JP5684998B2 - フランジ冷却式タービンノズル - 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におけるタービンに関する。
ガスタービンエンジンでは、空気を圧縮機内で加圧しかつ燃焼器内で燃料と混合して高温燃焼ガスを発生させる。タービン段においてガスからエネルギーを抽出し、圧縮機に動力を供給しまた航空機ターボファンエンジン用途では一般的にファンを駆動するシャフトに動力を供給する。
高圧タービン(HPT)は、燃焼器の直ぐ後方に位置しかつ燃焼器から最高温ガスを受けて、その最高温ガスから最初にエネルギーを抽出する。低圧タービン(LPT)は、HPTの後方に位置しかつガスから付加的エネルギーを抽出する。
第1段タービンノズルは、中空ノズルベーンの列の境界となる半径方向外側及び内側バンドを含む。ノズル内には、該ノズルの様々な部分を冷却して温度を制限しかつ長寿命を保証するために、様々な冷却回路が設けられる。
ノズルは一般的に、内側バンドから内向きに延びる一体形取付けフランジによってエンジン内に取付けられる。
ノズルの外側バンドは、燃焼器の出口端部と第1段タービンロータブレードの周囲タービンシュラウドとの間の高温燃焼ガス流の境界となるように適当に構成される。
外側バンドは、前方半径方向フランジと燃焼器の外側ライナに接合した対応するシールとを含む。後方半径方向フランジは、タービンシュラウドを支持したハンガに軸方向に隣接し、かつ例示的な構成ではWシールを含む。
この後方シールは、後方フランジ内の座部とハンガとの間で軸方向に圧縮され、かつ組立てた時にほぼ軸方向の圧縮予荷重が、後方フランジを通して維持される。
従って、後方フランジは、シュラウドハンガからの反力を支持するように比較的剛性があり、そのような剛性は一般的に、特に外側バンドの後方端部とのその根元接合部における比較的厚い後方フランジによって得られる。
厚い後方フランジは、その熱質量を増加させ、運転時における冷却の困難さを増大させる。
タービンノズル内では、冷却は一般的に、圧縮機吐出圧力(CDP)空気を外側バンド上に送り、その一部分をベーンの内部チャンバを通して送ることによって行なわれる。
外側バンドは、それを貫通して分散配置されたフィルム冷却孔のアレイを含むことができる。後方フランジ自体は、それを貫通して軸方向後方に延びる冷却孔を含むことができる。
しかしながら、後方フランジを通して直接送られるあらゆる冷却空気は、タービンノズルベーンを迂回し、負担になる空気としてノズルの性能を低下させる。
反対に、外側バンドを通して内方に吐出される冷却空気は、それによってノズルベーン間で回収され、負担にならない空気として性能を確保する。
ノズル外側バンドの複雑な後方フランジには一般的に、高い予荷重を許容応力限界値の範囲内で支えると同時にノズル寿命のために適度な冷却も行なうような設計のトレードオフが必要である。
しかしながら、厚い後方フランジは、流路を効果的に冷却する能力を制限し、不十分な冷却によって後方フランジ及びその箇所の外側バンドの熱損傷を招き、それがノズル寿命を短縮させることが、経験から判った。
米国特許第7,140,835号公報
従って、負担にならない流れを使用して、後方フランジの冷却を改善した外側バンドを有するタービンノズルを提供することが望ましい。
タービンノズルは、ノズルベーンの境界となる外側及び内側バンドを含む。外側バンドは、後方フランジを含む。衝突バッフルは、後方フランジの根元において外側バンド及び後方フランジを橋絡してインピンジメント冷却を行なう。
添付図面に関連して行なった以下の詳細な説明において、好ましくかつ例示的な実施形態により、本発明をその更なる利点と共に一層具体的に説明する。
改善型の第1段タービンノズルを備えたガスタービンエンジンの軸方向部分断面図。 タービンノズル外側バンドの後方部分の軸方向拡大断面図。 その外側バンドのための衝突バッフルを備えた、図1に示すタービンノズルのダブレットセクションの斜視図。 別の実施形態によるタービンノズル外側バンドの後方部分の図2と同様な軸方向拡大断面図。
図1に概略的に示すのは、長手方向すなわち軸方向中心軸線の周りで軸対称であるガスタービンエンジン10である。エンジンは、運転時に空気14を加圧するように構成された従来型の圧縮機12を含む。
加圧空気14は、最大CDP圧力で圧縮機から吐出されかつ後方部分として示す環状燃焼器16に適当に送られ、燃焼器16において、加圧空気は燃料と混合されかつ点火されて、高温燃焼ガス18を発生するようになる。
燃焼ガスは、燃焼器の出口端部から吐出され、最初にHPTの第1段タービンノズル20に流入する。ノズル20の直ぐ後方には、支持ロータディスクから半径方向外向きに延びる第1段タービンロータブレード22の列が位置する。ディスクは、駆動軸によって圧縮機12のロータに接合されて、運転時に該圧縮機の圧縮機ブレードを回転させるようになる。
タービンブレード22を囲んでいるのは、環状ハンガ26内に適当に支持された環状タービンシュラウド24であり、環状ハンガ26は次に、エンジンの環状外側ケーシング28により支持される。
第1段タービンノズル20は、中空ノズルベーン34の列の対向する半径方向端部に接合された半径方向外側及び内側環状バンド30、32を含む。
ノズルは一般的に、その各々が2つのノズルベーンと一体形に形成された外側及び内側バンドの弓形部分を有するノズルダブレットの形態で円周方向にセグメント化される。
ノズルは一般的に、高強度金属学的特性を有する超合金鋳造品で形成される。例えば、単結晶鋳造品は、単一のノズルベーン及び対応するバンドセグメントで製作することができ、これらセグメントは一般的に、互いにろう付けして2ベーンダブレットを形成することができる。
各ベーンは、バンド間で半径方向に延びる軸方向に対向する前縁及び後縁36、38と円周方向に対向する正圧及び負圧側面40、42とを含む。薄い後縁38に向かって先細になった一般的な翼形部形状では、正圧側面40はほぼ凹面形であり、また負圧側面42はほぼ凸面形である。
ベーンは、バンド30、32によって半径方向に結合されかつ横方向すなわち円周方向に間隔を置いて配置されて、運転時にその中を通って燃焼ガス18が流れる対応する流路を形成する。
各流路は、1つのベーンの後縁38と隣のベーンの後縁から僅かに上流に位置する該隣のベーンの負圧側面に対して垂直な方向での該負圧側面との間に形成された最小の流れ面積のスロート部44で終端する。
このようにして、ノズル通路又は流路は、スロート部に向かって収束して、その空気力学的性能を最大にするようにする。
内側バンド32は一般的に、該内側バンドから半径方向内向きに延びて中心支持コーン上に適当に支持されるようになった環状取付けフランジ46を含む。
外側バンド30は、該外側バンドから半径方向外向きに延びる前方フランジ48を含み、かつ燃焼器16の外側ライナの後方端部において適当なシールと協働する。
外側バンドはまた、該外側バンドの対向する後方端部において後縁38及びスロート部44の上方で半径方向外向きに延びる後方フランジ50を含む。
図2に最もよく示すように、後方フランジ50は、ベーン後縁38の直ぐ上方(真上)で外側バンド30に接合した半径方向内側端部すなわち根元52を有する。後方フランジの対向する半径方向外側端部は、図示する環状Wシールのような適当なシール56を受けるようになった座部54を形成する。
シール56は、後方フランジ50の外側端部とシュラウドハンガ26の前方面との間で座部54内に軸方向に捕捉されてそれらの間に予荷重シールを形成する。
組立て時に、ハンガ26は、後方フランジ50の後方面に対してほぼ軸方向の予荷重を与えて、運転時における環状ノズル20の膨張及び収縮差に適応する。
従って、後方フランジ50は、運転時における作動荷重に耐えるのに十分なほど剛性でなければならず、従って後方フランジ50は一般的に、強度を高めるような厚さ又は幅にされる。
図3は、環状タービンノズル全体の一般的なダブレットセグメントを示しており、このセグメントは、それらの間の適当なスプラインシール(図示せず)を有する状態で対応する分割線において端部と端部で接合される。
後方フランジ50は、その対向する端部面間でノズルセグメントの円周方向全幅にわたって延びかつ外側バンド自体と一体形に形成されて剛性及び強度を高めるようになっている。
後方フランジ50及び外側バンド30の下部後方張出し部の局所冷却の強化は、図2及び図3に示すように外側バンド及び根元52における後方フランジを橋絡する衝突バッフル58を局所的に導入することによって達成することができる。
バッフル58は、外側バンド及び後方フランジの露出表面に適当にろう付けされて根元52の前方又は内寄り面を局所的に覆った薄いシートメタルとすることができる。
バッフル58には、根元52に面するような例示的な列として局所的に配置して該根元52の局所的インピンジメント冷却を行なうインピンジメント孔60のアレイが穿孔される。
協働する出口孔62の列が、根元52の直ぐ前方で外側バンド30を貫通して延びかつインピンジメント孔60と流れ連通状態であって、インピンジメント空気が該根元52を冷却した後に使用済みインピンジメント空気を吐出するようになっている。
加圧CDP吐出空気14は、ノズル20の上部に適当に送られ、そこで外側バンド30内の対応するアパーチャ64に流入して従来通りの方法でベーン34自体を内部冷却するようになる。
各ベーンは、一般的な構成として2つのチャンバを形成した中央仕切りを備えた中空であり、各チャンバは、外側バンドにおいてアパーチャ64のそれぞれ1つを有する。
各チャンバは一般的に、アパーチャ64から空気を受ける内部衝突バッフル(図示せず)を含み、各ベーンは、使用済み内部インピンジメント空気を吐出するようになったフィルム冷却吐出孔をその側壁に含む。
外側バンド30に送られた冷却空気の一部分は、特にフランジ根元52をインピンジメント冷却する専用のインピンジメント孔60を通って流れるようにCDP全圧で容易に使用可能である。
それに対応して、後方出口孔62は、特に根元冷却孔60と協働して使用済み根元インピンジメント冷却空気を局所的に吐出するように構成されかつ設置されて、根元52の直ぐ下方(真下)で外側バンド張出し部を付加的に冷却するようになる。
このようにして、ベーン後縁38の直ぐ上方におけるその外側バンドとの根元接合部での後方フランジ50の局所冷却が、改善されかつ一層有効な方法で達成される。
具体的には、後方フランジ50は、無孔状態に保たれ、従って使用済み根元インピンジメント空気は、ベーン後縁38の上流にかつさらに流路スロート部44の上流に設置された後方出口孔62を通して吐出されて、主ノズル流路で負担にならない空気としてその空気が取戻されるようになる。
衝突バッフル58は、特に後方フランジ50と外側バンド30との間の接合部に整合するように構成され、従って外側座部54の下方で後方フランジ50に沿って半径方向外向きにかつ平行に延びる後方リップ66を含む。
バッフルの主パネル68は、リップ66から軸方向前方に延び、外側バンドの上方に間隔を置いてかつ該外側バンドに平行に配置される。
根元インピンジメント孔60は、根元52及びバンド30のフィレット接合部に向かって下向きに傾斜配向した状態で、リップ66及びパネル68間の弓形フィレット接合部70を貫通して半径方向に延びる。
協働する出口孔62は、根元52からさらに離れてインピンジメント孔60の前方に配置されて、局所的蛇行吐出流路を形成する。このようにして、最初にフランジ根元52のインピンジメント冷却が達成され、使用済みインピンジメント空気は、軸方向前方に逆方向に流れて外側バンドの外表面を対流冷却するようになる。
使用済み空気は次に、出口孔62を通って再び方向を変えて外側バンドのこの後方領域をさらに冷却した後に、外側バンドの内表面に沿って吐出されるようになる。
このようにして、インピンジメント空気14は、該インピンジメント空気が最初にフランジ根元に対する衝突を行なった時に最初に圧力を喪失(圧力低下)し、また該インピンジメント空気が遠回り吐出流路を通って出口孔62に流れ方向を変更して局所的に冷却効果を強化するようにした時にさらに圧力を喪失する。
さらに局所冷却を強化しかつ温度勾配を減少させるために、後部フランジ50はさらに、根元52内にかつ座部54の下方にアンダカット陥凹部すなわちポケット72を含む。
図2に示すように、ポケット72は、外側座部54の直ぐ下方で後方フランジ50の前方面から軸方向後方に延びかつフランジ根元52内のフランジ材料及び熱質量を局所的に除去している。
図3に示すように、ポケット72は、そこにおいてフランジ根元の完全厚さが保持された対向する端部面間でダブレットセグメントの幅の大半にわたって円周方向に延びる。
外側座部54は、根元52の上方に配置された後方に面した段部のようなあらゆる従来型の形態を有することができる。下部ポケット72は、対応して座部の直ぐ下方にもまた該座部の前方にも両方に延びる。
従って、後方フランジ50は、その軸方向厚さが座部54の高さにわたる前方の薄い部分から該座部の直ぐ下方の最大の厚さまで変化し、またポケットがフランジ根元52内に後方に陥凹するにつれてその軸方向厚さがポケット72の高さにわたってテーパしすなわち減少しており、この根元は、フランジが外側バンド30と接合した該フランジの後方面に沿って比較的に薄くなっている。後方フランジ50は、ポケットが終端する2つの端部面においてのみ完全最大厚さを保持する。
バッフルリップ66が、陥凹ポケット72の入口端部において後方フランジ50の前方面にろう付けされるので、インピンジメント孔60は、陥凹フランジ根元52から前方に選択的にオフセットされる。孔60は、ポケット内に後方に面して、より幅広の外側座部54の直ぐ下方における陥凹しかつ局所的により薄い根元52のインピンジメント冷却を達成する。
バッフルリップ66は、ポケット72の入口端部を局所的に閉鎖してその中にインピンジメント空気を閉じ込め、このインピンジメント空気は次に、出口孔62に達するように軸方向前方に強制的に流れるようになる。
後方リップ66は、ポケット72の上方において後方フランジ50に平行であるのが好ましい。インピンジメント孔60は、フィレット接合部70を貫通して下向きに傾斜して、その外側バンド30との弓形フィレット接合部において根元52をインピンジメント冷却する。
また、出口孔62は、ポケットの前方で外側バンド30を貫通して後方に傾斜して、後方フランジ50の直ぐ下方で外側バンド30の内表面に沿って使用済みインピンジメント空気の保護層又はフィルムを吐出する一般的なフィルム冷却孔を形成する。
この使用済みインピンジメント空気のための遠回り吐出流路は、後方フランジ50と外側バンド30の後方端部との間の剛性接合部において複数又は複合冷却作用を行なって、ノズルスロート部44の上流において取戻された負担にならない冷却空気で該外側バンド30の局所冷却を大幅に強化するようになる。
1つの実施形態では、インピンジメント孔60は、図2に示すように該インピンジメント孔60自体の直径の約2〜3倍だけ陥凹根元52から前方に間隔を置いて配置される。
インピンジメント冷却は、インピンジメント空気のジェットをバッフルにおいて大きな差圧の下で形成しかつ次に最大速度で移動させて最大冷却作用で根元52に衝突させることができるような適当な間隔をバッフルと目標冷却表面との間に必要とする。
陥凹ポケット72の導入は、後方フランジ50の熱質量を減少させて冷却を改善するだけでなく、バッフル58からの適当なオフセットを構成して局所的に薄い根元52のインピンジメント冷却効果を最大にするようにもする。
従って、インピンジメント冷却の強化は、1つの実施形態では、バッフルフィレット接合部70における単一の列のインピンジメント孔60を使用して達成することができ、その場合に、各孔60は、適当な流れ直径を有する管状でありかつ根元52と外側バンド30との間のフィレット接合部から選択的に孔直径の約2〜3倍だけ前方に間隔を置いて配置される。
他の実施形態では、インピンジメント孔60は、例えば局所的高温スポットに対処するように流量を制御しかつ冷却を行なうようなアレイ構成及び流れ寸法として調整することができる。
図4における参照符号80で示した衝突バッフルのさらに別の構成では、後方リップ66は、座部54の下方でポケット72の上部内に後方に延びる局所的湾曲部を含む。リップ湾曲部は、座部54の下方で後方フランジ内の傾斜アンダカットに緊密に隣接して配置されて、該傾斜アンダカットとの間に数ミルの小さな半径方向間隙すなわちギャップを形成する。
このようにして、ポケット72の上部は、屈曲又は湾曲リップによってその寸法が局所的に縮小して、使用済みインピンジメント空気の局所的循環を減少させかつそれに対応して座部の下方のフランジ内における温度勾配を減少させる。
フランジ50は、円周方向に延びているので、その中の温度勾配の減少は、それに対応してベーン後縁における環状ノズル流路のコーディングすなわち円周方向直線化を減少させて、その性能を向上させるようになる。
図4の構成におけるインピンジメント孔60は、陥凹根元からその孔直径の2〜3倍の範囲内においてフィレット接合部70内に依然として位置させることができる。
バッフル58は、その半径方向リップ66のみで構成することができるが、バッフル58はまた、軸方向パネル延長部68を備えて、外側バンドの付加的インピンジメント冷却を行なうのが好ましい。
この構成では、主パネル68はさらに、下流フィレットインピンジメント孔60の前方に分散配置されかつ外側バンド30の上方に適当に間隔を置いて配置されて、該外側バンドの局所インピンジメント冷却を行なうようになった付加的インピンジメント孔74を含む。
外側バンド30は、ベーンアパーチャ64を囲みかつ2つの端部面でそれらアパーチャを橋絡した鋳造リブ76を含み、それら2つの端部面上には主パネル68を装着しかつ該2つの端部面に対して密封状態でろう付けすることができるのが好ましい。
このようにして、主ポケット78が、後方ポケット72の前方において主パネル68及び外側バンド間に形成されかつ該後方ポケット72と流れ連通状態で配置される。
この構成では、出口孔62の2つの列のみを使用して、バッフルからの全ての使用済みインピンジメント空気をまとめて吐出することができ、またこれら2つの列の出口孔62は、単一のインピンジメント孔60の後方列から前方に順々に間隔を置いて配置される。
これら2つの列の出口孔62は次に、最初にその方向が逆になった後の後方ポケット72からの使用済みインピンジメント空気及び前方主ポケット78からの使用済みインピンジメント空気の両方をまとめて吐出することができる。
ノズル外側バンド30の後方フランジ50は、ノズル設計における最小の変更で局所的にインピンジメント冷却して、この重要な局所的領域における作動温度を大幅に低下させるようにすることができ、そのことが次に、温度勾配及び作動応力を減少させて、ノズルの低サイクル疲労寿命を増大させるようにする。
後方フランジ50は、シール56を支持するのに十分な強度及び剛性を維持しながらフランジの熱質量を局所的に減少させるようになった後方ポケット72を選択的に切込んで形成することができる。
その後方リップ66を備えた特殊の衝突バッフル58は、後方フランジ50に対してろう付けしてそのように形成した後方ポケット72を閉鎖し、かつさらにその構造的一体性を強化すると同時に外側バンドの後方端部に使用済みインピンジメント空気を選択的に閉じ込める。
後方フランジは無孔状態に保たれ、また使用済みインピンジメント空気は、ノズルスロート部44の上流に位置する出口孔62から吐出されて、ノズルから吐出される前にその空気を取戻して該ノズルの効率を高めるようにする。
インピンジメント空気は、選択的に最初に後方フランジの根元端部を冷却し、使用済み空気は次に、再利用されて吐出流路に沿ってバンドの外表面を冷却し上流出口孔62を通って流れ、その後次に後方フランジ自体の直ぐ下方のバンドの内表面を選択的にフィルム冷却する。
これらの改善型の設計の分析によると、後方フランジ及び外側バンドの接合部にわたる作動温度の大幅な低下と同時に、対応する温度勾配及び作動応力の低下並びに耐久性及び寿命の改善を示している。
タービン効率はまた、その他の高性能従来型の冷却構成に見られるような後方フランジを直接貫通する使用済みのかつ負荷になる空気を吐出する代わりに、負担にならないインピンジメント空気を使用することによって上昇する。
また、後方フランジ冷却の改善を達成するような簡単な変更はまた、既存のノズル設計に対して改造を行なうことができると共に、新たな設計に当初から実施することもできる。
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考えら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が、本明細書の教示から当業者には明らかであり、従って、全てのそのような変更は、本発明の技術思想及び技術的範囲内に属するものとして特許請求の範囲で保護されることを切望する。
従って、本特許出願によって保護されることを望むものは、提出した特許請求の範囲に記載しかつ特定した発明である。
10 タービンエンジン
12 圧縮機
14 空気
16 燃焼器
18 燃焼ガス
20 タービンノズル
22 ロータブレード
24 タービンシュラウド
26 ハンガ
28 外側ケーシング
30 外側バンド
32 内側バンド
34 ベーン
36 前縁
38 後縁
40 正圧側面
42 負圧側面
44 スロート部
46 取付けフランジ
48 前方フランジ
50 後方フランジ
52 根元
54 座部
56 シール
58 衝突バッフル
60 インピンジメント孔
62 出口孔
64 アパーチャ
66 後方リップ
68 主パネル
70 フィレット接合部
72 ポケット
74 インピンジメント孔
76 リブ
78 主ポケット
80 バッフル(II)

Claims (9)

  1. タービンノズル(20)であって、
    前縁及び後縁(36、38)間で軸方向に延びるベーン(34)の列の境界となる外側及び内側バンド(30、32)を含み、
    前記外側バンド(30)が、その根元(52)内に該外側バンド(30)に隣接するアンダカットポケット(72)を備えた状態で前記後縁(38)の上方に配置された後方フランジ(50)を含み、
    該タービンノズル(20)が、前記根元(52)において前記外側バンド(30)及び後方フランジ(50)を橋絡して前記ポケット(72)を覆いかつ該ポケット(72)に面したインピンジメント孔(60)の列を備えた衝突バッフル(58)をさらに含
    前記後方フランジ(50)が、前記ポケット(72)の上方に配置された半径方向外側座部(54)を含み、
    前記衝突バッフル(58)が、前記座部(54)の下方で前記後方フランジ(50)に沿って半径方向に延びる後方リップ(66)と前記外側バンド(30)の上方に間隔を置いて配置された主パネル(68)とを含み、
    前記インピンジメント孔(60)が、前記後方リップ(66)及び主パネル(68)間のフィレット接合部(70)を貫通して延びる
    ことを特徴とする、ノズル。
  2. 前記根元(52)の前方で前記外側バンド(30)を貫通して延びかつ前記ポケット(72)と流れ連通状態であって使用済みインピンジメント空気を吐出するようになった出口孔(62)の列をさらに含む、請求項1記載のノズル。
  3. 前記出口孔(62)が、前記インピンジメント孔(60)の前方に配置される、請求項2記載のノズル。
  4. 前記根元(52)の前方で前記外側バンド(30)を貫通して延びかつ前記ポケット(72)と流れ連通状態であって使用済みインピンジメント空気を吐出するようになった出口孔(62)の列をさらに含み、
    前記後方リップ(66)が、前記ポケット(72)の上方で前記後方フランジ(50)に平行であり、
    前記インピンジメント孔(60)が、前記フィレット接合部(70)を貫通して下向きに傾斜して前記根元(52)をその前記外側バンド(30)との接合部においてインピンジメント冷却し、
    前記出口孔(62)が、前記ポケット(72)の前方で前記外側バンド(30)を貫通して後方に傾斜する、
    請求項記載のノズル。
  5. 前記インピンジメント孔(60)が、該インピンジメント孔(60)の直径の2〜3倍だけ前記根元(52)から前方に間隔を置いて配置される、請求項記載のノズル。
  6. 前記主パネル(68)が、前記フィレット接合部(70)を貫通して延びるインピンジメント孔(60)の前方に分散配置されかつ前記外側バンド(30)の上方に間隔を置いて配置された付加的インピンジメント孔(74)をさらに含む、請求項記載のノズル。
  7. 前記フィレット接合部(70)に単一の列の前記インピンジメント孔(60)をさらに含む、請求項記載のノズル。
  8. 前記根元(52)の前方で前記外側バンド(30)を貫通して延びかつ前記ポケット(72)と流れ連通状態であって使用済みインピンジメント空気を吐出するようになった出口孔(62)の列をさらに含み、
    前記インピンジメント孔(60)の列から前方に順々に間隔を置いて配置された2つの列の前記出口孔(62)をさらに含む、請求項記載のノズル。
  9. 前記外側座部(54)が、前記根元(52)の上方に配置された後方に面した段部を含み、
    前記ポケット(72)が、前記根元(52)の前方に延びる、
    請求項記載のノズル。
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