JP2019190447A - ガスタービン - Google Patents

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Abstract

【課題】静翼とロータとの間の隙間に燃焼ガスが漏れ込むのを抑制する。【解決手段】複数段のロータディスクと、ロータディスクの各段に固定された複数の動翼と、を有するロータと、ケーシングと、ケーシングに固定された複数の静翼と、静翼の径方向内側に固定された環状部材40と、を備えるガスタービンであって、ロータディスクは、シールアーム14を有し、環状部材40は、シールアーム14と径方向で対向する外側対向部41を有し、外側対向部41からシールアーム14に向かって突出するシールフィン57と、環状部材40に形成され、少なくとも二つの静翼に跨るように周方向に延びる第一キャビティC1と、第一キャビティC1よりも径方向内側に設けられた第二キャビティC2と、第一キャビティC1と第二キャビティC2との間を接続する複数の圧縮空気排出ライン62と、を備えるガスタービンを提供する。【選択図】図5

Description

本発明は、ガスタービンに関する。
ガスタービンでは、燃焼ガス流路を流れる高温の燃焼ガスが、タービン静翼とロータとの間の隙間に漏れ込んで、静翼の径方向内側に固定されているシールリング保持環やシール装置のメタル温度が上昇してしまうという課題がある。シールリング保持環やシール装置のメタル温度が上昇することにより、熱伸びによりロータ側との間の隙間の拡大し、シール性能の低下に繋がるという課題がある。
例えば、特許文献1には、タービン静翼とロータとの間の隙間に燃焼ガスが漏れ込むのを防止するため、また、燃焼ガスが漏れ込んできたときの温度上昇を抑制するために、静翼の径方向内側に燃焼ガスよりも低い温度のシール空気を供給するガスタービンが記載されている。
特開平11−22412号公報
ところで、シール性能を向上させるためには、供給されるシール空気が周方向に均一に噴き出される必要がある。特許文献1は複数の孔からシール空気を供給する構造であり、シール空気の周方向の均一性の観点から課題が残る。
この発明は、静翼とロータとの間の隙間に燃焼ガスが漏れ込むのを効果的に抑制することができるガスタービンを提供することを目的とする。
本発明の第一の態様によれば、ガスタービンは、軸線を中心として回転するロータであって、軸線方向に重ねられた複数段のロータディスクと、前記ロータディスクの各段に固定された複数の動翼と、を有するロータと、前記ロータを回転可能に覆うケーシングと、
各段の前記複数の動翼に対応してケーシングに固定された複数の静翼と、前記静翼の径方向内側に設けられている内側シュラウドと、各々の前記内側シュラウドの径方向内側に固定された環状部材と、を備えるガスタービンであって、前記ロータディスクは、前記ロータディスクの軸線方向下流側に突出するシールアームを有し、前記環状部材は、前記シールアームの前記径方向外側に配置されて前記シールアームと径方向で対向する外側対向部を有し、前記環状部材の外側対向部の内周面から前記シールアームの外周面に向かって突出し、周方向に延び、軸線方向上流側に向かうにしたがって縮径するテーパ形状をなすシールフィンと、前記環状部材と前記内側シュラウドとによって囲まれて形成され、前記複数の静翼のうち少なくとも二つの静翼に跨るように周方向に延びる第一キャビティと、前記シールフィンの径方向外側、かつ、前記第一キャビティよりも前記径方向内側に設けられ、前記周方向に連通して延び、前記径方向内側に開口する第二キャビティと、前記第一キャビティに圧縮空気を導入する圧縮空気供給ラインと、周方向に間隔をあけて設けられ、前記第一キャビティと第二キャビティとの間を接続する複数の圧縮空気排出ラインと、を備える。
このような構成によれば、圧縮空気がシールフィンに沿うように排出されることによって、静翼とロータとの間の隙間に漏れ込んだ燃焼ガスに対向するように圧縮空気が噴出され、燃焼ガスの流入を効果的に抑制することができる。
また、環状部材の内部の第一キャビティが周方向に延びるとともに、第二キャビティが周方向に延びるように形成されていることによって、噴出される圧縮空気の周方向の均一性が高くなり、エアカーテンとしての機能を向上させることができる。
上記ガスタービンにおいて、前記シールフィンと軸線とのなす角度が50°以下であってよい。
このような構成によれば、シールフィンの先端部の微小隙間を通過しようとする燃焼ガスを上流側に押し戻しつつ、縮流する効果を向上させることができる。
上記ガスタービンにおいて、前記環状部材の前記径方向内側に形成された凹部と、前記シールフィンの軸線方向下流側に接続されて周方向に延び、前記凹部との間に前記第二キャビティを形成するガイド板と、を有してよい。
このような構成によれば、複数の圧縮空気排出ラインのうち少なくとも一つの圧縮空気排出ラインを封止することによって、第一キャビティから第二キャビティに流入する圧縮空気の流量を調整することができる。
上記ガスタービンにおいて、前記第二キャビティの前記シールフィンに対向する面は、前記シールフィンと平行であってよい。
このような構成によれば、噴出される圧縮空気の周方向の均一性を更に向上させることができる。
上記ガスタービンにおいて、前記環状部材の外側対向部の内周面からシールアームの外周面に向かって突出し、周方向に延び、前記第二キャビティを介して前記シールフィンに対向する上流側シールフィンを有してよい。
このような構成によれば、エアカーテンとして機能する圧縮空気の周方向の均一性を更に高くすることができる。
本発明によれば、圧縮空気がシールフィンに沿うように排出されることによって、静翼とロータとの間の隙間に漏れ込んだ燃焼ガスに対向するように圧縮空気が噴出され、燃焼ガスの流入を効果的に抑制することができる。
また、環状部材の内部の第一キャビティが周方向に延びるとともに、第二キャビティが周方向に延びるように形成されていることによって、噴出される圧縮空気の周方向の均一性が高くなり、エアカーテンとしての機能を向上させることができる。
本発明の第一実施形態のガスタービンの構成を示す模式図である。 本発明の第一実施形態のガスタービンの要部断面図である。 図2中のロータディスク及びシールリング保持環周りの詳細断面図である。 図3中のシールリング保持環回りの詳細断面図である。 本発明の第一実施形態のシール装置の詳細断面図である。 本発明の第一実施形態のシール装置の詳細断面図である。 本発明の第一実施形態の変形例のシール装置の詳細断面図である。 本発明の第二実施形態のシール装置の詳細断面図である。
〔第一実施形態〕
以下、本発明に係るガスタービンの第一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1に示すように、本実施形態のガスタービン100は、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機1と、燃料供給源(図示せず)から供給される燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器2と、燃焼ガスにより駆動するタービン3と、を備えている。
図2に示すように、タービン3は、軸線Arを中心として回転するロータ10と、ロータ10を回転可能に覆うケーシング5と、を備えている。ロータ10には、例えば、ロータ10の回転で発電する発電機4(図1参照)が接続されている。以下では、ロータ10の軸線Arが延びている方向を軸線方向Daとする。軸線Arの径方向Drで、軸線Arに近づく側を径方向内側、軸線Arから遠ざかる側を径方向外側とする。
ロータ10は、軸線方向Daに重ねられた複数段のロータディスク11と、ロータディスク11の各段に固定され軸線Arの周方向Dcに並んでいる複数の動翼21と、を有している。ケーシング5の内周には、各段の複数の動翼21に対応して複数の静翼31が固定されている。各段の複数の静翼31は、軸線Arの周方向Dcに並んで配置されている。
各段の複数の静翼31の径方向内側には、シールリング保持環40(保持部材)が固定されている。
図3に示すように、複数の段毎のロータディスク11には、上流側Da1に突出した上流側リム部12と、下流側Da2に突出したシールアーム14及び下流側リム部15と、が形成されている。ロータディスク11の下流側リム部15は、シールアーム14よりも径方向内側に位置し、ロータディスク11の下流側Da2に隣接する下流側ロータディスク11Dの上流側リム部12と対向している。
上流側ロータディスク11uの下流側リム部15と下流側ロータディスク11Dの上流側リム部12との間にはエアバッフル19が設けられている。
ロータディスク11に固定される動翼21は、径方向Drに延びる動翼本体22と、動翼本体22の径方向内側に設けられているプラットフォーム23と、プラットフォーム23の径方向内側に設けられているシャンク24と、シャンク24の径方向内側に設けられている翼根(図示せず)と、を有している。動翼21は、動翼21の翼根がロータディスク11に差し込まれることで、ロータディスク11に固定される。
ケーシング5に固定されている静翼31は、ケーシング5の内周面から径方向内側に延びる静翼本体32と、静翼本体32の径方向内側に設けられている内側シュラウド33と、この内側シュラウド33から径方向内側に延びる一対の脚部34と、を有している。
内側シュラウド33とシールリング保持環40とによって、周方向Dcに延在する第一キャビティC1が形成されている。第一キャビティC1は、少なくとも二つの静翼31に跨るように形成されている。
静翼本体32には、静翼31の冷却のため、圧縮機1(図1参照)の途中から抽気された圧縮空気A(冷却ガス)の一部を内側シュラウド33に供給する圧縮空気供給ライン39が静翼本体32を径方向Drに貫通するように配置されている。圧縮空気供給ライン39の端部は、第一キャビティC1で開口している。
図2に示すように、静翼31の内側シュラウド33の径方向外側の面と、動翼21のプラットフォーム23の径方向外側の面と、ケーシング5の内周面とに囲まれた空間は、燃焼器2からの燃焼ガスGが流れる燃焼ガス流路GPである。
図3に示すように、シールリング保持環40の径方向内側には、上流側ロータディスク11uのシールアーム14と径方向Drで対向する外側対向部41が形成されている。
シールリング保持環40の径方向内側には、上流側ロータディスク11uの下流側リム部15及び下流側ロータディスク11Dの上流側リム部12と径方向Drで対向する内側対向部42が形成されている。外側対向部41は、内側対向部42を基準にして、上流側Da1で且つ径方向外側の位置に形成されている。
タービン3は、シールリング保持環40の外側対向部41と、シールアーム14との間をシールするシール装置50を備えている。
シールリング保持環40の内側対向部42の上流側Da1には、内側対向部42と径方向Drで対向する上流側ロータディスク11uの下流側リム部15との間をシールするリーフ状シール72が設けられている。
シールリング保持環40の内側対向部42の下流側Da2には、内側対向部42と径方向Drで対向する下流側ロータディスク11Dの上流側リム部12との間をシールするラビリンスシール73が設けられている。
リーフ状シール72とは、多数の薄板シール片と、多数のシール片の端部を保持する保持部とを備えているものである。多数の薄板シール片は、それぞれの厚さ方向を回転体(ロータディスク11の下流側リム部15)の周方向Dcに向け、且つ互いに周方向Dcに微小隙間を保持して回転体の周囲に配列されている。各薄板シール片の径方向内側の端部は、自由端で、径方向外側の端部が保持部で保持されている。各薄板シール片は、その径方向内側の自由端がその径方向外側の固定端部よりも回転体の回転方向側に位置するよう傾斜配置されている。
リーフ状シール72において、各薄板シール片の自由端は、回転体が静止している際には、回転体と接触しているものの、回転体が回転すると、回転体の回転によって生じる動圧効果により、回転体の外周面から浮上して、非接触状態となる。このため、このリーフ状シール72は、極めて高いシール性能を有すると共に、高い耐久性を有している。
なお、本実施形態では、内側対向部42下流側リム部15との間をシールするシール装置としてリーフ状シール72を採用したが、これに限ることはなく、例えば、ブラシシールを採用することも可能である。
第一キャビティC1は、少なくともシールリング保持環40と、内側シュラウド33とによって囲まれて形成されている。本実施形態では、シールリング保持環40の径方向外側には、内側シュラウド33の脚部34に接続される接続部43が設けられており、第一キャビティC1はその一部を接続部43によっても囲まれている。接続部43はシールリング保持環40と一体部品として形成することもできる。
次に、シールリング保持環40の外側対向部41に設けられているシール装置50について説明する。
図5に示すように、シール装置50は、シールフィン57が一体となったガイド板ユニット55と、シールリング保持環40の径方向内側に形成され、ガイド板ユニット55との間に周方向Dcに連通して延在する第二キャビティC2を形成する凹部58と、第一キャビティC1内の圧縮空気Aを第二キャビティC2(凹部58)に排出する複数の圧縮空気排出ライン62と、を備えている。第二キャビティC2は、シールフィン57の径方向Dr外側に設けられている。
凹部58及びガイド板ユニット55によって形成される第二キャビティC2は、ガイド板ユニット55によって完全に覆われておらず、開口52を有している。圧縮空気排出ライン62から第二キャビティC2に導入された圧縮空気Aは、第二キャビティC2の開口52からシールフィン57に沿って噴出される。
凹部58は、本体部59と、本体部59の上流側Da1に形成され、上流側Da1に向かうにしたがって外側対向部41に近づくスリット部60とを有している。凹部58は、本体部59の内周面が軸線Arと平行となるように形成されている。
ガイド板ユニット55は、軸線Arを中心とする円筒形状のガイド板56と、ガイド板56の軸線方向上流側Da1の端部に接続されたシールフィン57と、を有している。ガイド板56は、凹部58との間に第二キャビティC2を形成する。
ガイド板56は、外側対向部41として機能する。第二キャビティC2は、シールリング保持環40の内部で、第一キャビティC1よりも径方向内側に設けられ、外側対向部41の内周面に開口52を有している。第二キャビティC2の径方向Dr外側には、圧縮空気排出ライン62が接続されている。
シールフィン57は、開口52の下流側の端部52aからシールアーム14の外周面に向かって突出している。
シールフィン57は、径方向Dr内側に向かって延びるとともに、周方向に延在する薄板状をなしている。シールフィン57の先端部と、シールアーム14との間には、径方向Drに微小隙間G1が形成されている。
シールフィン57は、周方向に延び、上流側Da1に向かうにしたがって縮径するテーパ形状をなしている。換言すれば、シールフィン57は、先端部(径方向内側の端部)に向かうに従って、上流側Da1に向かって傾斜している。シールフィン57と軸線Arとのなす角度θは、48°以下であることが好ましい。角度θは、ガスタービン100の仕様に応じて適宜変更することができる。角度θは、例えば、50°以下とすることができる。
凹部58の本体部59は、ガイド板56と平行となるように形成されている。凹部58のスリット部60は、スリット部60の内周面がガイド板ユニット55のシールフィン57と平行となるように形成されている。
第二キャビティC2のシールフィン57と対向する面であるスリット部60の内周面は、シールフィン57と平行となるように形成されている。スリット部60の内周面とシールフィン57との間は、周方向Dcに延び、圧縮空気Aを排出するスリットとして機能する。
圧縮空気排出ライン62は、周方向Dcに間隔を開けて複数設けられている。圧縮空気排出ライン62の数は、例えば、静翼31の枚数の2倍程度とすることができる。圧縮空気排出ライン62は、図示しないキャップを用いて封止することができる。
凹部58(第二キャビティC2)及びガイド板ユニット55は、凹部58の本体部59の内周面59aとガイド板56の外周面との間の間隔、即ち、第二キャビティC2の径方向Drの大きさをD3、凹部58のスリット部60の内周面とシールフィン57の外周面との間の間隔、即ち、スリットの幅をW2とすると、W2<D3となるように形成されている。
図6に示すように、ガイド板ユニット55とシールリング保持環40とは、ガイド板ユニット55に形成されているボス部63を介して固定されている。ボス部63は、ガイド板56の外周面に、周方向Dcに間隔を開けて複数形成されている。ボス部63は、ガイド板56の外周面から径方向外側に突出して、凹部58の本体部59に突き当たるように形成されている。
ボス部63と圧縮空気排出ライン62とは、周方向Dcにずらされている。即ち、ボス部63と圧縮空気排出ライン62とは、互いに干渉しないように、周方向Dcの位置が異なるように配置されている。
ボス部63には、ボルトが挿通される貫通孔64が形成されている。ガイド板ユニット55は、ボルト65によってシールリング保持環40に固定される。
次に、本実施形態のガスタービン100の作用について説明する。
燃焼器2から導入された高温高圧の燃焼ガスGは、燃焼ガス流路GPを通り、その過程で動翼21に接触することで、動翼21を有するロータ10を軸線Ar回りに回転させる。
また、ケーシング5の外側から、静翼31内に設けられている圧縮空気供給ライン39に供給された圧縮空気A(一点鎖線)は、第一キャビティC1を経て、圧縮空気排出ライン62を介して第二キャビティC2に排出される。圧縮空気Aは第二キャビティC2内において周方向Dcで均一化された後、シールリング保持環40とシールアーム14との間にエアカーテンとして噴出される。
噴出された圧縮空気Aの一部は、上流側Da1に漏れて、燃焼ガス流路GPへ排出される。また、噴出された圧縮空気Aの一部は、シールフィン57とシールアーム14との間の微小隙間G1から下流側Da2に漏れ、次いで、リーフ状シール72、及びラビリンスシール73から漏れて、燃焼ガス流路GPに排出される。これにより、燃焼ガスGが静翼31とロータ10との間の隙間に漏れ込むのが防止される。
上記実施形態によれば、圧縮空気Aが、上流側Da1に向かうにしたがって縮径するテーパ形状をなすシールフィン57に沿うように噴出されることによって、静翼31とロータ10との間の隙間に漏れ込んだ燃焼ガスGに対向するように圧縮空気Aが噴出され、燃焼ガスGの流入を効果的に抑制することができる。
また、シールリング保持環40の内部の第一キャビティC1が周方向Dcに延びるとともに、第二キャビティC2が周方向Dcに延びるように形成されていることによって、噴出される圧縮空気Aの周方向Dcの均一性が高くなり、エアカーテンとしての機能を向上させることができる。
また、シールフィン57と軸線Arとのなす角度θを50°以下とすることによって、シールフィン57の先端部の微小隙間G1を通過しようとする燃焼ガスGを上流側Da1に押し戻しつつ、縮流する効果を向上させることができる。
また、複数の圧縮空気排出ライン62のうち少なくとも一つの圧縮空気排出ライン62を封止することによって、第一キャビティC1から第二キャビティC2に流入する圧縮空気Aの流量を調整することができる。
また、凹部58のスリット部60の内周面とシールフィン57とが平行となるように形成されていることによって、噴出される圧縮空気Aの周方向Dcの均一性を更に向上させることができる。
なお、上記実施形態では、圧縮空気排出ライン62を貫通孔としたが、これに限ることはない。例えば、圧縮空気排出ライン62を、周方向Dcに延在するスリットとしてもよい。
〔第一実施形態の変形例〕
図7は、第一実施形態の変形例のシール装置50Bの断面図である。図7に示すように、第一実施形態の変形例のシール装置50Bは、シールフィン57の上流側Da1に配置され、外側対向部41と径方向Drで対向するシールアーム14との間をシールする上流側シールフィン51を有している。
上流側シールフィン51は、外側対向部41から径方向内側に向かって延びるとともに、周方向に延在する薄板状をなしている。上流側シールフィン51の先端部と、シールアーム14との間には、径方向Drに微小隙間G2が形成されている。
上流側シールフィン51とシールアーム14との間の微小隙間G2とシールフィン57とシールアーム14との間の微小隙間G1とは、同じ寸法である。
上記変形例によれば、エアカーテンとして機能する圧縮空気Aの周方向Dcの均一性を更に高くすることができる。
〔第二実施形態〕
以下、本発明の第二実施形態のガスタービンについて図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態の変形例との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図8に示すように、シール装置50Cの上流側シールフィン51は、第二キャビティC2を介してシールフィン57に対向している。シールフィン57は、外側対向部41に直接固定されている。圧縮空気排出ライン62Bは、第一キャビティC1から第二キャビティC2に向かうに従って上流側Da1に傾斜している。
上流側シールフィン51とシールアーム14との間の微小隙間G2とシールフィン57とシールアーム14との間の微小隙間G1とは、同じ寸法である。上流側シールフィン51の径方向Drの長さをL、上流側シールフィン51とシールフィン57の先端との間の軸線方向Daの間隔をD1とすると、上流側シールフィン51とシールフィン57は、以下の式(1)を満足するように配置されている。
0.2 < L/D1 < 10 ・・・(1)
なお、上記した上流側シールフィン51の径方向Drの長さLと、上流側シールフィン51とシールフィン57の先端との間の軸線方向Daの間隔D1との関係式は、第一実施形態の変形例のシール装置50Bにも適用することができる。
第二キャビティC2の径方向外側の軸線方向Daの幅D2は、圧縮空気排出ライン62Bの軸線方向Daの幅W1よりもやや大きいか、同じである。
圧縮空気排出ライン62Bの中心線CLと軸線Arとのなす角度は、シールフィン57の角度θと略同じである。
上記実施形態によれば、ガイド板ユニット55を廃することによって、シール装置の構造を簡素化することができる。
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、以上の実施形態では、シール装置50をシールリング保持環40に設ける構成としているが、これに限ることはなく、静翼31の径方向内側の端部を周方向Dcで接続する他の環状部材に設けてもよい。
1 圧縮機
2 燃焼器
3 タービン
4 発電機
5 ケーシング
10 ロータ
11 ロータディスク
12 上流側リム部
14 シールアーム
15 下流側リム部
19 エアバッフル
21 動翼
22 動翼本体
23 プラットフォーム
24 シャンク
31 静翼
32 静翼本体
33 内側シュラウド
34 脚部
39 圧縮空気供給ライン
40 シールリング保持環(環状部材)
41 外側対向部
42 内側対向部
43 接続部
50 シール装置
51 上流側シールフィン
52 開口
55 ガイド板ユニット
56 ガイド板
57 シールフィン
58 凹部
59 本体部
60 スリット部
62 圧縮空気排出ライン
72 リーフ状シール
73 ラビリンスシール
100 ガスタービン
A 圧縮空気
Ar 軸線
C1 第一キャビティ
C2 第二キャビティ
Da 軸方向
Dc 周方向
Dr 径方向
G1,G2 微小隙間

Claims (5)

  1. 軸線を中心として回転するロータであって、軸線方向に重ねられた複数段のロータディスクと、前記ロータディスクの各段に固定された複数の動翼と、を有するロータと、
    前記ロータを回転可能に覆うケーシングと、
    各段の前記複数の動翼に対応してケーシングに固定された複数の静翼と、
    前記静翼の径方向内側に設けられている内側シュラウドと、
    各々の前記内側シュラウドの径方向内側に固定された環状部材と、を備えるガスタービンであって、
    前記ロータディスクは、前記ロータディスクの軸線方向下流側に突出するシールアームを有し、
    前記環状部材は、前記シールアームの前記径方向外側に配置されて前記シールアームと径方向で対向する外側対向部を有し、
    前記環状部材の外側対向部の内周面から前記シールアームの外周面に向かって突出し、周方向に延び、軸線方向上流側に向かうにしたがって縮径するテーパ形状をなすシールフィンと、
    前記環状部材と前記内側シュラウドとによって囲まれて形成され、前記複数の静翼のうち少なくとも二つの静翼に跨るように前記周方向に延びる第一キャビティと、
    前記シールフィンの径方向外側、かつ、前記第一キャビティよりも前記径方向内側に設けられ、前記周方向に連通して延び、前記径方向内側に開口する第二キャビティと、
    前記第一キャビティに圧縮空気を導入する圧縮空気供給ラインと、
    前記周方向に間隔をあけて設けられ、前記第一キャビティと第二キャビティとの間を接続する複数の圧縮空気排出ラインと、を備えるガスタービン。
  2. 前記シールフィンと軸線とのなす角度が50°以下である請求項1に記載のガスタービン。
  3. 前記環状部材の前記径方向内側に形成された凹部と、
    前記シールフィンの軸線方向下流側に接続されて前記周方向に延び、前記凹部との間に前記第二キャビティを形成するガイド板と、を有する請求項1又は請求項2に記載のガスタービン。
  4. 前記第二キャビティの前記シールフィンに対向する面は、前記シールフィンと平行である請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のガスタービン。
  5. 前記環状部材の外側対向部の内周面からシールアームの外周面に向かって突出し、前記周方向に延び、前記第二キャビティを介して前記シールフィンに対向する上流側シールフィンを有する請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のガスタービン。
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