JP4090091B2 - 冷却媒体グランド - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的には高熱ガス経路部材を冷却する冷却媒体を用いている地上設置型ガス・タービンに関し、より具体的には、定置されている供給パイプから、ガス・タービンの回転しているロータへ冷却蒸気を移送する蒸気グランドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス・タービンの高熱ガス経路部材の蒸気冷却については、例えば、混合サイクル型発電プラントの熱回収蒸気発生器部材及び／又は蒸気タービン部材から取得することのできる蒸気を利用するものが提案されている。蒸気冷却は、蒸気冷却材が閉回路式で供給され、これにより、蒸気がガス・タービンの部材を冷却する際に蒸気に与えられる熱エネルギが、蒸気タービンを駆動するのに有用な仕事として回収される場合に有利である。しかしながら、回転タービンの高熱ガス経路部材を蒸気冷却するためには、冷却蒸気を、固定されている又は定置されている供給プレナムから、回転しているロータへ移送し、引き続きロータの高熱ガス経路部材へ分配する必要がある。この移送は、冷却蒸気の圧力損失を最小化し、且つガス・タービンへの蒸気の漏洩を防止するのに効果的なものでなければならない。
【特許文献１】
特開平２−２４１９０２号
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、蒸気等の冷却媒体を、定置されている供給パイプ又は供給プレナムから、回転しているシャフト又はロータへ、圧力損失と排気フレーム内部バレル・キャビティへの蒸気漏洩との両者を最小化する又は防止する方式で移送する冷却媒体グランドが提供される。これらを達成するために、蒸気グランドは、適当な供給源から蒸気を受け取ると共にロータの周りの円周スクロールへ蒸気を供給する軸方向入口を含んでいる。ロータの周りの円周上の間隔を空けた複数の位置には、スクロールに整合していると共にスクロールと連通しており、共通の平面内にある蒸気冷却用エントリ・スロットが設けられている。結果的に、蒸気は、スクロールへ供給されると共に、蒸気エントリ・スロットを介して、全体的に軸方向に伸びているロータ内の通路へ送られ、続いて、冷却を要するロータの回転部材へ分配される。
【０００４】
具体的には、蒸気入口スクロールは、円周方向に断面積が変化しており、ロータの接線速度に合致した蒸気速度を生成し、これにより圧力損失を最小化する。従って、スクロールの断面積がこのように円周方向に漸減しているので、スクロール内での蒸気の速度がロータの表面の接線速度と確実に合致し、これにより、ロータの円周の周りでの蒸気入力の圧力を全体的に一定に維持する。蒸気がロータ通路内へ送られて高熱ガス経路部材を冷却した後に、使用済みの蒸気は、ロータの中心線に沿った中央通路を通って戻り、蒸気グランドの後方端に取り付けられていると共にロータのシャフト軸と整列している出口蒸気パイプを通って出て行く。
【０００５】
蒸気供給入口スクロールの後方側には、ラビリンス型シールが設けられている。この後方シールを通過して、軸方向に外向きに、後方方向に逃散する入口蒸気は、出口蒸気パイプ内の使用済みの戻り冷却蒸気と混合され、例えば蒸気タービンで引き続き用いられる。入口スクロールの前方には、互いに軸方向に隔設されている１つ又はそれ以上のラビリンス型シールが設けられており、これらのシールの間には、ラビリンス・シールを通過して漏洩する蒸気を抽出する抽出ポートが隔設されている。例えば、入口スクロールの前方には、一対のラビリンス型シールが設けられており、この一対のシールの間には、抽出ポートが設けられている。抽出ポートは、蒸気入口供給圧力よりも低い圧力に維持されており、一対のシールのうちの第１のシールを通過した漏洩が、この第１の抽出ポートに流入するようになっている。この一対のシールの前方に更なるシールを設け、軸方向に隣接したシールの間に更なる抽出ポートを設けて、これをより低い圧力に維持し、各々のシールを通過した漏洩蒸気を同様に抽出することもできる。又、最後のラビリンス型シールを設け、このシールと、入口スクロールの前方の他のすべてのシールとの間に抽出ポートを設ける。この最後の抽出ポートは、周囲圧力以下の圧力に維持されて、最後のシールを横切る周囲空気と、各ラビリンス・シールを通過したあらゆる漏洩蒸気との両者を、最後の抽出ポートへ吸引する。これにより、最後のシールは、各シールを横切るあらゆる偶発的な蒸気漏洩に備えると共に、内部バレル・キャビティへの蒸気の漏洩を防止する。このようにして、蒸気が内部バレル・キャビティ内の装置類及びロータ・ベアリングに悪影響を及ぼすのを防止する。
【０００６】
各々のシールは、全体的に円周方向に伸びている複数のセグメントを含んでおり、これらのセグメントの各々は、シールからロータへ向かって半径方向内向きに突出している軸方向に隔設された複数の歯状突起（tooth）を有している。このようにして、シールの各セグメントは合同して、ロータの周りの３６０°のシーリング環を形成する。歯状突起の先端は、ロータの半径方向に外側に隔設されている。シール・セグメントは、セグメントと、定置されたハウジングとの間でバネによって偏圧されて、半径方向内向きの荷重を提供していると共に、必要に応じてセグメントの半径方向外向きの移動を可能にしている。好ましくは、蒸気グランドは、ニッケル基合金で形成されており、動作中の蒸気条件下での腐食を防止する。
【０００７】
本発明による好ましい実施例では、ロータ軸の周りで回転するロータと、冷却媒体グランドとを備えたタービンが提供される。ロータは、高熱ガス経路部材を支承しており、冷却媒体を高熱ガス経路部材へ供給する通路と、ロータの周りに半径方向に開口しており、ロータの通路と連通している複数の冷却媒体エントリ・スロットとを有している。冷却媒体グランドは、固定された供給源から、回転しているロータの通路へ冷却媒体を移送するものであって、このグランドは、冷却媒体を所定の圧力でエントリ・スロットへ供給する固定された冷却媒体入口供給スクロールをロータの周りに含んでいると共に、冷却媒体を受け入れる入口を有しており、スクロールを巡って円周上の一方向に冷却媒体を流動させる。スクロールは、スクロールを巡る冷却媒体の流れの円周上の一方向に断面積が漸減しており、スクロールを巡る冷却媒体の流れの円周方向の速度をロータの接線速度と実質的に合致させている。
【０００８】
本発明による更なる好ましい実施例では、高熱ガス経路部材を支承しており、ロータ軸の周りで回転するロータと、ロータを貫通しており、冷却媒体を高熱ガス経路部材へ供給する通路と、ロータの周りに半径方向に開口しており、ロータの通路と連通している複数の冷却媒体エントリ・スロットとを有しているタービンにおいて、固定された供給源から、回転しているロータの通路へ冷却媒体を移送する冷却媒体グランドが提供される。この冷却媒体グランドは、ロータの周りに設けられている冷却媒体入口供給スクロールであって、冷却媒体を所定の圧力でスロットへ供給する固定された冷却媒体入口供給スクロールと、このスクロールから軸方向に離隔してロータの周りに設けられている一対のシールと、この一対のシールの間に設けられている少なくとも１つの冷却媒体抽出ポートとを含んでいる。抽出ポートは、前述の所定の圧力よりも低い圧力に維持されており、冷却媒体入口供給スクロールと抽出ポートとの間に軸方向に配置されている一対のシールのうちの１つのシールを通過する冷却媒体の漏洩を抽出する。
【０００９】
従って、本発明の主要な目的は、ガス・タービンの高熱ガス経路部材用として、定置された供給プレナムから、回転しているロータへ蒸気等の冷却媒体を移送する新規で改良された装置を、圧力損失を最小化すると共にガス・タービンの排気フレームの内部バレル・キャビティ内への蒸気漏洩を防止しながら提供することにある。
【００１０】
【実施例】
図１は、本発明を組み込んだ単純サイクル型単一シャフト式の出力の大きい（heavy-duty）ガス・タービン１０の概略図である。ガス・タービン１０は、回転シャフト１４を有している多段軸流圧縮機１２を含んでいるものと考えることができる。空気は、参照番号１６で圧縮機の入口から流入し、軸流圧縮機１２によって圧縮された後に、燃焼器１８へ排出される。燃焼器１８では、天然ガス等の燃料が燃焼されて、タービン２０を駆動する高エネルギ燃焼ガスを形成する。タービン２０において、高熱ガスのエネルギは仕事に変換され、そのうちの一部は、シャフト１４を介して圧縮機１２を駆動するために用いられ、残部は、ロータ・シャフト２４によって発電機２２等の負荷を駆動するという有用な仕事に利用することができ、発電が行われる。典型的な単純サイクル型ガス・タービンは、燃料入力の３０％〜３５％をシャフト出力へ変換する。残部のうちの１％〜２％以外はすべて、排気熱の形態にあり、参照番号２６でタービン２０から排出される。タービンの排気流内のエネルギが更なる有用な仕事に変換されるような混合サイクル型構成でガス・タービン１０を利用することにより、更に高い効率を得ることができる。
【００１１】
図２は、混合サイクルをその最も単純な形態で示しており、ここでは、参照番号２６の所でタービン２０から排出される排気ガスは、熱回収蒸気発生器２８へ流入し、ここで、ボイラの方式で水が蒸気に変換される。このようにして発生された蒸気は、蒸気タービン３０を駆動し、ここでは、更なる仕事が抽出され、シャフト３２を介して更なる負荷、例えば第２の発電機３４等を駆動して、引き続き更なる電力を発生する。構成によっては、タービン２０及びタービン３０は共通の発電機を駆動することもある。電力のみを発生する混合サイクルは、より発達したガス・タービンを用いれば５０％〜６０％の熱効率範囲を有する。
【００１２】
図３は、図２の混合サイクル型構成内で用いることの可能なガス・タービンを更に詳細に示している。圧縮機１２からの空気は、燃焼器１８を含んでいる燃焼筒へ排出されており、燃焼筒は、通常の方式でロータ・シャフト１４の周りを取り囲むように配置されている。このような「筒」の１つを参照番号３６に示す。燃焼に続いて、結果として得られた燃焼ガスを用いて、タービン部２０を駆動する。本実施例では、タービン部２０は、４つのホイール３８、４０、４２及び４４によって表されている４つの連続段を含んでおり、ホイール３８、４０、４２及び４４は、タービン・ロータを含んでいると共に、タービン・ロータと共に回転するロータ・シャフト１４に装着されている。各々のホイールは、ブレード４６、４８、５０及び５２によってそれぞれ表されている１列のバケットを支承している。これらのバケットは、ベーン５４、５６、５８及び６０によってそれぞれ表されている固定されたノズルの間にノズルと交互に配列されている。ロータは又、バケット・ホイールの間にバケット・ホイールと交互に配列されているスペーサ・ディスク３９、４１及び４３を含んでいる。このように、図示の４段タービンにおいて、第１段は、ノズル５４と、バケット４６とを含んでおり、第２段は、ノズル５６と、バケット４８とを含んでおり、第３段は、ノズル５８と、バケット５０とを含んでおり、第４段は、ノズル６０と、バケット５２とを含んでいることが認められよう。以下に掲げる特許出願におけるのと同様に、第１段のノズル５４及び第２段のノズル５６は、内部シェル７２に装着されており、内部シェル７２は、第３段のノズル及び第４段のノズルを装着している外部シェル７０にピンで接合されている。外部シェル７０は、この外部シェル７０をタービン・ハウジング部７７及び７９にそれぞれボルト接合しているボルト・フランジ７４及び７５の箇所で着脱自在であり、これにより、上部の外部シェル７０と内部シェル７２とをタービンから取り外し可能にして、高熱ガス経路部材を取り扱うことができる。
【００１３】
上述したタービンの開発現状についての一般化された記載は、以下の同時係属中の特許出願に見ることができる。米国特許出願第０８／４１４，６９８号「バケット先端のクリアランスを調節した着脱自在な内部タービン・シェル」（"Removable Inner Turbine Shell with Bucket Tip Clearance Control"）（出願人控番号第８３９−３４６号）、同第０８／４１４，７００号「閉回路式の蒸気冷却されたバケット」（"Closed Circuit Steam Cooled Bucket"）（出願人控番号第８３９−３５２号）、及び同第０８／４１４，６９７号「空気及び蒸気による混合冷却回路を有しているタービン・ステータ・ベーン・セグメント」（"Turbine Stator Vane Segments having Combined Air and Steam Cooling Circuits"）（出願人控番号第８３９−３５４号）。これらの特許出願の開示はここに参照されるべきものである。
【００１４】
ここで図４を参照すると、ロータ１４を貫通して軸方向供給路８４及び軸方向復路８６とそれぞれ連通している冷却用供給路８０及び冷却用復路８２を含んでいるエンド・ディスク７８が設けられている。排気フレーム内部ハウジング・バレル８８は、キャビティ９０を取り巻いてタービンの定置部を形成しており、キャビティ９０は、ロータ・ベアリング・ハウジングの他、様々な装置類を含んでいると共に、キャビティ９０内には、全体的に参照番号９２で示す本発明による冷却媒体移送グランドが装着されている。固定された冷却媒体グランド９２は、冷却媒体供給入口スクロール９４と、入口スクロール９４から見てグランド９２に沿って前方に配置された複数の抽出ポート９６、９８及び１００とを含んでいる。第１、第２、第３及び第４のシール１０２、１０４、１０６及び１０８が、入口スクロール９４の前方にグランド９２に沿って軸方向にそれぞれ隔設されている。第５のシール１１０が、入口スクロール９４の後方のグランド９２の後方側の周りに配設されている。抽出ポート９６、９８及び１００は、シール１０２と１０４との間、シール１０４と１０６との間、及びシール１０６と１０８との間にそれぞれ配置されている。
【００１５】
スクロール９４は、軸方向入口９５を有しており（図６（Ａ）及び図６（Ｂ）並びに図７を見よ。）、入口９５は、半径方向に彎曲して、冷却媒体、例えば蒸気をスクロールへ供給し、スクロールの周りで円周上の一方向に流動させる。ロータは、円周方向に隔設され半径方向に伸びている複数のスロット９７（図５）を有しており、スクロール９４からの蒸気を受け取ると共に、蒸気を軸方向供給路８４へ移送する。スクロールは、スクロールの周りの３６０°全体にわたって伸びている出口スロットを有しており、出口スロットは、ロータと整合していると共にスロット９７と連通している。スクロールは、円周方向に伸びている通路９９を画定するような内部断面を有しており、この内部断面は、スクロールの周りで蒸気の流れの方向に漸減しており、蒸気がロータの半径方向エントリ・スロット９７へ流入する際の圧力損失を実質的に防止している。円周方向の各位置におけるスクロールの断面積は、所望の蒸気の質量流量、蒸気の温度及び圧力、並びにロータの速度から決定することができ、これらの因子はすべて既知である。このように、スクロールは、ロータの表面速度と実質的に合致するように蒸気の速度を維持するためにその断面積が漸減しているので、固定されたスクロールからロータへ蒸気を移送する際の圧力損失が最小化され又は排除される。
【００１６】
図８及び図９に最もよく示されているように、シール１０２、１０４、１０６、１０８及び１１０の各々は、ロータ１４の周りに配設されていると共に互いに円周方向に間隔を空けた関係にある複数の独立したシール・セグメント１１２を含んでいる。各々のセグメント１１２は、軸方向に隔設されて円弧状に突出している複数のラビリンス歯状突起１１４を含んでいる。ラビリンス歯状突起１１４は、円弧状セグメント１１２からロータ１４に向かって半径方向内向きに突出しているが、ロータ１４からは離隔しており、ロータ１４に関するラビリンス・シールを形成している。グランド９２内のシール・ハウジング１１６には、円弧状の全体的にＴ字形を成しているスロット１１８と、互いに向かって軸方向に突出しているフランジ１２０及び１２２とが設けられている。各々のシール・セグメント１１２は、半径方向外向きに突出しているネック部１２４を含んでおり、ネック部１２４は、張り出しヘッド１２６で終端している。張り出しヘッド１２６は、軸方向に伸びているフランジ１２８及び１３０を有しており、フランジ１２８及び１３０は、Ｔ字形ハウジング１１６内に配設されている。ハウジング１１６とセグメントの各フランジとの間には、半径方向のクリアランスが設けられており、これにより、セグメント１１２をハウジング１１６内で全体的に半径方向に変位させることができる。ハウジングと、半径方向に最も外側にあるセグメントの部分との間には、バネ１３２が設けられており、セグメントを半径方向内向きの方向に偏圧している。従って、必要があればセグメントの半径方向外向きの移動が吸収される。
【００１７】
冷却媒体、好ましくは蒸気は、適当な供給源から、入口スクロール９４へ所定の圧力で供給され、円周方向に隔設されており、半径方向に伸びている複数のスロット９７内へ送られて、軸方向供給路８４内へ移送されることが認められよう。又、具体的にはラビリンス型シールを用いることに関して、シール１０２、１０４及び１０６を通過する冷却媒体、例えば蒸気の漏洩があること、及びこのような漏洩蒸気が排気フレーム内部バレル・キャビティ９０へ流入することを防止しなければならないことが認められよう。キャビティ９０内への漏洩を防止するために、入口スクロール９４の前方にある１つ又はそれ以上の抽出ポートは、スクロール９４へ供給される冷却媒体の前述の所定の圧力よりも低い圧力に維持されている。例えば、シール１０２とシール１０４との間でスクロールの形態を有している抽出ポート９６は、低圧蒸気タービンに結合されていると共に、入口スクロール９４での冷却媒体供給圧力よりも低い圧力に維持されており、これにより、シール１０２を通過する漏洩は、抽出ポート９６のより低い圧力のスクロールへ流入することになる。シール１０４とシール１０６との間に配置されている抽出ポート９８は、例えば蒸気シール・レギュレータに結合されていると共に、スクロール９４へ供給される蒸気の前述の所定の圧力よりも低い圧力に維持されている。同様に、シール１０２及び１０４を通過する蒸気漏洩は、抽出ポート９８へ流入して除去される。抽出ポート１００は、凝縮器に結合されていると共に、周囲圧力と同じ又は周囲圧力未満の圧力に維持されている。このようにして、シール１０２、１０４及び１０６を通過する軸方向前方への蒸気漏洩は、シール１０８を通過する軸方向後方への周囲空気の漏洩と混合されて、抽出ポート１００に流入すると共に抽出ポート１００によって除去される。従って、最後のシール１０８は、シール１０２、１０４及び１０６を横切るあらゆる偶発的な蒸気漏洩又は残留の蒸気漏洩を除去し、その結果、内部バレル・キャビティ内への蒸気漏洩を防止する。第２の抽出ポート９８を省いて、入口冷却媒体供給圧力よりも低い圧力に維持されている第１の抽出ポート９６と、これに続く周囲圧力に維持されている抽出ポート１００とのみを残すことができることも認められよう。又、図示されたもの以外の抽出ポート及びラビリンス型シールを、必要に応じて入口スクロールと最後の抽出ポート１００との間に配設することができることも認められよう。
【００１８】
図面を吟味すると、軸方向にロータを貫通している蒸気復路８６は、ロータの端を貫通していることが認められよう（図７）。図７では、蒸気グランドの後方末端に設けられている開口１２０が、戻る蒸気を蒸気復路パイプ（図示されていない）へ運搬する役割を果している。後方側方向に後方シールを通過する漏洩は、使用済みの冷却蒸気と混合されて、システムの他の部分へ流れて行く。
【００１９】
現時点で最も実用的で好適な実施例であると考えられる事柄と関連させて本発明を記載してきたが、本発明は、ここに開示した実施例に限定されるものではなく、逆に、特許請求の範囲の要旨に包含される種々の改変及び均等構成を網羅しているものと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を組み込んだガス・タービンの概略図である。
【図２】本発明に組み入れられた混合サイクル型システムであって、効率をより高めるためにガス・タービンと熱回収蒸気発生器とを採用している混合サイクル型システムの概略図である。
【図３】ガス・タービンの一部の断面図であって、ガス・タービンの燃焼部と、圧縮機部と、タービン・ロータ部とを示す図である。
【図４】ガス・タービンのロータ部の後方部の概略図であって、ロータ及び高熱ガス経路部材用の冷却媒体のための冷却用入口と冷却用出口とを示す図である。
【図５】本発明による冷却媒体グランドの拡大断面図である。
【図６】図６（Ａ）は、入口スクロールからロータへ冷却媒体を移送する冷却グランドの斜視図であって、わかり易いように一部を切り欠いた図であり、図６（Ｂ）は、スクロールの概略断面図であって、円周方向の蒸気の流れにおいてその断面積が漸減している様子を示す図である。
【図７】冷却媒体グランドの斜視図であって、冷却媒体の軸方向の入口及び出口を示す図である。
【図８】グランドの一部の拡大部分断面図であって、シール・セグメントを示しており、図５の線８−８の全体的に周りで切断した図である。
【図９】図８の線９−９の全体的に周りで切断したグランドの一部の断面図である。
【符号の説明】
１０ ガス・タービン
１２ 他段軸流圧縮機
１４ 回転シャフト
１６ 圧縮機入口
１８ 燃焼器
２０ タービン
２２ 発電機
２４ ロータ・シャフト
２６ 排気熱出口
２８ 熱回収蒸気発生器
３０ 蒸気タービン
３２ シャフト
３４ 第２の発電機
３６ 燃焼筒
３８、４０、４２、４４ ホイール
３９、４１、４３ スペーサ・ディスク
４６、４８、５０、５２ バケット
５４、５６、５８、６０ ノズル
７０ 外部シェル
７２ 内部シェル
７４、７５ ボルト・フランジ
７７、７９ タービン・ハウジング部
７８ エンド・ディスク
８０ 冷却用供給路
８２ 冷却用復路
８４ 軸方向供給路
８６ 軸方向復路
８８ 排気フレーム内部ハウジング・バレル
９０ キャビティ
９２ 冷却媒体移送グランド
９４ 冷却媒体供給入口スクロール
９５ 軸方向入口
９６、９８、１００ 抽出ポート
９７ エントリ・スロット
９９ 円周方向の通路
１０２、１０４、１０６、１０８、１１０ シール
１１２ シール・セグメント
１１４ ラビリンス歯状突起
１１６ シール・ハウジング
１１８ 円弧状Ｔ字形スロット
１２０ 開口（図６、図７）
１２０、１２２ フランジ（図９）
１２４ ネック部
１２６ 張り出し頭部
１２８、１３０ 軸方向のフランジ
１３２ バネ

Claims (4)

1. 高熱ガス経路部材を支承しており、ロータ軸の周りで回転するロータ（ 14 ）と、該ロータを貫通しており、冷却媒体を前記部材へ供給する第１の通路（ 84 ）と、前記ロータの周りに半径方向に開口しており、前記ロータの第１の通路と連通している複数の冷却媒体エントリ・スロット（ 97 ）とを有しているガス・タービンにおいて、
   固定された供給源から、回転している前記ロータの前記第１の通路（ 84 ）へ冷却媒体を移送する冷却媒体グランドと、
   前記ロータの周りに設けられており、冷却媒体を前記スロットへ供給する第２の通路（ 99 ）を形成するスクロール（ 94 ）であって前記第２の通路が当該スクロールの周りの前記冷却媒体の流れの方向に漸減している断面積を有する冷却媒体入口供給スクロール（ 94 ）と、
   該スクロールから軸方向に離隔していると共に前記ロータの周りに設けられている一対のシール（ 102,104 ）と、
   該一対のシールの間に設けられており、該一対のシールのうちの１つのシール（ 102 ）を通過する冷却媒体の漏洩を抽出するのに十分な低圧に維持されている少なくとも１つの冷却媒体抽出ポート（ 96 ）と
   を備えるガス・タービン。
2. 前記スクロールは、前記冷却媒体が前記ロータに対して実質的に接線方向に前記冷却媒体エントリ・スロットへ供給されるように、前記ロータの周りに配設されており、前記スクロールの断面積は、前記ロータの接線速度と実質的に合致する冷却媒体の流速を提供するように寸法決めされている請求項１に記載のガス・タービン。
3. 前記一対のシールの各々は、前記ロータの周りに円周配列を成して配設されている複数のシール・セグメント（ 112 ）を含んでおり、各々の該セグメントは、半径方向内向きに伸びている複数の歯状突起（ 114 ）を含んでいる請求項１に記載のガス・タービン。
4. 前記媒体抽出ポート（ 96 ）より下流に設けられ、凝縮器に結合された第２の抽出ポート（ 100 ）をさらに備え、
   前記第２の抽出ポート（ 100 ）は周囲圧力に維持されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガス・タービン。

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