JP3835849B2 - モジュール部品、タービン及びタービン製造方法 - Google Patents
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Description
【技術分野】
この発明は高度のハードウエアの共通性を持ち、異なる周波数の用途で運転されるガスタービン、特に共通のモジュール部品を使って、50Hz及び60Hzの電力回路網周波数で陸上運転に使われるガスタービンに関する。
【0002】
【背景】
ガスタービンは、陸上の発電用に使う時、電力回路網の周波数に応じて、50Hz及び60Hzの両方で使えることが要求されるのが典型的である。両方の周波数に対する機械を開発して製造することに伴うコストは、非常に大きいものがある。例えば、各々の異なる周波数の用途用に設計されたタービンの部品は、典型的にはそのタービンに独特である。この結果、工具の投資コストが一層高くなり、2つのタービンの間でハードウエアの共通性があれば、タービンのコストに有利に働くのに、その様な共通性が事実上ない。
【0003】
50Hz及び60Hzの周波数の用途の為のガスタービンを開発する為に普通使われる1つの方式は、一方の設計に単純に幾何学的な倍率をかけて第2の周波数用にするものである。この倍率作用は、異なる周波数の用途に対して空気力学的及び機械的に同様な圧縮機及びタービンを作るのに、機械の物理的な寸法を減少又は増加すると同時に、回転速度を増加又は減少することが出来ると云う原理に基づいている。この倍率方式を用いることにより、両方の周波数の用途に対するタービンを開発することが出来、これは開発コストを切下げるが、依然としてタービンの部品は特定の周波数の用途に対するタービンに独特である。例えば、50Hzの用途に設計されたタービンの部品は、周波数比50/60=0.833の幾何学的な倍率にすれば、60Hzの周波数で同様なタービンの性能が得られる。この固定の幾何学的な倍率を用いると、動力出力の倍率は周波数の逆自乗になる。即ち、(50/60)2 =0.694。従って、100メガワットの動力出力を発生する様に50Hzで寸法を定めたタービンは、0.833の倍率を幾何学的に乗じた時、60Hzでは、69.4メガワットの動力出力になる。更に一般的に、タービンの設計で幾何学的な倍率を用いる時、1つの速度に於ける出力動力と別の速度に於ける動力出力との間には一定の関係又は比がある。この倍率方式の利点は、1つの周波数で寸法を定めた部品は、ある倍率の周波数で容易に設計し直しが出来ることにある。しかし、タービンの出力が倍率によって固定され、その為、一方又は他方のタービンは特定の用途に対して最適でないことがある。即ち、市場の需要では、タービンが相異なる周波数で運転されることが要求されることがあり、第1のタービンに幾何学的な倍率をかけて第2のタービンにした時、1つの周波数で1つのタービンの動力出力が得られても、その結果、別の周波数では他方のタービンの所望の出力が得られないことがある。同じく重要なことゝして、1つの周波数で用いられる基本タービンに対する部品(ハードウエア)は、異なる周波数の用途に対する倍率をかけて定めるタービンの部品(ハードウエア)と事実上何の共通性もなく、その結果、工具のコスト及び部品のコストが高くなると共に、その他の欠点が生ずる。
【0004】
【発明の開示】
この発明では、ハードウエアの共通性を実質的で意味のあるものにすると共に、各々の用途に於けるタービンの性能の損失を最小限又は無視し得るものにし、こうして設計、ハードウエア及び工具の共通性によってコストの大幅な切下げを実現する様な、50Hz及び60Hzの用途で使うことの出来るガスタービンが提供される。設計サイクル時間の短縮、並びに相異なる動力出力及び周波数で使われるタービンの設計及び製造に必要な資源の減少と云う点で、この他の経済的な利点が実現される。更に、この発明は幾何学的な倍率と動力出力の間の関係を破ることにより、圧縮機の質量流量を設定すると共にそれに応じてタービンを調節することにより、50Hz及び60Hz用機械の出力をタービンとは無関係に設定することが出来る。簡単に云えば、この発明によると、相異なる周波数に於ける相異なる動力出力を持つタービンの設計が、もはや幾何学的な倍率によって拘束されない。
【0005】
例えば50Hz又は60Hzと云う様な相異なる周波数の用途に対する2つのタービンの一方又は他方の設計では、2つのタービンに対して出来る限り、同一の高温ガス流路を設けるのが望ましいことを考慮して、タービンの下流側のディフューザに於ける圧力損失並びにその機械的な性能が受入れられる様に、最初にタービン出口マッハ数を設定する。所定の点火温度に対し、タービンの圧力比、並びにタービン・エーロフォイル並びにシュラウドの様な付属部品及びガス通路に導入される冷却空気の量が、最終段バケットの金属温度を決定する。最終段バケットに適当な合金を選ぶことにより、最大許容遠心応力を、例えば、60Hz機械に対して決定することが出来る。この遠心応力はAを最終段バケットによって形成される環帯面積、Nを回転速度として、AN2 に正比例する。出口マッハ数を制限することにより、タービンを通る最大許容流量を決定することが出来、従ってその動力出力を決定することが出来る。
【0006】
例えば50又は60Hzと云う様な所定の初期設計に対し、例として60Hzを考えると、流路のハブ(内側)半径は、タービンの性能、回転子の長さと重量、漏れ等を考慮して設定することが出来る。ハブ半径及び最終段環帯面積が設定されると、バケット先端半径を定めることが出来る。遠心応力の計算にN2 項がある為、バケットの長さは速度が一層高い60Hzタービンによって制限される。50Hz機械に必要な余分のタービン動力出力を持たせる為、60Hz機械の設計の拘束が決まっているとして、同一の点火温度及び同じガス流動特性及び略同様な圧力比を想定すると、タービンの一定面積の流路を通る質量流量を増加しなければならない。許容し得る出口マッハ数を保ちながら、この増大した質量流量を与える為、出口環帯の高さを増加して、出口面積を増加する。50Hzタービンに対する最終段ノズル及びバケットのこの高さの増加は、先端区域で行われ、60Hzタービンとの共通のハブ半径を保つ。この為、最終段、例えば、4段タービンの第4段はノズル及びバケットの先端半径が増加する。質量流量の増加に対処しながら、タービンの圧力比を維持する為、第1段のノズル及びバケットは、そののど面積、即ち、流れの通過に利用し得る面積を増加する様に変更する。第1段の流路を形成する環帯の断面積は同じまゝであるが、例えばバケット及び仕切り壁の向きの変化の為、その流れ面積が増加する。
【0007】
重要なことゝして、この発明では、中間段、例えば4段タービンの第2段及び第3段の形状は、相異なる周波数で相異なる動力出力を持つタービンの間で変わらないまゝである。50Hz及び60Hzタービンの間での速度及び質量流量の変化により、第2段及び第3段のエーロフォイルに流入するガスの入射角が若干変化するが、こう云う入射角の変化は、これらの段のエーロフォイルの設計によって受入れることが出来る。更に、流量内のガス圧力は出力の異なるタービンで変化するが、冷却流及びパージ流の源の圧力は両方の機械で適切な逆流余裕が保たれることを保証する様に選ぶことが出来、こうして流路内の高温ガスが回転子空所に入って回転子構造を損傷したり、又はガス通路部品内の冷却材通路に入ることを防止することが出来る。
【0008】
遠心力によって発生される曲げ荷重がガス圧力によって発生される荷重と対抗する様に、バケットのエーロフォイルの向きが通常定められていることが理解されよう。中間段、例えば、4段タービンの第2段及び第3段では、エーロフォイルは両方の動力出力及び周波数で動作することが要求され、この結果遠心曲げ荷重は2種類の速度で異なる。しかし、両方の速度で正味の曲げ応力を許容し得るレベルまで減少する様に、エーロフォイルを円周方向及び軸方向に中間位置に傾けることが出来ることが判った。
【0009】
更に、以上説明した所から、この結果得られる相異なる周波数で相異なる動力出力を持つタービン、例えば、50及び60Hzタービンが、高度のハードウエアの共通性を持つことが理解されよう。具体的に云うと、回転子、4段全部に対するバケットの回転子ホイール、段間スペーサ、羽根車の板、後軸、前軸、封じ板、第2段及び第3段に対するバケット、第2段及び第3段のノズル、隔壁、第2段及び第3段バケットと共に第1段バケットに対するシュラウド、内側殻体及び外側殻体が、50及び60Hzタービンの両方に対する共通のハードウエア部品である。若干云い方を変えれば、個別の50及び60Hz機械に独特な品目は、主に最初の段及び最終段のノズルとバケット、最終段のシュラウド、及び出口環帯に於けるディフューザのフェアリングである。従って、この発明は、例えば50Hz及び60Hzの用途と云う様な異なる周波数の用途を持つタービンに使われるタービン部品の間に高度のモジュール性を持つものと特徴づけることが出来る。
【0010】
この発明の好ましい実施例では、夫々第1及び第2の相異なる周波数の電力回路網に対する相異なる動力出力を持つ第1及び第2のタービンの対応するタービン段に用いる同一のモジュール部品が提供される。タービンの夫々の動力出力は幾何学的な倍率によって達成し得るものではなく、各タービン段の部品は不動の仕切り壁(ノズル)及び回転自在のバケットで構成される。
【0011】
この発明の別の好ましい実施例では、第1の動力出力を持つと共に、最初の段、中間段及び最終段を含み、各段が不動の仕切り壁を持つ固定の隔壁、及びバケットを持つ回転自在のタービン・ホイールで構成されているタービンが提供される。このタービンの少なくとも1つの中間段は、第1の動力出力とは異なる第2の動力出力を持つ第2のタービンの対応する中間段と同一の形状を有するが、動力出力は第1及び第2のタービンの速度による幾何学的な倍率によっては達成されないものである。
【0012】
この発明の更に別の好ましい実施例では、第1の周波数を持つ電力回路網に接続される第1の動力出力を持つ第1のタービンと、第1の動力出力とは異なる第2の動力出力を持ち、第2の周波数を持つ電力回路網に接続される第2のタービンとを有し、第1及び第2のタービンの各々が複数個の段を持ち、各段が仕切り壁及びバケットを含み、第1のタービンの少なくとも1つの段及び第2のタービンの1つの段が幾何学的に同一である様な発電装置が提供される。
【0013】
この発明の更に別の好ましい実施例では、第1の定格速度で動作し得る第1のタービンと、第1の速度とは異なる第2の定格速度で動作し得る第2のタービンとを有し、第1及び第2のタービンの各々が複数個の段を持ち、各段が仕切り壁及びバケットを含み、第1のタービンの少なくとも1つの段及び第2のタービンの1つの段が同一の寸法及び形の仕切り壁及びバケットを持ち、第1及び第2のタービンが速度による幾何学的な倍率ではない寸法を持つ様な発電装置が提供される。
【0014】
この発明の更に別の好ましい実施例では、相異なる動力出力で使われるタービンを製造する方法が提供される。この方法は、最初の段、中間段及び最終段を持ち、各段が仕切り壁及びバケットを持つ第1のタービンに対する所望の動力出力を選び、第1のタービンに対する各段の仕切り壁及びバケットの形状を設定し、最初の段、中間段及び最終段を持ち、当該第2のタービンの各段が仕切り壁及びバケットを持つ様な第2のタービンに対する所望の動力出力を選ぶ工程を含み、選ばれた動力出力は第1及び第2のタービンの速度による幾何学的な倍率によっては達成されないものであり、第1のタービンの中間段の形状と同一の形状を持つ第2のタービンの中間段を設けることを含めて、第2のタービンの各段の仕切り壁及びバケットの形状を設定する工程を含む。
【0015】
この発明の更に別の好ましい実施例では、略同一の点火温度及び圧力比を持ち、略同一の特性を持つガス流に使われる第1及び第2のタービンを製造する方法が提供される。各タービンは最初の段、中間段及び最終段を持ち、各段が仕切り壁及びバケットを含む。この方法は、夫々第1及び第2のタービンに取付けられる1対の最初の段を形成する工程を含み、最初の段は互いに相異なる形状を持っており、更に、夫々第1及び第2のタービンに取付けられる1対の最終段を形成する工程を含み、最終段は互いに異なる形状を持ち、更に、夫々第1及び第2のタービンに取付けられる、互いに同一の幾何学的な特性を持つ1対の中間段を形成し、夫々第1及び第2のタービンに各段を取付ける工程を含む。
【0016】
従って、この発明の主な目的は、タービンの間で相当のハードウエアの共通性を持ち、タービンの性能に対する影響を無視し得るものにして、幾何学的な倍率でないタービンが相異なる周波数で相異なる動力出力を持つ様なタービン、並びにタービンを構成する方法を提供することである。
【0017】
【発明を実施する最善の態様】
図1は、この発明を用いた単純サイクル、単軸ヘビー・デューティ・ガスタービン10の略図である。このガスタービンは、回転子軸14を持つ多段軸流圧縮機12で構成されていると見なすことが出来る。空気が16の所から圧縮機の入口に入り、軸流圧縮機12によって圧縮され、その後燃焼器18に吐出され、そこで天然ガスの様な燃料を燃焼させて、タービン20を駆動する高エネルギの燃焼ガスを発生する。タービン20では、高温ガスのエネルギが仕事に変換され、その仕事の一部分を使って軸14を介して圧縮機12を駆動し、残りは回転子軸24により、電力を発生する為に発電機22の様な負荷を駆動する為の有効仕事に利用し得る。典型的な単純サイクル・ガスタービンは燃料入力の30乃至35%を軸出力に変換する。残りの内の1乃至2%を除いた全部は、タービン20から26の所で出て行く排気熱の形である。タービン排気流のエネルギを別の有効仕事に変換する複合サイクル形式で、ガスタービン10を利用することにより、一層高い効率を達成することが出来る。
【0018】
図2は一番簡単な形で複合サイクルを示す。このサイクルでは、26の所でタービン20を出て行く排ガスが熱回収形蒸気発生器28に入り、そこでボイラー式に水が蒸気に変換される。こうして発生された蒸気が蒸気タービン30を駆動し、こゝで別の仕事を抽出して、軸32を介して第2の発電機34の様な別の負荷を駆動し、この発電機が別の電力を発生する。ある形式では、タービン20及び30が共通の発電機を駆動する。電力だけを発生する複合サイクルは、より高級なガスタービンを使うと、50乃至60%の熱効率の範囲になる。
【0019】
図1及び2に示した両方の使い方では、発電機が典型的には電力回路網に電力を供給する。電力回路網は通常は50Hz又は60Hzであるが、この発明の範囲は、50Hz及び60Hz以外の周波数に於けるタービン動力の利用も含むことが出来る。前に述べたが、陸上の発電の為にタービンを使う従来のやり方では、各々の周波数の用途及び定格動力出力に独特のタービンが必要であり、その結果、いろいろなタービンの間でのハードウエアの共通性が欠けていた。相異なる周波数の用途に使う為に種々のタービンを設計するのに幾何学的な倍率が用いられ、こうしてコストを切り下げているが、依然として各々のタービンは独特である。この発明は、相異なる周波数に於ける動力出力と倍率との間の関係を破るタービンを提供し、こうして現在純粋な幾何学的な倍率によって得られるよりも相異なる動力と速度又は周波数との組合せに対し、タービンの共通のハードウエアを最大にすることが出来る様にする。
【0020】
次に図3及び4について説明すると、上に述べたシステムに使われる1対のタービンTa 及びTb が示されている。例えば図3に示すタービンTa は60Hzの用途に使うことが出来、図4に示すタービンTb は50Hzの用途に使うものであってよい。2つのタービンTa 及びTb が、60Hz及び50Hzの用途に対する相異なる動力出力が得られる様に設計されていることを述べておけば十分である。図3について説明すると、タービンTa が、タービンの構造的な外側殻体又はハウジングを形成する外側殻体40aと、内側殻体42aと回転子Raとを含む。回転子Raに複数個のバケット・ホイール44aが取付けられると共に、隣合ったバケット・ホイール44aの間にスペーサ・ホイール46aが取付けられ、それら全ては回転子Raの縦軸線の周りに配置された複数個のボルト52aにより、夫々前軸及び後軸48a、50aの間にボルト止めされている。タービンTa が最初の段、少なくとも1つの中間段(好ましくは2つ)及び最終段を含み、各段は、内側及び外側リングの間に円周方向に相隔たる複数個の仕切り壁又はノズル・ベーンを取付けた隔壁、及びタービン・ホイールに取付けられた複数個のバケットで構成されている。図示の形式では、4段タービンになっており、最初の段のノズル54a及びバケット56aと、第2段のノズル58a及びバケット60aと、第3段のノズル62a及びバケット64aと、第4段のノズル66a及びバケット68aを有する。ノズル54a、58a、62a、66aは隔壁の一部分を形成しており、この隔壁には内側及び外側隔壁リングの間を伸びる仕切り壁が普通の様に取付けられている。更に、内側殻体42aが、第1段及び第2段のバケット56a及び60aの周りにシュラウド70a、72aを担持している。シュラウド74a、76aが第3段及び第4段のバケット64a、68aの先端の周りで外側殻体40aによって直接的に担持されている。従って、ノズル、シュラウド及びバケット・ホイールの外面がタービンを通る環状流路を限定し、このガスが各段での膨張の為に、高温の燃焼ガスを受取り、こうしてバケット及び回転子に仕事を与える。
【0021】
図4に示すタービンTb は、同様な部品を持っており、これらは同じ様に配置されていて、同じ参照数字に文字“b”を付けて表す。前に述べた様に、図3に示すタービンTa は、ある回転速度並びに電力回路網の周波数、例えば60Hz用途の為の3,600rpm で特定された動力出力が得られる様に設計されているが、図4のタービンは、異なる回転速度及び電力回路網の周波数、例えば50Hzの用途の為の3,000rpm で特定された動力出力が得られる様に設計される。この発明では、タービンが高度のハードウエアの共通性を持っており、この為、相異なる周波数で相異なる動力出力を持つ2つのタービンの何れにでも、共通のハードウエア部品を互換性を持って使うことが出来る。前に述べた様に、第1段、第2段及び第3段を通る流路を構成する環帯の断面積は、2つのタービンで同一である。しかし、共通の流路から相異なる動力出力を得る為、2つのタービンの相異なる速度で、タービンを通る質量流量を調節することが必要である。流路の内側半径は2つのタービンで共通に設定される。最終段の回転も、同様に、所定の点火温度、タービン圧力比及び導入される冷却空気の量に対して設定することが出来、こうして最終段のバケット先端半径を決定する。しかし、最終段に対する強い遠心応力の為、並びに最終段のバケットに対して適切な合金を選ぶ必要がある為、バケットの長さは、周波数が高い方の機械、例えば60Hzタービンによって制限される。この為、受入れ得る出口マッハ数を保つと共に、少なくとも第1段、第2段及び第3段での流れの断面積を一定にしながら、50Hzタービンに必要な増加した質量流量を作る為、最終段の出口環帯の高さを増加して、増加した出口面積を持たせる。しかし、最終段の隔壁及びバケットの内側半径は同じまゝであり、従って、最終段の仕切り壁及びバケットの半径を流路の外側半径のところで拡大して、60Hzタービンに較べて、50Hzタービンの増大した質量流量及び一層遅い速度と云う条件に合わせる。更に、増大した質量流量に対処しながらタービン圧力比を保つ為、第1段のノズル及びバケットは、2つのタービンの間で環帯面積を一定に保ちながら、そののど面積を増加する様に互い違いの配置のし直しをする。この為、60Hzタービンの第1段に於けるバケット及び仕切り壁の向きが、50Hzタービンを製造する時は変更される。第1段のエーロフォイルの輪郭も、質量流量の増加に合わせて変更する。しかし、60及び50Hzタービンの間での速度及び質量流量の変化には、実質的な性能の損失なしに、第2段及び第3段の特定の(そして共通の)エーロフォイルの設計によって対処することが出来ることが判った。この為、仕切り壁、バケット、ホイール及びシュラウドを含む第2段及び第3段は寸法を同一にして、相異なる動力出力及び周波数の用途の2つのタービンの何れにおいても、第2段及び第3段の互換性が得られる様にする。即ち、タービン設計の中間段は、相異なる周波数で相異なる動力出力を持つ2つの機械の何れにも取付けられる様にモジュール化することが出来る。この為、図3及び4の共通の点描によって示す様に、2つの機械の第2段及び第3段の仕切り壁及びバケットは同一である。更に、全てのバケット、例えば第1段、第2段、第3段及び第4段のバケットに対する回転子ホイール、段間スペーサ、羽根車の板、後軸及び前軸、及び封じ板が、60Hz及び50Hz機械の間で共通のハードウエアを構成する。更に、第1段、第2段及び第3段のバケットに対するシュラウドと、内側及び外側殻体が60及び50Hzタービンの間で共通であることに注意されたい。重要なことは、回転子Ra及びRbも共通であることである。
【0022】
図3及び4を較べた時の最初の段及び最終段の陰影線の違いによって示す様に、50及び60Hzタービンの独自さは、主に最初の段及び最終段に現れる。特に最初の段では、50Hzタービンの仕切り壁の間ののど面積は、60Hzタービンに較べて、質量流量が一層大きくなることに対処する様に開いている。最終段又は第4段について云うと、バケット及び仕切り壁はその先端の半径を増加して、50Hz機械に対する増大した質量流量に合わせる。
【0023】
図5には、60Hz及び50Hzの用途に対する相異なる出力を持つ2つのタービンの中の流路の違いが示されている。第1段、第2段、第3段及び第4段ST1、ST2、ST3、ST4が示されており、各々は夫々文字N及びBに続くタービン段を表す数によって表されたノズル及びバケットを持っている。50Hz及び60Hzタービンに対する環帯の断面積が、第1段、第2段及び第3段では同一であること、並びに第2段及び第3段を通る流路が同一であることが認められよう。第4段について云うと、質量流量が一層小さく、速度が一層高い60Hz機械は、破線で示した外側環帯壁80を有し、これに対して質量流量が一層大きく、速度が一層低い50Hz機械は外壁82を有する。第4段のノズルN4及びバケットB4の先端に於ける半径の増加が、質量流量が一層大きくて、速度が一層低い50Hz機械に対し、実線82で示されている。
【0024】
この発明を現在最も実用的で好ましい実施例と考えられるものについて説明したが、この発明がこゝに開示した実施例に制限されず、むしろ、特許請求の範囲内で、この発明が種々の変更並びに均等物に及ぶものであることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のガスタービンの略図。
【図2】効率を更に高くする為に、ガスタービン及び熱回収形蒸気発生器を用いた複合サイクル・システムの略図。
【図3】この発明に従って構成された、予定の動力出力及び周波数を持つ4段タービンの簡略断面図。
【図4】図3と同様であるが、図3に示すタービンとは異なる動力出力及び周波数を持つ第2のタービンの略図。
【図5】図3及び4に示した2つのタービンの流路を示す略図。
【符号の説明】
54a,58a,62a,66a ノズル(仕切り壁)
56a,60a,64a,68a バケット
Claims (4)
- 相異なる電力回路網周波数を持つ複数の電力系統で使用され、二以上の異なる動力出力及び回転速度で運転される複数のガスタービンを備えるタービンシステムにおいて、
前記複数のガスタービンは、
最初の段、中間段及び最終段を含み、該最初の段、中間段及び最終段のそれぞれは、不動の仕切り壁を持つ固定の隔壁と、バケットを有するタービン羽根車とを備えており、
前記システムは、
前記複数の最初の段は、互いに異なる形状を有しており、対応する前記複数の最終段も、互いに異なる形状を有しており、前記複数の中間段は、同一の形状を有している、タービンシステム。 - 第1の動力出力を持つ第1のタービンが、60Hz電力回路網では3,600RPMの速度で回転し得ると共に、第2の動力出力を持つ第2のタービンが50Hz電力回路網に対して3,000RPMの速度で回転し得る請求項1記載のタービンシステム。
- 第1の動力出力を持つ第1のタービンの最終段は、第2の動力出力を持つ第2のタービンの最終段の出口環帯の断面積より小さい断面積を持つ請求項1記載のタービンシステム。
- 略同一の特性を持つガス流に使う為の、略同一の点火温度及び圧力比を持ち、各タービンが最初の段、中間段及び最終段を持っていて、各段が仕切り壁及びバケットを含む様な第1及び第2のタービンを製造する方法に於て、
夫々前記第1及び第2のタービンに取付ける為の1対の最初の段を形成し、該最初の段は互いに相異なる形状を有し、夫々前記第1及び第2のタービンに取付ける1対の最終段を形成し、該最終段は互いに異なる形状を持ち、夫々前記第1及び第2のタービンに取付ける為の、互いに同一の幾何学的な特性を持つ1対の中間段を形成し、各段を前記第1及び第2のタービンに夫々取付ける工程を含む方法。
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