei 56 nach rückwärts und unten auf dem Boden gerichtet ist. Ein Niederdruckbereich 58 (in den Figuren 3, 5 und schraffiert gezeigt) wird dabei unmittelbar vor dem fächerförmigen Luftstrom aufgebaut, jedoch hinter der Eintrittskante 42 der Gondel 38. Der Niederdruckbereich 58 wird aufgebaut durch die Neigung des fächerförmigen Stroms 56, die Luft, welche normalerweise den Bereich 58 einnimmt, aus diesem Bereich heraus nach rückwärts mitzuführen. Diese Erscheinung ist teilweise zurückzuführen auf die durch die Viskosität verursachte Wechselwirkung zwischen dem fächerförmigen Luftstrom 56 und der Luft im Bereich benachbart zur Grenzfläche mit dem fächerförmigen Strom

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Düsen 5o sind in der Gondel 38 an einer bestimmten Stelle und unter bestimmten Winkel so angeordnet, dass der vor dem fächerförmigen Luftstrom 56 aufgebaute Niederdruckbereich 58 hinter der Eintrittskante 42 und in ausreichender Nähe zu dem Bildungsbereich liegt, in welchem sich normalerweise der Wirbel 34 befindet, so dass Luftströme aus dem Wirbelbildungsbereich in den Niederdruckbereich gesaugt und von dem Triebwerkseinlass 36 abgesaugt werden. Besonders wird dies dadurch erreicht, dass Düsen 5o hinter der Eintrittskante 42 mit einem Abstand von etwa D/2 oder darunter und vorzugsweise D/4 oder darunter angeordnet werden, wobei D der Durchmesser des Triebwerkeinlasses 36 ist. Weiterhin werden Düsen 5o unter einem Winkel B mit einer gedachten horizontalen Ebene X-X angeordnet, welche etwa zwischen 1o und 45 und vorzugsweise zwischen 2o° und 3o° liegt.

Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung der Düsen 5o wird der Niederdruckbereich 58 unmittelbar hinter dem Bereich zur Bildung und zum Verweilen des Wirbels aufgebaut. Durch diese unmittelbare Nähe saugt der Niederdruckbereich 58 Luftströme aus dem Wirbelbildungsbereich heraus und daher stört er die Luftstromverteilung, welche sonst zur Bildung eines Wirbels führen würde. Die Luftstromverteilung um den Triebwerkseinlass 36 bei einer Ausführung»· form der Erfindung wird in Figur 5 gezeigt. Der Teil des nach rückwärts strömenden Luftstroms 44, welcher sonst zur Bildung des Wirbels 34 betragen würde, wird aus de» Wirbelbildungsbereich 47 in den Niederdruckbereich 58 abgezogen, welcher hinter der Eintrittskante 42 liegt. Der Wirbel wird beseitigt, da der Druck im Niederdruckbereich ausreicht, um Luftströme aus dem Wirbelbildungsbereich in den Niederdruckbereich mit einer Strömungsge-

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schwindigkeit abzuziehen, welche ausreicht zur Verhinderung der Bildung oder Erhaltung des Wirbels. Der übrige Teil des nach rückwärts fliessenden Luftstroms tritt in normaler Weise in den Einlass 36 ein.

Die vorliegende Erfindung ist auch .geeignet zur Unterdrückung des Eindringens von Fremdkörpern in den Triebwerkseinlass, wenn die Oberflächenwinde solche Luftstromverteilungen erzeugen, bei denen es schwierig ist, den Wirbel zu beseitigen oder seine Bildung zu verhindern. Unter diesen Umständen reicht die Grosse des Unterdrucks im Niederdruckbereich aus, um den Staupunkt , 39 des Wirbels nach rückwärts zu einer Stelle in dem Niederdruckbereich zu ziehen, in dem er sich hinter der Eintrittskante 42 der Gondel 38 befindet. Im Falle einer Berührung des Bodens durch den Wirbel 34 werden die meisten Teilchen nach oben ausgestossen und in demjenigen Teil des Luftstroms 44 aufgenommen, welcher bereits hinter der Eintrittskante 42 liegt und nach rückwärts strömt. Daher werden die meisten Teilchen vom Triebwerkseinlass weggeführt und das Eindringen von Teilchen wird verringert. Dieser Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist in Figur 6 dargestellt.

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Claims

Patentansprüche:

1.) Verfahren zur Beschränkung des Einsaugens von Boden- —' fremdkörpern in den Einlass eines Gasturbinentriebwerkes durch Unterdrückung des Wirbels, welcher dieses Ansaugen verursacht, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Einrichtung in Form mindestens einer Strömungsmitteldüse in Strömungsmittelverbindung mit einer Quelle für verdichtetes Strömungsmittel vorgesehen wird und mindestens einen Strömungsmittelstrahl an einem Punkt hinter der Eintrittskante einer Gondel einleitet, welche, mit dem Trie'twerkseinlass verbunden ist, und weiterhin der von dieser ersten Einrichtung abgegebene Strömungsmittelstrahl von der Eintrittskante nach rückwärts gerichtet ist zur Einstellung eines Niederdruckbereiches hinter der Eintrittskante und in ausreichender Nähe zu einem zweiten Wirbelbildungsbereich, so dass Luftströme aus diesem zweiten Bereich in den Niederdruckbereich gesaugt werden und von dem Triebwerkseinlass abgeleitet werden.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt der Anordnung einer ersten Einrichtung noch den Schritt der Anordnung der Strömungsmitteldüse in einem Abstand von nicht mehr als etwa D/4 zum Einlass des Gasturbinentriebwerkes umfasst, wobei D gleich dem Durchmesser des Einlasses ist.

3.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt der Anordnung der ersten Vorrichtung beinhaltet, dass die Strömungsmitteldüse

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in einem Abstand von nicht mehr als etwa D/2 zum Einlass angeordnet wird, wobei D gleich dem Durchmesser des Einlasses des Gasturbinentriebwerkes ist.

4.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von umkreisförmig beabstandeten
Strömungsmitteldüsen hinter der Eintrittskante angebracht werden und weiterhin gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt der Anordnung einer Vielzahl von axial beabstandeten Strömungsmitteldüsen hinter der Eintrittskante, welche sich in der Richtung nach rückwärts erstrecken, so dass in Kombination mit den umkreisförmig beabstandeten Strömungsmitteldüsen
eine zweidimensionale Anordnung von Düsen gebildet wird.

5.) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Düse in der Anordnung unter
einem Winkel mit der horizontalen Ebene angebracht ist, welcher unterschiedlich ist zu dem Winkel, unter dem mindestens eine weitere Düse in der Anordnung bezüglich dieser Ebene angeordnet ist.

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