JP2011022078A - タービン翼の振動計測装置及び振動計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブ設置により生じる外乱を減少させ、タービン翼の振動モードの判別が可能となる振動計測装置及び振動計測方法の提供。
【解決手段】作動ガスを受けて回転するタービンインペラ３の端面３ａに向けてレーザー光を投光すると共に反射した上記レーザー光を受光する光学プローブ５０を有し、該光学プローブ５０の受光結果に基づいてタービンインペラ３の振動を計測する振動計測装置１００であって、端面３ａにおいて、１次の振動モードでの腹に対応する位置で、且つ、２次の振動モードでの腹に対応する位置に設けられた第１光学プローブ５０Ａ１及び５０Ａ２と、端面３ａにおいて、１次の振動モードでの腹に対応する位置で、且つ、２次の振動モードでの節に対応する位置に設けられた第２光学プローブ５０Ｂ１及び５０Ｂ２とを有する構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、運転中のタービン翼の振動を非接触で計測する光学プローブを備えるタービン翼の振動計測装置及び振動計測方法に関するものである。

従来から、タービンの性能評価において、運転中のタービン翼の振動を計測することがなされている。下記特許文献１には、歪みゲージをタービン翼に貼付することなく光学的にタービン翼の振動を計測することで、高温の作動ガスに曝されるタービン翼の振動を、特性変化を生じさせることなく計測する振動計測装置が開示されている。

この振動計測装置は、内部に配設された光ファイバーの先端にレンズ及び保護ガラスを備えた光学プローブをタービンのハウジングを貫通させて、その先端をタービン翼の端面に対向配置する。そして、投光用の光ファイバーからタービン翼に向けて投光したレーザー光の反射光を受光用の光ファイバーを介して検知してタービン翼の振動を計測する構成となっている。

特許第２８７４３１０号公報

しかしながら、上記振動計測装置は、タービン翼の振動を局所的に計測するものであるため、タービン翼全体の振動状態（振動モード）が、１次の振動モードであるか２次の振動モードであるかの判別が困難であるという問題がある。

通常は、１次固有振動数ｎ１（Ｈｚ）と２次固有振動数ｎ２（Ｈｚ）とは、ｎ１＜ｎ２の関係にあり、事前のハンマリング等により計測しておくことが可能である。そして、タービン翼の上流側に作動ガスの流れを妨げるような障害物がなければ、１次の固有振動モードが現れる回転数Ｎ１（ｒｐｓ）と、２次の固有振動モードが現れる回転数Ｎ２（ｒｐｓ）とは、下記の式（１）で表される。
Ｎ１＝ｎ１ Ｎ２＝ｎ２ …（１）
ここで、ｎ１＜ｎ２なので、タービンの回転数Ｎｔ（ｒｐｓ）がＮ１とき１次の固有振動モードが、Ｎ２のとき２次の固有振動モードが見られる。したがって、Ｎｔが分かれば何次の振動モードであるかを判別することが従来の方法でも可能であった。

しかしながら、タービン翼の上流側に円周方向等間隔にＮ個配置された部品が存在する場合、１次の固有振動モードは、下記の式（２）で表された回転数Ｎｔ１（ｒｐｓ）であっても現れる。
Ｎｔ１＝ｎ１／Ｎ …（２）
この時、Ｎとｎ１、ｎ２の関係によっては、Ｎ１とＮ２とが同じになってしまう場合がある。したがって、従来の方法では、Ｎｔから何次の固有振動モードであるかを判別することが困難であるという問題がある。

なお、計測データの信頼性向上のために、光学プローブを複数個配置する必要が多々ある。通常考えられる方法として、光学プローブは、円周方向に等間隔に配置される。しかし、等間隔に配置すると、上記の式（２）で示したような現象により、光学プローブを設置したことで振動モードの計測結果に影響を与える。これは、計測の信頼性の面で問題となる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、タービン翼の振動モードの判別が可能となる振動計測装置及び振動計測方法の提供を目的とし、さらには、該振動計測装置及び振動計測方法の計測の信頼性の向上を図ることを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、作動ガスを受けて回転するタービン翼の端面に向けてレーザー光を投光すると共に反射した上記レーザー光を受光する光学プローブを有し、該光学プローブの受光結果に基づいて上記タービン翼の振動を計測するタービン翼の振動計測装置であって、上記端面において、１次の振動モードでの腹に対応する位置で、且つ、２次の振動モードでの腹に対応する位置に設けられた第１光学プローブと、上記端面において、１次の振動モードでの腹に対応する位置で、且つ、２次の振動モードでの節に対応する位置に設けられた第２光学プローブとを有するという構成を採用する。
この構成において、第１光学プローブで、従来行っていた翼振動の計測を行い、本発明により新規設置した第２光学プローブにて振動モードの判別のための計測を行う。
すなわち、第２光学プローブにおいて、１次の振動モードでは腹に相当する部位なので大きな振幅が計測されるのに対し、２次の振動モードでは節に相当する部位なので振幅がほとんど計測されない。このため、第１光学プローブで腹を検知し第２光学プローブが腹を検知している時は１次の振動モードと、第１光学プローブで腹を検知し第２光学プローブが節を検知している時は２次の振動モードと判断できる。

また、本発明では、上記第１光学プローブ及び上記第２光学プローブは複数設けられており、各光学プローブは、上記タービン翼の回転軸周りの周方向において互いに異なる位置に設けられているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、上記のように光学プローブを複数設けると、軸方向において設置スペースを確保することが困難であるため、周方向にずれた位置に光学プローブを配置する。

本発明では、上記タービン翼の周りには上記作動ガスを導くノズルベーンが等間隔で複数設けられており、上記光学プローブは、上記周方向において不等間隔で設けられているという構成を採用する。
タービン翼の周りにノズルベーンが等間隔で複数配置されている場合に、周方向において光学プローブを等間隔で配置すると、上記の式（２）で示したように、光学プローブ自体がタービン翼の振動を励起（共振）する原因となって外乱を与えてしまう虞がある。本発明では、この共振を回避するため光学プローブを周方向に不等間隔で配置する。

また、本発明では、上記タービン翼の周りには上記作動ガスを導くノズルベーンが等間隔で複数設けられており、上記光学プローブの個数と上記ノズルベーンの個数とは素数関係となっているという構成を採用する。
タービン翼の周りにノズルベーンが等間隔で複数配置されている場合に、周方向において光学プローブの個数とノズルベーンの個数とが倍数で配置されると固有振動数との関係で、光学プローブ自体がタービン翼の振動を励起（共振）する原因となって外乱を与えてしまう虞がある。本発明では、この共振を回避するため光学プローブの個数とノズルベーンの個数とを素数関係となるようにする。

また、本発明では、作動ガスを受けて回転するタービン翼の端面に向けてレーザー光を投光すると共に反射した上記レーザー光を受光する光学プローブを有し、該光学プローブの受光結果に基づいて上記タービン翼の振動を計測するタービン翼の振動計測方法であって、上記端面において、１次の振動モード及び２次の振動モードでの腹及び節の位置を予め求める工程と、上記端面において、１次の振動モードでの腹に対応する位置で、且つ、２次の振動モードでの腹に対応する位置に設けられた第１光学プローブを用いて上記タービン翼の振動を計測する工程と、上記端面において、１次の振動モードでの腹に対応する位置で、且つ、２次の振動モードでの節に対応する位置に設けられた第２光学プローブを用いて上記タービン翼の振動を計測する工程とを有するという手法を採用する。

本発明によれば、１次の振動モードでの腹に対応する位置で、且つ、２次の振動モードでの節に対応する位置に設けられた第２光学プローブを設置したことにより、従来の方法では困難であった、同一回転数における１次固有振動モードと、２次固有振動モードの判別が可能となる。また、これらの光学プローブを、円周方向不等間隔やノズルベーンの数と素数関係で設置する方法を採用することで、通常考えられる等間隔で配置した場合と比較して、光学プローブ設置による計測結果への影響を減少させる。
したがって、本発明により、計測の信頼性が向上し、且つ、タービン翼の振動モード判別が可能となる振動計測装置が得られる。

本発明の実施形態における振動計測装置の光学プローブが設けられた可変容量型ターボチャージャを示す全体構成図である。 図１における矢視Ｋ図である。 図２における線視Ｘ１及び線視Ｘ２における断面図である。 図２における線視Ｙ１及び線視Ｙ２における断面図である。 本発明の実施形態におけるタービンインペラの振動モードを示す図である。 本発明の実施形態における振動計測装置の計測結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態における振動計測装置の光学プローブが設けられた可変容量型ターボチャージャを示す全体構成図である。図２は、図１における矢視Ｋ図である。図３は、図２における線視Ｘ１及び線視Ｘ２における断面図である。図４は、図２における線視Ｙ１及び線視Ｙ２における断面図である。図５は、本発明の実施形態におけるタービンインペラの振動モードを示す図である。図６は、本発明の実施形態における振動計測装置の計測結果を示す図である。
図に示すように本実施形態における振動計測装置１００の光学プローブ５０が設けられる供試体は、可変容量型ターボチャージャＴである。

可変容量型ターボチャージャＴは、ベアリングハウジング１ａ、タービンハウジング１ｂ及びコンプレッサハウジング１ｃからなるハウジング１を有している。
ベアリングハウジング１ａ内には、図１中水平方向に延びるタービン軸２が図示しないベアリングを介して回転自在に軸支されている。そして、このタービン軸２の一端側（図示の例では左端側）にはタービンインペラ（タービン翼）３が一体的に連結され、他端側（図示の例では右端側）にはコンプレッサインペラ４が一体的に連結されている。なお、タービンインペラ３はタービンハウジング１ｂ内に配置され、コンプレッサインペラ４はコンプレッサハウジング１ｃ内に配置されるように構成されている。

タービンハウジング１ｂは、タービンインペラ３の径方向外側に設けられるタービンスクロール流路５を有すると共に、タービン軸２の軸心方向で、且つ、そのタービン軸２と反対側に開口する、作動ガスの排気口であるタービンハウジング出口６を有している。また、タービンハウジング１ｂ内のタービンインペラ３の径方向外側には略環状を呈する、可変ノズルユニットＮが設置されている。

タービンスクロール流路５は、タービンインペラ３を囲んで略環状に形成されていると共に、このタービンスクロール流路５は、作動ガスを導入するためのガス流入口５Ａと連通されている。また、タービンスクロール流路５及びタービンハウジング出口６間に形成される空間（流路）には、可変ノズルユニットＮの後述するノズルベーン１２が配置されるように構成されている。

コンプレッサハウジング１ｃには、タービン軸２の軸心方向で、且つ、そのタービン軸２と反対側に開口する吸気口７が形成されている。また、ベアリングハウジング１ａとコンプレッサハウジング１ｃとの間には、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路８がコンプレッサインペラ４の径方向外側で略環状に形成されている。このディフューザ流路８は、コンプレッサインペラ４の設置箇所を介して吸気口７と連通されている。
さらに、コンプレッサハウジング１ｃは、コンプレッサインペラ４の径方向外側で略環状に形成されるコンプレッサスクロール流路９が形成されていていると共に、このコンプレッサスクロール流路９は、ディフューザ流路８と連通されている。なお、コンプレッサスクロール流路９は、図示しない内燃機関の吸気口と連通されている。

可変ノズルユニットＮには、タービンスクロール流路５及びタービンハウジング出口６間に形成される空間（流路）に、シュラウドリング１０及びノズルリング１１間の周囲に所定の等間隔を保って設けられた複数のノズルベーン１２が支軸１３を介して回動自在に設けられている。そして、各ノズルベーン１２の支軸１３は、それぞれ同期用伝達リンク１４に接続されていて、これら同期用伝達リンク１４は、回動自在に設けられている駆動リング１５に連結されている。

上記駆動リング１５は、駆動軸１６の一端側に連結された駆動用伝達リンク１７に連結されている。駆動軸１６は、ベアリングハウジング１ａに設けられた軸受１８に貫通して軸支されている。そして、この駆動軸１６の他端側には、ベアリングハウジング１ａの外側に位置するアクチュエータＡと駆動レバー１９を介して連結されている。

この可変容量型ターボチャージャＴおいて、図示しない内燃機関の排気口から排出された作動ガスはタービンスクロール流路５に導入される。そして、その導入された作動ガスは、シュラウドリング１０及びノズルリング１１間を流通し、タービンインペラ３を回転駆動させ、タービンハウジング出口６から排出される。タービンインペラ３が回転駆動するとタービン軸２で連結されたコンプレッサインペラが回転駆動し、圧縮空気を生成する。

他方、アクチュエータＡの動作は、駆動レバー１９を介して駆動軸１６を回転させ、その駆動軸１６の端部に設けられた駆動用伝達リンク１７を介して駆動リング１５を回転駆動させる。この駆動リング１５が回転駆動することにより、各同期用伝達リンク１４を介して各ノズルベーン１２の角度を同期して傾動（可変）させ、シュラウドリング１０及びノズルリング１１間の開口面積（開度）が変化させられる。そして、この開口面積の変化により、タービンインペラ３に供給される作動ガスの流量が調節される。

光学プローブ５０は、作動ガスを受けて回転駆動するタービンインペラ３に向けて投光したレーザー光の反射光を検知してタービンインペラ３の振動を計測するものであり、レーザー光を導く光ファイバーケーブル５１を備える。光ファイバーケーブル５１は、レーザー光を投光する投光用の光ファイバー（投光部）と、反射光を受光する受光用の光ファイバー（受光部）とを備える。投光用の光ファイバー及び受光用の光ファイバーは、タービンインペラ３の端面３ａに対向する先端部５１ａにおいて露出している。この光学プローブ５０は、タービンインペラ３のラジアル方向（半径方向）に直線的に延び、タービンハウジング１ｂを貫通して、タービンスクロール流路５を横切り、タービンインペラ３の端面３ａ近傍まで延在している。

投光用の光ファイバーは不図示のレーザー発振機に接続されており、レーザー発振機から伝送されたレーザー光は、タービンインペラ３の端面３ａに向けて投光される。そして、タービンインペラ３の端面３ａで反射したレーザー光は、受光用の光ファイバーで受光され伝送される。受光用の光ファイバーで伝送された反射光は、光電変換器で電気信号に変換されて、振動計測装置１００のＰＣ（Personal Computer）によって解析される。タービンインペラ３が振動していると、タービンインペラ３の端面３ａの変形によって反射したパルス状のレーザー光の受光タイミングに微小なズレが生じるので、その変化量を計測することによって、タービンインペラ３の振動レベル（振幅）計測が可能となる。また、振動レベルをＦＥＭ（Finite Element Method）を用いて数値解析することで、タービンインペラ３に作用する応力を計測することが可能となる。

ここで、本実施形態における特徴的な構成を説明する前に、図５を参照して、タービンインペラ３の振動モードについて説明する。なお、図５において、振動が大きい領域（腹）は薄い色調で、逆に振動が小さい領域（節）は濃い色調で示す。
図５に示すように、１次の振動モードでは端面３ａに腹が１つ現れ、次数が上がるごとに腹の数が増えている。ここで、１次の振動モードと２次の振動モードとの違いに着目すると、１次の振動モードでは腹が現れている領域に、２次の振動モードでは節が現れていることが分かる。

そこで、本実施形態の振動計測装置１００は、端面３ａにおいて、１次の振動モードでの腹に対応する位置で、且つ、２次の振動モードでの腹に対応する位置に設けられた第１光学プローブ５０Ａ１及び５０Ａ２（図３参照）と、端面３ａにおいて、１次の振動モードでの腹に対応する位置で、且つ、２次の振動モードでの節に対応する位置に設けられた第２光学プローブ５０Ｂ１及び５０Ｂ２（図４参照）の計４つの光学プローブ５０を用いて、タービンインペラ３の振動モードを振動の腹と節が現れる位置の違いを検知し、タービンインペラ３の振動が１次の振動モードであるか２次の振動モードであるかを判断する構成となっている。

タービンインペラ３の腹や節の位置は、例えばＦＥＭ解析等によって予め求めることができる。なお、これらの位置は、解析時の図面値と、実物の寸法との微小な違いにより、厳密に一致しない可能性がある。しかし、１次の振動モードと２次の振動モードとを判断するに際しては、腹の位置あるいは節の位置が微小にずれていても、その位置に設けられた光学プローブ５０によってこれらの振動の傾向を計測可能であれば、腹や節の位置が厳密に一致しなくても振動モードの判断は可能となる。

第１光学プローブ５０Ａ１（５０Ａ２）は、図３に示すように、タービンインペラ３の出口側角部に対応する位置の端面３ａに向けて取り付けられている。
一方、第２光学プローブ５０Ｂ１（５０Ｂ２）は、図４に示すように、端面３ａにおいて、第１光学プローブ５０Ａ１及び５０Ａ２が取り付けられた位置からコンプレッサ側に軸方向でずれた位置に取り付けられている。
なお、本実施形態のように可変容量型ターボチャージャＴが小型の場合に、光学プローブ５０を複数設けると、軸方向において設置スペースを確保することが困難であるため、図２に示すように、タービンインペラ３の回転軸周りの周方向において互いにずらした位置に光学プローブ５０（５０Ａ１、５０Ａ２、５０Ｂ１、５０Ｂ２）を配置している。

本実施形態のようにタービンインペラ３の周りにノズルベーン１２が等間隔で複数（本実施形態では１４個）配置されている場合に、周方向において光学プローブ５０を等間隔（９０度ピッチ）で配置すると、光学プローブ５０自体がタービンインペラ３の振動を励起（共振）する原因となってしまう虞がある。すなわち、タービンインペラ３が一回転すると、翼一枚が１４個のノズルベーン１２とそれぞれ対向し、一周期あたり１４回の振動が加わる。また、タービンインペラ３が一回転すると、翼一枚が４個の光学プローブ５０と対向し、一周期あたり４回の振動が加わる。これらの振動が、固有振動数との関係で倍数の関係になると、タービンインペラ３が共振して外乱が生じてしまう。

このため、本実施形態では、周方向において光学プローブ５０（５０Ａ１、５０Ａ２、５０Ｂ１、５０Ｂ２）を不等ピッチ（不等間隔）となるように配置している。光学プローブ５０は、光学プローブ５０Ａ１と光学プローブＡ２と間のピッチが角度θ１で、光学プローブ５０Ａ１と光学プローブＢ１と間のピッチが角度θ２で、光学プローブ５０Ｂ１と光学プローブＢ２と間のピッチは角度θ３で配置されている。本実施形態では、角度θ１及び角度θ３が３０度の角度に、角度θ２が４０度の角度に設定されている。

続いて、上記構成の振動計測装置１００を用いて得られたタービンインペラ３の振動の計測結果の一例について、図６を参照して説明する。図６において、縦軸は翼の振幅を、横軸はタービンインペラ３の回転数を示す。また、図６において、細い実線は光学プローブ５０Ａ１の計測結果を、細い点線は光学プローブ５０Ａ２の計測結果を、太い実線は光学プローブ５０Ｂ１の計測結果を、太い点線は光学プローブ５０Ｂ２の計測結果を示す。

図６に示すように、回転数を上げていくと、ラインＬ１までは各光学プローブ５０から出力される振幅は略一定である。なお、このときの振動モードは、光学プローブＡ１及び光学プローブＡ２での振幅の値が高く、光学プローブＢ１及び光学プローブＢ２での振幅の値が低いため、２次の振動モードであると判断できる。
しかし、ラインＬ１を超えてラインＬ２までの間においては、光学プローブＡ１及び光学プローブＡ２での振幅の値が高いままで、光学プローブＢ１及び光学プローブＢ２での振幅の値が増加して、高い値を示している。すなわち、ラインＬ１からラインＬ２の範囲で、タービンインペラ３の振動モードが１次に変化していると判断できる。

したがって、本実施形態によれば、第１光学プローブ５０Ａ１及び５０Ａ２、第１光学プローブ５０Ｂ１及び５０Ｂ２を設けることで、タービンインペラ３の振動モードを、振動の腹と節が現れる位置の違いを検知して判断できる。すなわち、振動が小さい節と節との間には振動が大きい腹に対応する領域があり、２次の振動モードでは、１次の振動モードで腹に対応する領域に節が現れる。このため、第１光学プローブ５０Ａ１及び５０Ａ２で腹を検知し第２光学プローブ５０Ｂ１及び５０Ｂ２が腹を検知している時は１次の振動モードと、第１光学プローブ５０Ａ１及び５０Ａ２で腹を検知し第２光学プローブ５０Ｂ１及び５０Ｂ２が節を検知している時は２次の振動モードと判断できる。
したがって、本実施形態は、従来の方法では困難であった、同一回転数における１次固有振動モードと、２次固有振動モードの判別ができる振動計測装置１００が得られる。

また、本実施形態では、各光学プローブ５０を、タービンインペラ３の回転軸周りの周方向において互いに異なる位置に設けることで、設置スペースを確保することができる。さらに、タービンインペラ３の周りにノズルベーン１２が等間隔で複数配置されている場合に、周方向において光学プローブ５０を等間隔で配置すると、光学プローブ５０自体がタービンインペラ３の振動を励起（共振）する原因となって外乱を与えてしまう虞があるため、本実施形態では、各光学プローブ５０を周方向に不等間隔で配置し、共振による外乱を回避する。したがって、タービンインペラ３の振動を正確に計測することができる。

なお、共振を回避するために、等間隔で配置されたノズルベーン１２の個数と、光学プローブ５０の個数とを素数関係にするという構成を採用してもよい。この構成によれば、これらの振動が、固有振動数との関係で倍数の関係になることがないため、周方向において光学プローブ５０を等間隔で配置することができる。例えば、ノズルベーン１２を１３個設けた場合は、光学プローブ５０を２個設ける構成が採用できる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

２…タービン軸（回転軸）、３…タービンインペラ（タービン翼）、３ａ…端面、１２…ノズルベーン、５０…光学プローブ、５０Ａ１，５０Ａ２…第１光学プローブ、５０Ｂ１，５０Ｂ２…第２光学プローブ、１００…振動計測装置

Claims (5)

1. 作動ガスを受けて回転するタービン翼の端面に向けてレーザー光を投光すると共に反射した前記レーザー光を受光する光学プローブを有し、該光学プローブの受光結果に基づいて前記タービン翼の振動を計測するタービン翼の振動計測装置であって、
   前記端面において、１次の振動モードでの腹に対応する位置で、且つ、２次の振動モードでの腹に対応する位置に設けられた第１光学プローブと、
   前記端面において、１次の振動モードでの腹に対応する位置で、且つ、２次の振動モードでの節に対応する位置に設けられた第２光学プローブとを有することを特徴とするタービン翼の振動計測装置。
2. 前記第１光学プローブ及び前記第２光学プローブは複数設けられており、
   各光学プローブは、前記タービン翼の回転軸周りの周方向において互いに異なる位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のタービン翼の振動計測装置。
3. 前記タービン翼の周りには前記作動ガスを導くノズルベーンが等間隔で複数設けられており、
   前記光学プローブは、前記周方向において不等間隔で設けられていることを特徴とする請求項２に記載のタービン翼の振動計測装置。
4. 前記タービン翼の周りには前記作動ガスを導くノズルベーンが等間隔で複数設けられており、
   前記光学プローブの個数と前記ノズルベーンの個数とは素数関係となっていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のタービン翼の振動計測装置。
5. 作動ガスを受けて回転するタービン翼の端面に向けてレーザー光を投光すると共に反射した前記レーザー光を受光する光学プローブを有し、該光学プローブの受光結果に基づいて前記タービン翼の振動を計測するタービン翼の振動計測方法であって、
   前記端面において、１次の振動モード及び２次の振動モードでの腹及び節の位置を予め求める工程と、
   前記端面において、１次の振動モードでの腹に対応する位置で、且つ、２次の振動モードでの腹に対応する位置に設けられた第１光学プローブを用いて前記タービン翼の振動を計測する工程と、
   前記端面において、１次の振動モードでの腹に対応する位置で、且つ、２次の振動モードでの節に対応する位置に設けられた第２光学プローブを用いて前記タービン翼の振動を計測する工程とを有することを特徴とするタービン翼の振動計測方法。

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