JP2008020180A - タービンエンジンにおけるＮＯｘエミッションを低減するのを可能にするための装置及びガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジンにおけるＮＯｘエミッションを低減するのを可能にするための方法及び装置を提供する。
【解決手段】燃焼器ライナは、その上流端部に配置された第１のパネルと第１のパネルの下流にかつ該第１のパネルに隣接して配置された第２のパネルとを備えた複数の円周方向に延びるパネルを含む環状シェルと、第１のパネル（８２）内に形成された複数の一次希釈孔（９８）と、第２のパネル（８６）内に形成された複数の二次希釈孔（１００）とを含み、希釈孔は、シェル内に希釈空気を吐出するように構成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはガスタービンに関し、より具体的には、タービンエンジンからのＮＯｘエミッションを低減するのを可能にする方法及び装置に関する。

ガスタービンエンジンで使用する少なくとも幾つかの公知の燃焼器は、燃焼過程の副産物としてＮＯｘエミッションを発生する。一般的に、ＮＯｘエミッションの発生原因は、２つの要因からなる可能性がある。その第１は、燃焼器内で発生するより高い燃焼温度が、ＮＯｘエミッションの生成及び放出を促進することである。その第２は、燃料及び空気が燃焼器内で混合するのに必要な長い滞留時間又は混合時間もまた、ＮＯｘエミッションの増加を促進することである。

燃焼器温度の低下及び滞留時間の短縮を可能にするために、少なくとも幾つかの公知の燃焼器は、燃焼器ライナ内に形成された希釈孔を含む。具体的には、希釈孔は、燃焼室内に希釈空気を吐出するように配置されて、燃焼室内での燃料及び空気の混合率を向上させるのを可能にする。さらに、希釈空気により、所望の燃焼レベルを維持しながら燃焼温度を低下させることが可能になる。

一般的に、燃焼器ライナ内での希釈孔の配置及び／又は配向の故に、航空環境保護（ＣＡＥＰ）に基づいて国際民間航空機構（ＩＣＡＯ）委員会が規定した最新のエミッション基準に適合する少なくとも幾つかの公知の燃焼器は、より厳しい基準を満たすことができない。例えば、最新のＣＡＥＰ基準（２００３年１２月３１日から有効である）を満たすことができる少なくとも幾つかの公知のエンジンは、２００７年１２月３１日以降に有効になる将来のＣＡＥＰ基準に適合することができない。具体的には、少なくとも幾つかの公知のエンジンは、燃焼器の下流端部のみに配置した希釈孔を含む。しかしながら、そのような燃焼器では、希釈空気は、ＮＯｘエミッションを発生する可能性がある燃焼室の前方端部での滞留時間の短縮及び燃焼温度の低下を可能にしない。
米国特許第４，３８９，８４８号公報 米国特許第４，９４４，１４９号公報 米国特許第６，１９２，６８９Ｂ１号公報 米国特許第６，２６０，３５９Ｂ１号公報 米国特許第６，５１３，３３１Ｂ１号公報 米国特許第６，５４３，２３３Ｂ２号公報 米国特許第６，５５３，７６７Ｂ２号公報 米国特許第６，６０６，８６１Ｂ２号公報 米国特許第６，６８４，６４２Ｂ２号公報 米国特許第６，８１０，６７３Ｂ２号公報 米国特許出願公開第２００２／０１０４３１６Ａ１号公報

１つの態様では、燃焼器ライナを提供する。本燃焼器ライナは、複数の円周方向に延びるパネルを備えた環状シェルを含む。複数の円周方向に延びるパネルは、シェルの上流端部に配置された第１のパネルと、第１のパネルの下流にかつ該第１のパネルに隣接して配置された第２のパネルとを含む。本燃焼器ライナはまた、第１のパネル内に形成された複数の一次希釈孔と、第２のパネル内に形成された複数の二次希釈孔とを含む。希釈孔は、シェル内に希釈空気を吐出するように構成される。

別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、圧縮機と、燃焼器ライナを備えた燃焼器とを含み、燃焼器ライナは、複数の円周方向に延びるパネルを備えた環状シェルを含む。複数の円周方向に延びるパネルは、シェルの上流端部に配置された第１のパネルと、第１のパネルの下流にかつ該第１のパネルに隣接して配置された第２のパネルとを含む。本燃焼器ライナはまた、第１のパネル内に形成された複数の一次希釈孔と、第２のパネル内に形成された複数の二次希釈孔とを含む。希釈孔は、圧縮機から燃焼器内に希釈空気を吐出するように構成される。希釈孔はさらに、ガスタービンエンジンにおけるＮＯｘエミッションを低減するのを可能にするように構成される。

またここでは、ガスタービンエンジン用の燃焼器ライナを製作する方法を開示する。この方法は、複数の円周方向に延びるパネルを備えた環状シェルを準備する段階を含む。複数の円周方向に延びるパネルは、シェルの上流端部に配置された第１のパネルと、第１のパネルの下流にかつ該第１のパネルに隣接して配置された第２のパネルとを含む。本方法はまた、第１のパネル内に複数の一次希釈孔を形成する段階と、第２のパネル内に複数の二次希釈孔を形成する段階とを含む。希釈孔は、シェル内に希釈空気を吐出するように構成される。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器組立体１６を含む。エンジン１０はまた、直列軸流関係で配置された高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。圧縮機１２とタービン２０とは、第１のシャフトによって結合され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のシャフト２２によって結合される。この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能であるＣＦＭ５６型ガスタービンエンジン又はＣＦ３４−１０型である。

図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）で使用することができる例示的な燃焼器１６の概略断面図である。燃焼器１６は、外側燃焼器ケーシング５６と内側燃焼器ケーシング５８との間に設置された外側ライナ５２及び内側ライナ５４を含む。外側及び内側ライナ５２及び５４は、互いに半径方向に間隔を置いて配置されてそれらの間に燃焼室６０が形成されるようになる。外側ライナ５２及び外側ケーシング５６は、それらの間に外側通路６２を形成し、また内側ライナ５４及び内側ケーシング５８は、それらの間に内側通路６４を形成する。カウル組立体６６は、それぞれ外側及び内側ライナ５２及び５４の上流端部に結合される。カウル組立体６６内に形成された開口に至る環状開口６８により、全体として矢印Ａによって示す方向に加圧空気が燃焼器１６に流入するのを可能にする。加圧空気は、環状開口６８を通って流れて燃焼を支援しかつライナ５２及び５４を冷却するのを可能にする。

環状のドームプレート７０が、その上流端部近くで外側及び内側ライナ５２及び５４間で延びかつ該外側及び内側ライナ５２及び５４に対して結合される。複数の円周方向に間隔を置いて配置されたスワーラ組立体７２が、ドームプレート７０に対して結合される。各スワーラ組立体７２は、開口６８から加圧空気を受けかつ対応する燃料管７４から燃料を受ける。燃料及び空気は、スワーラ組立体７２によって共に旋回を与えられかつ混合されて、その結果得られた燃料／空気混合気は、燃焼室６０内に吐出される。燃焼器１６は、該燃焼器１６の前方端部７６から後方端部７８まで延びる長手方向軸線７５を含む。この例示的な実施形態では、燃焼器１６は、単式アニュラ型燃焼器である。それに代えて、燃焼器１６は、それに限定されないが、複式アニュラ型燃焼器を含むあらゆる他の燃焼器とすることができる。

外側及び内側ライナ５２及び５４は各々、複数のオーバラップパネル８０を含む。この例示的な実施形態では、外側ライナ５２は、五つのパネル８０を含み、また内側ライナ５４は、４つのパネル８０を含む。別の実施形態では、外側及び内側ライナ５２及び５４の両方は各々、あらゆる数のパネル８０を含むことができる。パネル８０は、燃焼器１６内部に燃焼室６０を形成する。具体的には、この例示的な実施形態では、上流に配置された一対の第１のパネル８２は、一次燃焼ゾーン８４を形成し、第１のパネル８２の下流に配置された一対の第２のパネル８６は、中間燃焼ゾーン８８を形成し、また第２のパネル８６の下流に配置された一対の第３のパネル９０及び該第３のパネル９０の下流に配置された一対の第４のパネル９２は、下流希釈燃焼ゾーン９４を形成する。

希釈空気は最初に、外側及び内側ライナ５２及び５４の各々を貫通する複数の円周方向に間隔を置いて配置された希釈孔９６を通して燃焼室６０内に導入される。この例示的な実施形態では、希釈孔９６は各々、ほぼ円形である。別の実施形態では、希釈孔９６は、本明細書に記載するように、ＮＯｘエミッションを低減するのを可能にするあらゆる形状を有する。この例示的な実施形態では、希釈孔９６は、ライナ５２及び５４の周辺部の周りに形成された円周方向に延びる列の形態で配置される。希釈孔９６の最前方バンド９８は、一次希釈孔と呼ばれる。この例示的な実施形態では、第１のパネル８２内に形成された一次希釈孔９８は、一次燃焼ゾーン８４内に希釈空気を吐出するように配向される。また、この例示的な実施形態では、第２のパネル８６の下流端部１０１内に形成された第１の列の二次希釈孔１００は、中間燃焼ゾーン８８内に希釈空気を吐出するように配向される。

組立済みの燃焼器では、各一次希釈孔９６は、各燃料噴射器７４及びスワーラ７２の中心によって定まる各円周方向に間隔を置いて配置された噴射ポイントと実質的に整列している。運転時に、噴射ポイントを過ぎた燃焼ガスの流れは、局所的に高い材料温度の「高温ストリーク」を形成する可能性がある。そのようなストリークは、スワーラ７２によって生じる燃焼器内での流れの旋回のために、厳密には長さ方向に延びるのではなく、むしろストリークは、燃焼器１６の長さに沿って見た時に全体的に円周方向に湾曲する。希釈孔９６の配向は、具体的には少なくとも１つの一次希釈孔９８が各噴射ポイントと実質的に整列しているので、高温ストリークを減少させる、より具体的には燃焼器１６内のＮＯｘエミッションを低減するのを可能にする。さらに、一次希釈孔９８に対する二次希釈孔１００の配置もまた、ＮＯｘエミッションを低減するのを可能にする。具体的には、一次希釈孔９８及び二次希釈孔１００は、燃料及び空気を急速に混合して、燃焼の滞留時間を短縮し、従って燃焼器１６全体にわたっての燃焼温度を低下させるようにするのを可能にする。従って、ＮＯｘエミッション及びスモークを低減しかつ燃焼器出口温度を低下させることもまた、可能になる。具体的には、一次希釈孔９８及び二次希釈孔１００は、ＮＯｘエミッションを２０〜２５％ほども低減することができる。さらに、一次希釈孔９８並びに二次希釈孔１００及び１０２は、燃焼の増大に応じて実質的に線形の温度変化で燃焼器を作動させるのを可能にして、ＮＯｘエミッションがさらに低減しかつタービンエンジンの寿命が増大することが可能になるようにする。

図３は、燃焼器１６で使用することができる例示的な燃焼器ライナを示す。具体的には、図３では、外側ライナ５２内に形成された希釈孔９６をより詳細に示す。図３は、外側ライナ５２の希釈孔９６を示しているが、内側ライナ５４の希釈孔９６の構成は、外側ライナ５２の構成と実質的に同一のものとすることができることを理解されたい。従って、以下の説明は、内側ライナ５４にも当てはまることになる。図３はまた、Ｘ、Ｙ及びＺと表示した軸線を有する基準系を含んでおり、ここで、Ｘは、燃焼器１６の長手方向軸線(矢印Ｂで示す)に沿って下流方向に延びる軸方向距離を表わし、Ｙは円周方向を表わし、Ｚは半径方向を表わす。この例示的な実施形態では、希釈孔９６は、円周方向に延びる列のパターンとして配置される。より具体的には、この例示的な実施形態では、一次希釈孔９８の列は、第１のパネル８２内に形成され、また二次希釈孔１００の列は、第２のパネル８６内に形成される。さらに、この例示的な実施形態では、各一次希釈孔９８の列内の少なくとも１つの希釈孔９６及び二次希釈孔１００の列内の少なくとも１つの希釈孔９６は、各スワーラ７２の長手方向軸線１４０と実質的に整列している。

一次希釈孔９８は、第１のグループの希釈孔１５０と第２のグループの希釈孔１５２とを含む。この例示的な実施形態では、第１のグループの希釈孔１５０の各々は直径Ｄ_１を有し、この直径Ｄ_１は、実質的に第２のグループの希釈孔１５２の各々の直径Ｄ_２よりも大きい。さらに、この例示的な実施形態では、第１のグループの希釈孔１５０内の各希釈孔９６は、第２のグループの希釈孔１５２内の隣接する希釈孔９６間に形成される。加えて、この例示的な実施形態では、二次希釈孔１００は、複数の均等に間隔を置いて配置された希釈孔９６を含み、これら希釈孔９６は各々、直径Ｄ_１及びＤ_２の両方よりも小さい直径Ｄ_３を有する。さらに、希釈孔１００は、第３のパネル９０から距離Ｄ_４だけ間隔を置いて配置され、また一次希釈孔９８から距離Ｄ_５だけ間隔を置いて配置される。この例示的な実施形態では、距離Ｄ_４は、直径Ｄ_３の約半分であり、距離Ｄ_５は、直径Ｄ_３の約２〜４倍に等しい。

この例示的な実施形態では、直径Ｄ_１は、約０．３９８±０．００５インチであり、直径Ｄ_２は、約０．３１２±０．００５インチであり、また直径Ｄ_３は、約０．２９７±０．００５インチである。別の実施形態では、各希釈孔９６は、ＮＯｘエミッションを低減するのを可能にするあらゆる好適な寸法で形成される。加えて、別の実施形態では、各希釈孔９６は、ＮＯｘエミッションの低減を達成するのを可能にするあらゆる好適な位置又は配向で形成される。

ライナ５２はまた、第２のパネル８６及び第３のパネル９０の両方内に形成された複数の冷却孔１６０を含む。冷却孔１６０は、ライナ５２を冷却するのを可能にする。この例示的な実施形態では、第２のパネル８６は、希釈孔９６間に形成された２０個の冷却孔１６０のグループを含み、また第３のパネル９０は、３４個の冷却孔１６０のグループを含む。第２のパネル８６及び第３のパネル９０の各々内に１つのグループの冷却孔１６０のみを示しているが、冷却孔１６０のグループは、第２のパネル８６及び第３のパネル９０の周りで円周方向に間隔を置いて配置されることを理解されたい。従って、この例示的な実施形態では、第２のパネル８６は、隣接する希釈孔９６間に形成された総計で４００個の冷却孔１６０を含み、また第３のパネル９０は、第４のパネル９２の周りで円周方向に間隔を置いて配置された総計で６８０個の冷却孔１６０を含む。それに代えて、第２のパネル８６及び第３のパネル９０は、ライナ５２を冷却するのを可能にするあらゆる数の冷却孔１６０を含む。さらに、この例示的な実施形態では、冷却孔１６０は、約０．０２５インチの直径Ｄ_６を有する。別の実施形態では、直径Ｄ_６は、ライナ５２を冷却するのを可能にするあらゆる寸法のものである。

図４は、外側ライナ５２の別の実施形態を示す。具体的には、図４では、冷却孔１６０は、第２のパネル８６の上流端縁部１７０に沿って配置される。図４は外側ライナ５２内の冷却孔１６０を示しているが、内側ライナ５４の冷却孔１６０の構成は、外側ライナ５２の構成と実質的に同一のものとすることができることを理解されたい。従って、以下の説明は、内側ライナ５４にも当てはまることになる。この例示的な実施形態では、冷却孔１６０は、３つのグループとして配置される。具体的には、第１のグループ１７２の各冷却孔１６０は直径Ｄ_７を有し、第２のグループ１７４の各冷却孔１６０は、直径Ｄ_８を有し、また第３のグループ１７６の各冷却孔１６０は、直径Ｄ_９を有する。直径Ｄ_８は、直径Ｄ_９よりも大きく、また直径Ｄ_７は、直径Ｄ_８及び直径Ｄ_９の両方よりも大きい。この例示的な実施形態では、第２のパネル８６は、第１のグループ１７２、第２のグループ１７４及び第３のグループ１７６の複数の各々を含む。この例示的な実施形態では、各第１のグループ１７２は、エンジン作動時に高温スポットが生じる第２のパネル８６のあらゆる位置において該第２のパネルの上流端縁部１７０に沿って配置され、また各第３のグループ１７６は、グループ１７２を有する位置に比べて比較的より低い温度を有する第２のパネル８６のあらゆる位置において該第２のパネルの上流端縁部１７０に沿って配置される。加えて、各第２のグループ１７４は、第１のグループ１７２及び第３のグループ１７６を有する位置に比べて比較的中間温度を有する第２のパネル８６のあらゆる位置において該第２のパネルの上流端縁部１７０に沿って配置される。

上記の一次希釈孔及び二次希釈孔は、燃焼の滞留時間を短縮させかつ燃焼器全体を通してより低い燃焼温度を生じさせるのを可能にする。従って、燃焼器内部で発生するＮＯｘエミッション及びスモークを低減しかつ燃焼器出口温度を低下させることが可能になる。さらに、希釈孔の位置及び配向により、燃焼の増大に応じて実質的に線形の温度変化で燃焼器を作動させることが可能になる。燃焼器の線形温度変化は、ＮＯｘエミッションを低減しかつタービンエンジンの寿命を増大させるのを可能にする。具体的には、上記の希釈孔は、ＮＯｘエミッションを２０〜２５％ほども低減して、上記の方法及び装置により規定のＣＡＥＰ要件の範囲内でのエンジン運転を可能にするようにすることができる。

この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン用の燃焼器ライナを製作する方法を提供する。本方法は、複数の円周方向に延びるパネルを備えた環状シェルを準備する段階を含む。複数の円周方向に延びるパネルは、シェルの上流端部に配置された第１のパネルと、第１のパネルの下流にかつ該第１のパネルに隣接して配置された第２のパネルとを含む。本方法はまた、第１のパネル内に複数の一次希釈孔を形成する段階と、第２のパネル内に複数の二次希釈孔を形成する段階とを含む。希釈孔は、シェル内に希釈空気を吐出するように構成される。

本明細書で使用する場合、単数表現でなくかつ数詞のない表現で記載した要素又は段階は、そのような排除を明確に示していない限り、複数のそのような要素又は段階を排除するものではないことを理解されたい。さらに、本発明の「１つの実施形態」という表現は、記載した特徴をさらに組み入れた付加的な実施形態の存在を排除するものとして解釈することを意図するものでない。

本明細書に記載した装置及び方法は、ガスタービンエンジンの燃焼器ライナ内に希釈孔を配置することに関して説明しているが、本装置及び方法は、ガスタービンエンジン、燃焼器ライナ又は希釈孔に限定されるものではないことを理解されたい。同様に、例示したガスタービンエンジン及び燃焼器ライナの構成部品は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、ガスタービンエンジン及び燃焼器ライナの両方の構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立してかつ別個に利用することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の改良で実施することができることは当業者には分かるであろう。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンで使用することができる例示的な燃焼器の概略断面図。 図２に示す燃焼器で使用することができる例示的な燃焼器ライナの斜視図。 図２に示す燃焼器で使用することができる別の例示的な燃焼器ライナの斜視図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ 低圧圧縮機
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２１ 第１のシャフト
２２ 第２のシャフト
５２ 外側ライナ
５４ 内側ライナ
５６ 外側ケーシング
５８ 内側ケーシング
６０ 燃焼室
６２ 外側通路
６４ 内側通路
６６ カウル組立体
６８ 開口
７０ ドームプレート
７２ スワーラ組立体
７４ 燃料噴射器
７５ 長手方向軸線
７６ 前方端部
７８ 後方端部
８０ パネル
８２ 第１のパネル
８４ 一次燃焼ゾーン
８６ 第２のパネル
８８ 中間燃焼ゾーン
９０ 第３のパネル
９２ 第４のパネル
９４ 下流希薄燃焼ゾーン
９６ 希釈孔
９８ 一次希釈孔
１００ 二次希釈孔
１０１ 下流端部
１０２ 希釈孔
１４０ 長手方向軸線
１５０ 希釈孔のグループ
１５２ 希釈孔のグループ
１６０ 冷却孔のグループ
１７０ 第２のパネル上流端縁部
１７２ 第１のグループ
１７４ 第２のグループ
１７６ 第３のグループ

Claims (10)

1. その上流端部に配置された第１のパネルと前記第１のパネルの下流にかつ該第１のパネルに隣接して配置された第２のパネルとを備えた複数の円周方向に延びるパネルを含む環状シェルと、
   前記第１のパネル（８２）内に形成された複数の一次希釈孔（９８）と、
   前記第２のパネル（８６）内に形成された複数の二次希釈孔（１００）と、を含み、
   前記希釈孔が、前記シェル内に希釈空気を吐出するように構成される、
   燃焼器ライナ。
2. 前記二次希釈孔（１００）が、前記一次希釈孔（９８）から、該二次希釈孔の直径の２倍から該二次希釈孔の直径の４倍の範囲内にある距離だけ間隔を置いて配置される、請求項１記載の燃焼器ライナ。
3. 前記一次希釈孔（９８）が、第１のグループの希釈孔（１５０）と第２のグループの希釈孔（１５２）とを含み、
   前記第１のグループが、前記第２のグループの直径よりも大きい直径を有し、
   前記第１のグループの各希釈孔が、前記第２のグループの隣接する希釈孔間に配置される、
   請求項１記載の燃焼器ライナ。
4. 前記一次希釈孔（９８）が、前記二次希釈孔（１００）の直径よりも大きい直径を有する、請求項１記載の燃焼器ライナ
5. 前記二次希釈孔（１００）が、前記第２のパネル（８６）の下流に位置する第３のパネル（９０）から、該二次希釈孔の直径の二分の一である距離だけ間隔を置いて配置される、請求項１記載の燃焼器ライナ。
6. 前記二次希釈孔（１００）が、前記シェル内に燃料／空気混合気を吐出するように構成されたスワーラと整列する、請求項１記載の燃焼器ライナ。
7. 前記希釈孔（９８，１００）が、ガスタービンエンジン（１０）におけるＮＯｘエミッションを低減するのを可能にする、請求項１記載の燃焼器ライナ。
8. 圧縮機（１２、１４）と
   燃焼器ライナを備えた燃焼器（１６）と、
   を含み、前記燃焼器ライナが、
   その上流端部に配置された第１のパネル（８２）と前記第１のパネルの下流にかつ該第１のパネルに隣接して配置された第２のパネル（８６）とを備えた複数の円周方向に延びるパネル（８０）を含む環状シェルと、
   前記第１のパネル内に形成された複数の一次希釈孔（９８）と、
   前記第２のパネル内に形成された複数の二次希釈孔（１００）と、を含み、
   前記希釈孔が、前記圧縮機から前記燃焼器内に希釈空気を吐出するように構成され、
   前記希釈孔が、ガスタービンエンジンにおけるＮＯｘエミッションを低減するのを可能にするようにさらに構成される、
   ガスタービンエンジン（１０）。
9. 前記二次希釈孔（１００）が、前記一次希釈孔（９８）から、該二次希釈孔の直径の２倍から該二次希釈孔の直径の４倍の範囲内にある距離だけ間隔を置いて配置される、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。
10. 前記一次希釈孔（９８）が、第１のグループの希釈孔（１５０）と第２のグループの希釈孔（１５２）とを含み、
    前記第１のグループが、前記第２のグループの直径よりも大きい直径を有し、
    前記第１のグループの各希釈孔が、前記第２のグループの隣接する希釈孔間に配置される、
    請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。

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