JP5462449B2 - 燃焼装置のバーナおよびこれを備えた燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジン，ボイラ等、高温ガスの供給を必要とする機器に使用する燃焼装置のバーナ、およびこのバーナを備えた燃焼装置に関する。

ガスタービンエンジンにおいては、環境保全への配慮から、燃焼により排出される排ガスの組成に関して厳しい環境基準が設けられており、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）などの有害物質を低減することが求められている。一方、大型の地上設備用ガスタービンエンジンや航空機用ガスタービンエンジンでは、低燃費化および高出力化の要請から、圧力比が高く設定される傾向にあり、それに伴って燃焼装置入口における高温・高圧化が進み、この燃焼装置の入口温度の高温化によって燃焼温度が高くなり易いことから、ＮＯｘをむしろ増加させる要因になることが懸念されている。

そこで、近年では、ＮＯｘ発生量を効果的に低減させる希薄予混合燃焼方式を採り入れた燃焼方式、例えば、希薄予混合燃焼方式と拡散燃焼方式とを組み合わせた複合燃焼方式が提案されている（特許文献１，２）。希薄予混合燃焼方式は、空気と燃料とを予め混合して燃料濃度を均一化した混合気として燃焼させるので、局所的に火炎温度が高温となる燃焼領域が存在せず、かつ燃料の希薄化により全体的にも火炎温度を低くできることから、ＮＯｘ発生量を効果的に低減できる利点がある一方、低負荷燃焼時に吹き消えが起こりやすい。また、拡散燃焼方式は、燃料と空気とを拡散・混合しながら燃焼させることから、低負荷時にも吹き消えが起こり難く、保炎性能に優れている利点がある一方、ＮＯｘ発生量の低減に課題がある。したがって、複合燃焼方式によれば、始動時および低負荷時の拡散燃焼により燃焼安定性を確保しながら、高負荷時の予混合燃焼によりＮＯｘ発生量の低減を図ることができる。

ところで、従来の複合燃焼方式の燃焼装置では、例えば図６に示すように、燃焼装置８０の燃焼筒８１の頂部８１ａに配置された拡散燃焼バーナ（パイロットバーナ）８２の外側を囲むようにして、スワーラ８３を備える予混合燃焼バーナ（メインバーナ）８４を配置し、予混合気Ｐを旋回流として燃焼室に噴射するバーナユニット８５を採用している。

スワーラ８３を有する予混合燃料バーナ８４を用いて、予混合気Ｐを燃焼室内に旋回流として噴射した場合、負圧となった旋回流の内側に、燃焼筒８１の頂部８１ａに向かう予混合気Ｐの逆流領域Ｒが生じる。従来の燃焼装置８０では、このように逆流領域Ｒを形成させ、高温の燃焼ガスを逆流によって循環させて着火源として利用することにより火炎を保持している。
特開平８−２８８７１号公報 特開平８−２１０６４１号公報

しかし、スワーラを用いて逆流領域Ｒを発生させて高温の燃焼ガスを着火源として利用する保炎機構では、予混合気の燃料濃度をさらに希薄にすると、燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下すれば、循環する燃焼ガスの温度が低下して着火源として機能しなくなるので、保炎が困難になる。すなわち、従来の、スワーラを用いて予混合気の旋回流を生じさせて火炎を保持するバーナでは、予混合気の燃料濃度を希薄にしてさらなる低ＮＯｘ化を図ることが難しいという課題があった。さらには、スワーラを用いることによりバーナの構造が複雑化するという課題もあった。

本発明は、スワーラなどの旋回機構を用いないことにより逆流領域を生じさせず、予混合気流の流速を低下させることのみによって保炎領域の形成を可能にすることにより、構造を簡素化しながら希薄な予混合気を用いて低ＮＯｘ燃焼を実現することのできる燃焼装置のバーナ、および、このバーナを備えた燃焼装置を提供することを目的とする。

前記した目的を達成するために、本発明に係る燃焼装置のバーナは、円筒形状の燃焼筒の内側に形成される燃焼室に、燃料と空気との予混合気を噴射する円筒形状のバーナであって、燃料と空気とが導入されて予混合気を形成する予混合管部と、前記予混合管部の下流側に位置して予混合気を前記燃焼室に導出する予混合気導出部とを備え、前記予混合管部および前記予混合気導出部によって形成される予混合気流路のうち、少なくとも前記予混合管部の下流端から前記予混合気導出部の前記燃焼室に臨む導出口までの部分が、予混合気流路の当該バーナの軸心に垂直な断面積が下流側に向かって漸増する拡大通路として形成されている。

この構成によれば、予混合管部から噴出された予混合気流が、下流側に向かって漸増する断面積を有する拡大通路を通ることにより、その流速が次第に減速される。拡大通路によって徐々に減速された予混合気流は、その流速が火炎の伝播速度とつりあう位置に保炎領域を形成させる。すなわち、上記のバーナによれば、予混合気の流速と火炎伝播速度とをつり合わせることによって火炎を保持できるので、希薄な予混合気を用いて燃焼温度が低下しても、火炎を保持することが可能となる。また、拡大通路内における予混合気流の流速の低下に伴いさらに予混合が促進されるので、濃度分布の均一な予混合気を形成することができる。したがって、希薄な予混合気を用いて燃焼時のＮＯｘの発生を大幅に抑制することができる。保炎領域は、燃焼室内またはバーナの拡大通路内に形成されている。

換言すれば、上記のバーナは、予混合気の旋回流を形成させる旋回機構を備えておらず、予混合気を無旋回で前記燃焼室内に噴射する。したがって、上記のような、希薄な予混合気を用いても火炎を安定的に保持して低ＮＯｘ燃焼を実現できるという効果を、スワーラなどの旋回機構を備えない簡易な構造のバーナによって得ることができる。

本発明において、前記予混合管部がベンチュリミキサとして形成されていることが好ましい。この構成によれば、予混合管部が、軸心方向のほぼ中央部に位置する最小径部と、最小径部から上流側および下流側にそれぞれ延びる拡径部とを有するベンチュリ管形状に形成されるので、予混合管部の前記最小径部から下流側の拡径部が、前記拡大通路の一部として機能する。その結果、予混合気流の減速による予混合促進効果が一層顕著となり、より希薄な予混合気を用いて効果的にＮＯｘ発生を抑制できる。

また、前記予混合管部に燃料を供給する燃料供給管は、前記予混合管部と同心状に配置されていることが好ましい。燃料供給管をこのように配置することで、場所的に均一な燃料濃度の予混合気が得られ易くなる。

また、本発明のバーナを、複数の前記予混合管部を有するものとしてもよい。このような構成とすることにより、多量の燃料を噴射して高負荷燃焼をする場合でも、燃料濃度の均一な予混合気を形成することができる。

また、本発明に係るバーナは、前記拡大通路内で点火する点火装置を備えていてもよい。この場合、例えば、点火装置を前記予混合気導出部に設けてもよく、前記予混合管部を形成する予混合管体の径方向中心部に設けてもよい。拡大通路として形成した予混合気流路内では、予混合気の流速が減速されるので、拡大通路内で点火することにより、吹き消えを防止して確実に着火することができる。

本発明に係る燃焼装置は、上記したバーナを備え、前記燃焼筒の頂部が、前記バーナの導出部の内周壁から滑らかに繋がるテーパ形状を有して、前記拡大通路の一部を形成している。

一般に、予混合気の燃料濃度を低下させると、予混合気の流速と火炎伝播速度がつり合う位置は下流側にシフトする。上記の構成を有する燃焼装置では、燃焼筒の頂部も拡大通路の一部を形成しているので、予混合気の流速を長い距離にわたって緩やかに低下させることができる。その結果、混合が十分になされるので、より低濃度の予混合気を用いて、保炎領域を燃焼室内に形成させることが可能となる。すなわち、より低濃度の予混合気を用いることができるので、さらに効果的にＮＯｘ発生を抑制することが可能となる。

以上のように、本発明に係る燃焼装置のバーナおよび燃焼装置によれば、逆流領域を生じさせることなく、予混合気流の流速を低下させることのみによって保炎領域を形成することができるので、希薄な予混合気を用いた低ＮＯｘ燃焼を実現することが可能となる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る燃焼装置が適用されるガスタービンエンジンを示す簡略構成図である。ガスタービンエンジンＧＴは圧縮機１、燃焼装置２およびタービン３を主構成要素として構成されており、圧縮機１から供給される圧縮空気を燃焼装置２で燃焼させ、それにより発生する高圧の燃焼ガスをタービン３に供給する。圧縮機１は回転軸５を介してタービン３に連結されて、このタービン３により駆動される。このガスタービンエンジンＧＴの出力により、航空機のロータまたは発電機のような負荷４を駆動する。燃焼装置２には、燃料供給装置９から送給される燃料Ｆが、燃料制御装置８を介して供給される。

図２は燃焼装置２を示す断面図である。この燃焼装置２は、エンジン回転軸心の周りに環状に複数個配置されるキャン型であり、内側に燃焼室１０を形成する燃焼筒１２と、燃焼筒１２のテーパ状の頂部１２ａに取り付けられて燃焼室１０に燃料と空気の予混合気を噴射するバーナ１４とを備え、予混合気に軸心回りの旋回を与えるスワーラのような旋回機構を備えない簡易な構造を有している。これら燃焼筒１２およびバーナ１４は、燃焼装置２の外筒となるほぼ円筒状のハウジングＨに同心状に収容されている。ハウジングＨの先端にはエンドカバー１８がボルト２０により固定されている。

ハウジングＨの先端近傍の内周壁に、環状の内側フランジ２４が形成されており、この内側フランジ２４に、燃焼筒１２から筒状に延びる支持筒２６がボルト２８で連結固定されることにより、燃焼筒１２の頂部がハウジングＨに取り付けられている。ハウジングＨと燃焼筒１２との間に、圧縮機１からの圧縮空気Ａを矢印で示すように燃焼筒１２の頂部方向に導く空気通路３０が形成されている。さらに、この空気通路３０に面して、支持筒２８の周壁に複数の空気導入孔３２が周方向に並んで設けられており、空気通路３０を通って送られてきた圧縮空気Ａが、この空気導入孔３２を通って、ハウジングＨ，支持筒２６，およびエンドカバー１８によって形成された空気導入空間３４に導入される。

図３は、図２の燃焼装置２のバーナ１４の要部を示す縦断面図である。バーナ１４は、バーナ１４の外周壁を形成する、燃焼筒１２と同一の軸心Ｃ１を有する円筒状のバーナ筒４０と、バーナ筒４０の内側に嵌合する単一の予混合管体４２と、予混合管体４２に燃料Ｆを供給する複数の燃料供給管４４とを備えている。予混合管体４２は、予混合気Ｐを形成するための、予混合管体４２の軸心方向の貫通孔である複数の予混合管部４６を有しており、各１本の燃料供給管４４が、一つの予混合管部４６内に臨んで予混合管部４６に燃料Ｆを噴射するように配置されている。

バーナ筒４０の下流側端部近傍の内周面４０ａは、下流側に向かって拡径となるテーパ状に形成された円錐面となっている。このテーパ状の内周面４０ａの上流側端には、軸心方向上流側を向く環状の鍔面４０ｂが設けられており、この鍔面４０ｂに円筒形状の予混合管体４２の下流側端面４２ａが当接している。一方、バーナ筒４０の下流側端４０ｃは、燃焼筒１２の頂部１２ａの上流側端に連結されている。すなわち、バーナ筒４０下流側のテーパ状内周面４０ａを有する部分は、予混合管部４６からの予混合気Ｐを燃焼室１０内に導出する予混合気導出部４８として機能する。なお、それぞれ下流側に向かって拡径となるテーパ状に形成されている燃焼筒１２の頂部１２ａと、予混合気導出部４８の内周面４０ａとは、本実施形態のように、両テーパ形状がなめらかに繋がるように設定されていることが好ましい。

予混合管部４６には、燃料供給管４４から噴射される燃料Ｆとともに、バーナ筒４０の上流端開口４０ｄから圧縮空気Ａが導入されて、燃料Ｆと空気Ａとの予混合気Ｐが形成される。複数の予混合管部４６のそれぞれは、ベンチュリ管形状を有するベンチュリミキサとして形成されている。つまり、予混合管部４６における軸心方向中央付近に、最も小さい通路径を有する最小径部４６ａが設けられ、その下流側及び上流側が、それぞれ下流側拡径部４６ｂおよび上流側拡径部４６ｃとして形成されている。

図３の予混合管体４２を下流側から見た背面図である図４に示すように、予混合管体４２には、その円径断面の中心部に位置する１つの予混合管部４６、および、この中心部の予混合管部４６の周りに均等に配置された６つの予混合管部４６の、計７つの予混合管部４６が設けられている。各予混合管部４６は、互いに、それぞれの下流側端の開口４６ｄ同士がほぼ外接するように近接して配置されている。さらに、図４に一点鎖線で示す６つの予混合管部４６の外接円Ｑが、図３に示す予混合気導出部４８の内周面４０ａの上流端の形状にほぼ合致するように設定されている。

したがって、予混合管部４６および予混合気導出部４８によって形成される予混合気流路５２のうち、予混合管部４６の下流側拡径部４６ｂと、テーパ状の予混合気導出部４８とによって形成される部分は、バーナ１４の軸心Ｃ１に垂直な断面積が下流側に向かって漸増する拡大通路Ｅとして形成されている。予混合管部４６の下流付近から予混合気導出部４８の上流付近にかけて、予混合気流路５２の通路面積である全予混合気管部４６の総横断面積と予混合導出部４８の横断面積とを比較して増加している。

なお、予混合管部４６は、図５に示すように、円筒状の内周面を有する直管部４６ｅと、テーパ状の内周面を有する下流側テーパ部４６ｆおよび上流側テーパ部４６ｇとからなるベンチュリミキサ構造としてもよい。下流側テーパ部４６ｆおよび上流側テーパ部４６ｇは、それぞれ、直管部４６ｅの下流端および上流端から拡径となるテーパ状に形成されている。この場合には、予混合管部４６の下流側テーパ部４６ｆと予混合気導出部４８とが拡大通路Ｅを形成する。

図３に示す燃料供給管４４は、径方向には、各予混合管部４６の軸心Ｃ２（代表として１つのみ図示）上に配置されることが好ましい。また、軸心方向には、燃料Ｆを噴射する先端部４４ａが、予混合管部４６の最小径部４６ａよりも上流側の上流側拡径部４６ｃ内に位置するように配置されている。

また、本実施形態においては、図３および５に示すように、予混合気Ｐに点火する点火装置である点火プラグ５０を、予混合気導出部４８の内周面４０ａに臨むように設置して、拡大通路Ｅ内で点火できるように設定している。

点火プラグ５０は、本実施形態のように、予混合気導出部４８に設置する代わりに、例えば、予混合管体４２の中心部の予混合管部４６の位置に、予混合管部４６に代えて設置してもよく、あるいは、従来のように燃焼筒１２に設置してもよい。

予混合気Ｐの濃度、および、拡大通路Ｅを構成する各部分の長さやテーパ角度を調整することにより、予混合気Ｐの流速と火炎の伝播速度がつり合った位置に形成される保炎領域Ｂの位置を調整することができる。本実施形態においては、保炎領域Ｂを予混合気導出部４８内から燃焼筒１２の燃焼室１０内とにわたって形成させるように設定している。

次に、上記のように構成した燃焼装置２およびバーナ１４の動作を説明する。

図３に示すように、燃料供給管４４から予混合管部４６内に噴射された燃料Ｆは、バーナ筒４０の上流端開口４０ｄから予混合管部４６内に導入された空気Ａと混合され、予混合気Ｐとして、ベンチュリミキサである予混合管部４６の最小径部４６ａを通過する。最小径部４６ａを通過した予混合気Ｐは、ベンチュリミキサである予混合管部４６および予混合気導出部４８によって形成されている予混合気流路５２を燃焼室１０に向かって流れる。

予混合気流路５２のうち、予混合管部４６の最小径部４６ａよりも下流側の部分は、予混合気流路５２のバーナ１４の軸心Ｃ１に垂直な断面積が下流側に向かって、すなわち、予混合気Ｐの流れに沿って次第に増加する拡大通路Ｅとして構成されている。したがって予混合気Ｐがこの拡大通路Ｅを流れるにつれて、予混合気Ｐの流速は次第に低下する。この予混合気Ｐの流速の変化によって、予混合気Ｐの流れに乱れが生じ、予混合が促進される。さらに、予混合気Ｐの流れが次第に減速して、火炎の伝播速度とつり合う速度になった位置に、保炎領域Ｂが形成される。

本実施形態の燃焼装置２において、予混合気Ｐは、ほぼ軸心に沿った方向にのみ流れる。すなわち、本実施形態のバーナ１４は、予混合気Ｐの旋回流を生じさせるスワーラなどの機構を有していないので、予混合気Ｐが燃焼室１０内で旋回流を形成することがなく、その結果、燃焼室１０内で予混合気Ｐの逆流領域が形成されることがない。換言すれば、本実施形態において、保炎領域Ｂは、逆流領域によって循環された燃焼ガスを利用することなく、ほぼ軸心方向に沿って流れる予混合気Ｐの流速と火炎の伝播速度とがつり合うことによってのみ形成されている。

このように、本実施形態のバーナ１４においては、予混合気Ｐの流速と火炎伝播速度とをつり合わせることによって火炎を保持しているので、希薄な予混合気Ｐを用いて燃焼温度が低下しても、火炎を保持することが可能となる。また、拡大通路Ｅ内において、予混合気流の流速が低下することによりさらに予混合気Ｐの予混合が促進されるので、燃料濃度分布の均一な予混合気Ｐを形成することができる。したがって、希薄な予混合気Ｐを用いて燃焼時のＮＯｘ発生を大幅に抑制することができる。しかも、このような効果を、スワーラなどの旋回機構を要しない簡易な構造のバーナ１４によって得ることができる。

特に、図３の実施形態においては、予混合管部４６の最小径部４６ａよりも下流の下流側拡径部４６ｂが拡大通路Ｅの一部として機能するので、予混合促進の効果が顕著である。

また、予混合管部４６を、図３または図５に示すようにベンチュリミキサとして構成した場合には、予混合管部４６から噴射する予混合気Ｐの流速を、火炎伝播速度よりも十分大きく設定することにより、予混合管部４６内への逆火を防止することができる。

また、燃料供給管４４を予混合管部４６と同心状に配置しているので、場所的に均一な燃料濃度の予混合気が得られ易くなる。

また、本実施形態においては、図４に示すように、予混合気Ｐに点火する点火装置である点火プラグ５０を、予混合気導出部４８の内周面４０ａに臨むように設置して、拡大通路Ｅ内で点火する。したがって、流速が十分に低下した状態の予混合気Ｐに点火することが可能となり、容易かつ確実に点火することができる。

さらに、本実施形態に係る燃焼装置２では、バーナ１４に形成されている拡大通路Ｅから滑らかに繋がる頂部１２ａを有しているので、この頂部１２ａも拡大通路Ｅの一部として機能する。一般に、予混合気Ｐの燃料濃度を低下させると、予混合気Ｐの流速と火炎伝播速度がつり合う位置は下流側にシフトする。この場合、本実施形態に係る燃焼装置２では、燃焼筒１２の頂部１２ａも拡大通路Ｅの一部を形成しているので、予混合気Ｐの流速を長い距離にわたって緩やかに低下させることができる。その結果、混合が十分になされるので、より低濃度の予混合気Ｐを用いて、保炎領域Ｂを燃焼室１０内に形成させることが可能となる。したがって、より低濃度の予混合気Ｐを用いて、さらに効果的にＮＯｘ発生を抑制することが可能となる。

なお、拡大通路Ｅのうち、燃焼室１０内に形成される部分には、主として火炎を保持する保炎領域Ｂが形成される。このため、燃焼室１０内で拡大通路Ｅの一部を形成する燃焼筒１２の頂部１２ａは、耐熱・耐火構造を有することが好ましい。一方、拡大通路Ｅのうち、バーナ１４内に形成される部分は、主として予混合気Ｐの流速を減速させる領域を形成するので、バーナ１４内で拡大通路Ｅの一部を形成する部材である予混合管体４２および予混合気導出部４８は、必ずしも耐熱・耐火構造を有することを要しない。もっとも、拡大通路Ｅの形状や燃料Ｆの流量などの条件を調整することにより、保炎領域Ｂの一部または全部をバーナ１４の予混合気導出部４８内に形成させることもできる。その場合には、バーナ１４内の予混合管体４２および予混合気導出部４８を耐熱・耐火構造とすることが望ましい。

なお、本実施形態のバーナ１４において、燃料供給管４４からの燃料Ｆの噴射量が十分に多い場合には、予混合気導出部４８内においても燃料リッチな状態となる。この場合、バーナ１４は拡散燃焼バーナと同様に機能し、高負荷運転に対応することが可能である。

なお、本実施形態において、複数の予混合管部４６を設けたが、１つの予混合管部４６のみを設けてもよい。複数の予混合管部４６を設ける場合には、予混合管部４６の数及び配置は適宜設定することができる。また、予混合管部４６は、燃料と空気を予混合することができ、燃焼室１０内において旋回流を生じさせないものであれば、上記で説明した構造に限らず、任意の構造を採用することができる。

また、上記実施形態においては、燃焼装置２をガスタービンエンジンＧＴに適用した例を説明したが、本発明に係る燃焼装置は、ガスタービンエンジンに限らず、ボイラなど高温ガスの供給を必要とする他の機器に適用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る燃焼装置が適用されるガスタービンエンジンを示す概略図である。 図１の燃焼装置を示す断面図である。 図２の燃焼装置に用いられるバーナの要部を拡大して示す断面図である。 図３のバーナの予混合管部を下流方向からみた背面図である。 図３のバーナの予混合管部の変形例を示す断面図である。 従来の燃焼装置を示す断面図である。

符号の説明

２ 燃焼装置
１０ 燃焼室
１２ 燃焼筒
１２ａ 頂部
１４ バーナ
４４ 燃料噴射管
４６ 予混合管部
４８ 予混合気導出部
５０ 点火プラグ
５２ 予混合気流路
Ｆ 燃料
Ａ 空気
Ｐ 予混合気
Ｅ 拡大通路
Ｂ 保炎領域
Ｃ１ バーナ軸心
Ｃ２ 予混合管部軸心

Claims (9)

1. 燃焼筒の内側に形成される燃焼室に、燃料と空気との予混合気を噴射するバーナを備える燃焼装置であって、
   前記バーナが、
   燃料と空気とが導入されて予混合気を形成する予混合管部と、
   前記予混合管部の下流側に位置して予混合気を前記燃焼室に導出する予混合気導出部とを備え、
   前記予混合管部および前記予混合気導出部によって形成される予混合気流路のうち、少なくとも前記予混合管部の下流端から前記予混合気導出部の前記燃焼室に臨む導出口までの部分が、予混合気流路の当該バーナの軸心に垂直な断面積が下流側に向かって漸増する拡大通路として形成されており、
   前記燃焼筒の頂部が、前記バーナの予混合気導出部の内周壁から滑らかに繋がるテーパ形状を有して、前記拡大通路の一部を形成している燃焼装置。
2. 請求項１において、前記バーナが、前記拡大通路が火炎の伝播速度と同じ速度まで予混合気の流速を減速させることにより、予混合気の流速と火炎の伝播速度がつり合った位置に形成される保炎領域を前記拡大通路内または前記燃焼室内に形成させる燃焼装置。
3. 請求項１または２において、前記バーナが、予混合気の旋回流を形成させる旋回機構を備えていない燃焼装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項において、前記バーナの前記予混合管部がベンチュリミキサとして形成されている燃焼装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項において、前記バーナの前記予混合管部に燃料を供給する燃料供給管が、前記予混合管部と同心状に配置されている燃焼装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項において、前記バーナが、複数の前記予混合管部を有する燃焼装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項において、前記バーナが、前記予混合気導出部に設けられて前記拡大通路内で点火する点火装置を備える燃焼装置。
8. 請求項１から６のいずれか一項において、前記バーナが、前記予混合管部を形成する予混合管体の径方向中心部に設けられて、前記拡大通路内で点火する点火装置を備える燃焼装置。
9. 請求項１から８のいずれか一項において、前記拡大通路が火炎の伝播速度と同じ速度まで予混合気の流速を減速させることにより、予混合気の流速と火炎の伝播速度がつり合った位置に形成される保炎領域を前記拡大通路内または前記燃焼室内に形成させる燃焼装置。

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