JP5562566B2 - 流体機械用翼体 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ガスタービン圧縮機や車両用冷却ファンに用いて好適な流体機械用翼体に関するものである。

一般に、流体機械用翼体は、翼表面が翼前縁と翼後縁とを基準として圧力面と負圧面とに区分されている。例えば、ガスタービン圧縮機や車両用冷却ファンに用いられる翼体は、翼型（翼前縁と翼後縁を結んだ翼弦に沿って縦に切った断面）が弓型状に形成されており、圧力面に沿って流れる流体の圧力を上昇させると共に、負圧面に沿って流れる流体の圧力を相対的に負圧としている。

このような翼体は、所定の風量、静圧、回転数等の設計動作点が定められて、翼形状が最適なものとなるようにされている。ところが、実際の使用においては、上記の設計動作点よりも高負荷で使用される場合があり、負圧面に沿って流れる流体が剥離して、騒音や翼性能の低下を招いてしまう。

下記特許文献１に記載の翼体は、翼前縁付近の平均表面粗さを、圧力面側及び負圧面側の平均表面粗さより粗く形成すると共に、その粗さを、流動流体に乱流遷移を起こさせる粗さに形成している。すなわち、この翼体は、負圧面に沿って流れる作動流体を強制的に乱流遷移させて、負圧面に生じる剥離を抑止しようとしている。

また、下記特許文献２の翼体１０１は、図１５及び図１６に示すように、背高が最も高くされた頂角が気流の上流端に設置され、後流側に向けて背面高さを直線的に減少させると共に、横幅を直線的に増大させた平面視が三角形にされたプラウ材１１０を負圧面１１２に設けている。すなわち、この翼体１０１は、気流がプラウ材１１０を乗り越える際に生じる縦渦によって、負圧面１１２に生じる流れの剥離を抑止するものである。

特開２０００−１０４５０１号公報 特開２００３−１０８１４４号公報

しかしながら、上記特許文献１の翼体は、翼前縁付近の平均表面粗さを調整して乱流遷移を起こさせるものであるが、単に乱流遷移を起こさせるだけでは、剥離抑制効果が小さいという問題がある。特に、流体に粉塵が含まれる場合には、翼前縁表面の凹部に粉塵が堆積するために乱流遷移の効果が低下して、剥離抑制効果がさらに小さくなってしまうという問題がある。

また、上記特許文献２の翼体は、負圧面１１２にプラウ材１１０を設けて縦渦を発生させるものであるが、図１５に示すように、剥離が生じ難い状態においては流動抵抗として機能してしまうという問題がある。また、図１６に示すように、剥離が生じ易い流れの状態においては、プラウ材よりも上流側で生じる剥離を抑制することができないという問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、負圧面における流れの剥離抑制効果が大きく、また、小さな流動抵抗で上流側における剥離を良好に抑制することができる流体機械用翼体を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る流体機械用翼体は、翼表面が翼前縁と翼後縁とを基準として圧力面と負圧面とに区分された流体機械用翼体であって、前記負圧面には、前記翼前縁に沿った位置において前記圧力面側に窪む切欠段差部が少なくとも一つ設けられ、前記切欠段差部は、翼幅方向の幅寸法が、前記翼前縁側の始端から前記翼後縁側の終端に進むに従って漸次小さくなっており、前記翼前縁側の始端が前記翼前縁に重なっていることを特徴とする。

この構成によれば、切欠段差部が設けられているので、負圧面側に流れた流体の一部が切欠段差部に流入して、この切欠段差部から負圧面に乗り上げる。この負圧面に乗り上げた流体は、乗り上げる際に巻き込むようにして縦渦を形成し、この縦渦が負圧面に沿って下流側へと流れていく。すなわち、この縦渦が負圧面近傍に高エネルギ流体を誘引して負圧面近傍の境界層の発達を抑制するので、剥離抑制効果を大きくすることができる。
また、負圧面の翼前縁に沿って切欠段差部を設けているので、負圧面の上流側で生じる剥離を抑止することができる。
さらに、切欠段差部が圧力面側に窪んでいるので、負圧面に突起物を設けた場合と比較して、流動抵抗を小さくすることができる。
よって、負圧面における剥離抑制効果が大きく、また、小さな流動抵抗で上流側における剥離を良好に抑制することができる。

また、前記切欠段差部の前記翼幅方向に交差する法面は、前記負圧面と共に稜辺を形成する絶壁面とされていることを特徴とする。
この構成によれば、切欠段差部に流入した流体が絶壁面に衝突又は絶壁面に沿って流れて、負圧面に乗り上げる際に稜辺を巻き込むようにして強い縦渦を形成するので、境界層の発達をさらに抑制し、剥離抑制効果をより大きくすることができる。

また、前記切欠段差部の底面は、前記始端から前記終端に進むに従って漸次浅くなり、前記終端が曲率をもって前記負圧面と滑らかに接続されていることを特徴とする。
この構成によれば、切欠段差部に流入した流体のうち終端まで流れたものが滑らかに負圧面へと導かれるので、圧力損失の増大を抑制することができる。

また、前記切欠段差部は、前記負圧面の法線方向から見て三角形状であることを特徴とする。

また、前記切欠段差部は、前記負圧面の法線方向から見て台形状であることを特徴とする。
また、前記切欠段差部は、前記翼前縁に沿って複数連続的に設けられ、隣接する二つの前記切欠段差部の間には、前記負圧面の法線方向から見て前記負圧面が三角形状に残存したデルタ部が形成されていることを特徴とする。

これらの構成によれば、切欠段差部が翼前縁に沿って複数連続的に設けられているので、翼幅方向の広い範囲において縦渦を形成することができる。これにより、翼幅方向の広い範囲において、剥離を抑制することができる。

また、前記切欠段差部は、前記終端の翼幅方向の幅寸法が、該切欠段差部の終端と該切欠段差部に隣接する前記切欠段差部の終端との間隔以上となる大きさに設定されていることを特徴とする。
この構成によれば、相互に隣接する切欠段差部において、それぞれに形成された縦渦同士が干渉し難くなる。これにより、縦渦が負圧面の最下流側まで強く持続することになるために、より効率的に剥離を防止することができる。

本発明に係る流体機械用翼体によれば、負圧面における流れの剥離抑制効果が大きく、また、小さな流動抵抗で上流側における剥離を良好に抑制することができる。

本発明の第一実施形態に係るプロペラファン１を示す正面図である。 本発明の第一実施形態に係る翼体１０の背面側から見た外観構成斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る翼体１０の翼型を示した図であって、図２におけるＩ−Ｉ線断面図である。 本発明の第一実施形態に係る切欠段差部２０の拡大斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る切欠段差部２０の拡大断面図であって、図４におけるII−II線断面図である。 本発明の第一実施形態に係る切欠段差部２０の拡大図であって、図４におけるIII矢視図である。 本発明の第一実施形態に係る翼体１０の作用説明図であって、プロペラファン１の低負荷運転時の翼体１０を示している。 本発明の第一実施形態に係る翼体１０の作用説明図であって、切欠段差部２０の拡大斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る翼体１０の作用説明図であって、プロペラファン１の高負荷運転時の翼体１０を示している。 本発明の第二実施形態に係る翼体５０の要部拡大斜視図である。 本発明の第二実施形態に係る翼体５０の要部拡大図であって、図１０におけるIV矢視図である。 本発明の第二実施形態に係る翼体５０の要部拡大断面図であって、図１０におけるＶ−Ｖ線断面図である。 本発明の第二実施形態に係る切欠段差部６０の作用対比図であって、終端６０ｂを角張った構成としたものの作用説明図である。なお、図中において、切欠段差部６０に対応する構成要素については、符号に括弧を付して図示している。 本発明の実施形態に係る動翼９０の外観構成斜視図である。 従来の翼体１０１を示す翼型を示した図であって、低負荷運転時の状態を示している。 従来の翼体１０１を示す翼型を示した図であって、高負荷運転時の状態を示している。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
（第一実施形態）
図１は、本発明の第一の実施の形態に係るプロペラファン１を示す正面図である。
このプロペラファン１は、軸流形式の車両用冷却ファンとして用いられるものであり、回転翼車２と、この回転翼車２の外周を囲うと共に空気の流路を形成するシュラウド３とで概略構成されている。

回転翼車２は、ハブ４に放射状に取り付けた９枚の翼体（流体機械用翼体）１０が、軸心５を中心に時計回りに回転し（図中、矢印Ｒ方向）、空気を紙面手前から後方に押し出すようになっている。

シュラウド３の上流（紙面手前）には、車両用ラジエータや車載空気調和装置のコンデンサ等の熱交換器が設けられており、シュラウド３が形成する空気通路は、入り口（紙面手前）が矩形で、出口が円形となっている。そして、矩形空気通路から円形空気通路への移行には、ベルマウス形状（ラッパ口形状）が利用されている。

図２は、本発明の第一実施形態に係る翼体１０の背面側から見た外観構成斜視図であり、図３は、翼体１０の翼型を示した図である。
図２及び図３に示すように、翼体１０は、翼表面が翼前縁１０ａと翼後縁１０ｂとを基準として、凹湾曲状の圧力面１１と、凸湾曲状の負圧面１２とに区分されている。

この翼体１０は、図３に示すように、翼前縁１０ａが丸みを帯びており、翼後縁１０ｂが鋭利な細長形状となっている。
このような翼体１０は、所定の風量、静圧、回転数等の設計動作点が定められて、翼形状が最適なものとなるように設計されている。

図２に示すように、負圧面１２には、翼前縁１０ａに沿って複数の切欠段差部２０が連続的に形成されており、隣接する切欠段差部２０の間には、デルタ部２５が形成されている。

図４は、切欠段差部２０の拡大斜視図であり、図５は、図４におけるII−II線断面図であり、図６は、図４におけるIII矢視図である。
切欠段差部２０は、図６に示すように、負圧面１２の法線方向から見て二等辺三角形状となっており、頂角に相当する終端２０ｂを翼後縁１０ｂ側に向け、底辺に相当する始端２０ａを翼前縁１０ａに重ねている。すなわち、この切欠段差部２０は、翼幅方向の幅寸法Ｐが、翼前縁１０ａ側の始端２０ａから翼後縁１０ｂ側の終端２０ｂに進むに従って漸次小さくなっている。

この切欠段差部２０は、図３に示すように、翼弦長をＬ（翼前縁１０ａと翼後縁１０ｂとを結んだ直線の長さ）、切欠長をＤ（始端と終端とを結んだ直線の長さ）とすると、本実施形態ではＤ／Ｌ＝０．０５となるように形成されている。

この切欠段差部２０は、図５に示すように、底面２１と、この底面２１に対して略垂直になった絶壁面２２とを備えている。
絶壁面２２は、負圧面１２と共に稜辺（角張った辺）２３を形成しており、また、底面２１と共にθ＝９０°となる角隅部２４を形成している。

デルタ部２５は、図６に示すように、負圧面１２の法線方向から見て、負圧面１２が二等辺三角形状に残存した部位であり、頂角に相当する部位を翼前縁１０ａに重ね、底辺に相当する部位を翼後縁１０ｂに向けている。
図６に示すように、デルタ部２５は、本実施形態では頂角αが６０°となるように設定されている。
また、図５に示すように、底面２１からデルタ部２５の負圧面１２までの高さ（より厳密には、翼型において底面２１と負圧面１２とに接する内接円の直径）をＨとし、隣接する切欠段差部２０の終端２０ｂ間の寸法をＷとすると、本実施形態ではＨmax／Ｗを０．３としている。

次に、上記の構成からなる翼体１０の動作について説明する。
まず、図１に示すように、回転翼車２が矢印Ｒ方向に回転すると、紙面手前側の空気が翼体１０の表面に沿って流れて、紙面後方に押し出される。各翼体１０においては、図７に示すように、紙面手前側の空気を翼前縁１０ａ側から導入し、圧力面１１に沿った気流と負圧面１２に沿った気流とに分け、翼後縁１０ｂから排出する。

圧力面１１に沿った気流は、圧力面１１に沿って流れる過程で、徐々に圧力が高められて翼後縁１０ｂから排出される。
一方、負圧面１２に沿った気流は、その一部が切欠段差部２０によって縦渦Ｔとなって、負圧面１２に沿って後方に流れていく。

切欠段差部２０は、以下のようにして、縦渦Ｔを形成する。
まず、図８に示すように、翼前縁１０ａから負圧面１２に沿って流れた気流の大部分が複数に分かれて各切欠段差部２０に流入する。そして、この切欠段差部２０に流入した気流が絶壁面２２に衝突又は絶壁面２２に沿って流れ、このうちの一部が近接する負圧面１２に乗り上げる。この際、負圧面１２に乗り上げた気流は、図８に示すように、稜辺２３を巻き込むようにして強い縦渦Ｔを形成する。そして、図１１に示すように、各稜辺２３において、始端２０ａ側から終端２０ｂ側に進むに従って徐々に縦渦Ｔが大きく、強いものとなっていく。換言すれば、縦渦Ｔの中心が稜辺２３に沿って翼幅方向に移動しながら縦渦Ｔが大きくなり、終端２０ｂに達すると縦渦Ｔが下流に向けて流れていく（図１１参照）。このようにして形成された縦渦Ｔは、負圧面１２の下流側まで良好に維持される。

プロペラファン１の所定の設計動作点を下回る運転時（低負荷運転時）においては、図７に示すように、翼前縁１０ａに対する気流の流入角度は想定内のものとなり、負圧面１２においても流れの剥離が生じ難い。
このような状態であっても、切欠段差部２０は、縦渦Ｔを形成するが、圧力面１１側に窪んでいるために、気流に対する流動抵抗としては小さなものとなる。

プロペラファン１の所定の設計動作点を上回る運転時（高負荷運転時）においては、図９に示すように、翼前縁１０ａに対する気流の流入角度が想定外のものとなって、負圧面１２の上流側で流れの剥離が生じ易くなる。
このような状態であっても、切欠段差部２０によって形成された縦渦Ｔが、負圧面１２の上流側において高エネルギ流体を誘引する。すなわち、この高エネルギ流体が負圧面１２近傍に誘引されることにより、低エネルギとなる境界層の発達が抑制され、剥離の発生を阻害する。

このような翼体１０が複数設けられた回転翼車２によって、空気が紙面手前から後方に連続的に押し出されて、安定した送風が継続的になされる。

以上説明したように、本実施形態によれば、切欠段差部２０が設けられているので、負圧面１２側に流れた気流の一部が切欠段差部２０に流入して、この切欠段差部２０から負圧面１２に乗り上げる。この負圧面１２に乗り上げた気流は、乗り上げる際に巻き込むようにして縦渦Ｔを形成して、この縦渦Ｔが下流側へと流れていく。すなわち、縦渦Ｔが負圧面１２近傍に高エネルギ流体を誘引して境界層の発達を抑制するので、流体の剥離抑制効果を大きくすることができる。

また、負圧面１２の翼前縁１０ａに沿って切欠段差部２０を設けているので、負圧面１２の上流側で生じる剥離を抑止することができる。
さらに、切欠段差部２０が圧力面１１側に窪んでいるので、負圧面１２に突起物を設けた場合に比べて、流動抵抗を小さくすることができる。
よって、負圧面１２における流れの剥離抑制効果が大きく、また、小さな流動抵抗で上流側における剥離を良好に抑制することができる。

また、絶壁面２２が負圧面１２と稜辺２３を形成しているので、気流が絶壁面２２に衝突又は絶壁面２２に沿って流れて負圧面１２に乗り上げる際に、稜辺２３を巻き込むようにして強い縦渦Ｔを形成する。これにより、境界層の発達をさらに抑制し、剥離抑制効果をより大きくすることができる。

また、切欠段差部２０は、負圧面１２の法線方向から見て三角形状であるので、デルタ部２５の頂角αを一定の範囲に確保しつつ、多数の切欠段差部２０を形成することができる。

また、切欠段差部２０が翼前縁１０ａに沿って複数連続的に設けられているので、翼幅方向の広い範囲において縦渦Ｔを形成することができる。これにより、翼幅方向の広い範囲において、気流の剥離を抑制することができる。

なお、上述した構成では、Ｄ／Ｌの値を０．０５としたが、この値に限られることはなく、他の値を設定することができる。但し、Ｄ／Ｌ＜０．１の条件で設定するのが望ましい。
同様に、Ｈmax／Ｗの値を０．３としたが、この値に限られることなく、他の値に設定することができる。但し、０．２≦Ｈmax／Ｗ≦０．５の範囲で設定するのが望ましい。

また、上述した構成では、角隅部２４の角度を底面２１に対して垂直（θ＝９０°）としたが、他の角度となるように形成してもよい。この際、θ＝９０〜１２０°となるように形成すると縦渦Ｔが良好に形成される。
また、上述した構成では、稜辺２３を形成したが、稜辺２３を設けずに面取りをしてもよい。
また、上述した構成では、デルタ部２５の頂角αを６０°としたが、他の角度としてもよい。この際、５０°≦α≦７０°となるようにすると縦渦Ｔが良好に形成される。

（第二実施形態）
続いて、本発明の第二実施形態について説明する。
図１０は、本発明の第二実施形態に係る翼体５０の要部拡大斜視図であり、図１１は、図１０におけるIV矢視図であり、図１２は、図１０におけるＶ矢視図である。なお、図１０〜図１２において、図１〜図９と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

図１０に示すように、翼体５０の負圧面１２には、翼前縁１０ａに沿って複数の切欠段差部６０が連続的に設けられている。
切欠段差部６０は、負圧面１２の法線方向から見て等脚台形状となっており、上辺に相当する終端６０ｂを翼後縁１０ｂ側に向け、下辺に相当する始端６０ａを翼前縁１０ａに重ねている。

この切欠段差部６０は、図１１に示すように、底面２１と、この底面２１に対して略垂直になった絶壁面２２とを備えており、この絶壁面２２と負圧面１２とが稜辺２３を形成している。このような切欠段差部６０は、隣接する他の切欠段差部６０との間にデルタ部２５を形成している。

切欠段差部６０は、図１２に示すように、終端６０ｂにおいて、底面２１と負圧面１２とが曲率をもって滑らかに接続されている。
これら複数の切欠段差部６０は、図１０に示すように、ある一の切欠段差部６０における終端６０ｂの幅寸法Ｐが、この一の切欠段差部６０（図１０において符号６０Ａで例示する。）の終端６０ｂと、この一の切欠段差部６０（６０Ａ）に隣接する他の切欠段差部６０（図１０における符号６０Ｂ）の終端６０ｂとの間隔Ｗ以上となるようにされている。

次に、上記の構成からなる翼体５０の動作について説明する。
まず、図１０に示すように、翼前縁１０ａから負圧面１２に沿って流れた気流の大部分が複数に分かれて各切欠段差部６０に流入する。そして、この切欠段差部６０に流入した気流が絶壁面２２に衝突又は絶壁面２２に沿って流れ、このうちの一部が近接する負圧面１２に乗り上げる。この際、負圧面１２に乗り上げた気流は、図１０に示すように、稜辺２３を巻き込むようにして強い縦渦Ｔを形成する。このようにして、各稜辺２３において、始端６０ａ側から終端６０ｂ側に進むに従って徐々に縦渦Ｔが大きく、強いものとなっていく。
このようにして形成された縦渦Ｔは、終端６０ｂの幅寸法Ｐが、隣接する切欠段差部６０における終端６０ｂとの間隔Ｗ以上にされているために、図１１に示すように、相互に隣接するデルタ部２５で形成される縦渦Ｔが干渉し合うことがなく、それぞれ終端６０ｂから下流に向けて流れていく。このように形成された縦渦Ｔは、負圧面１２の下流側まで良好に維持される。
一方、図１２に示すように、負圧面１２に乗り上げずに終端６０ｂまで到達した気流は、滑らかに負圧面１２へと導かれる。

本実施形態によっても、上述した第一実施形態と同様の効果を得ることができる他、終端６０ｂの幅寸法Ｐが、隣接する切欠段差部６０における終端６０ｂとの間隔Ｗ以上にされているので、相互に隣接するデルタ部２５で形成される縦渦Ｔが干渉し合うことがない。すなわち、高密度の縦渦Ｔが翼幅方向の広い範囲に亘って形成されて、負圧面１２近傍に高エネルギ流体を誘引し、境界層の発達をさらに抑制する。これにより、流体の剥離抑制効果をより大きくすることができる。

また、翼体５０によれば、終端６０ｂまで到達した気流が滑らかに負圧面１２へと導かれるので、流動抵抗を低下させることができ、圧力損失の増大を抑制することができる。 すなわち、図１２に示すように、終端６０ｂを角張った構成とすると、終端６０ｂまで達した気流が負圧面１２に大きく乗り上げる恐れがあり、流動抵抗として作用することが考えられる。これに対して、図１３に示すように、底面２１と負圧面１２とが曲率をもって滑らかに接続されているので、終端６０ｂまで到達した気流が滑らかに負圧面１２へと導かれ、流動抵抗を低下させることができ、圧力損失の増大を抑制することができる。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した第一実施形態では、終端２０ｂと負圧面１２とを滑らかに接続させる構成としなかったが、第二実施形態のように滑らかに接続させてもよい。
また、上述した第一，第二実施形態では、プロペラファン１の翼体に本発明を適用したが、例えば、図１４に示すように、ガスタービンの圧縮機における動翼（流体機械用翼体）９０に本発明を適用することも可能である（図１４の例では、切欠段差部２０を適用している）。
また、軸流式の流体機械のみならず、遠心式や斜流式の各種流体機械に本発明を適用することが可能である。

１…プロペラファン（流体機械）
１０，５０…翼体（流体機械用翼体）
１０ａ…翼前縁
１０ｂ…翼後縁
１１…圧力面
１２…負圧面
２０，６０…切欠段差部
２０ａ，６０ａ…始端
２０ｂ，６０ｂ…終端
２１…底面
２２…絶壁面
２３…稜辺
２５…デルタ部
９０…動翼（流体機械用翼体）
Ｐ…幅寸法（翼幅方向の幅寸法）
Ｗ…隣接する切欠段差部２０の終端２０ｂの間隔

Claims (8)

1. 翼表面が翼前縁と翼後縁とを基準として圧力面と負圧面とに区分された流体機械用翼体であって、
   前記負圧面には、前記翼前縁に沿った位置において前記圧力面側に窪む切欠段差部が少なくとも一つ設けられ、
   前記切欠段差部は、翼幅方向の幅寸法が、前記翼前縁側の始端から前記翼後縁側の終端に進むに従って漸次小さくなっており、
   前記翼前縁側の始端が前記翼前縁に重なっていることを特徴とする流体機械用翼体。
2. 前記切欠段差部は、前記負圧面の法線方向から見て三角形状であることを特徴とする請求項１に記載の流体機械用翼体。
3. 前記切欠段差部は、前記翼前縁に沿って複数連続的に設けられ、
   隣接する二つの前記切欠段差部の間には、前記負圧面の法線方向から見て前記負圧面が三角形状に残存したデルタ部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２のうちいずれか一項に記載の流体機械用翼体。
4. 前記切欠段差部は、前記負圧面の法線方向から見て台形状であることを特徴とする請求項１に記載の流体機械用翼体。
5. 前記切欠段差部は、前記翼前縁に沿って複数連続的に設けられ、
   隣接する二つの前記切欠段差部の間には、前記負圧面の法線方向から見て前記負圧面が三角形状に残存したデルタ部が形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の流体機械用翼体。
6. 前記切欠段差部は、前記終端の翼幅方向の幅寸法が、該切欠段差部の終端と該切欠段差部に隣接する前記切欠段差部の終端との間隔以上となる大きさに設定されていることを特徴とする請求項５に記載の流体機械用翼体。
7. 前記切欠段差部の前記翼幅方向に交差する法面は、前記負圧面と共に稜辺を形成する絶壁面とされていることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか一項に記載の流体機械用翼体。
8. 前記切欠段差部の底面は、前記始端から前記終端に進むに従って漸次浅くなり、前記終端が曲率をもって前記負圧面と滑らかに接続されていることを特徴とする請求項１から７のうちいずれか一項に記載の流体機械用翼体。

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