FR3068079A1 - Dispositif de joint hydraulique a amorcage ameliore - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de joint hydraulique (20) destiné à être interposé entre deux chambres d'air (41, 42) d'une turbomachine d'aéronef, le dispositif comprenant : - un disque d'étanchéité (22) destiné à être entrainé en rotation selon un axe central (3) du dispositif ; - un réceptacle hydraulique (24) de forme annulaire destiné à être entrainé en rotation selon l'axe central (3) de façon à obtenir une vitesse de rotation relative entre le disque (22) et le réceptacle (24), ce dernier présentant un fond (26) ainsi que deux flancs latéraux (28a, 28b) définissant un espace de rétention (30) de fluide d'étanchéité. Selon l'invention, la surface intérieure (32) du fond (26) présente des première et seconde zone annulaire (32a, 32b) adjacentes axialement, la seconde zone étant en retrait radialement vers l'extérieur et délimitant un sous-espace annulaire d'amorce d'étanchéité (36) dans lequel est agencée l'extrémité (44) du disque (22).
Description
DISPOSITIF DE JOINT HYDRAULIQUE A AMORÇAGE AMELIORE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs de joint hydraulique pour turbomachine d'aéronef. Ce type de dispositif est destiné à être interposé entre deux chambres d'air adjacentes, afin de créer une étanchéité entre cellesci.
Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de joint hydraulique, du type joint à huile implanté dans un encombrement restreint, soumis à fortes températures, et dont les parties rotatives sont respectivement solidaires de deux arbres tournant à grandes vitesses.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Les dispositifs de joint hydraulique sont connus dans le domaine des turbomachines d'aéronef, par exemple pour les avions ou les hélicoptères. Habituellement, un tel dispositif comporte un disque d'étanchéité ainsi qu'un réceptacle hydraulique de forme annulaire. Ces deux éléments sont mis en rotation l'un par rapport à l'autre, par exemple du fait de la vitesse de rotation relative observée entre les deux arbres de turbomachine auxquels ces deux éléments sont solidarisés.
En fonctionnement, l'extrémité radialement externe du disque baigne dans le fluide d'étanchéité, qui est retenu dans le réceptacle hydraulique par effet centrifuge. Cette coopération forme une barrière d'étanchéité de part et d'autre du disque, et permet de maintenir le différentiel de pression entre les deux chambres d'air séparées par le dispositif.
L'un des points critiques de la mise en œuvre de ce type de dispositif réside dans l'amorce d'étanchéité, au démarrage de la turbomachine. En effet, durant cette phase, le dispositif n'est pas encore suffisamment alimenté en fluide d'étanchéité pour remplir le réceptacle, également dénommé baignoire. La quantité de fluide disponible à ce stade correspond donc au volume piégé par gravité dans le bas du réceptacle, suite à l'arrêt précédant de la turbomachine. Cette quantité doit être suffisante pour que le disque, lors de ses premiers tours, entraîne le fluide par effet centrifuge jusqu'à mouiller l'ensemble de la périphérie du disque, et former ainsi un cordon annulaire d'amorce d'étanchéité s'étendant sur 360° entre le réceptacle et l'extrémité radialement externe du disque.
Dans le cas où ce volume piégé de fluide d'étanchéité s'avère insuffisant pour créer rapidement le cordon annulaire d'amorce d'étanchéité, il existe un risque que le dispositif ne soit ensuite plus en mesure d'établir l'étanchéité souhaitée, malgré l'apport ultérieur de fluide d'étanchéité. Effectivement, le différentiel de pression d'air entre les deux chambres étant croissant dès la mise en marche du moteur, l'air traversant le dispositif est ainsi susceptible de souffler le fluide d'étanchéité injecté, et ce d'autant plus lorsque la pression de ce souffle d'air augmente. Une telle situation empêche l'équilibre de pressions entre les deux chambres d'air, pourtant crucial pour le bon fonctionnement de la turbomachine.
Pour faire face à ce risque, il existe plusieurs solutions visant à augmenter la quantité de fluide d'étanchéité piégée dans le réceptacle hydraulique. Cependant, ces solutions présentent habituellement des conceptions complexes, coûteuses à fabriquer et à mettre en oeuvre.
Par conséquent, il existe un besoin d'aboutir à une conception facilitant la fabrication dans un tel dispositif de joint hydraulique, sans nécessiter d'indexage de géométries, et permettant une amorce rapide d'étanchéité lors du démarrage de la turbomachine.
EXPOSE DE L'INVENTION
Pour répondre au moins partiellement à ce besoin, l'invention a tout d'abord pour objet un dispositif de joint hydraulique destiné à être interposé entre deux chambres d'air d'une turbomachine d'aéronef, le dispositif comprenant :
- un disque d'étanchéité destiné à être entraîné en rotation selon un axe central du dispositif, le disque d'étanchéité comprenant une extrémité radialement externe ;
- un réceptacle hydraulique de forme annulaire destiné à être entraîné en rotation selon l'axe central du dispositif, de façon à obtenir une vitesse de rotation relative entre le disque d'étanchéité et le réceptacle hydraulique, ce dernier présentant un fond ainsi que deux flancs latéraux s'étendant radialement vers l'intérieur à partir du fond pour définir avec lui un espace de rétention de fluide d'étanchéité.
Selon l'invention, la surface intérieure du fond du réceptacle présente une première zone annulaire et une seconde zone annulaire adjacentes axialement, ladite seconde zone étant en retrait radialement vers l'extérieur par rapport à la première zone et délimitant un sous-espace annulaire d'amorce d'étanchéité dans lequel est agencée l'extrémité radialement externe du disque d'étanchéité.
L'invention prévoit ainsi une conception simple et astucieuse qui permet d'augmenter sensiblement la quantité de fluide d'étanchéité retenue par gravité dans le réceptacle hydraulique à l'arrêt de la turbomachine, tout en ne nécessitant qu'un volume faible de ce fluide pour former le cordon annulaire d'amorce d'étanchéité sur 360° entre le réceptacle et l'extrémité radialement externe du disque. En effet, ce cordon de fluide d'étanchéité ne s'établit pas sur toute la largeur axiale du réceptacle, mais seulement au niveau de la seconde zone annulaire de la surface intérieure du fond du réceptacle. En d'autres termes, l'invention est particulièrement astucieuse en ce que son extension dans la direction axiale permet au réceptacle de retenir une quantité plus importante de fluide d'étanchéité, mais sans que cette extension n'ait d'influence sur la quantité de fluide nécessaire à l'établissement du cordon annulaire d'amorce d'étanchéité.
L'invention permet par conséquent d'obtenir une amorce rapide d'étanchéité, en présentant une conception simple, de faible masse, peu encombrante, et dont la quantité de fluide retenu reste indépendante de la position angulaire des composants du dispositif à l'arrêt. Enfin, la solution procurée par l'invention est également avantageuse en ce qu'elle ne nécessite pas d'augmenter la longueur radiale de mouillage du disque dans le fluide d'étanchéité, source de réchauffement non-désiré de ce fluide.
L'invention prévoit de préférence au moins l'une quelconque des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison.
Les deux flancs latéraux sont formés par un premier flanc latéral et un second flan latéral agencés respectivement aux extrémités axiales du fond du réceptacle, le premier flanc latéral s'étendant radialement vers l'intérieur à partir de la première zone de la surface intérieure du fond, et le second flanc latéral s'étendant radialement vers l'intérieur à partir de la seconde zone de la surface intérieure du fond.
Le premier flanc se situe radialement plus prêt de l'axe central que le second flanc.
Le dispositif comprend un moyen permettant d'alimenter en fluide ledit espace de rétention de fluide d'étanchéité, ledit moyen étant agencé pour injecter le fluide d'étanchéité entre le premier flanc et le disque d'étanchéité.
La première zone annulaire du fond du réceptacle présente, en demisection axiale, une forme droite parallèle à l'axe central du dispositif, ou inclinée par rapport à ce dernier de façon à s'éloigner radialement de cet axe central en allant axialement vers la seconde zone annulaire.
La première zone annulaire du fond du réceptacle s'étend axialement selon une première distance axiale Dal, la seconde zone annulaire du fond du réceptacle s'étend axialement selon une seconde distance axiale Da2, et le rapport entre la distance Dal et le diamètre du sous-espace annulaire d'amorce d'étanchéité est préférentiellement inférieur à 0,5. Cela traduit une conception compacte dans la direction axiale.
La seconde zone annulaire du fond du réceptacle présente, en demisection axiale, une forme générale de U dont la base est orientée radialement vers l'extérieur, et la distance radiale Dr entre l'extrémité radialement externe du disque d'étanchéité et la base du U est comprise 0,3 et 0,6 cm. Cette géométrie est particulièrement compatible avec les évolutions des déplacements radiaux du disque d'étanchéité dans le sous-espace annulaire d'amorce d'étanchéité.
De préférence, le fluide d'étanchéité est de l'huile.
L'invention a également pour objet une turbomachine d'aéronef comprenant au moins un tel dispositif de joint hydraulique, la turbomachine étant par exemple destinée à équiper un avion ou un hélicoptère.
De préférence, la turbomachine comprend deux arbres coaxiaux, le disque d'étanchéité et le réceptacle hydraulique étant respectivement solidaires des deux arbres coaxiaux.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;
- la figure 1 représente une vue schématique de côté d'un turboréacteur selon l'invention ;
- la figure 2 représente une vue en perspective d'une partie d'un dispositif de joint hydraulique selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention, équipant la turbomachine montrée sur la figure précédente ;
- la figure 3 est une vue schématique axiale du dispositif montré sur la figure précédente, lorsque le turboréacteur est à l'arrêt ;
- la figure 4 est une vue en coupe prise le long de la ligne IV-IV de la figure 3 ;
- la figure 5 est une vue schématique axiale du dispositif montré sur la figure 2, lors d'une phase de démarrage du turboréacteur ;
- la figure 6 est une vue en coupe prise le long de la ligne VI-VI de la figure 5 ;
- la figure 7 est une vue analogue à celles des figures 3 et 5, en régime normal de fonctionnement du turboréacteur ; et
- la figure 8 représente une vue en perspective d'une partie d'un dispositif de joint hydraulique selon un second mode de réalisation préféré de l'invention.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PREFERES
En référence tout d'abord à la figure 1, il est représenté une turbomachine 100 d'aéronef selon l'invention. II s'agit ici d'un turboréacteur à double flux et à double corps, pour aéronef. Néanmoins, il pourrait s'agir d'une turbomachine d'un autre type, par exemple un turbopropulseur pour aéronef, ou encore de tout autre type de turbomachine pour hélicoptère, sans sortir du cadre de l'invention.
La turbomachine 100 présente un axe longitudinal 3 autour duquel s'étendent ses différents composants. Elle comprend, d'amont en aval selon une direction principale 5 d'écoulement des gaz à travers cette turbomachine, une soufflante 2, un compresseur basse pression 4, un compresseur haute pression 6, une chambre de combustion 8, une turbine haute pression 10 et une turbine basse pression 12. Ces éléments délimitent une veine primaire 14 traversée par un flux primaire 14', tandis qu'une veine secondaire 16 entoure la veine primaire en étant délimitée partiellement par un carter de soufflante 18 et traversée par un flux d'air secondaire 16'.
Dans la description qui va suivre, les termes « avant » et « arrière » sont considérés selon une direction 15 opposée à la direction principale 5 d'écoulement des gaz au sein du turboréacteur, et parallèle à l'axe 3. En revanche, les termes « amont » et « aval » sont considérés selon cette même direction principale d'écoulement 5.
Le compresseur basse pression 4 et la turbine basse pression 12 forment un corps basse pression, et sont reliés l'un à l'autre par un arbre basse pression 11 centré sur l'axe 3. De même, le compresseur haute pression 6 et la turbine haute pression 10 forment un corps haute pression, et sont reliés l'un à l'autre par un arbre haute pression 13 centré sur l'axe 3 et agencé autour de l'arbre basse pression 11.
Le turboréacteur 100 qui a été décrit ci-dessus comporte au moins un dispositif de joint hydraulique 20 propre à la présente invention. Ce dispositif 20, également dénommé joint hydraulique ou joint à huile 20, va tout d'abord être décrit en référence à la figure 2. II est ici implanté sur deux arbres coaxiaux 1Γ, 13', qui correspondent aux arbres basse pression 11 et haute de pression 13, ou bien à des extensions de ces derniers.
Le joint à huile 20 est centré sur un axe central 3, correspondant à l'axe longitudinal du turboréacteur. Le joint comporte essentiellement deux parties, la première correspondant à un disque d'étanchéité 22 solidaire de l'arbre 11' qui l'entraîne en rotation selon l'axe central 3. La seconde partie correspond à un réceptacle hydraulique 24 solidaire de l'arbre 13' qui l'entraîne en rotation également selon l'axe central 3. À cet égard, il est noté qu'en fonctionnement, il est observé une vitesse de rotation relative entre le disque 22 et le réceptacle 24. Cette vitesse de rotation relative peut résulter d'un entraînement contrarotatif des deux arbres coaxiaux 13', 1Γ, ou bien simplement de vitesses de rotation de valeurs différentes et orientées dans le même sens de rotation.
Le réceptacle 24 présente une forme générale annulaire, de révolution selon l'axe central 3. En demi-section axiale telle que visible sur la figure 2, le réceptacle hydraulique 24 adopte une forme générale de U. Pour ce faire, le réceptacle 24 comporte un fond 26 ainsi que deux flancs latéraux 28a, 28b s'étendant radialement vers l'intérieur à partir du fond.
Le premier flanc 28a, le second flanc 28b ainsi que le fond 26 délimitent ensemble un espace de rétention de fluide étanchéité. Cet espace 30 est en effet destiné à retenir du fluide étanchéité, qui est préférentiellement de l'huile.
Le fond 26 présente une surface intérieure 32 qui est formée par deux zones adjacentes axialement. Il s'agit d'une première zone annulaire 32a, qui se poursuit vers l'aval par une seconde zone annulaire 32b. L'une des particularités de la présente invention réside dans le fait que la seconde zone annulaire 32b est agencée en retrait radialement vers l'extérieur par rapport à la première zone 32a. Ainsi, la seconde zone annulaire 32b délimite un sous-espace annulaire d'amorce d'étanchéité 36, espace dans lequel se trouve agencée l'extrémité radialement externe 44 du disque d'étanchéité 22.
Le volume annulaire de ce sous-espace 36 reste négligeable par rapport au volume total annulaire de l'espace de rétention de fluide d'étanchéité 30, un rapport entre ces volumes pouvant être de l'ordre de 0,02 à 0,1.
Le premier flanc latéral 28a s'étend radialement vers l'intérieur à partir d'une extrémité axiale amont de la première zone 32a, tandis que le second flanc latéral
28b s'étend radialement vers l'intérieur à partir d'une extrémité axiale aval de la seconde zone 32b.
Le premier flanc latéral 28a s'étend davantage que le second flanc 28b dans la direction radiale vers l'intérieur. En d'autres termes, cela implique que le premier flanc 28a se situe plus prêt de l'axe central 3 que le second flanc 28b. Cela s'explique par le fait que le joint 20 sépare une première chambre d'air amont 41 d'une seconde chambre d'air aval 42, avec des pressions d'air différentes régnant dans les deux chambres. La pression dans la chambre d'air amont 41 est ici en effet inférieure à la pression dans la chambre d'air aval 42. Par conséquent, en fonctionnement, l'huile présente du côté du second flanc 28b est soumise à une pression supérieure à celle à laquelle l'huile est soumise du côté du premier flanc 28a. Le niveau d'huile au niveau de ce dernier côté est ainsi plus proche de l'axe central 3 que le niveau d'huile situé du côté du second flanc 28b, comme cela est visible sur la figure 7.
Toujours en référence à la figure 2, en demi-section axiale, la première zone annulaire 32a de la surface intérieure 32 du fond 26 présente une forme droite, parallèle à l'axe central 3. À l'extrémité aval de cette première zone 32a, la seconde zone annulaire 32b présente en demi-section axiale une forme générale de U, de préférence sensiblement aplatie. La base du U est orientée radialement vers l'extérieur, et son creux orienté radialement vers l'intérieur.
La distance radiale Dr entre l'extrémité radialement externe 44 du disque d'étanchéité 22, et la base du U défini par la seconde zone annulaire 32b, est préférentiellement comprise entre 0,3 et 0,6 cm. De plus, le rapport entre la distance radiale Dr et la longueur radiale Lr du second flanc 28b est préférentiellement prévu entre 0,1 et 0,3.
Par ailleurs, la première zone annulaire 32a s'étend axialement selon une première distance axiale Dal, et la seconde zone annulaire 32b s'étend axialement selon une seconde distance axiale inférieure Da2. Pour l'obtention d'une compacité axiale satisfaisante, il est préférentiellement fait en sorte que le rapport entre la distance Dal et le diamètre du sous-espace annulaire 36 soit inférieur à 0,5. Par diamètre du sous-espace
36, il est entendu le diamètre le plus élevé de ce sous-espace, correspondant au diamètre de fond de ce dernier.
Les figures 3 à 6 illustrent le fonctionnement du joint à huile 20.
Comme cela est visible sur les figures 3 et 4, lorsque le turboréacteur se trouve à l'arrêt, le réceptacle hydraulique 24 piège dans son espace 30 une quantité d'huile 50 retenue par gravité entre les deux flancs 28a, 28b. Cette quantité d'huile 50 correspond en effet à de l'huile qui est tombée par gravité dans le bas du réceptacle 24, durant la phase précédente d'arrêt du turboréacteur. Grâce à l'extension axiale du réceptacle 24 et de son espace de rétention 30, la quantité d'huile 50 piégée dans cet espace 30 est conséquente.
Ensuite, lors d'une phase de démarrage du turboréacteur, les premiers tours des arbres 11', 13' provoquent l'entraînement de la quantité d'huile 50 le long de la périphérie du disque 22, par effet centrifuge. II se produit alors rapidement un cordon d'huile 52 au niveau de la seconde zone annulaire 32b, grâce à l'huile provenant de la partie de l'espace 30 située au droit de la première zone annulaire 32a. Ce cordon 52, visible sur les figures 5 et 6, s'étend ainsi rapidement sur 360° à la périphérie du disque 22, pour former une amorce d'étanchéité interdisant à l'air de transiter par le joint.
L'auto-amorçage de l'étanchéité s'effectue ainsi aisément, c'est-à-dire rapidement car sans besoin d'indexages angulaires géométriques, à l'aide d'un principe simple et astucieux.
Rapidement après le démarrage, de l'huile est injectée dans l'espace 30 par un moyen dédié 48, schématisé sur la figure 7. Dans ce premier mode de réalisation préféré, le moyen 48 est agencé de sorte à injecter de l'huile entre le premier flanc 28a et le disque 22. Alternativement, cette injection pourrait être effectuée de l'autre côté du joint. Lors du fonctionnement en régime normal, la différence de pression d'air observée entre les deux chambres 41, 42 implique que les deux niveaux d'huile 54a, 54b, respectivement du côté de premier flanc 28a et du côté du second flanc 28b, sont différents. L'huile présente dans l'espace 30 continue d'être entraînée par effet centrifuge. Une partie de celle-ci est continuellement éjectée de l'espace 30, mais remplacée par une alimentation continue à l'aide du moyen 48, du type gicleur.
Enfin, le second mode de réalisation préféré montré sur la figure 8 montre que la première zone annulaire 32a pourrait prendre la forme d'une droite inclinée par rapport à l'axe central 3, de façon à s'éloigner radialement de cet axe en allant axialement vers la seconde zone 32b. Cela permet de faciliter l'écoulement de l'huile vers la seconde zone annulaire 32b, durant la phase de démarrage du turboréacteur au cours de laquelle il est recherché à réaliser l'auto-amorçage du joint au sein de cette seconde zone.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs. En particulier, les caractéristiques techniques spécifiques à chacun des modes de réalisation décrits ci-dessus sont combinables entre elles, sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de joint hydraulique (20) destiné à être interposé entre deux chambres d'air (41, 42) d'une turbomachine d'aéronef, le dispositif comprenant :- un disque d'étanchéité (22) destiné à être entraîné en rotation selon un axe central (3) du dispositif, le disque d'étanchéité comprenant une extrémité radialement externe (44) ;- un réceptacle hydraulique (24) de forme annulaire destiné à être entraîné en rotation selon l'axe central (3) du dispositif, de façon à obtenir une vitesse de rotation relative entre le disque d'étanchéité (22) et le réceptacle hydraulique (24), ce dernier présentant un fond (26) ainsi que deux flancs latéraux (28a, 28b) s'étendant radialement vers l'intérieur à partir du fond pour définir avec lui un espace de rétention (30) de fluide d'étanchéité, caractérisé en ce que la surface intérieure (32) du fond (26) du réceptacle présente une première zone annulaire (32a) et une seconde zone annulaire (32b) adjacentes axialement, ladite seconde zone (32b) étant en retrait radialement vers l'extérieur par rapport à la première zone (32a) et délimitant un sous-espace annulaire d'amorce d'étanchéité (36) dans lequel est agencée l'extrémité radialement externe (44) du disque d'étanchéité (22).
- 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux flancs latéraux sont formés par un premier flanc latéral (28a) et un second flan latéral (28b) agencés respectivement aux extrémités axiales du fond (26) du réceptacle (24), le premier flanc latéral (28a) s'étendant radialement vers l'intérieur à partir de la première zone (32a) de la surface intérieure du fond, et le second flanc latéral (28b) s'étendant radialement vers l'intérieur à partir de la seconde zone (32b) de la surface intérieure (32) du fond (26).
- 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier flanc (28a) se situe radialement plus prêt de l'axe central (3) que le second flanc (28b).
- 4. Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (48) permettant d'alimenter en fluide ledit espace de rétention (30) de fluide d'étanchéité, ledit moyen (48) étant agencé pour injecter le fluide d'étanchéité entre le premier flanc (28a) et le disque d'étanchéité (22).
- 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première zone annulaire (32a) du fond du réceptacle présente, en demi-section axiale, une forme droite parallèle à l'axe central (3) du dispositif, ou inclinée par rapport à ce dernier de façon à s'éloigner radialement de cet axe central (3) en allant axialement vers la seconde zone annulaire (32b).
- 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première zone annulaire (32a) du fond du réceptacle s'étend axialement selon une première distance axiale Dal, en ce que la seconde zone annulaire (32b) du fond du réceptacle s'étend axialement selon une seconde distance axiale Da2, et en ce que le rapport entre la distance Dal et le diamètre du sous-espace annulaire d'amorce d'étanchéité (36) est préférentiellement inférieur à 0,5.
- 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde zone annulaire (32b) du fond du réceptacle présente, en demi-section axiale, une forme générale de U dont la base est orientée radialement vers l'extérieur, et en ce que la distance radiale Dr entre l'extrémité radialement externe (44) du disque d'étanchéité (22) et la base du U est comprise entre 0,3 et 0,6 cm.
- 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide d'étanchéité est de l'huile.
- 9. Turbomachine (100) d'aéronef comprenant au moins un dispositif de joint hydraulique (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
- 10. Turbomachine selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comprend deux arbres coaxiaux (11, 11', 13, 13'), et en ce que le disque d'étanchéité (22) et le réceptacle hydraulique (22) sont respectivement solidaires des5 deux arbres coaxiaux.
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