DE3147334C1 - Einrichtung zur Steuerung der engsten Strömungsquerschnitte zwischen den Diffusorleitschaufeln eines Radialverdichters, insbesondere für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Einrichtung zur Steuerung der engsten Strömungsquerschnitte zwischen den Diffusorleitschaufeln eines Radialverdichters, insbesondere für Gasturbinentriebwerke

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung der engsten Strömungsquerschnitte zwischen den Diffusorleitschaufeln eines Radialverdichters, insbesondere für Gasturbinentriebwerke, wobei die Diffusorleitschaufeln die Schaufeldruck- und -saugseite untereinander verbindende Bypasskanäle aufweisen.
Bei bekannten verstellbaren Diffusoren für Radialverdichter kann durch Aufdrehen der betreffenden Diffusorleitschaufeln der jeweilige Strömungsquerschnitt bzw. Engquerschnitt zwischen den benachbarten Leitschaufeln erweitert werden, um somit eine größere Kennfeldbreite des Verdichters zu ermöglichen; zudem kann hiermit bei verschiedenen Betriebsbedingungen, also bei wechselnden Eintrittsgeschwindigkeiten eine gewisse Anpassung der betreffenden Leitschaufeln an die jeweiligen Strömungsrichtungen ermöglicht werden, wodurch Stoß- und Ablösungsverluste auch bei wechselnden Betriebsbedingungen vom Grundsatz her weitgehend vermeidbar sind.
Ein wesentlicher Nachteil dieser beweglichen Diffusorleitschaufeln ist der führungs- und bewegungsbedingte Spalt zwischen den Diffusorschaufeln und den angrenzenden Diffusorseitenwänden. Dieser Spalt bewirkt einen Leckascheverlust und mindert den Wirkungsgrad des Radialverdichters erheblich.
Ferner erfordert die Herstellung eines derartigen Verstelldiffusors einen nicht unerheblichen konstruktiven- und fertigungstechnischen Aufwand.
Aus der DE-OS 22 04 488 ist ein Diffusor für einen Radialverdichter bekannt, bei dem die einzelnen, fest angeordneten Radiaidiffusorleitschaufeln mit einzelnen die Schaufeldruckseite mit der betreffenden Schaufelsaugseite verbindenden Kanälen ausgestattet sind. Zum einen sollen im vorliegenden bekannten Fall örtliche Grenzschichtanhäufungen an der Schaufeldruckseite minimiert werden, indem die betreffende Luftgrenzschicht durch die Kanäle hindurch zur Schaufelsaugseite geführt und infolge der dortigen verhältnismäßig hohen Luftgeschwindigkeit beschleunigt wird. Zum anderen soll im vorliegenden bekannten Fall eine Verdichterkennfelderweiterung ermöglicht werden, indem eine veränderte Strömungsrichtung der den Diffusor anströmenden Luft berücksichtig wird, d. h. die betreffenden, in Nachbarschaft der Schaufeleintrittskanten angeordneten Kanäle sollen eine aerodynamische Anpassung des Schaufeleintrittprofils an die Änderung des Eintrittwinkels der anströmenden Luft ermöglichen. Die vorliegende bekannte Lösung ermöglicht jedoch lediglich eine geringfügige Verdichterkennfelderweiterung, die allenfalls im Rahmen eines ganz bestimmten, genau vorausberechneten, kritischen Betriebspunktes des Verdichters zum Tragen kommen kann. Es ist demnach im vorliegenden bekannten Fall keine etwa im Sinne der bekannten Diffusorleitschaufelverstellung gemäße, verhältnismäßig breite und variable Änderung des Verdichterkennfeldes mit Rücksicht auf instationäre Betriebsverhältnisse der betreffenden Strömungsmaschine möglich.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, im Rahmen der eingangs vorgetragenen Sachproblematik eine Einrichtung zur Steuerung der Engquerschnitte eines Radialverdichterleitkranzes für einen Radialdiffusor zu schaffen, mit der auf vergleichsweise einfache Weise der betreffende Querschnitt jedes Bypasses einer Diffusorleitschaufel stetig verändert, und damit auch die ι ο Kennfelderweiterung stetig erfolgen kann. Zumindest in den beiden Endstellungen »Bypass offen« und »Bypass geschlossen« soll aufgabengemäß dann weiter die Kontur des betreffenden Bypasskanals sowie der Diffusorschaufel selbst erhalten bleiben, so daß Störungen der Strömung nicht oder nur vernachlässigbar gering in Erscheinung treten können.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich hauptsächlich aus dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Patentansprüchen 2 bis 12 hervor.
Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise erläutert; es zeigt
F i g. 1 einen achsparallelen Schnitt einer Radialverdichterteilsektion nebst Diffusor,
F i g. 2 ein achsnormaler Teilschnitt des Verdichters nebst Diffusor nach der F i g. 1,
Fig.3 einen parallel zu den Abdeckwänden des Diffusors verlaufenden Schnitt einer Leitschaufel, in dem eine erste Endstellung der Einrichtung (»Bypass offen«), erläutert und die betreffende Leitschaufel gegenüber F i g. 2 vergrößert dargestellt ist,
F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie A-A der F i g. 5, worin bei der Leitschaufel aus F i g. 3 die Einrichtung in der zweiten Endstellung (»Bypass geschlossen«) erläutert ist,
F i g. 5 eine Ansicht der Leitschaufel nebst Steuereinrichtung in Blickrichtung χ der F i g. 4 sowie teilweise aufgeschnitten dargestellt und
F i g. 6 einen Schnitt nach der Linie B-B der F ϊ g. 4. In F i g. 1 ist schematisch eine Radialverdichterstufe dargestellt mit dem Laufrad 1 und den daran befestigten Radialverdichterlaufschaufeln 2. Dem Radialverdichterlaufradaustritt ist ein Radialdiffusor 3 nachgeschaltet mit den Radiaidiffusorleitschaufeln 4, wobei der Radialdiffusor 3 austrittsseitig in einen Rohrkrümmer 5 einmündet, der mit einer Luftsammelspirale 6 verbunden ist, über welche die komprimierte Luft einer in der so Zeichnung nicht dargestellten Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks zugeführt werden kann. Mit dem Radialverdichterlaufrad 1 wird also die von außen über die Welle zugeführte Antriebsenergie in potentielle und kinetische Energie des Strömungsmediums umgewandelt In dem mit den Leitschaufeln 4 versehenen Diffusor 3 wird dann die kinetische Energie durch Verzögerung noch teilweise in potentielle Energie (Druck) umgewandelt. Die genannte Verzögerung wird durch die Kontur der Diffusorleitschaufeln 4 bestimmt. Den minimalen Durchsatz begrenzen die Diffusorengflächen 7 (Fig. 2). Durch Öffnen der Bypasskanäle 8 läßt sich also die jeweilige Diffusorengfläche 7 und damit auch der Durchsatz erweitern.
Die Fig.3, 4, 5 und 6 veranschaulichen eine Einrichtung zur Steuerung der zuvor genannten Engquerschnitte 7. Es weist also jede Radialverdichterleitschaufel 4 die Schaufeldruckseite D mit der Schaufelsaugseite S verbindende Bypasskanäle 8 auf.
Mittels eines innerhalb einer Leitschaufel 4 wandparallel verfahrbaren Schiebers 9 ist der schräg dazu verlaufende Bypasskanal 8 somit hinsichtlich seines Durchströmquerschnitts veränderbar oder absperrbar. Als Folge einer kombinierten Hub-Schubbewegung des Schiebers 9 ist dessen am vorderen Ende keilförmig ausgebildete Sektion 10 unter gleichzeitig bündigem Verschluß der schaufelsaugseitigen Kanalöffnung 11 gänzlich in den Bypasskanal 8 einfahrbar, wie dies aus F i g. 4 entnehmbar ist. Ausschließlich im Rahmen der kombinierten Hub-Schubbewegung des Schiebers 9 wird um eine stationäre Querachse 12 ein Klappenbauteil 13 verdreht, mit dem die schaufeldruckseitige Kanalöffnung 14 vollständig bündig verschließbar (F i g. 4) oder freilegbar ist (F i g. 3). Wie weiter aus F i g. 3 erkennbar, sind in einer ersten Endstellung des Schiebers 9 (»Bypass offen«) die aneinandergrenzenden Wandabschnitte 15 bzw. 16 der das Keilende enthaltende Schiebersektion 10 bzw. des Klappenbauteils 13 Bestandteile einer kontinuierlich fluchtenden Bypasskanalwand.
Wie insbesondere aus F i g. 3 entnehmbar ist, besteht die am vorderen Ende keilförmige Sektion 10 des Schiebers 9 aus einem stets parallel zur gleichsinnig genannten Bypasskanalbewandung 17,18 verlaufenden inneren 19, sowie dem zuvor schon genannten äußeren Wandabschnitt 15.
Ferner weist diese keilförmige Sektion 10 eine entlang der Schaufelinnenwand 20 verfahrbare Gleitfläche 21 (Fig.4) auf, mit der die schaufelsaugseitige Kanalöffnung 11 bündig verschließbar ist.
Der Schieber ist an seinem stromabwärtigen, antriebsseitigen Ende entlang einer stationären Führung 22 verfahrbar. Diese Führung 22 besteht aus einer zunächst wandparallel verlaufenden ersten Führungssektion 23 (F i g. 4) für die gleichsinnig damit einhergehende wandparallel verlaufende Schieberbewegung. Ferner besteht die Führung 22 aus einer gegen die Schaufelsaugseite S geneigten zweiten Führungssektion 24, die für die kombinierte Hub-Schubbewegung des Schiebers ausgebildet und im Sinne des Bypasskanals 8 geneigt ist.
Die das vordere keilförmige Ende enthaltende Schiebersektion 10 ist dabei so dimensioniert, daß sie den der Schaufelsaugseite S benachbarten Bypasskanalabschnitt vollständig ausfüllt (Fig.4), wenn die saugseitige Kanalöffnung 11 mittels der betreffenden Gleitfläche 21 des keilförmigen Schieberendes bündig verschlossen ist, die übrige stets wandparallel verlaufende Schiebersektion 25 ist in dieser Endstellung nach F i g. 4 gänzlich gegen die eine Schaufelinnenwand 20 verfahren.
Wie insbesondere aus F i g. 4 deutlicher hervorgeht, weist die übrige Schiebersektion 25 ferner einen wandparallel verlaufenden Führungsschlitz 26 auf, in den ein zapfenartiges Glied 27' des Klappenbauteils 13 eingreift, um dieses bei der entsprechenden Schieberbewegung zum Öffnen oder Schließen der schaufeldruckseitigen Kanalöffnung 14 zu verdrehen, und zwar während der zuvor schon genannten Hub- und Schubbewegungsphase des Schiebers 9.
Die Ausbildung der Verstellkinematik sowie des Schiebers 9 und des Klappenbauteils 13 erfolgt also in der Weise, daß — ausgehend von einer ersten Schieberendstellung (»Bypass offen« — F i g. 3) — erst nach vollzogenem Absperrvorgang des Kanalquerschnitts infolge wandparalleler Bewegung des keilförmigen Schieberendes gegen die andere ortsfeste Kanalbewandung 17 die Verschließbewegung der druckseitigen Kanalöffnung 14 über das Klappenbauteil 13 eingeleitet wird. Im umgekehrten Fall, und zwar von einer vollständigen Verschlußstellung der saugseitigen Kanalöffnung 11 ausgehend, wird die schaufeldruckseitige Kanalöffnung 14 mittels des Klappenbauteils 13 gleichzeitig mit der zunehmenden Ausfahrbewegung der vorderen Schiebersektion 10 aus der betreffenden Kanalsektion zunehmend geöffnet. Beim Erreichen der
ίο wandparallelen Bewegungsphase des Schiebers 9, in der dessen keilförmiges Ende den Kanalquerschnitt noch verschlossen hält (gestrichelte Fläche 21, F i g. 3), ist die schaufeldruckseitige Öffnung 14 bzw. der betreffende Kanaldruckgang an dieser Stelle bereits vollständig von dem Klappenbauteil 13 freigelegt.
Mit vereinfachten Worten ausgedrückt, wird also bei Öffnung des Bypasskanals, gekoppelt mit der Hub- und Schubbewegung des Schiebers 9, das Klappenbauteil 13 geöffnet, bevor der Schieber 9 einen Bypasskanalquerschnitt freigibt. Somit kann das Strömungsmedium erst den Bypasskanal 8 durchströmen, wenn sich das Klappenbauteil 13 in geöffneter Stellung befindet. Beim Schließen wird zuerst der Bypasskanal 8 vom Schieber 9 verschlossen, bis kein Strömungsmedium mehr durch den Kanal strömt. Erst beim Absenken des Schiebers 9 schließt das Klappenbauteil 13.
Wie ferner insbesondere aus F i g. 4 und 5 entnommen werden kann, ist der Schieber 9 am antriebsseitigen Ende mittels eines Zapfens 27 entlang der Führung 22 verfahrbar.
Gemäß Fig.4 und 3 weist das Klappenbauteil 13 zwei zueinander geneigte Stützflächen 28, 29 auf, von denen die eine, 28, in der Stellung »Bypass offen« (F ig. 3) auf der Schaufelinnenwand 20 ruht, während die andere Stützfläche 29 in der Stellung »Bypass geschlossen« (F i g. 4) ...n auf der Schaufelinnenwand 20 ruht.
Wie ferner aus der F i g. 5 entnommen werden kann, ist der Zapfen 27 über ein Gestänge 30 mit einem Stellantrieb 31 gekoppelt, wobei es sich beim Stellantrieb z. B. um einen hydraulischen oder pneumatischen Verstellzylinder handeln kann.
Die Diffusorleitschaufeln 4 sind zwischen einer die betreffenden Strömungskanäle der Schaufeln radial abdeckenden vorderen Abdeckwand 32 und hinteren Abdeckwand 33 (F i g. 6) angeordnet, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach Fig.3 bis 6 davon ausgegangen wird, daß die betreffenden Diffusorleitschaufeln 4 zugleich Bestandteile dieser einen Abdeckwand 33 sind. Die stationäre Führung 22 (F i g. 4) bzw. F i g. 5 ist langlochartig ausgebildet und demnach in der einen mit den Diffusorleitschaufeln 4 aus einem Stück gefertigten Abdeckwand 33 angeordnet.
Wie insbesondere aus Fig.3 entnommen werden kann, soll der von der Schaufelsaugseite 5 gemäß Pfeil F nach der Schaufeldruckseite D durchströmte Bypasskanal 8 jeweils druck- und saugseitig unter einem spitzen Winkel an den betreffenden Schaufelseiten D, S geneigt einmünden, wobei vorzugsweise davon ausgegangen wird, daß die schaufelsaugseitige Kanalöffnung 11 unmittelbar hinter bzw. in der Nähe der Schaufeleintrittskante liegen soll.
Der wesentliche Vorteil des Erfindungsgegenstandes wird somit darin gesehen, daß durch eine einfache translatorische Bewegung über einen zentralen Stellantrieb ein Schieber in Kombination mit einer Klappe eine Variation der Bypass-Strömung zur Erzielung einer Kennfelderweiterung des Verdichters ermöglicht, wo-
bei in der Stellung »Bypass geschlossen« die ursprüngliche Diffusorschaufelkontur erhalten bleiben kann und gleichzeitig etwaige Leckageverluste auf ein Minimum reduziert werden können.
Es können somit auf verhältnismäßig einfache Weise die betreffenden Endquerschnitte 7 entsprechend der gewünschten Verdichterkennfelderweiterung vergrößert werden, und zwar im Rahmen der zuvor beschriebenen, rein wandparallelen Bewegungsphase des Schiebers 9. Neben dieser Engquerschnitts-Steuerung kann durch die beschriebene Luftführung über die Bypasskanäle 8 von der Saugseite nach der Schaufeldruckseite auch das Schaufelprofil so verändert werden, daß es sich einer veränderten Anströmrichtung des
Verdichters anpaßt. Zum andern können als Nebeneffekt mit dieser genannten Steuerung der Engquerschnitte etwaige die Strömung beeinträchtigende Grenzschichtanhäufung an der Schaufeldruckseite beseitigt werden, und zwar begünstigt dadurch, daß die Bypasskanäle an der Druckseite D unter einem solch spitzen Winkel ausmünden, daß die Ausblaseströmung nahezu tangential entlang der Schaufeldruckseite D verläuft.
ίο Die Erfindung ist im übrigen nicht nur bei Turbomaschinen, wie z. B. Gasturbinentriebwerken, Gasturbinenstrahltriebwerken, sondern auch bei Turboladern vorteilhaft einsetzbar.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
- Leerseite -

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Einrichtung zur Steuerung der engsten Strömungsquerschnitte zwischen dea Diffusorleitschaufeln eines Radialverdichters, insbesondere für Gasturbinentriebwerke, wobei die Diffusorleitschaufein die Schaufeldruck- und Saugseite untereinander verbindende Bypasskanäle aufweisen, gek e η η ζ e i c h η e t d u r c h folgende Merkmale:
10
a) mittels eines innerhalb jeder Diffusorleitschaufel (4) wandparallel verfahrbaren Schiebers (9) ist der schräg dazu verlaufende Bypasskanal (8) hinsichtlich seines Durchströmquerschnittes veränderbar oder absperrbar; ]
b) als Folge einer kombinierten Hub-Schubbewegung des Schiebers (9) ist dessen am vorderen Ende keilförmig ausgebildete Sektion (10) unter gleichzeitig bündigem Verschluß der schaufelsaugseitigen Kanalöffnung (11) gänzlich in den Bypasskanal (8) einfahrbar;
c) ausschließlich im Rahmen der kombinierten Hub-Schubbewegung des Schiebers (9) wird um eine stationäre Querachse (12) ein Klappenbauteil (13) verdreht, mit dem die schaufeldruckseitige Kanalöffnung (14) vollständig bündig verschließbar oder freilegbar ist;
d) in einer ersten Endstellung des Schiebers (9) — Bypass »offen« — sind aneinandergrenzende Wandabschnitte (15, 16) der das Keilende enthaltenden Schiebersektion (10) und des Klappenbauteils (13) Bestandteile einer kontinuierlich fluchtenden Bypasskanalwand.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am vorderen Ende keilförmige Section (10) des Schiebers (9) aus einem stets parallel zur gleichsinnig geneigten Bypasskanalbewandung (17, 18) verlaufenden inneren (19) und äußeren Wandabschnitt (15) sowie aus einer entlang einer Schaufelinnenwand (20) verfahrbaren Gleitfläche (21) besteht, mit der die schaufelsaugseitige Kanalöffnung (11) bündig verschließbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (9) am stromabwärtigen, antriebsseitigen Ende entlang einer stationären Führung (22) verfahrbar ist, die eine zunächst wandparallel verlaufende erste Führungssektion (23) für die gleichsinnig damit einhergehende, wandparallel verlaufende Schiebersteuerbewegung sowie ferner für die kombinierte Hub-Schub-Bewegung im Sinne des Bypasskanals (8) gegen die Schaufelsaugseite (S) geneigte zweite Führungssektion (24) aufweist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die das vordere keilförmige Ende enthaltende Schiebersektion (10) so dimensioniert ist, daß sie den der Schaufelsaugseite benachbarten Bypasskanalabschnitt vollständig ausfüllt, wenn die saugseitige Kanalöffnung (11) mittels der betreffenden Gleitfläche (21) des keilförmigen Schieberendes bündig verschlossen ist, wobei die übrige stets wandparallel verlaufende Schiebersektion (25) in dieser Endstellung gänzlich gegen die eine Schaufelinnenwand (20) verfahren ist.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen! bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die übrige Schiebersektion (25) einen wandparallel verlaufenden Führungsschlitz (26) aufweist, in den ein zapfenartiges Glied (27') des Klappenbauteils (13) zur Verdrehung desselben zwecks Öffnens oder Verschließens der schaufeldruckseitigen Kanalöffnung (14) während der Hub-Schub-Bewegungsphase des Schiebers (9) eingreift.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung der Verstellkinematik sowie des Schiebers (9) nebst Klappenbauteil (13), daß — ausgehend von einer ersten Schieberendstellung (Bypass »offen«) — erst nach vollzogenem Absperrvorgang des Kanalquerschnitts infolge wandparalleler Bewegung des keilförmigen Schieberendes gegen die andere ortsfeste Kanalbewandung (7) die Verschließbewegung der druckseitigen Kanalöffnung (14) über das Klappenbauteil (13) eingeleitet wird, während im umgekehrten Fall, und zwar von einer vollständigen Verschlußstellung der saugseitigen Kanalöffnung (11) ausgehend, die schaufeldruckseitige Kanalöffnung (14) mittels des Klappenbauteils (13) gleichzeitig mit der zunehmenden Ausfahrbewegung der vorderen Schiebersektion (10) aus der betreffenden Kanalsektion zunehmend geöffnet wird, wobei beim Erreichen der wandparallelen Bewegungsphase des Schiebers (9), in der dessen keilförmiges Ende den Kanalquerschnitt noch verschlossen hält, die schaufeldruckseitige Kanalöffnung (14) bzw. der betreffende Kanaldurchgang an dieser Stelle bereits vollständig mittels des Klappenbauteils (13) freigelegt ist.
7. Einrichtung nach d; 1 Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (9) am antriebsseitigen Ende mittels eines Zapfens (27) einer Rolle oder dergleichen entlang der Führung (22) verfahrbar ist.
8. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Klappenbauteil (13) zwei zueinander geneigte Stützflächen (28, 29) aufweist, von denen die eine (28) — Bypass »offen« — oder die andere (29) — Bypass »geschlossen« — auf der angrenzenden Schaufelinnenwand (20) ruhen.
9. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen (27) über ein Gestänge (30) mit dem Stellantrieb (30) mit dem Stellantrieb (31) gekoppelt ist.
10. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, wobei die Diffusorleitschaufeln zwischen einer die betreffenden Strömungskanäle zwischen den Schaufeln radial abdeckenden vorderen und einer hinteren Abdeckwand angeordnet und dabei zugleich Bestandteile einer dieser Abdeckwände sind, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Führung (22) langlochartig ausgebildet und in der einen, mit den Diffusorleitschaufeln (4) aus einem Stück gefertigten Abdeckwand (33) angeordnet ist, an der auch ein Drehzapfen (34) für das daran schwenkbar gelagerte Klappenbauteil (13) befestigt ist.
11. Einrichtung nach den Ansprüchen! bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypasskanal (8), der Schieber (9) nebst Klappenbauteil (13) sowie Teile des Verstellmechanismus enthaltende jeweilige Schaufelinnenraum ebenfalls zwischen der vorderen (32) und hinteren Diffusorabdeckwand (33) angeordnet sind bzw. von diesen Abdeckwänden umgrenzt werden.
12. Einrichtung nach den Ansprüchen! bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die von der Schaufelsaugseite nach der Schaufeldruckseite durchströmten Bypasskanäle (8) in an sich bekannter Weise jeweils druck- und saugseitig unter einem spitzen Winkel an den Schaufelseiten (D, S) einmündend geneigt sind, wobei die schaufelsaugseitige Kanalöffnung (11) in der Nähe der Schaufeleintrittskante liegt.
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