JP3869009B2 - 流体機械の排気接続部に対する構造部材 - Google Patents

Description

本発明は、流体機械特に蒸気タービンの排気接続部およびこの排気接続部中に配置された流体機械の軸受に対する構造部材に関する。
本発明は特に、流れ媒体として使用する蒸気を凝縮するまで膨張させる蒸気タービンを復水器に結合するための排気接続部に関する。特に蒸気タービンから流出する蒸気をほぼ直線的に復水器に導く排気接続部に関している。そのように形成された蒸気タービン、排気接続部および復水器の配置構造は特に、複合発電所に採用されているような機械出力が約３００ＭＷまでの蒸気タービンに対して実施されている。この複合発電所とはガスタービンおよび蒸気タービンによって機械出力が発生される原動所を意味し、そのガスタービンの排気ガスは蒸気タービン用の蒸気を用意するために利用される。今日において市場で特に関心がある実施形態において、ガスタービンの排気ガスが蒸気を用意するための唯一の熱源である。
冒頭に述べた形式の排気接続部は従来において実際には特に溶接構造物で作られ、即ち相応して成形された鋼板を溶接して構成されている。排気接続部の内部において事情によって必要とされる蒸気タービンの軸受に対する軸受台は、溶接構造の支柱を介して本来の排気接続部に結合されている。軸受の運転にとって必要な供給配管および排出配管特に潤滑油、圧油、シール蒸気および空気の導入配管並びに油、油気および湯気の排出配管が、場合によって必要とされる軸受の監視および場合によっては制御のための電気的及び電子的構成要素のために必要なケーブルを含めて、別個の配管通路の中を排気接続部の外部から排気接続部を通って軸受に導かれねばならない。このため軸受から凝縮する蒸気中に油や空気が溢流することを避けるために、凝縮する蒸気がその中を通って流れねばならない排気接続部の内部空間と軸受との間を完全に密封する必要があるので、経費がかかる構造物が必要である。即ち油あるいは空気は蒸気タービン内で進行する熱力学的過程をかなり悪化させる。従来においてこの考えから生ずる経費がかかる構造物は、支持アーム、支柱および配管の配置構造が骨組構造の様式に応じてあるいはそれぞれ半径方面に向けて排気接続部の中に組み込まれているかに無関係に欠点を有している。いずれの場合もこの組込み物は蒸気の流れを異常に妨げ、特に蒸気タービンで発生される出力を決定する蒸気タービンの出口における背圧を高めてしまう。これは蒸気タービンの出力および効率の悪化を意味する。
溶接構造および／又はねじ込み構造あるいは他の構造方式で個々の部品から組み立てられた形状の排気接続部は、スイス特許第５７０５４９Ａ５号明細書、スイス特許第６８５４４８Ａ５号明細書および米国特許第２４１４８１４号明細書で知られている。
排気接続部に対する従来の構成の他の欠点は、そのような排気接続部を製造するために必要とされる高い経費に起因している。
それ故本発明の目的は、上述の問題を考慮に入れて、できるだけ安価に製造でき、できるだけ安価な材料しか必要とされず、軸受に供給するために必要とされる供給配管および排出配管に関して有用な空間を流れ媒体の流れがほとんど害されないように良好に利用できるような流体機械の排気接続部およびこの排気接続部の中に配置された流体機械の軸受に対する構造部材を提供することにある。
流体機械の軸受が内部に配置された流体機械の排気接続部を形成する構造部材において、接続部分と、軸受を受けるための軸受部分と、接続部分を軸受部分に結合する支持アームを有する支持アーム装置とを備え、支持アーム装置は軸受に対する流体の供給及び排出のため支持アームを貫通して軸受部分に至る配管を有し、接続部分、軸受部分及び支持アーム装置は鋳造により一体に形成されている。
本発明に基づく構造部材は従って唯一の部材として作られ、これは排気接続部の一部および／又は軸受の軸受台の一部つまり軸受部分およびこの軸受部分（および将来的に軸受全部）を接続部分ないし排気接続部全体に対して支持し得る少なくとも一つの支持アームを含んでいる。この支持アームの中に、これを貫通して導かれ、従って運転中に軸受に導かれるか軸受から緋出されねばならない流体に対する供給配管あるいは排出配管として適した配管が一体に形成されている。必要に応じて複数の配管を唯一の支持アームを貫通して導くことができる。
構造部材における支持アーム装置は少なくとも二つの支持アームを有するのが有利であり、これは構造部材の強度およびこの構造部材と共に形成すべき排気接続部の強度を向上する。
支持アーム内に配管を形成するために複数の可能性が存在する。その配管は特に支持アーム内に鋳込まれた単一の管から成る単純な配管でよい。そのような単純な配管は支持アームを洗流する流れ媒体の温度とほぼ同じ温度を持つ流体を搬送するために有利であり、従って極めて大きく異なった温度による応力を考慮する必要がない。
単純な配管では十分でないとき、支持アーム内に鋳込まれた外側管およびこの外側管の中に敷設されこれに対して絶縁された内側管からなる絶縁配管を設けることもできる。そのような絶縁配管は特に、構造部材の温度およびこの構造部材を洗流する流れ媒体の温度とかなり異なった温度の流体を搬送するために特に適している。
この意味における重要な用途は、蒸気タービンの排気接続部における軸受の前にある軸封装置にシール蒸気を供給するため絶縁配管を利用することである。そのシール蒸気は排気接続部における軸封装置への接続部を形成する所属の配管に導かれる。同じようにしていわゆる湯気排出口も絶縁配管によって支持アームを通して導かれ、管継手によって軸封装置に接続される。全般的にシール蒸気あるいは湯気の温度は望ましくない凝縮を避けるために高い。この理由からシール蒸気あるいは湯気を導くために利用する配管を熱的に絶縁することが重要である。これは特に絶縁配管によって行われる。シール蒸気あるいは湯気は内側管を通して導かれ、内側管と外側管との間の空間は真空引きされるか他の方式で熱絶縁される。排気接続部が蒸気タービンを復水器に結合しているとき、正常運転中に排気接続部内に異常に低い圧力がかかり、従って所望の絶縁にとっては内側管と外側管との間の隙間を排気接続部の内部空間に接続するだけで十分である。絶縁配管内において内側管と外側管との間の隙間を確保するために多数のスペーサが利用さわる。このスペーサは別個の構造部品でよく、例えば内側管が外側管の中に挿入される前に内側管上にはめ込まれる星形部材でよい。また外側管と内側管との間隔を維持するリブを内側管の外側におよび／又は外側管の内側に設けることも考えられる。セラミックス製のスペーサを利用することもでき、場合によっては隙間を絶縁材料で充填することもできる。
更に、構造部材が接続部分およびこれに接続され流体機械のハウジングのためのハウジング部分を有していることが有利である。これによって流体機械およびその排気接続部の構造および組立は非常に単純化される。
構造部材は場合によっては上述したような接続部分に加えて、流体機械の軸受に対する軸受部分を有していてもよい。このようにして軸受の形態も本発明の構想に組み入れられ、これにより追加的な利点が生ずる。
各構成の構造部材に対して材料としては鋳鉄材料が有利であり、その場合特にいわゆる「球状黒鉛鋳鉄」が有利である。球状黒鉛鋳鉄は固形状態において金属母材内におけるほぼ球状の黒鉛析出物によって特徴づけられる鋳鉄材料である。従ってこれは小片状の黒鉛祈出物を有している通常の鋳鉄と区別される。球状黒鉛鋳鉄は良好な鋳造性並びに良好な切削性によって特徴づけられる当該分野で公知の材料である。球状黒鉛鋳鉄から成る構造部材は、別の構成要素に接続しなければならない接触面を、通常の鋳造過程では保証されないような所定の寸法精度にするために非常に安価に切削加工することができる。
配管は好適には鋼で作られ、このことは特に残りの構造部材に対する材料として球状黒鉛鋳鉄が選択されることに関連して価値がある。ここで用語「鋼」はその一般的な意味である。即ち鋼は鋳鉄材料に比べて非常に僅かな炭素含有量、これに伴う非常に高い延性および非常に高い融点で特徴づけられる鉄材である。一般に鋼は鋳鉄材料より約２００℃ほど高い濃度ではじめて溶融する。これは、鋼管が構造部材の中に鋳込まれ、即ち構造部材を鋳造するために用意された型の中に組み込まれ、液状鋳鉄材料がその周りに注ぎ込まれたとき、鋼管が溶融しないことを意味する。管が非常に高い温度に曝されて場合によって形状安定性が害されることは、管が砂あるいは別の適当な充填物、特に後で溶かして流し出せる充填物で詰められることによって予防できる。この関係において、利用される鋳鉄材料および利用される鋼が所定の合金要素を含んでいるか否かは問題ではなく、これに関して鋳鉄材料および鋼の使用目的を考慮に入れて当該技術者の判断に応じて決定できる。
更に接続部分が、排気接続部を製造するために他の構造部材の接続部分に接合される平らな面を有し、その平らな面が流体機械の回転軸線を含む平面内に位置していると有利である。即ち特にその構造部材は、対応して平らな面で連続して置かれるべき二つの構造部材と共に形成されるべき排気接続部のための半殻体である。
本発明は、上述の要件を満たしそれぞれ接続部分を有する少なくとも二つの構造部材を備え、それらの接続部分が排気接続部を形成しているたユニットにも関連する。
それに応じて本発明に基づいて、各構造部材がそれぞれ一体部材として鋳造され、接続部分並びに支持アーム装置および配管を有し、この配管が接続部分および支持アームを貫通して導かれ、その接続部分が流体機械の回転軸線の周りを閉鎖する排気接続部を形成するような、流体機械の排気接続部に対する少なくとも二つの構造部材を備えたユニットおよび流体機械の排気接続部内に配置された軸受を提案する。
個々の構造部材について得られる利点に関する上述のすべての説明および個々の構造部材の有利な構成に関する上述のすべての言及は、少なくとも二つの構造部材を備えた本発明に基づくユニットに対しても当てはまる。
本発明に基づくユニットは、垂直に延びる垂直線に関して互いに対称に配置され垂直線に対して傾斜された二つの傾斜支持アームを備えた下側構造部並びにこの下側構造部の上に垂直に配置され垂直に延びる支持アームを備えた上側構造部を有していると有利である。更に下側構造部は第３の垂直に延びる支持アームを有することができる。三つあるいは四つの支持アームを備えたこのような配置構造は、軸受を流体機械の画転軸線に対して横に及び垂直に良好に支持することを保証する。
第３の支持アームは軸受の支持に貢献し、それを通して潤滑油を軸受に導入したりそこから排出する単純な配管でよい鋳込まれた配管に対して特に適している。流体機械に関係して通常、運転のため多量の油を導入する必要がある滑り軸受が利用される。その油は支持されている軸に沿って軸受から流出し、一気に滞留なしに排出されねばならない。さもなければ軸受ハウジングの中に圧力が形成され、機能を害してしまうという危険が生ずる。そのような油の停滞しない排出は、その排出が垂直な配管を通して重力の利用によって行われるときに支援される。
下側構造部が下側接続部分および下側軸受部分を有し、上側構造部が上側接続部分を有し、上側軸受部分を備えた中央構造部が存在し、下側軸受部分が上側軸受部分と結合され、中央構造部が支持アームにおける分離個所で上側構造部品と結合されているのが特に有利である。
本発明のこの構成の枠内において軸受の軸受台が下側構造部および中央構造部でしか形成されていないので、軸受の軸受台を開く必要なしに、上側構造部はユニットから除去される（即ち排気接続部が開かれる）。従って軸受にそれを分解する必要なしに簡単に接近でき、機能検査および修正が簡単に行える。
本発明に基づく少なくとも二つの構造部材を備えたユニットは、特に既に何度も述べたように蒸気タービンのための排気接続部を有利に形成する。このような排気接続部は有用な空間を特に良好に利用できることによって特徴づけられ、この排気接続部は排気接続部内における軸受に必要な運転物質を供給するために別個の組込み物を必要としない。
以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
図１は所属の排気接続部を含めた蒸気タービンの縦断面図、
図２は蒸気タービンのハウジングの一部を含めた排気接続部の縦断面図、
図３は図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った支持アームの断面図、
図４は図３による排気接続部の横断面図、
図５は図４におけるＶ−Ｖ線に沿った傾斜支持アームの断面図、
図６は三つの構造部材を備えた若干変更さ物た排気接続部の横断面図、
図７および図８はそれぞれ図６による排気接続部の中央構造部材の図である。
図１〜図５ないし図６〜図８はそれぞれ実施例の種々の断面図あるいは部分図を示しているので、各図には同一符号が存在している。この理由から以下の説明は常にすべての関連図に共通しており、特にこれらの図を参照して明白に理解できる特徴を知らしめている。
図１は流体機械１つまり蒸気タービンを示している。この蒸気タービン１はその中で膨張した蒸気がそこを通って復水器に導かれる排気接続部２を備えている。排気接続部２の中に蒸気タービン１のランナ４に対する軸受３が配置されている。ランナ４は回転軸線５を中心として回転でき、運転中にその回転軸線５を中心として回転する。排気接続部２は下側構造部６と上側構造部７を有している。各構造部６、７はそれぞれ接続部分８、９を有し、これらの各排気接続部分８、９は他方の構造部６、７の接続部分８、９と共に本来の排気接続部２を形成する。更に各構造部６、７はそれぞれ軸受部分１０、１１を有し、両軸受部分１０、１１は本来の軸受３に対する軸受台を形成している。軸受３のそれ自体の公知の個々の部分およびそれに付属された軸封装置は図１から理解できるので、それらについては図を見易くするため詳細には説明しない。各構造部６、７はそれぞれの接続部分８、９をそれぞれの軸受部分１０、１１に結合する垂直の支持アーム１２を有している。構造部６、７は一体に形成され、つまり球状黒鉛鋳鉄で鋳造されている。上側構造部７の垂直支持アーム１２はその中に鋳込まれた個々の管１３から成る単純な配管１３を有している。上側軸受部分１１は支持アーム１２と一体品として鋳造されている。その中に存在する単純な配管１３は軸封装置１５と軸受部分１０、１１との間の中間室１４に空気を導入するために使用する。下側構造部６の垂直な支持アーム１２は二つの単純な配管１６、１７を有している。各単純な醜管１６、１７は支持アーム１２内に鋳込まれた個々の管１６、１７から成っている。各接続部分８、９にハウジング部分１８が一体に形成され、これは蒸気タービン１の一部を包囲し、蒸気タービン１の残りのハウジング部分１９に対する接続部を形成している。
図２は構造部６、７を、蒸気タービンの前部および他の構成要素はなしに示す。この図から接続部分８、９、垂直な支持アーム１２および軸受部分１０、１１が明らかに理解できる。この実施例において接続部分８、９およびハウジング部分１８はそれぞれ一つの単一部品を形成しており、この単一部品には接続部分８、９からハウジング部分１８への激しい移行部は存在せず、その移行部は据えつけるべき蒸気タービン１のハウジング１９によってほぼ規定される。図２で理解できる縦断面図が垂直平面内における断面図であることを明瞭にするために、図２において垂直線の方面を規定している垂直軸線２０が記されている。
図３は図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線で示されているような下側構造部６の垂直支持アーム１２の断面図を示している。この図から支持アーム１２に鋳込まれている管１６、１７が異なった横断面積を有し、特に油を供給ないし排出するために使用する。
図４は図２における排気接続部の特に垂直軸線２０に沿った断面図を示している。この図からそれぞれ接続部分８、９、軸受部分１０、１１および垂直支持アーム１２を備えた下側構造部６および上側構造部７が明らかに理解できる。垂直軸線２０に関して傾斜された支持アーム２１の中をそれぞれ、下側軸受部分１０まで延びている単純な配管２２並びに軸封装置１５に通じている配管２５に開口している絶縁配管２３、２４が導かれている。絶縁配管２３、２４はシール蒸気および又は湯気を案内するために使用する。下側構造部６は垂直軸線２０に関して対称に配置された二つの傾斜支持アーム２１を有している。構造部６、７の接続部分８、９は、蒸気タービン１の回転軸線５が位置している（これは図１から特に認められる）平面を規定している平らな接合面２６（これは特に図１から理解できる）で互いに接合されている。接続部分８、９は従ってそれぞれ排気接続部２の半殻体である。構造部６、７は特に蒸気タービン１などを点検するために互いに釈放できるようにするためにボルトによって接合されている。
絶縁配管２３、２４は傾斜支持アーム２１の中に鋳込まれた外側管２３およびこの外側管２３内に絶縁して敷設された内側管２４から構成されている。内側管２４と外側管２３との間隔を保持するための手段は分かり易くするために図示されていないが、その詳細は図５から認められる。すべての管１３、１６、１７、２２、２３、２４は鋼から成っている。これらの管はそれらが構造部６、７の鋳造前に鋳型の中に組み込まれ、鋳造の際に溶融鋳鉄材料で包囲されることにより鋳込まれる。鋼の融点は通常鋳鉄材料の融点よりかなり高いので、管１３、１６、１７、２２、２３、２４はこの過程において溶融しない。これらの管が曲がることあるいは他の変形を避けるために、これらは鋳造前に適当な充填物特に砂が詰められる。構造部６、７を鋳造するためにあらゆる公知の成型方法および鋳造方法が利用される。砂型鋳造方法においてコスト的に安価に従って有利に鋳造される。即ち鋳型は砂で成形され、鋳鉄材料がそのように形成された鋳型に鋳込まれる。
図５は図４で理解できるような傾斜支持アーム２１の一つの横断面図を示す。その横断面は図４にＶ−Ｖ線で示されている。各傾斜支持アーム２１は鋳込まれた単純な配管２２および鋳込まれた絶縁配管２３、２４を有している。内側管２４と外側管２３との間隔を隔てるスペーサ２７も図５から認められる。
すべての絶縁配管２３、２４は高温流体を軸封装置１５に導入するためにあるいは高温流体を軸封装置１５から排出するために特に適している。そのような高温流体は例えば密封目的で軸受に導かれる蒸気および軸受から漏洩する湯気即ち蒸気であり、これは場合によっては空気および又は油気で汚染され、排出されねばならない。運転中において排気接続部２およびその構造部６、７は約５０℃特に４０℃〜６０℃の湿度になる。これに対して軸受３に導かれるか軸受３から流出する高温蒸気は約２００℃特に１５０℃〜２５０℃の温度を有する。かかる蒸気が絶縁配管２３、２４の内側管２４内を導かれることによって、その支持アーム２１の温度は排気接続部２の他の構成要素の温度近くにとどまり、特にせいぜい１０℃だけ暖まる。これによって機械的応力の発生が確実に避けられる。
上側垂直支持アーム１２の配管１３を通って特に空気が軸封装置１５と軸受３との間の中間室１４に導かれる。相当数の配管１３、２２、２３、２４を用意することによって、排気接続部２の内部における補助的な管は不要である。その場合軸受３を本来の蒸気タービン１の外側の装置に接続するすべての管１３、２２、２３、２４は完全に鋳込まれ、従って構造部６、７の材料で包囲されている。フランジあるいはスリーブのような露出した結合個所は存在しない。管１３、２２、２３、２４からの油あるいは油気の漏洩は従って完全に排除される。軸封装置１５の配管２５への絶縁配管２３、２４の接続個所からの万一の漏洩は、蒸気あるいは湯気しか流出しないので問題ない。支持アーム１２、２１の丸められた構造によって、貫流する流れ媒体に対抗する排気接続部２の流れ抵抗は小さく、従ってどんな場合でも蒸気タービン１の運転を決して妨害しない。
図６は図２に類似して、図５から認められる排気接続部と異なって二つではなく三つの構造部６、７、２９から成っていることによって特徴づけられる排気接続部の横断面図を示している。図５と同じ下側構造部６および上側接続部分９並びに対応する垂直支持アーム１２の一部だけを有する上側構造部７に加えて、上側軸受部分１１およびこの上側軸受部分１１と上側接続部分９との間の垂直支持アーム１２の大部分を有している中央構造部２９が存在している。上述の支持アーム１２における分離個所２８において上側構造部７および中央構造部２９が互いに接合している。結局のところは、上側構造部７が支持アーム１２を有し、いずれにしてもこれが支持アーム１２の付属物を有していると言える。支持アーム１２の上側構造部７および中央構造部２９への配列の詳細はその都度の個々の場合の要求に応じて決定される。いずれの場合も図６における配置構造は、分解の際に必ずしも上側軸受部分１１を除去する必要がないという利点を有し、蒸気タービン１の軸受３は同じままにでき、上側構造部７を除去した後で簡単に検査あるいは修正できる。上側軸受部分１１と同時に上側接続部分９を取り扱う必要なしに、軸受３の軸受台を非常に簡単に組み立てることもできる。
図７および図８はそれぞれ中央構造部２９の互いに直交する縦断面図を示している。これらの図から上側軸受部分１１、単純な配管１３が鋳込まれた部分的に存在する垂直支持アーム１２並びに中央構造部２９を取り扱うためあるいは固定するために有用な保持装置３０、３１（図７参照）が認められる。
本発明は、必要なあらゆる配管を一体構造部品として含み一極に鋳造できるような流体機械特に蒸気タービンの排気接続部に対する構造部材に関する。そのような構造部材の製造費用は従来の溶接構造に比べて非常に減少され、用意すべき配管を適切に配置することによって所要場所が非常に節約される。このことは、自主になった場所を流体機械から流出する流れ媒体に対して利用することができ、これによって流れ媒体が貫流する際における排気接続部における圧力損失が減少されるので、流体機械の運転にとって価値がある。これにより直接的に熱力学的利点が生ずる。本発明はこの種の複数の構造部材から成るユニットにも関し、排気接続部は完全にこれらの構造部材から形成されている。このような排気接続部に対しても上述の利点が有利に得られる。

Claims (15)

1. 流体機械の軸受が内部に配置された流体機械の排気接続部を形成する構造部材において、接続部分と、軸受を受けるための軸受部分と、接続部分を軸受部分に結合する支持アームを有する支持アーム装置とを備え、支持アーム装置は軸受に対する流体の供給及び排出のため支持アームを貫通して軸受部分に至る配管を有し、接続部分、軸受部分及び支持アーム装置は鋳造により一体に形成されていることを特徴とする流体機械の排気接続部に対する構造部材。
2. 支持アーム装置が少なくとも二つの支持アームを有していることを特徴とする請求項１記載の構造部材。
3. 支持アーム装置が、個々の管から成る配管が鋳込まれている支持アームを有していることを特徴とする請求項１又は２記載の構造部材。
4. 支持アーム装置が、支持アーム中に鋳込まれた外側管とこの外側管中に敷設され外側管から絶縁された内側管とから成る絶縁配管を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の構造部材。
5. 接続部分が流体機械のハウジング部分との接続部を形成していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の構造部材。
6. 鋳鉄材料から成っていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の構造部材。
7. 鋳鉄材料が球状黒鉛鋳鉄であることを特徴とする請求項６記載の構造部材。
8. 配管が鋼で作られていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の構造部材。
9. 接続部分が平らな接合面を有し、その平らな接合面で他の構造部材の接続部分に接合され、その平らな接合面が流体機械の回転軸線を含む平面を規定していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の構造部材。
10. 少なくとも二つの構造部材を有し、それぞれの構造部材の接続部分が互いに結合され、その接続部分が流体機械の回転軸線の周りを閉鎖する排気接続部を形成していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の構造部材。
11. 構造部材がそれぞれ軸受を受ける軸受部分を含むことを特徴とする請求項１０記載の構造部材。
12. 構造部材が下側構造部と上側構造部とを有し、下側構造部は垂直に延びる垂直線に関して互いに対称に配置され垂直線に対して傾斜した二つの支持アームを備え、上側構造部は下側構造部の上に垂直に配置され垂直に延びる支持アームを備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の構造部材。
13. 下側構造部が垂直に延びる支持アームを補助的に有していることを特徴とする請求項１２記載の構造部材。
14. 下側接続部分及び下側軸受部分を含む下側構造部と、上側接続部分を含む上側構造部と、上側軸受部分を含む中央構造部とを有し、下側軸受部分と上側軸受部分とが結合され、中央構造部が支持アームにおける分離個所で上側構造部と結合されていることを特徴とする請求項１２又は１３記載の構造部材。
15. 蒸気タービンの排気接続部を形成していることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１つに記載の構造部材。

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