JP2009281720A - 燃焼ダイナミックスを低減する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼ダイナミックスを低減する方法及びシステムを提供すること。
【解決手段】本発明の１つの例示的な実施形態によれば、燃焼チャンバは、第１のプレミキサ及び第２のプレミキサを含む。各プレミキサは、１以上の燃料噴射装置と、１以上の空気入口ダクトと、１つ又は複数の空気入口ダクトからの空気と１つ又は複数の燃料噴射装置からの燃料とを少なくとも部分的に混合するための１以上のベーンパックとを含むことができる。各ベーンパックは、燃料の少なくとも一部及び空気の少なくとも一部が通過する複数の燃料噴射オリフィスを含むことができる。第１のプレミキサの１つ又は複数のベーンパックは、第１の軸方向位置に位置付けることができ、第２のプリミキサの１つ又は複数のベーンパックは、第１の軸方向位置に対して軸方向に交互配置された第２の軸方向位置に位置付けることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には燃焼ダイナミックスを低減するための方法及びシステムに関する。

ガスタービンは、その信頼できる性能及び適正な安定特性により拡散火炎燃焼チャンバを利用してきた。しかし、燃焼中に高温を生じる結果として、このタイプの燃焼チャンバは、ＮＯｘと呼ばれる窒素酸化汚染物質を許容可能でない高いレベルで生成する可能性がある。汚染物質エミッションに関する規制が益々厳しくなっていることに起因して、産業用発電メーカーは低エミッション技術に取り組み、現在では新しい多くの発電プラントが低エミッションガスタービンエンジンを利用している。これらのガスタービンは、希薄予混合（ＬＰＭ）燃焼を用いることにより低ＮＯｘエミッションを達成する。これらのシステムにおいて、燃料（通常は天然ガス）は比較的高い割合の空気と混合された後に燃焼される。燃焼チャンバ内に存在する過剰空気の熱質量により、燃焼中に発生する熱が吸収され、従って、サーマルＮＯｘが形成されないレベルまで温度上昇が制限される。

希薄予混合燃焼は、ＮＯｘエミッションの有意な低減を示したが、ＬＰＭ燃焼は、その動作範囲内での燃料流量の希薄特性に起因する燃焼の不安定さという欠点を有する可能性がある。この現象はまた、燃焼ダイナミックスとしても知られる。

希薄予混合燃焼では、燃焼を維持するだけの十分な燃料が無い寸前で燃焼炎が燃焼し、フリッカリング火炎に類似した現象が生じて圧力変動を引き起こす。これらの圧力変動は、燃焼チャンバの音響モードを励起して、結果として大きな振幅の圧力振動を生じる。発生する振動は燃料ノズルの上流側に移動し、燃料噴射装置の前後で周期的に振動する圧力低下をもたらす。これは、燃焼チャンバへの振動する燃料供給を生じる可能性がある。振動する燃料空気混合気が燃焼チャンバ内で燃焼すると、火炎区域が変動し、放熱振動を生じる。これらの放熱振動と音響波との相対位相整合に応じて、潜在的な自己励起フィードバックループが生成され、経時的に振幅が成長する振動を生じる可能性がある。これらの振動は通常、燃焼チャンバの固有音響モードに関連する離散的周波数及びその高次調波で発生する。

こうした燃焼により発生する不安定性は、システム性能及び燃焼チャンバの作動寿命に悪影響を与える。振動及び結果として生じる構造振動は、燃焼チャンバの壁部にてフレッチング及び摩耗を引き起こし、高サイクル疲労寿命を短くし、性能全体への悪影響を及ぼす可能性がある。

米国特許第５９４３８６６号明細書 米国特許第６１６４０５５号明細書 米国特許第６４３８９６１号明細書 米国特許第７３４０９００号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２６８６１６号明細書 米国特許出願公開第２００７／００８９４２６号明細書 米国特許出願公開第２００７／０１３０９５４号明細書 欧州特許出願第１８０６５３４号明細書

従って、燃焼ダイナミックスの低減を可能にする方法及びシステムに対する必要性がある。更に、燃料組成に対する過敏性を同時に低減する必要性もある。

本発明の実施形態は、上述の必要性の一部又は全てに対処することができる。本発明の実施形態は、一般に、燃焼ダイナミックスを低減する方法及びシステムを対象とする。

本発明の１つの例示的な実施形態によれば、ガスタービンエンジンの燃焼チャンバが提供される。燃焼チャンバは、少なくとも第１のプレミキサ及び第２のプレミキサを含む。各プレミキサは、１以上の燃料噴射装置と、１以上の空気入口ダクトと、１以上の空気入口ダクトからの空気と１以上の燃料噴射装置からの燃料とを少なくとも部分的に混合するための１以上のベーンパックとを含むことができる。この例示的な実施形態によれば、各ベーンパックは、燃料の少なくとも一部及び空気の少なくとも一部が通過する複数の燃料噴射オリフィスを含むことができる。また、この例示的な実施形態によれば、第１のプレミキサの１つ又は複数のベーンパックは、第１の軸方向位置に位置付けることができ、第２のプリミキサの１つ又は複数のベーンパックは、第１の軸方向位置に対して軸方向に交互配置された第２の軸方向位置に位置付けられる。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、燃焼チャンバにて燃料を燃焼させる方法が提供される。この例示的な方法は、１以上の燃料噴射装置と、１以上の空気入口ダクトと、第１の軸方向位置に１以上のベーンパックとを含む第１のプレミキサで燃料と空気とを混合する段階と、１以上の燃料噴射装置と、１以上の空気入口ダクトと、第１の軸方向位置に対して軸方向に交互配置された第２の軸方向位置に１以上のベーンパックとを含む第１のプレミキサで燃料と空気とを混合する段階とを含む。この例示的な方法は、第１のプレミキサ及び第２のプレミキサから混合燃料及び空気を燃焼チャンバに吐出する段階と、第１のプレミキサ及び第２のプレミキサから混合燃料及び空気の少なくとも一部を燃焼チャンバで燃焼する段階とを更に含む。

更に別の例示的な実施形態によれば、ガスタービンエンジンが提供される。ガスタービンエンジンは、圧縮機と、燃焼チャンバと、燃焼チャンバに関連する少なくとも第１のプレミキサ及び第２のプレミキサとを含む。この例示的なシステムによれば、各プレミキサは、１以上の燃料噴射装置と、１以上の空気入口ダクトと、１つ又は複数の空気入口ダクトからの空気及び１つ又は複数の燃料噴射装置からの燃料を少なくとも部分的に混合するための１以上のベーンパックとを含むことができる。また、この例示的なシステムによれば、ベーンの各々は、燃料の少なくとも一部及び空気の少なくとも一部が通過することができる複数の燃料オリフィスを含む。この例示的なシステムでは、第１のプリミキサの１つ又は複数のベーンパックは、第１の軸方向位置で第１のプリミキサ内に位置付けることができ、第２のプリミキサの１つ又は複数のベーンパックは、第１の軸方向位置に対して軸方向に交互配置された第２の軸方向位置で第２のプリミキサ内に位置付けることができる。

本発明の他の実施形態及び態様は、添付図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

以上、本発明の実施形態について一般論として説明してきたが、ここで必ずしも縮尺通りに描かれていない添付図面について説明する。

本発明の一実施形態に係る例示的なガスタービンエンジンの一部の概略図。 本発明の一実施形態に係る例示的なガスタービンエンジンの一部の断面図。 本発明の一実施形態に係る例示的なガスタービンエンジンの一部の断面図。 本発明の一実施形態に係る燃料を燃焼するための例示的なプロセスを示すフローチャート。

ここで、全てではなく一部が図示された添付図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態を以下でより完全に説明する。実際、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、むしろこれらの実施形態は、本開示が適用可能な法適要件を満足するように適用される。全体を通じて同じ参照符号は同じ要素を示す。

図１は、本発明の一実施形態による例示的なガスタービンエンジン１００の一部の概略図である。ガスタービンエンジン１００は、低ＮＯｘ燃焼チャンバ１０４を含むことができる。エンジン１００はまた、圧縮機を含むことができ、低ＮＯｘ燃焼チャンバ１０４及びタービン１０６と直列に流れ連通している。タービン１０６は、シャフト１０８を通じて圧縮機１０２に結合することができる。シャフト１０８は、タービン１０６により外部負荷（図示せず）を作動させるように拡張することができる。一実施形態では、ガスタービンエンジン１００の通常運転の間、圧縮機１０２は、流入空気流を加圧し、該空気流を複数のプレミキサ１１０ａ及び１１０ｂの少なくとも１つを通じて低ＮＯｘ燃焼チャンバ１０４内に導くことができる。

本発明の一実施形態では、エンジン１００は、第１のプレミキサ１１０ａ及び第２のプレミキサ１１０ｂを含むことができるが、他の実施形態では、あらゆる数のプレミキサを含むことができる。プレミキサ１１０ａ及び１１０ｂの各々は、管状形状であり、圧縮機１０２から加圧空気を受けるために上流側端部にそれぞれ入口ダクト１１２ａ及び１１２ｂと、反対側の下流側端部にそれぞれ旋回燃料空気混合気１１６ａ及び１１６ｂを燃焼チャンバ１０４内に吐出する出口ダクト１１４ａ及び１１４ｂとを含むことができる。各プレミキサ１１０ａ及び１１０ｂは、１以上の燃料噴射装置１１８ａ及び１１８ｂをそれぞれ含み、シンガス又は天然ガスのような燃料をプレミキサに噴射するようにすることができる。プレミキサ１１０ａ及び１１０ｂの各々はまた、例えば、第１のベーンパック１２２ａ及び第２のベーンパック１２２ｂなど１以上のベーンパックを含むことができ、これらベーンパックは、プレミキサ１１０ａ及び１１０ｂの軸線の周りで円周方向に配列された複数の離間ベーンを含む。ベーンの各々には、複数の燃料オリフィス１２０ａ及び１２０ｂを形成させることができる。第１のベーンパック１２２ａ及び第２のベーンパック１２２ｂは、燃料空気混合気に旋回をもたらし、旋回流１１６ａ及び１１６ｂを生成し、次に、これが燃焼チャンバ１０４に送給されて燃焼炎を発生する。燃料オリフィス１２０ａ及び１２０ｂは、プレミキサ１１０ａ及び１１０ｂ内の燃料噴射装置１１８ａ及び１１８ｂからの燃料の円周方向分配を改善し、燃料と空気の均一な混合を促進する。図１には２つのプレミキサだけが図示され且つ本明細書で説明されているが、他の例示的な実施形態では、あらゆる数のプレミキサを含むことができることは理解される。

一般に、燃料噴射装置１１８ａ及び１１８ｂは、燃料リザーバ、導管、弁、及びポンプを使用して、燃料を燃料オリフィス１２０ａ及び１２０ｂにそれぞれ通してプレミキサ１１０ａ及び１１０ｂに送ることができる。本発明の一実施形態では、使用される燃料は、プレミキサ１１０ａ及び１１０ｂに送られる気体燃料とすることができる。

低ＮＯｘエンジンなどの種々のガスタービンエンジン１００では、燃焼チャンバ１０４内の燃焼炎は、火炎のダイナミックスに応じて様々な振動周波数で燃焼することができる。放熱振動のこれらの周波数のいずれかが、燃焼チャンバ１０４の基本周波数又はその高調波のいずれかに一致する場合、燃焼チャンバ１０４内に高振幅の圧力振動が生じる可能性がある。これらの圧力振動は、燃焼チャンバ１０４から上流側のプレミキサ１１０ａ及び１１０ｂの各々に伝播する可能性がある。結果として、このような圧力振動の伝播は、燃料オリフィスの近くで振動を引き起こす可能性がある。振動は、燃料オリフィス１２０ａ及び１２０ｂからの燃料吐出の質量流量の変動を生じ、燃料空気混合気の変動外乱をもたらす場合がある。次に、この外乱は、燃料濃度波として下流側の火炎燃焼領域に移動することができる。これらの燃料濃度波から生じる放熱振動が、燃料チャンバ１０４内に存在する高振幅圧力振動と同相になる場合、自己励起フィードバックループが生成され、燃焼ダイナミックスを生じる可能性がある。燃焼ダイナミックスが生じると、システムは、Ｒａｙｌｅｉｇｈの基準に従い、ここでは、熱付加及び圧力振動が明らかに時間に関連する場合に、空間内のあるポイントで音場に正味エネルギーが付加される。従って、圧力振動の振幅は、時間と共に大きくなり、システムが不安定になる可能性がある。しかし、圧力振動が熱振動とは位相が１８０°（πラジアン）だけ異なって相殺的干渉が起こる場合には、Ｒａｙｌｅｉｇｈの基準を超えて圧力振動が減衰されることで、燃焼ダイナミックスが抑制される。

本発明の一実施形態では、燃焼チャンバ１０４において放熱振動と圧力振動との間に相殺的干渉を引き起こすことにより音場を減衰させるよう、Ｒａｙｌｅｉｇｈの基準を適用することができる。

図２は、本発明の一実施形態に係る３つのプレミキサを含むガスタービンエンジン１００の一部の断面図であるが、他の実施形態では、あらゆる数のプレミキサを含むことができる。第１のプレミキサ、第２のプレミキサ、及び第３のプレミキサは、以下ではそれぞれ、プレミキサＡ ２０２ａ、プレミキサＢ ２０２ｂ、及びプレミキサＣ ２０２ｃと呼ばれる。プレミキサ２０２ａ、２０２ｂ、及び２０２ｃの各々は、１以上のベーンパックを含むことができる。例示的な実施形態では、第１のベーンパック、第２のベーンパック、及び第３のベーンパックが、プレミキサ２０２ａ、２０２ｂ、及び２０２ｃにそれぞれ含まれる。第１のベーンパック、第２のベーンパック、及び第３のベーンパックは、それぞれ、ベーンパックＡ ２０６ａ、ベーンパックＢ ２０６ｂ、ベーンパックＣ ２０６ｃと呼ぶことができる。ベーンパック２０６ａ、２０６ｂ、及び２０６ｃの各々は、１以上のベーンを収容することができ、ここで各ベーンは、燃料を空気流に導入するために、１以上の燃料オリフィス２０４ａ、２０４ｂ、及び２０４ｃを含むことができる。本発明の一実施形態では、プレミキサ２０２ａ、２０２ｂ、及び２０２ｃはまた、各プレミキサ２０２ａ、２０２ｂ、及び２０２ｃの中央本体２１０ａ、２１０ｂ、及び２１０ｃの遠位端又はその近傍にそれぞれ配置された、拡散先端２０８ａ、２０８ｂ、及び２０８ｃを含むことができる。

本発明の１つの例示的な実施形態では、プレミキサＡ ２０２ａ、プレミキサＢ ２０２ｂ、及びプレミキサＣ ２０２ｃを参照すると、ガスタービンエンジン１００は、交互配置されたベーンパック位置で２以上のプレミキサを含むことができる。プレミキサＡ ２０２ａのベーンパックＡ ２０６ａは、火炎前面２１２から上流側の距離Ｌ_１にある第１の軸方向位置に配置することができる。同様に、プレミキサＢ ２０２ｂのベーンパックＢ ２０６ｂは、火炎前面２１２から第２の軸方向距離Ｌ_２に配置することができる。Ｌ_１はＬ_２と等しいか、又は等しくなくてもよい。しかし、図２に示す例示的な実施形態では、Ｌ１はＬ２と等しくなく、ベーンパックＢ ２０６ｂの第２の軸方向位置に対して軸方向に交互配置にされたベーンパックＡ ２０６ａの第１の軸方向をもたらす。このベーンパック２０６ａ及び２０６ｂの交互配置は、燃焼チャンバ１０４内の燃焼ダイナミックスを減衰するよう少なくとも部分的に機能することができる。
本発明の他の実施形態では、他のベーンパックを同様に互いに１以上の相対距離で軸方向に交互配置することができる点は理解される。燃焼チャンバ１０４の放熱振動と音響周波数との間の結合の結果として、燃焼チャンバ１０４内で発生する可能性のある高振幅圧力振動２１４ａは、火炎前面２１２から上流側に移動し、時間遅延後にプレミキサＡ ２０２ａの燃料オリフィス２０４ａに達する。この第１の時間遅延は以下で表すことができる。

上式で、ｃは音速、ｖはプレミキサ２０２ａ及び２０２ｂの各々における空気流の平均速度である。プレミキサＡ ２０２ａの燃料オリフィス２０４ａで発生する第１の燃料濃度波（以下で燃料濃度波２１６ａと呼ぶ）は下流側に移動して、別の時間遅延後に火炎前面２１２に到達する。この他の時間遅延は以下で表すことができる。

従って、合計の時間遅延は以下で表すことができる。

同様に、上流側でプレミキサＢ ２０２ｂに移動する圧力振動２１４ｂは、第２の燃料濃度（以下、燃料濃度波２１６ｂと呼ぶ）を生成し、これは以下で表される合計時間遅延後に火炎前面２１２に到達する。

時間遅延は、燃料濃度波２１６ａ及び２１６ｂにより生じる放熱振動の位相変化として反映される。位相変化は、パラメータＬ_１及びＬ_２によりそれぞれ少なくとも部分的に規定され、これは、ベーンパック２０６ａ及び２０６ｂを軸方向に交互配置することから生じる。従って、Ｌ_１及びＬ_２間の軸方向間隔は、プレミキサＡ ２０２ａで発生した燃料濃度波２１６ａとプレミキサＢ ２０２ｂで発生した燃料濃度波２１６ｂとが、これらの間に約１８０°（πラジアン）の位相差を有することができるように選択することができる。これにより、プレミキサ２０２ａ及び２０２ｂにより一定の燃料濃度が維持されるように種々の燃料源が互いに相殺すると考えることができる。

しかし、幾つかの実施形態では、ベーンパック２０６ａ及び２０６ｂの間の軸方向間隔は任意に設定することはできないことは、経験的に分かっている。この選択は、２つの考慮事項：すなわちプレミキサ２０２ａ及び２０２ｂのフラッシュバックとエミッション性能とに応じて、許容可能な値の範囲内に制限される可能性がある。Ｌ_１及びＬ_２間の軸方向間隔は、プレミキサ２０２ａ及び２０２ｂ内のそれぞれの燃料濃度波２１６ａ及び２１６ｂの滞留時間が自動点火温度を生じる程、従ってフラッシュバックにつながる程に長くなることができないように選択することができる。更に、燃料空気混合気の適正な混合は、旋回ダイナミックスにより規定され、該旋回ダイナミックスはベーンパック２０６ａ及び２０６ｂと火炎前面２１２との間の距離に依存する。燃料と空気との間の混合が不十分であることにより、燃焼チャンバ１０４内の望ましくないエミッション性能をもたらす可能性がある。従って、例示的な実施形態は、動作条件と使用燃料の性質に応じて相殺的干渉により燃料濃度波２１６ａ及び２１６ｂを少なくとも部分的に減衰させることができる。

本発明の別の例示的な実施形態では、図２のプレミキサＡ ２０２ａ及びプレミキサＢ ２０２ｂに関して、例示的なガスタービンエンジン１００は、拡散先端位置を交互配置することによって、燃料柔軟性を更に改善しながら燃焼ダイナミックスを減衰する２以上のプレミキサを含むことができる。この例示的な実施形態では、プレミキサＡ ２０２ａの拡散先端２０８ａは、火炎前面２１２から軸方向距離Ｄ_１に配置することができ、プレミキサＣ ２０２ｃの拡散先端２０８ｃは、火炎前面２１２からの軸方向距離Ｄ_２に配置することができ、Ｄ_１はＤ_２と等しくないようにされる。従って、拡散先端２０８ａ及び２０８ｃの位置は、互いに対して軸方向に交互配置にされる。拡散先端は、音響反射を可能にするように、平坦なディスク又は他の表面として形成することができる。例示的な実施形態では、拡散先端はまた、低動作負荷条件の間に火炎を維持するために燃料オリフィス（図示せず）を有することができる。加えて、図２に示す実施例では、プレミキサＡ ２０２ａのベーンパックＡ ２０６ａ及びプレミキサＣ ２０２ｃのベーンパックＣ ２０６ｃは、火炎前面２１２から軸方向距離Ｌ_１に位置付けられた同じ平面内に軸方向に整列することができる。しかし上述のように、他の例示的な実施形態では、ベーンパック位置はまた、ベーンパックＡ ２０６ａ及びベーンパックＢ ２０６ｂの相対的軸方向位置により示されるのと同様に、互いに対して軸方向に交互配置することができる。

拡散先端を軸方向に交互配置することにより、拡散先端２０８ａ及び２０８ｃからの圧力振動２１４ａ及び２１４ｃの反射に関連する時間遅延が反射された圧力振動の位相差を生じさせ、その結果、燃焼チャンバ１０４内の圧力振動２１４ａ及び２１４ｃとの干渉に曝される。更に、この例示的な実施形態によれば、プレミキサ２０２ａ及び２０２ｃでそれぞれ発生する燃料濃度波２１６ａ及び２１６ｃは、互いに部分的に減衰すると同時に、位相差を有する放熱振動を生じることができ、該放熱振動は、燃焼チャンバ１０４内の圧力振動２１４ａ及び２１４ｃとの干渉に曝される。しかし、拡散先端２０８ａ及び２０８ｃを交互配置にすることにより、流れの旋回ダイナミックスに影響を及ぼす可能性があり、幾つかの実施形態では、拡散先端間の相対間隔が燃料空気混合気の許容可能な混合をもたらすように選択される。

更に別の実施形態では、図２のプレミキサＢ ２０２ｂ及びプレミキサＣ ２０２ｃに関して、ガスタービンエンジン１００は、ベーンパック位置及び拡散先端位置の両方を交互配置にすることにより、燃焼チャンバ１０４内の燃焼ダイナミックスを減衰する２以上のプレミキサを含むことができる。プレミキサＢ ２０２ｂのベーンパックＢ ２０６ｂは、火炎前面２１２から距離Ｌ_２の第１の軸方向位置に配置することができ、プレミキサＣ ２０２ｃのベーンパックＣ ２０６ｃは、火炎前面２１２から距離Ｌ_１の第２の軸方向位置に配置することができ、Ｌ_１はＬ_２と等しくないようにされる。この例示的な実施形態のベーンパック２０４ｂ及び２０４ｃは、互いに対して軸方向に交互配置にされる。前述の実施形態と同様に、プレミキサＢ ２０２ｂの拡散先端２０８ｂは火炎前面２１２から軸方向距離Ｄ_１に配置することができ、プレミキサＣ ２０２ｃの拡散先端２０８ｃは、火炎前面２１２から軸方向距離Ｄ_２に配置することができ、Ｄ_１はＤ_２と等しくないようにされる。従って、拡散先端２０８ｂ及び２０８ｃはまた、互いに対して軸方向に交互配置にされる。交互配置にされたベーンパック及び拡散先端を有するこの実施形態では、燃焼チャンバ１０４内の圧力振動２１４ｂ及び２１４ｃと燃料濃度波２１６ｂ及び２１６ｃとの間の相対位相を制御するパラメータは、ベーンパックと拡散先端との間の相対的交互配置距離である。

別の例示的な実施形態では、図２のプレミキサＡ ２０２ａ及びプレミキサＢ ２０２ｂに関して、ガスタービンエンジン１００は、交互配置にされたベーンパック位置と交互配置にされた燃料オリフィス位置とを両方とも有する２以上のプレミキサを含むことができる。この例示的な実施形態では、プレミキサＡ ２０２ａのベーンパックＡ ２０６ａは、火炎前面２１２から距離Ｌ_１に位置付けることができ、プレミキサＢ ２０２ｂのベーンパックＢ ２０６ｂは、火炎前面２１２から距離Ｌ_２に位置付けることができ、上述のようにＬ_１はＬ_２と等しくないようにされる。従って、ベーンパック２０６ａ及び２０６ｂの位置は、互いに対して軸方向に交互配置にされる。加えて、この例示的な実施形態では、プレミキサＡ ２０２ａの燃料オリフィス２０４ａ及びプレミキサＢ ２０２ｂの燃料オリフィス２０４ｂは、互いに対して軸方向に交互配置することができる。燃料オリフィス２０４ａ及び２０４ｂを軸方向に交互配置することは、燃料オリフィスが形成されるベーンパック２０６ａ及び２０６ｂを軸方向に交互配置することに起因することができる。しかし、他の実施形態では、あるベーンパックの相対燃料オリフィス位置を別のベーンパックの相対的燃料オリフィス位置と比べて交互配置にした結果として、燃料オリフィスを交互配置にすることができる。

従って、ベーンパック、拡散先端、及び／又は燃料オリフィスの相対位置を表すことができるパラメータＬ_１、Ｌ_２、Ｄ_１、及びＤ_２は、これに応じて燃焼チャンバ１０４内の燃焼ダイナミックスを減衰するよう選択することができる。パラメータの数が増大すると、動作の柔軟性をもたらし、燃焼ダイナミックスの発生の制御を可能にし、広範な燃料タイプでの用途の融通性を高め、エンジンエミッション性能を向上させる。

図３は、軸方向に交互配置されたベーンパック及び／又は拡散先端並びに軸方向に整列した燃料オリフィスを備えた３つのプレミキサを含む、例示的なガスタービンエンジン１００の一部の概略図である。この例示的な実施形態では、エンジン１００は、第１のプレミキサ、第２のプレミキサ、及び第３のプレミキサを含み、これらは以下ではプレミキサＤ ３０２ａ、プレミキサＥ ３０２ｂ、プレミキサＦ ３０２ｃと呼ばれるが、他の実施形態では、あらゆる数のプレミキサを含めることができる。プレミキサ３０２ａ、３０２ｂ、及び３０２ｃは、燃料オリフィス３０４ａ、３０４ｂ、及び３０４ｃと、第１のベーンパック３０６ａ、第２のベーンパック３０６ｂ、及び第３のベーンパック３０６ｃ（これらは以下ではベーンパックＤ ３０６ａ、ベーンパックＥ ３０６ｂ、及びベーンパックＦ ３０６ｃと呼ばれる）と、中央本体３１０ａ、３１０ｂ及び３１０ｃそれぞれにおける拡散先端３０８ａ、３０８ｂ、及び３０８ｃとを含むことができる。燃料噴射装置（図示せず）は、燃料オリフィス３０４ａ、３０４ｂ、及び３０４ｃと連通し、燃料が最初に空気流内に導入された後、燃料噴射装置から下流側にあるベーンパック３０６ａ、３０６ｂ、及び３０６ｃにより旋回が加えられるように配置される。燃料噴射装置及びベーンパック３０６ａ、３０６ｂ、及び３０６ｃのこの位置決めは、燃料を噴霧化及び旋回するベーンパック３０６ａ、３０６ｂ、及び３０６ｃによって提供される剪断効果により燃料と空気との混合を改善可能にする。

図３に示す例示的な実施形態では、プレミキサＥ ３０２ｂ及びプレミキサＦ ３０２ｃに関して、プレミキサ３０２ｂ及び３０２ｃの燃料オリフィス３０４ｂ及び３０４ｃは、火炎前面３１２から実質的に等距離に位置して軸方向に整列され、ベーンパック３０６ｂ及び３０６ｃの出口部位すなわち後縁は、互いに対して軸方向に交互配置されている。例示的な実施形態で示されるように、燃料オリフィス３０４ｂは、火炎前面３１２から軸方向距離Ｌ_１に配置することができ、ベーンパックＥ ３０６ｂの出口部位は、火炎前面３１２から距離Ｄ_２の第１の軸方向位置に配置することができる。この実施例では、プレミキサＦ ３０２ｃの燃料オリフィス３０４ｃはまた、火炎前面３１２から軸方向距離Ｌ_１に配置することができ、ベーンパックＦ ３０６ｃの出口部位は、火炎前面３１２から距離Ｄ_３の第２の軸方向位置に配置することができ、Ｄ_２はＤ_３と等しくないようにされる。本明細書で使用される用語「出口部位」とは、ベーンパックブレードの後縁又はベーンパックの最も下流側に位置する部分を意味することができる。従って、この例示的な実施形態では、ベーンパックＥ ３０６ｂの出口部位の軸方向位置は、ベーンパックＦ ３０６ｃの出口部位の軸方向位置に対して軸方向に交互配置されており、燃料オリフィス３０４ｂ及び３０４ｃは軸方向に整列している。これは、一実施形態では、それぞれの燃料オリフィスが同じ軸方向位置で整列できるが、ベーンパックの出口部位は異なる軸方向位置に配置することができるように、異なって調整配置されたベーンパックによって達成することができる。例えば、図３に示すように、ベーンパック３０６ａ、３０６ｂ、及び３０６ｃは各々、燃料オリフィスは整列するが、ベーンパックの出口部位を交互位置で配置できるように異なって調整配置される。

同様に、プレミキサＥ ３０２ｂ及びプレミキサＦ ３０２ｃに関して、燃焼チャンバ１０４内に形成された高振幅圧力振動３１４ｂは火炎前面３１２から上流側に移動し、時間遅延後にプレミキサＥ ３０２ｂの燃料オリフィス３０４ｂに達する。時間遅延は以下のように表すことができる。

圧力振動３１４ｂはまた、時間遅延後にベーンパックＥ ３０６ｂに達する。この場合の時間遅延は以下のように表すことができる。

上式で、ｃは音速、ｖはプレミキサ３０２ｂ及び３０２ｃの各々の平均流速である。圧力振動３１４ｂ及び３１４ｃは、プレミキサ３０２ｂ及び３０２ｃの各々の燃料オリフィス３０４ｂ及び３０４ｃ並びにベーンパック３０６ｂ及び３０６ｃと相互作用して、第１の燃料濃度波及び第２の燃料濃度波（以下、それぞれ燃料濃度波３１６ｂ及び３１６ｃと呼ぶ）を生じ、次いで下流側に移動して、更なる時間遅延後に火炎前面３１２に達する。燃料オリフィス３０４ｂから火炎前面３１２に到達するのに関連する時間遅延は、以下のように表すことができる。

更に、ベーンパックＥ ３０６ｂから火炎前面３１２に到達するのに関連する時間遅延は、以下のように表すことができる。

従って、この例示的な実施形態におけるプレミキサＥ ３０２ｂの燃料濃度波３１６ｂに関連する合計の時間遅延は、以下のように表すことができる。

同様に、この例示的な実施形態におけるプレミキサＦ ３０２ｃの燃料濃度波３１６ｃに関連する時間遅延は、以下のように表すことができる。

この時間遅延は、燃料濃度波３１６ｂ及び３１６ｃから生じる放熱振動の位相変化を反映しており、パラメータＬ_１、Ｄ_２、及びＤ_３それぞれにより少なくとも部分的に影響を受ける可能性がある。従って、距離Ｌ_１、Ｄ_２、及びＤ_３を好適に選択することにより、プレミキサ３０２ｂ及び３０２ｃ内に形成された燃料濃度波３１６ｂ及び３１６ｃは、１つの実施例では約１８０°（πラジアン）の位相差を有することができる。位相差は、燃料オリフィス３０４ｂ及び３０４ｃ並びにベーンパック３０６ｂ及び３０６ｃ内で発生する燃料濃度波３１６ｂ及び３１６ｃを互いに少なくとも部分的に相殺して燃焼ダイナミックスを抑制することができる。

図３に同様に示された別の例示的な実施形態では、プレミキサＤ ３０２ａ及びプレミキサＥ ３０２ｂに関して、例示的なエンジンは、本発明の実施形態による軸方向に交互配置された拡散先端を備えるプレミキサを含むことができる。この実施例では、プレミキサＤ ３０２ａの拡散先端３０８ａは、プレミキサＥ ３０２ｂの拡散先端３０８ｂに対して軸方向に交互に配置することができる。拡散先端３０８ａは、火炎前面３１２から軸方向距離Ｌ_２に位置付けることができ、拡散先端３０８ｂは、火炎前面３１２から軸方向距離Ｌ_３に位置付けることができ、Ｌ_２はＬ_３と等しくないようにされる。上述のように、燃料オリフィス３０４ａ及び３０４ｂは、軸方向に整列され、火炎前面３１２から軸方向距離Ｌ_１に位置付けられる。この実施例では、ベーンパック３０６ａ及び３０６ｂは、互いに対して軸方向に交互配置され、ベーンパックＤ ３０６ａは火炎前面３１２から距離Ｄ_１の第１の軸方向位置に位置付けられ、ベーンパックＥ ３０６ｂは火炎前面３１２から距離Ｄ_２の第２の軸方向位置に位置付けられる。しかし、他の実施形態では、図２に関連して説明されるように燃料オリフィスの１つ又はそれ以上を交互に配置することができ、ベーンパックの１つ又はそれ以上は整列することができ、或いは拡散先端３０８ｂ及び３０８ｃのような拡散先端の１つ又はそれ以上は整列することができることは理解される。

反射に関連する時間遅延は、反射された圧力振動の位相差を生じさせ、燃焼チャンバ１０４内の圧力振動３１４ａ及び３１４ｂと相互作用する可能性がある。加えて、第１の燃料濃度波３１６ａ及び第２の燃料濃度波３１６ｂは、プレミキサ３０２ａ及び３０２ｂ内で発生することができ、これはまた、燃焼チャンバ１０４内の圧力振動３１４ａ及び３１４ｂと相互作用する可能性がある。従って、プレミキサ３０２ａ及び３０２ｂにより示されているような、軸方向に交互配置されたベーンパックと軸方向に配列された拡散先端の両方を含む実施形態は、上記で説明したのと同様の数学的解析を用いて、燃焼チャンバ１０４内の燃焼ダイナミックスを少なくとも部分的に減衰させることができるパラメータＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｄ_１、及びＤ_２の種々の選択肢を提供する。軸方向に交互配置されたベーンパック及び軸方向に整列された拡散先端を含む実施形態のような３つのパラメータ（Ｌ_１、Ｄ_１、Ｄ_２）から、軸方向に交互配置されたベーンパック及び拡散先端を含む実施形態のような５つのパラメータ（Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｄ_１、Ｄ_２）にまで、利用できる調整可能パラメータの選択肢が増えると、エンジンの燃料柔軟性が高まると同時に、エンジンエミッション性能も向上させることが可能になる。

本発明の他の実施形態では、本明細書で説明する軸方向に交互配置された構成要素の種々の組み合わせを利用して、エンジンの燃焼ダイナミックスを減衰させることができることは理解される。更に、他の例示的な実施形態では、拡散先端は、燃料空気混合気が極めて希薄である場合、又はシンガスのような高水素燃料が使用される場合など、低運転負荷条件中に火炎を維持するために１以上の燃料オリフィス（図示せず）を有することができる。拡散先端に形成される燃料オリフィスを任意選択的に含めることによって、燃焼チャンバの燃焼ダイナミックスの減衰を更に促進させることができる。

図４は、本発明の実施形態を動作させることができる例示的な方法を示している。本発明の一実施形態による燃焼チャンバで燃料を燃焼させる例示的な方法を示すフローチャート４００が提供される。

例示的な方法はブロック４０２から始まる。プリミキサは、１以上の燃料ノズル、１以上の空気入口ダクト、及び１以上のベーンパックを含む。ベーンパックは、第１の軸方向位置で第１のプレミキサ内に位置付けられる。燃料は、ベーンパックの１つ又はそれ以上内に形成された燃料オリフィスを通じて空気流に圧送することができる。次いで、燃料は、第１のベーンパックにより旋回されて、燃料と空気との均一な混合を可能にすることができる。

ブロック４０２の後にブロック４０４が続き、ここでは燃料及び空気がブロック４０２を参照して説明されたのと実質的に同じ様式で第２のプレミキサで混合することができる。第２のプレミキサはまた、１以上の燃料ノズル、１以上の空気入口ダクト、及び１以上のベーンパックを含むことができる。ベーンパックは、第２の軸方向位置に位置付けられ、第１のプレミキサ内のベーンパックの第１の軸方向位置と第２のプレミキサ内のベーンパックの第２の軸方向位置とが互いに対して軸方向に交互配置される。

プレミキサの各々における各ベーンパックは複数のベーンを含むことができる。ベーンの各々は、出口部位又は後縁を有するように形成することができる。例示的な実施形態では、各ベーンパックの出口部位は、各軸方向位置で整列されたものとすることができる。例示的な実施形態では、各ベーンパック内の燃料オリフィスは、軸方向に整列することができるが、他の例示的な実施形態では、各ベーンパック内の燃料オリフィスは、図２から３を参照しながらより詳細に説明されたように、互いに対して軸方向に交互配置することができる。

各プレミキサは更に拡散先端を含むことができる。例示的な実施形態では、各ベーンパック内の拡散先端は、互いに対して軸方向に整列することができるが、他の実施形態では、各ベーンパック内の拡散先端は、図２から３を参照しながらより詳細に説明されたように、互いに対して軸方向に交互配置することができる。

ブロック４０４の後にブロック４０６が続き、ここでは燃料空気混合気が第１のプレミキサ及び第２のプレミキサの両方から燃焼チャンバ内に吐出することができる。

ブロック４０６の後にブロック４０８が続き、ここでは燃料チャンバ内の燃料空気混合気が燃焼される。少なくとも第１及び第２のプレミキサ内のベーンパックの軸方向交互配置により、例えば図２及び３を参照しながら上記で説明された燃焼ダイナミックスが減衰される。例えば燃焼中、混合燃料及び空気の少なくとも一部により放熱振動が引き起こされ、第１のプレミキサ及び第２のプレミキサの上流側に伝播する。次に、第１のプレミキサの第１の燃料濃度波及び第２のプレミキサの第２の燃料濃度波が生成され、火炎燃焼領域まで下流側に移動する。交互配置されたベーンパック、拡散先端、燃料オリフィス、又はこれらの何らかの組み合わせにより、第２の燃料濃度波は、第１の燃料濃度波とは位相がずれる可能性があり、よって燃焼ダイナミックスが減衰される。

種々の燃焼システムにおいて、燃焼ダイナミックスは、例えば低ＮＯｘエミッションに使用される希薄燃料空気混合気の結果として生じる可能性がある。これらの不安定性は、燃焼火炎の火炎ダイナミックスに部分的に依存する場合があり、これは使用される燃料の性質によって規定される。従って、燃焼ダイナミックスを低減するための方法及びシステムは、シンガス、天然ガス、又は同様のものなどの様々なタイプの燃料の使用に対処するよう構成することができる。燃焼ダイナミックスを低減するためのベーンパックの軸方向交互配置及び任意選択の拡散先端の交互配置により、使用される燃料の性質を調整することができる。例えば、図３を参照しながら上記で説明されたように、ベーンパック交互配置、燃料オリフィス交互配置、及び／又は拡散先端交互配置などの様々なパラメータを選び、燃焼ダイナミックスを抑制しながら、同時にエンジンの燃料柔軟性の向上及び作動性の強化を提供することができる。

本明細書で記載された例示的な実施形態に関して、上記の説明及び関連図面で提示された教示の利点を有する多くの修正形態及び他の実施形態が想起されるであろう。すなわち、本発明は、多くの形態で具現化することができ、上述の例示的な実施形態に限定されるものではないことは明らかであろう。従って、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されず、修正形態及び他の実施形態が添付の請求項の範囲内に含まれることが意図される点を理解されたい。本明細書では特定の用語が利用されているが、これらは一般的且つ説明の意味で使用されているに過ぎず、限定を意図するものではない。

１００ ガスタービンエンジン
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼チャンバ
１０６ タービン
１０８ 外部シャフト
１１０ａ 第１のプレミキサ
１１０ｂ 第２のプレミキサ
１１２ａ 第１のプレミキサの空気入口ダクト
１１２ｂ 第２のプレミキサの空気入口ダクト
１１４ａ 第１のプレミキサの空気出口
１１４ｂ 第２のプレミキサの空気出口
１１６ａ 第１のプレミキサにおける旋回燃料空気混合気
１１６ｂ 第２のプレミキサにおける旋回燃料空気混合気
１１８ａ 第１のプレミキサにおける燃焼噴射装置
１１８ｂ 第２のプレミキサにおける燃焼噴射装置
１２０ａ 第１のプレミキサにおける燃料空気混合気
１２０ｂ 第２のプレミキサにおける燃料空気混合気
１２２ａ 第１のベーンパック
１２２ｂ 第２のベーンパック
１２４ａ 第１のプレミキサの燃料噴射オリフィス
１２４ｂ 第２のプレミキサの燃料噴射オリフィス
２０２ａ 第１のプレミキサ
２０２ｂ 第２のプレミキサ
２０２ｃ 第３のプレミキサ
２０４ａ 燃料オリフィス
２０４ｂ 燃料オリフィス
２０４ｃ 燃料オリフィス
２０６ａ 第１のベーンパック
２０６ｂ 第２のベーンパック
２０６ｃ 第３のベーンパック
２０８ａ 拡散先端
２０８ｂ 拡散先端
２０８ｃ 拡散先端
２１０ａ 中央本体
２１０ｂ 中央本体
２１０ｃ 中央本体
２１２ 火炎前面
２１４ａ 圧力振動
２１４ｂ 圧力振動
２１４ｃ 圧力振動
２１６ａ 燃料濃度波
２１６ｂ 燃料濃度波
２１６ｃ 燃料濃度波
３０２ａ 第１のプレミキサ
３０２ｂ 第２のプレミキサ
３０２ｃ 第３のプレミキサ
３０４ｃ 第３のプレミキサの燃料噴射オリフィス
３０６ａ 第１のベーンパック
３０６ｂ 第２のベーンパック
３０６ｃ 第３のベーンパック
３０８ａ 拡散先端
３０８ｂ 拡散先端
３０８ｃ 拡散先端
３１０ａ 中央本体
３１０ｂ 中央本体
３１０ｃ 中央本体
３１２ 火炎前面
３１４ａ 圧力振動
３１４ｂ 圧力振動
３１４ｃ 圧力振動
３１６ａ 燃料濃度波
３１６ｂ 燃料濃度波
３１６ｃ 燃料濃度波
４００ 燃焼チャンバ１０４で燃料空気混合気を燃焼する方法
４０２ 方法４００のｓｔｅｐ１
４０４ 方法４００のｓｔｅｐ２
４０６ 方法４００のｓｔｅｐ３
４０８ 方法４００のｓｔｅｐ４

Claims (10)

1. 第１のプリミキサ（２０２ａ）と第２のプリミキサ（２０２ｂ）とを備えた、ガスタービンエンジン（１００）用燃焼チャンバ（１０４）であって、
   前記プリミキサが各々、１以上の燃料噴射装置（１１８）と、１以上の空気入口ダクト（１１２）と、前記１以上の空気入口ダクト（１１２）からの空気と前記１以上の燃料噴射装置（１１８）からの燃料とを少なくとも部分的に混合するための１以上のベーンパック（２０６ａ及び２０６ｂ）とを含み、
   前記ベーンパック（２０６ａ及び２０６ｂ）の各々が、前記燃料の少なくとも一部及び前記空気の少なくとも一部が通過する複数の燃料噴射オリフィス（２０４ａ及び２０４ｂ）を含み、
   前記第１のプリミキサ（２０２ａ）の１以上のベーンパック（２０６ａ）が第１の軸方向位置に位置付けられ、前記第２のプリミキサ（２０２ｂ）の１以上のベーンパック（２０６ｂ）が前記第１の軸方向位置に対して軸方向に交互配置された第２の軸方向位置に位置付けられる、
   ことを特徴とする燃焼チャンバ（１０４）。
2. 前記１以上のベーンパック（２０６ａ及び２０６ｂ）が複数のベーンを含み、前記各ベーンが出口部位を含み、前記第１のプリミキサ（２０２ａ）の１以上のベーンパック（２０６ａ）の出口部位が前記第１の軸方向位置に位置付けられ、前記第２のプリミキサ（２０２ｂ）の１以上のベーンパック（２０６ｂ）の出口部位が前記第２の軸方向位置に位置付けられる、
   請求項１に記載の燃焼チャンバ（１０４）。
3. 前記第１のプリミキサ（２０２ａ）の１以上のベーンパック（２０６ａ）の複数の燃料噴射オリフィス（２０４ａ）が、前記第２のプリミキサ（２０２ｂ）の１以上のベーンパック（２０６ｂ）の複数の燃料噴射オリフィス（２０４ｂ）と軸方向に整列される、
   請求項１に記載の燃焼チャンバ（１０４）。
4. 前記第１のプリミキサ（２０２ａ）の１以上のベーンパック（２０６ａ）の複数の燃料噴射オリフィス（２０４ａ）が、前記第２のプリミキサ（２０２ｂ）の１以上のベーンパック（２０６ｂ）の複数の燃料噴射オリフィス（２０４ｂ）に対して軸方向に交互配置されている、
   請求項１に記載の燃焼チャンバ（１０４）。
5. 前記第１のプリミキサ（２０２ａ）及び第２のプリミキサ（２０２ｂ）が各々、前記１以上のベーンパック（２０６ａ及び２０６ｂ）の下流側に位置付けられた拡散先端（２０８ａ及び２０８ｂ）を更に含み、前記第１のプリミキサ（２０２ａ）の拡散先端（２０８ａ）が前記第２のプリミキサ（２０２ｂ）の拡散先端（２０８ｂ）と軸方向に整列されている、
   請求項１に記載の燃焼チャンバ（１０４）。
6. 前記第１のプリミキサ（２０２ａ）及び第２のプリミキサ（２０２ｂ）が各々、前記１以上のベーンパック（２０６ａ及び２０６ｂ）の下流側に位置付けられた拡散先端（２０８ａ）を更に含み、前記第１のプリミキサ（２０２ａ）の拡散先端（２０８ａ）が前記第２のプリミキサ（２０２ｂ）の拡散先端（２０８ｂ）に対して軸方向に交互配置されている、
   請求項１に記載の燃焼チャンバ（１０４）。
7. 前記第１の軸方向位置と前記第２の軸方向位置との間の相対間隔が、前記燃焼チャンバ（１０４）内で生成される燃焼ダイナミックスを低減するよう選択される、
   請求項１に記載の燃焼チャンバ（１０４）。
8. 燃焼チャンバ（１０４）内で燃料を燃焼させる方法（４００）であって、
   １以上の燃料噴射装置（１１８ａ）と、１以上の空気入口ダクト（１１２ａ）と、第１の軸方向位置に１以上のベーンパック（２０６ａ）とを含む第１のプレミキサ（２０２ａ）で燃料と空気とを混合する段階（４０２）と、
   １以上の燃料噴射装置（１１８ｂ）と、１以上の空気入口ダクト（１１２ｂ）と、前記第１の軸方向位置に対して軸方向に交互配置された第２の軸方向位置に１以上のベーンパック（２０６ｂ）とを含む第２のプレミキサ（２０２ｂ）で燃料（１０４）と空気とを混合する段階（４０４）と、
   前記第１のプレミキサ（２０２ａ）及び前記第２のプレミキサ（２０２ｂ）から前記混合燃料及び空気を前記燃焼チャンバ（１０４）に吐出する段階（４０６）と、
   前記第１のプレミキサ（２０２ａ）及び前記第２のプレミキサ（２０２ｂ）から前記混合燃料及び空気の少なくとも一部を前記燃焼チャンバ（１０４）で燃焼する段階（４０８）と、
   を含む方法。
9. １以上のベーンパック（２０６ａ及び２０６ｂ）が複数のベーンを含み、前記各ベーンが出口部位を含み、前記第１のプレミキサ（２０２ａ）の１以上のベーンパック（２０６ａ及び２０６ｂ）の出口部位が、前記第１の軸方向位置に位置付けられ、前記第２のプレミキサ（２０２ｂ）の１以上のベーンパック（２０６ａ及び２０６ｂ）の出口部位が、前記第２の軸方向位置に位置付けられる、
   請求項８に記載の燃焼チャンバ（１０４）。
10. 圧縮機（１０２）と、
    燃焼チャンバ（１０４）と、
    前記燃焼チャンバ（１０４）に関連する少なくとも第１のプレミキサ（２０２ａ）及び第２のプレミキサ（２０２ｂ）と、
    を備えたガスタービンエンジン（１００）であって、
    前記各プレミキサ（２０２ａ及び２０２ｂ）が、１以上の燃料噴射装置（１１８）と、１以上の空気入口ダクト（１１２）と、前記１以上の空気入口ダクト（１１２）からの空気及び前記１以上の燃料噴射装置（１１８）からの燃料を少なくとも部分的に混合するための１以上のベーンパック（２０６ａ及び２０６ｂ）とを含み、
    前記複数のベーンの各々が、前記燃料の少なくとも一部及び前記空気の少なくとも一部が通過する複数の燃料噴射オリフィス（２０４ａ及び２０４ｂ）を含み、
    前記第１のプリミキサ（２０２ａ）の１以上のベーンパック（２０６ａ）が第１の軸方向位置で前記第１のプリミキサ（２０２ａ）内に位置付けられ、前記第２のプリミキサ（２０２ｂ）の１以上のベーンパック（２０６ｂ）が、前記第１の軸方向位置に対して軸方向に交互配置された第２の軸方向位置で前記第２のプリミキサ（２０２ｂ）内に位置付けられる、
    ことを特徴とするガスタービンエンジン（１００）。

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