JP4492951B2 - 三重回路タービン冷却 - Google Patents

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Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジン内のタービン冷却に関する。
ガスタービンエンジンでは、空気が圧縮機内で加圧され、燃焼器内で燃料と混合されて高温燃焼ガスを発生する。複数のタービン段が燃焼器に後続して燃焼ガスからエネルギーを取り出して、圧縮機に動力を与えまた有用な仕事を生み出す。
典型的なターボファン式ガスタービンエンジン構成においては、高圧タービン(HPT)が燃焼器の直後に後続して燃焼器から最も高温の燃焼ガスを受け、この燃焼ガスからエネルギーを取り出して圧縮機に動力を与えるようになっている。低圧タービン(LPT)が、HPTに後続して燃焼ガスから追加のエネルギーを取り出して、出圧縮機の上流に配置されたファンを駆動して飛行中の航空機に動力を与えるための推進力を発生する。
HPTは、燃焼器の吐出端にタービンノズルを含み、このタービンノズルは、支持ロータディスクの周縁部の周りに列の形態で配置された第1段タービンロータブレード間に燃焼ガスを向ける。次いでディスクは、対応するシャフトによって圧縮機のロータに連結されて圧縮機内の対応する圧縮機ブレードを回転させる。
ノズルベーン及びロータブレードは、高温燃焼ガスからのエネルギーの取出しを最大にするように特別に調製した対応する翼形部構成を有する。ベーン及びブレードは中空であり、それらを冷却するために一般的には圧縮機吐出圧力(CDP)空気の一部分を使用する内部冷却回路を含む。作動中にノズルベーンは固定されており、またロータブレードは回転するので、それらベーン及びブレードは一般的に異なる内部冷却構成を有しているが、それらの外部フィルム冷却を行うために、それらはいずれも正圧及び負圧側面を貫通した類似の様々なフィルム冷却孔の列を有する。
燃焼過程から反らされたいずれのCDP空気も、エンジンの効率を低下させるので、最小化すべきである。しかしながら、ベーン及びブレードの作動温度を制限して、それらの適切な有効寿命を保証するためには、十分な冷却空気を使用しなくてはならない。
タービンのベーン及びブレードは、一般的に最新のガスタービンエンジン内で受ける高い温度において高強度を有する典型的にはニッケル又はコバルト基の最先端技術の超合金材料で作られる。タービンベーン及びブレードにおける超合金材料及び入り組んだ冷却回路の使用は、それらを冷却するために圧縮機から吐出空気を反らせる必要量を最小化する助けとなる。
さらに、典型的な商用航空機は、離陸、巡航、降下及び着陸を含む規定運転サイクルを有しており、エンジンは、対応した短期間だけ最大出力又は高いタービンロータ入口温度で作動される。
絶え間ない高性能ガスタービンエンジンの開発においては、効率又は性能を最大にするために、非常に高い圧縮機吐出温度及びこれに対応した高いタービンロータ入口温度で長時間にわたってエンジンをほとんど連続的に作動させることが望まれる。小型商用ジェット機又は高性能軍用機用途においてこのタイプのエンジンを使用して利点を得ることができる。
しかしながら、この長時間にわたる高温作動状態は、今日入手可能な超合金ディスク材料を使用した高圧タービンロータの冷却に非常に難しい課題を提起する。燃焼過程において使用する空気の高い吐出圧力を達成するように圧縮機を作動させることによって、その高圧空気の温度もそれに応じて上昇し、このことがそのCDP空気の高圧タービン冷却能力を低下させることになる。タービンの長い有効寿命を保証しまた定期的メインテナンスの必要性を減らすためには、タービンの十分な冷却が必要とされる。
特表2003−500585号公報
従って、ガスタービンエンジンの高圧タービンのための冷却構成を改良したガスタービンエンジンを提供することが望まれている。
ターボファン式エンジンは、直列流れ連通状態で、第1のファン、第2のファン、多段圧縮機、燃焼器、第1のタービン、第2のタービン及び第3のタービンを含む。第1のタービンは、第1のシャフトによって圧縮機に連結される。第2のタービンは、第2のシャフトによって第2のファンに連結される。また、第3のタービンは、第3のシャフトによって第1のファンに連結される。第1、第2及び第3の冷却回路は、圧縮機の異なる段に結合されて、異なる圧力の空気で第1のタービンの前面、後面及び中心ボアを冷却するようになっている。
好ましくかつ例示的な実施形態により本発明の更なる目的及び利点と共に本発明を、添付図面に関連してなされる以下の詳細な記載においてより具体的に説明する。
図1に示すのは、飛行中の航空機に動力を与えるための例示的な構成を有するターボファン式ガスタービンエンジン10である。エンジンは、長手方向又は軸方向中心軸線について軸対称であり、第1の又は前方ファン12と、第2の又は後方ファン14と、互いに直列流れ連通状態に連結されて空気18を圧縮するようになった多段軸流圧縮機16とを含む。
これらの構成部品は、任意の従来型の構成を有することができ、第1及び第2のファンは、支持ロータディスクから半径方向外向きに延びる対応するファンブレードの列を含む。軸流圧縮機は、例えば例示的に示した6つの段1〜6のような様々な段を含み、これらの段は、相互接続された対応するロータディスクから半径方向外向きに延びて、対応するステータベーンの列と協働する対応するロータブレードの列を含む。
アニュラ型燃焼器20が、圧縮機16の吐出端に配置されて、燃料22を加圧空気と混合して高温燃焼ガス24を形成する。
第1の又は高圧タービン26が、燃焼器から最も高温の燃焼ガスを受けるように該燃焼器の直後に後続し、作動中に圧縮機のロータを駆動するように第1のシャフト28によって圧縮機16に連結される。
第2の又は中間出力タービン30が、第1のタービン26から燃焼ガスを受けるように該第1のタービンに後続し、第2のシャフト32によって第2のファン14に連結される。
第3の又は低圧タービン34が、第2のタービン30から燃焼ガスを受けるように該第2のタービンに後続し、第3のシャフト36によって第1のファン12に連結される。
3つのタービン26、30、34は、それらの対応するロータ又はシャフト28、32、36によって独立して回転可能であり、その中で2段ファン12、14及び圧縮機が作動中に周囲空気を順次加圧する3つのスプール型エンジンを形成する。還状のバイパスダクト38が、一般的なタービン構成における2つのファンの後方でコアエンジンを囲み、コアエンジンを迂回するファン空気により大部分の推進力を発生するようになっている。
高圧タービン26を効果的に冷却するために、3つの独立した冷却回路40、42、44が使用される。第1の冷却回路40は、圧縮機16の第2段のような中間段に結合されて、タービン26の中心部を通して第1の圧力の空気S2を流してこの領域を局所的に冷却するための手段を提供する。
第2の冷却回路42は、圧縮機の第5段のような別の中間段に結合されて、高圧タービン26の後面すなわち下流面に第2の圧力の空気S5を流すための手段を提供する。
また、第3の冷却回路44は、圧縮機の吐出端に結合されて、高圧タービン26の上流面すなわち前面に圧縮機の最終の又は第6段のCDP空気S6である第3の圧力の空気を流すための手段を提供する。
第1、第2及び第3の冷却回路40、42、44は、圧縮機16の連続した段に流れ連通状態で適切に結合されて、対応して上昇する圧力及び温度の第1の圧力の空気S2、第2の圧力の空気S5及び第3の圧力の空気S6を圧縮機16から抽出すなわちブリードする。空気18の圧力及び温度は両方とも、空気が圧縮機の各段で加圧されるにつれて上昇し、第2段の空気は第1の圧力P1及び温度T1を有し、第5段の空気は第2の圧力P2及び温度T2を有し、また第6段のCDP空気は第3の圧力P3及び温度T3を有し、これらの圧力及び温度は段から段へ進むにつれて上昇する。
3つの冷却回路は、3つの異なるブリード流に関連した3つの異なる温度による異なる冷却能力を使用し、またタービンの異なる圧力領域における該領域に関連した3つの異なる圧力を付加的に使用して、高圧タービン26の異なる部分を別々に冷却するように構成される。
より具体的には、図2には第1のタービンをより詳細に示しており、この第1のタービンは、前面及び後面を有する第1のロータディスク26を含み、これらの前面及び後面は、周縁リムからより大きな中心ハブで終端する薄いウエブまで半径方向内向きに延びる。ハブは、第1の中心ボア46を含み、第1段タービンロータブレード48の列が、タービンディスクのリムから半径方向外向きに延びる。
第1の冷却回路40は、圧縮機から第1のタービンのボア46を通って延びるように適切に構成される。第2の冷却回路42は、第1のディスク26の後面に沿って半径方向外向きに延びるように適切に構成される。また、第3の冷却回路44は、第1のディスク26の前面に沿って半径方向外向きに延びるように適切に構成される。
このようにして、最も低温の抽出空気S2は、第1のタービンロータディスク26のボア及び大きなハブを冷却するために使用し、2番目に低温の抽出空気S5は、第1のタービンディスク26上の第1のブレードの下方において該第1のタービンディスク26の後面を冷却するために使用し、最も高温のCDP空気S6は、第1段タービンロータディスク26上に支持したブレード48の下方において該第1段タービンロータディスク26の前面を冷却するために使用する。
燃焼ガス24の圧力は、第1段タービンブレード48によって該燃焼ガスからエネルギーを取り出した時に低下するので、異なる圧力の冷却空気を使用して第1段タービンロータディスク26の両側に作用する異なる圧力に合わせるようにするのが有利である。第1のタービンディスク26の前面は、最も高い圧力の燃焼ガスに曝され、従って、この領域を冷却するのに最も高圧の圧縮機吐出空気を使用する。第1のディスク26の後面はより低い圧力に曝され、この領域を冷却するのにより低い圧力のブリード空気を使用することができる。また、ディスクボア46は、第2段ブリード空気のさらに低い圧力で効果的に冷却することができる。
図2に示す第1のタービンと同様に、第2のタービンは、前面及び後面と、外側リムと、より薄いウエブと、第1の中心ボア46と同心に配置された第2の中心ボア50を有する中心ハブとを有する第2のロータディスク30を含む。中間段第2ロータブレード52の列が、第2のタービンディスク30の周縁リムから半径方向外向きに延びる。
同様に、第3のタービンは、前面及び後面と、外縁リムと、より薄いウエブと、第1及び第2のボアと同心に配置された第3の中心ボア54をその中に有するより大きなハブとを有する第3のロータディスク34を含む。第3段又は低圧ロータブレード56の列が、第3のタービンロータディスク34の周縁リムから半径方向外向きに延びる。
図2に示すHPTはさらに、従来の方式で外側及び内側バンド間で半径方向に延びる中空のベーンの列を有する高圧タービンノズル58を含む。ノズルベーンは、燃焼器の吐出端から第1段タービンロータブレード48に燃焼ガスを向け、この第1段タービンロータブレード48が、ディスク26を回転させるように燃焼ガスからエネルギーを取り出して、第1のシャフト28を駆動する。
同様に、LPTは、第2及び第3段ブレード52、56の列の軸方向間に配置されて燃焼ガスをLPTブレード56に向けて流すようになった低圧又は第3のタービンノズル60を含む。
対応するロータブレードと共にタービンノズルを使用する従来の実施とは異なり、中間圧力タービン(IPT)は、ベーンつまり第2のタービンノズルを持たず、その第2段ブレード52は、第1段ブレード48との間に対応するタービンノズルが無い状態で該第1段ブレード48の後方に直接配置される。IPTブレード52は、次に燃焼ガスをLPTノズル60に向けて吐出する。
このことは、第2の冷却回路42が、第3のノズル60を通って半径方向内向きに、第2のボア50を通って軸方向前向きに、また第1及び第2段ディスク26及び30の対向する前面及び後面間で半径方向に延びることを可能にする。従って、第2の冷却回路42内での圧力損失が減少し、第5段冷却空気を第1のタービンディスク26の後面を直接冷却するように効果的に使用することができる。
図3のさらに拡大した図に示すように、第2の冷却回路42は、様々な固定及び回転構成部品によって画成され、後方ブレードリテーナ72によって半径方向に分流又は分岐された部分を含み、一部分が第2のボア50を通って流れ、また残りの部分が第2のディスク30の後面に沿って流れる。このようにして、第5段空気を使用して、第2のディスク30の両面及び第1のディスク26の後面を冷却する。
3つの冷却回路40、42、44は、ターボファン式エンジン内で従来から使用されている様々な要素を使用して適切に構成することができ、これらの要素には、ラビリンスシールのような対応するシール62が含まれ、これらシール62は、回路を互いに隔離すると共に第1のタービンディスク26の前面及び後面を該第1のタービンディスクの第1のボア46から隔離して第1のディスク26の異なる部分を異なる温度の冷却空気で冷却するようにする。
タービンの様々な構成部品には回転及び固定構成部品が含まれるので、図3に示す第2の冷却回路42は、接線方向に傾斜したベーン又は開口の形態をした第2の固定インデューサ64を含み、第5段空気を第2のロータディスク30の周りで円周方向つまり接線方向に加速して回転及び固定構成部品間の空力学的損失を最小化するよにするのが好ましい。
同様に、第3の冷却回路44は、傾斜したベーン又は開口を有し、第6段空気を第1のロータディスク26の周りで円周方向つまり接線方向に加速して空力学的損失を最小化するよになった第3の固定インデューサ66を含む。インデューサ64、66は、上記の方式で協働するように特別に構成された任意の従来の構成を有することができる。
図3に示す第1のタービンはさらに、その大部分が第2のディスク30から前方に間隔をおいて配置されたディスクの形態をした前方ブレードリテーナ68を含む。ブレードリテーナ68の外端部は、第1段ブレード48を従来の方式でロータディスク内に保持し、ブレードリテーナの内端部は、第3のインデューサ66と整列して該第3のインデューサ66から第6段空気を受けるようになった軸方向開口70の列を含む。
同様に、第2のタービンはさらに、その一部分が第2のディスク30から軸方向後方に間隔をおいて配置された環状のプレートの形態をした後方ブレードリテーナ72を含む。リテーナ72の外端部は、第2段ブレード52を従来の方式で第2のディスク内に保持する。また、リテーナ72の内端部は、第2のインデューサ64と整列して該第2のインデューサ64から第5段空気を受けるようになった軸方向開口74の列を含む。
リテーナ68、72は、その一部が対応する冷却回路の吐出端を画成し、異なる温度のブリード空気を使用して、固定インデューサから回転ロータに向けてブリード空気を加速しながら2つのディスク26、30のそれぞれの面を冷却するようにする。
これに対応して、図3に示す第1の冷却回路40は、中空又は円筒状である第1のシャフト28によってその後方部が画成され、この第1のシャフト28を通して第2段空気を圧縮機から流すことができる。第1のシャフト28は、第1のタービンディスク26の薄いウエブ及びより厚いハブ間の連結部において第1のタービンディスク26の前面及び後面から反対方向に延びて、第1の回路40を通って流れる低温の第2段ブリード空気でより厚いハブを取り囲むようにする。このようにして、第1のディスク26の大きなハブを低温の空気によって冷却し、また第1のディスク26の薄いウエブの両面を、異なる温度の第5及び第6段空気によって冷却する。
図2は、ノズルベーンとタービンブレードとを形成する様々な翼形部の例示的な輪郭を概略的に示す。図示した好ましい実施形態では、第1及び第2のロータブレード48、52は、これら2つのタービン段間にタービンノズルが無い状態で第2のシャフト32を第1のシャフト28とは逆方向に回転させるような空力学的輪郭で正反対に構成される。また、第3のロータブレード56の空力学的輪郭は、第2のブレード52とは逆方向に回転するように該第2のブレード52と正反対にすることができる。
それに対応して、第3のタービンノズルは、可変位置又は可変面積ノズルベーン60を含み、このノズルベーン60は、該ノズルベーンを貫通して半径方向に延びるスピンドルを有し、これらスピンドルが、タービンノズルの可変面積を調製するようにスピンドル又はベーンを回転させるための適当な手段に連結される。可変面積ノズルにおいては、任意の従来の構成を使用することができる。
ノズルベーン60は、中空であるのが好ましく、第2の冷却回路42が、この中空のベーンを通って第2のボア50まで延び、その一部が対応する通路壁によって画成される。
図2に示すように、3つのタービンディスク26、30、34は、対応する支持体、軸受及びフレームを使用してエンジン内に適切に取付けられる。上に示したように、第2のシャフト32は、第1のシャフト28とは逆方向に回転し、第3のシャフト36は、第2のシャフト32とは逆方向にかつ第1のシャフト28とは同方向に回転する。従って、3つのシャフトの様々な部分間に様々なシールを設けて、3つの冷却回路を互いに隔離すると共に軸受に給油するために設けられたオイル回路を隔離するようにする。
図2に示す3つのロータシャフトを取付けることの複雑さにもかかわらず、3つの独立した冷却回路を該冷却回路の様々な構成部品内に導入して、3つの異なる温度のブリード空気流で高圧タービンディスク26を冷却してその冷却を高めるようにすることができる。最初に第3の冷却回路44を通って流れてタービンディスク26の前面を冷却する第6段CDP空気は、次に任意の従来の方式で第1段ブレード48自体を通って吐出されて、第1段ブレード48を冷却するようになる。
第1のタービンディスク26の後面を冷却する第5段空気は、タービン流路に戻される。また、第1のタービンディスク26のハブ及びボアを冷却する第2段空気は、該第1のタービンディスク26から吐出されて、様々な軸受空洞をパージする。
従って、タービン構成部品のための最新の超合金材料と共に3スプール型ターボファン式エンジンの第1段タービンのためのこの改良した冷却構成を使用することにより、エンジンの長期間にわたる作動において、エンジンの対応する長い有効寿命を維持しながらより高圧の圧縮機吐出空気及びより高いタービンロータ入口温度を使用することが可能になる。
本明細書では本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると思われるものについて説明してきたが、本発明のその他の変更も本明細書の教示から当業者には明らかであろう。また、特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるためではなく、それらを容易に理解するためのものである。
例示的な多ロータ型ターボファン式航空機エンジンの軸方向概略図。 図1に示すエンジンのタービン領域の拡大軸方向断面図。 図2に示すエンジンのタービン領域のさらに拡大した軸方向断面図。
符号の説明
10 ターボファン式ガスタービンエンジン
20 燃焼器
24 燃焼ガス
26 第1のタービン
28 第1のシャフト
30 第2のタービン
32 第2のシャフト
40 第1の冷却回路
42 第2の冷却回路
44 第3の冷却回路
46 第1の中心ボア
48 第1段タービンブレード
50 第2の中心ボア
52 第2段タービンブレード
58 高圧タービンノズル
60 低圧タービンノズル
62 シール
64 第2のインデューサ
66 第3のインデューサ
68 前方ブレードリテーナ
70 前方ブレードリテーナの軸方向開口
72 後方ブレードリテーナ
74 後方ブレードリテーナの軸方向開口
S2 第1の圧力の空気
S5 第2の圧力の空気
S6 第3の圧力の空気

Claims (9)

  1. 直列流れ連通状態で連結されて空気(18)を加圧するようになった第1のファン(12)、第2のファン(14)及び多段圧縮機(16)と、
    前記圧縮機(16)の吐出端に配置されて燃料(22)を前記加圧空気と混合して燃焼ガス(24)を形成するようになった燃焼器(20)と、
    前記燃焼器に後続し、第1のシャフト(28)によって前記圧縮機に連結された第1のタービン(26)と、
    前記第1のタービン(26)に後続し、第2のシャフト(32)によって前記第2のファン(14)に連結された第2のタービン(30)と、
    前記第2のタービン(30)に後続し、第3のシャフト(36)によって前記第1のファン(12)に連結された第3のタービン(34)と、
    前記圧縮機(16)の中間段に結合されて前記第1のタービンの中心部を通して第1の圧力の空気を流すようになった第1の冷却回路(40)と、
    前記圧縮機(16)の別の中間段に結合されて前記第1のタービン(26)の後面に第2の圧力の空気を流すようになった第2の冷却回路(42)と、
    前記圧縮機(16)の吐出端に結合されて前記第1のタービンの前面に第3の圧力の空気を流すようになった第3の冷却回路(44)と、を含み、
    前記第1のタービンは、第1の中心ボア(46)と第1のロータブレード(48)の列とを備える第1のロータディスクを含み、前記第1のロータブレード(48)の列は、前記第1のロータディスクのリムから半径方向外向きに延び、
    前記第1、第2及び第3の冷却回路(40、42、44)が、前記圧縮機(16)の連続した段に結合されて該連続した段から対応して上昇する圧力及び温度の前記第1の圧力の空気、第2の圧力の空気及び第3の圧力の空気を抽出するようになっており、
    前記第2のタービンが、第2のロータディスク(30)を含み、
    前記第2のロータディスク(30)が、第2の中心ボア(50)と該第2のロータディスクの周縁リムから半径方向外向きに延びる第2のロータブレード(52)の列とを有し、
    前記第3のタービンが第3のロータディスク(34)と第3のタービンノズル(60)とを含み、前記第3のロータディスク(34)が、第3の中心ボア(54)と該第3のロータディスクの周縁リムから半径方向外向きに延びる第3のロータブレード(56)の列とを有し、前記第3のタービンノズル(60)が、前記第2及び第3のブレード(52、56)間に配置され、
    前記第2のブレード(52)が、前記第1のブレードとの間にタービンノズルが無い状態で、該第1のブレード(48)の後方に配置され、
    前記第2の冷却回路(42)が、前記第3のノズル(60)を通って半径方向内向きに、前記第2のボア(50)を通って軸方向前方に、また前記第1及び第2のディスク(26、30)の対向する面間に延びている、
    ターボファン式エンジン(10)。
  2. 前記第3のタービンノズルが中空の可変位置ベーン(60)を含み、前記冷却回路(42)が、前記ベーンを通って前記第2のボア(50)まで延びている、請求項記載のエンジン。
  3. 前記第1のタービンが、第1のロータディスク(26)を含み、前記第1のロータディスク(26)が、第1の中心ボア(46)と該第1のロータディスクの周縁リムから半径方向外向きに延びる第1のロータブレード(48)の列とを有し、
    前記第1の冷却回路(40)が、前記ボア(46)を通って延び、前記第2の冷却回路(42)が、前記ディスク(26)の後面に沿って半径方向外向きに延び、前記第3の冷却回路(44)が、前記ディスクの前面に沿って半径方向外向きに延びている、
    請求項記載のエンジン。
  4. 前記第2の冷却回路(42)が半径方向に分流されて、その一部分が前記第2のボア(50)を通って流れ、また残りの部分が前記第2のディスク(30)の後面に沿って流れるようになっている、請求項記載のエンジン。
  5. 前記第2の冷却回路(42)が、第2の圧力の空気を前記第2のロータディスク(30)の周りで接線方向に加速するようになった第2の固定インデューサ(64)を含み、
    前記第3の冷却回路(44)が、第3の圧力の空気を前記第1のロータディスク(26)の周りで接線方向に加速するようになった第3の固定インデューサ(66)を含む、
    請求項記載のエンジン。
  6. 前記第1のタービンが、前記第1のディスク(26)から部分的に間隔をおいて配置され、前記第3のインデューサ(66)に整列して該第3のインデューサから前記第3の圧力の空気を受けるようになった開口(70)の列を有する前方ブレードリテーナ(68)をさらに含み、
    前記第2のタービンが、前記第2のディスク(30)から部分的に間隔をおいて配置され、前記第2のインデューサ(64)に整列して該第2のインデューサから前記第2の圧力の空気を受けるようになった開口(74)の列を有する後方ブレードリテーナ(72)をさらに含む、
    請求項記載のエンジン。
  7. 前記第1のタービン(26)が、前記リムから半径方向内向きに延び、かつ前記第1の中心ボア(46)を含むより厚いハブがそれに続く薄いウエブをさらに含み、
    前記第1のシャフト(28)が、中空でありかつ前記第1のタービンのウエブ及びハブ間における該第1のタービンの前面及び後面から延びて、その一部が該第1のタービンハブを冷却するための第1の冷却回路(40)を画成している、
    請求項記載のエンジン。
  8. 前記第1及び第2のロータブレード(48、52)が、前記第2のシャフト(32)を前記第1のシャフト(28)とは逆方向に回転させるように正反対に構成されている、請求項記載のエンジン。
  9. 前記第1、第2及び第3の冷却回路(40、42、44)の各々が、前記第1のタービン(26)の前面、後面及び第1のボア(46)を互いに隔離して異なる温度の冷却空気でそれらを冷却することを可能にする対応するシール(62)を含む、請求項記載のエンジン。
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