JP6204809B2 - 入れ子式燃料マニホルドシステムを有する可変容積型燃焼器 - Google Patents

入れ子式燃料マニホルドシステムを有する可変容積型燃焼器 Download PDF

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Description

本出願及びその結果として付与される特許は、一般にガスタービンエンジンに関し、特に入れ子式燃料マニホルドシステムと連通する操作容易なマイクロミキサ燃料ノズルを有する可変容量型燃焼器に関する。
ガスタービンエンジンの運転効率及び全体出力は、一般に、高温燃焼ガス流の温度が高くなると増加する。しかし、高い燃焼ガス流温度は、より高レベルの窒素酸化物及びその他の種類の規制排出物質を生み出す。このため、ガスタービンエンジンを有効な高温範囲で動作させる一方で同時に窒素酸化物及びその他の種類の規制排出物質が規制レベル未満に維持されることを確実にするという両天秤策が存在する。更に、負荷レベルの変動、周囲条件の変動及び多くのその他の種類の運転パラメータもガスタービンの全体効率と排出物質とに有意な影響を与えることがある。
窒素酸化物等の排出レベルの低減は、燃焼前に燃料流と空気流との十分な混合を達成することによって促進される。このような予混合は、燃焼温度勾配と窒素酸化物の生成量とを減少させる傾向にある。こうした十分な混合を達成する1つの方法は、複数のマイクロミキサ燃料ノズルを有する燃焼器を用いることによるものである。概して、マイクロミキサ燃料ノズルは、燃焼前に少量の燃料と空気とをプレナム内の複数のマイクロミキサ管内において混合する。
現行のマイクロミキサ燃焼器及びマイクロミキサ燃料ノズルの設計は、燃焼性能の向上をもたらすが、ある種の動作条件におけるマイクロミキサ燃料ノズルの動作可能範囲は、少なくとも部分的に、ダイナミクスと排出物質とに対する懸念によって限定される。特に、ある一定の内部要素の動作周波数が結合して、高又は低周波力学場を創出するようになることがある。このような力学場は燃焼器構成要素及び下流のタービン構成要素の物理特性に悪影響を及ぼしかねない。こうしたことを考慮して、現行の燃焼器の設計では、燃料流又は空気流のステージングによってこのような動作条件を回避して力学場の形成を防ごうとしている。ステージングは、バルク条件により設計が排出物質や燃焼性等の観点で一般的な動作限度外となる場合でも、局所的な安定燃焼領域を創出しようとするものである。しかし、このようなステージングには時間のかかる較正が必要であると共に、更にまた最適レベルより低いレベルでの動作が求められることがある。
米国特許第7661267号明細書
よって、マイクロミキサ燃焼器の設計改良が求められている。
このようなマイクロミキサ燃焼器の改良設計は、マイクロミキサ燃焼器内における燃料流と空気流との十分な混合を促進して、動作温度及び効率を増加させる一方で全体としての排出物質の削減とダイナミクスの低減とが達成されるようにする。更に、このようなマイクロミキサ燃焼器の改良設計は、これらの目的を、全体としてのシステムの複雑さと費用とを大幅に増加させることなしに達成することができる。
よって、本出願及びその結果として付与される特許は、ガスタービンエンジンと一緒に用いる燃焼器を提供するものである。この燃焼器は、複数のマイクロミキサ燃料ノズルと、マイクロミキサ燃料ノズルと連通して、これらのノズルに燃料流を送る燃料マニホルドシステムと、マイクロミキサ燃料ノズルと燃料マニホルドシステムとの両方を操作する線形アクチュエータとを含む。
本出願及びその結果として付与される特許は、更に燃焼器の運転方法を提供するものである。この方法は、複数のマイクロミキサ燃料ノズルを駆動ロッドの周りに配置する段階と、共通の燃料管を介して燃料流をマイクロミキサ燃料ノズルに供給する段階と、共通の燃料管とマイクロミキサ燃料ノズルとを駆動ロッドにより操作する段階とを含む。
本出願及びその結果として付与される特許は、更にガスタービンエンジンと一緒に用いる燃焼器を提供するものである。この燃焼器は、複数のマイクロミキサ燃料ノズルと、マイクロミキサ燃料ノズルと連通して、これらの燃料ノズルに燃料流を送る複数の入れ子式燃料回路と、マイクロミキサ燃料ノズルを操作する駆動ロッドとを含む。
以下の詳細な説明を幾つかの図面及び添付の特許請求の範囲と併せて吟味することにより、当業者には、本出願及びその結果として付与される特許の上記及びその他の特徴と改良点とが明らかになるであろう。
圧縮機と燃焼器とタービンとを示す、ガスタービンエンジンの略図である。 図1のガスタービンエンジンと一緒に用いることができる燃焼器の略図である。 図2の燃焼器と一緒に用いることができるマイクロミキサ燃料ノズルの一部分を示す略図である。 本明細書において説明するマイクロミキサ燃焼器の略図である。 図4のマイクロミキサ燃焼器の一例を示す斜視図である。 図5のマイクロミキサ燃焼器の側断面図である。 図5のマイクロミキサ燃焼器と一緒に用いることができる入れ子式燃料マニホルドシステムの一部分を示す拡大図である。
次に、幾つかの図面を通して同様の符号が同様の要素を示す図面を参照すると、図1に、本発明において用いられるガスタービンエンジン10の略図が示されている。ガスタービンエンジン10は圧縮機15を含んでよい。圧縮機15は、入来する空気流20を圧縮する。圧縮機15は、圧縮空気流20を燃焼器25に送る。燃焼器25は、圧縮空気流20と加圧燃料流30とを混合すると共に、この混合物に点火して燃焼ガス流35を創出する。1つの燃焼器25のみが示されているが、ガスタービンエンジン10は、いかなる個数の燃焼器25を含んでもよい。燃焼ガス流35は、次に、タービン40に送られる。燃焼ガス流35はタービン40を駆動して、機械仕事が生み出されるようにする。タービン40で生み出された機械仕事は、軸45により圧縮機15と発電機等の外部負荷50とを駆動する。
ガスタービンエンジン10は、天然ガス、液体燃料、様々な合成ガス及び/又はその他の種類の燃料及びこれらを組み合わせたものを用いてよい。ガスタービンエンジン10は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラル・エレクトリック・カンパニーが提供している7又は9シリーズのヘビーデューティガスタービンエンジン等のガスタービンエンジンを含むがこれらに制限されない様々な複数のガスタービンエンジンのいずれであってもよい。ガスタービンエンジン10は異なる構成を有してよく、且つ他の種類の構成要素を用いてもよい。その他の種類のガスタービンエンジンも本発明において用いられてよい。複数のガスタービンエンジン、その他の種類のタービン及びその他の種類の発電設備も本発明において一緒に用いられてよい。
図2に、上記のガスタービンエンジン10等と一緒に用いることができる燃焼器25の一例の略図を示す。燃焼器25は、タービン40の周りにおいてヘッド端のエンドカバー52から後端のトランジションピース54まで延在する。複数の燃料ノズル56がエンドカバー52の周りに配置される。内筒58は、燃料ノズル56からトランジションピース54の方へと延在すると共に、自身内において燃焼領域60を形成する。内筒58はフロースリーブ62により取り巻かれる。内筒58及びフロースリーブ62は、両者間に圧縮機15又はその他からの空気流20の流路64を形成する。本発明においては、いかなる個数の燃焼器25が環状多筒形配列等をなして用いられてもよい。本明細書に説明する燃焼器25は、例示のみを目的とするものである。その他の構成要素及びその他の構成を有する燃焼器を本発明において用いることができる。
図3に、燃焼器25等と一緒に用いることができるマイクロミキサ燃料ノズル66の一部分を示す。マイクロミキサ燃料ノズル66は、燃料管70の周りに配置される複数のマイクロミキサ管68を含む。マイクロミキサ管68は、一般に、実質的に均一な直径を有し、且つ環状の同心列をなして配置されてよい。本発明においては、いかなる大きさ、形状又は構成のいかなる個数のマイクロミキサ管68を用いることもできる。マイクロミキサ管68は、燃料板72により燃料管70からの燃料流30と、そして流路64により圧縮機15からの空気流20と連通する。少量の燃料流30と少量の空気流20とが各々のマイクロミキサ管68内で混合される。混合された燃料空気流は下流に流れて燃焼領域60内で燃焼されると共に、上記のタービン40で使用される。その他の構成要素及びその他の構成を本発明において用いることができる。
図4に、本明細書に説明する燃焼器100の一例を示す。燃焼器100は、自身内に配置された何らかの個数のマイクロミキサ燃料ノズル120等を有するマイクロミキサ燃焼器110であってよい。マイクロミキサ燃料ノズル120は上記のものと同様であってよい。マイクロミキサ燃料ノズル120は、扇形の形状、円形の形状であってよく、且つ/又はいかなる大きさ、形状又は構成を有してもよい。同様に、マイクロミキサノズル120は、自身内にいかなる構成をなすいかなる個数のマイクロミキサ管を含んでもよい。マイクロミキサ燃料ノズル120は共通の燃料管125と連通する。共通の燃料管125は、自身内に1つ以上の燃料回路を有することができる。これにより、複数の燃料回路がマイクロミキサ燃料ノズル120のステージングを可能にする。マイクロミキサ燃料ノズル120は、キャップ組立体130又は同様の構造内に取り付けられてよい。キャップ組立体130は、いかなる大きさ、形状又は構成を有してもよい。キャップ組立体130は、従来式シール135等により取り巻かれてよい。
上記のものと同様に、燃焼器100は、自身のヘッド端150のエンドカバー140から延在する。内筒160は、自身内にマイクロミキサ燃料ノズル120を有するキャップ組立体130とシール135とを取り巻く。内筒160はキャップ組立体130の下流において燃焼領域170を形成する。内筒160は外筒180により取り巻かれる。内筒160と外筒180とフロースリーブ(図示せず)とは、自身間において燃焼器15又はその他からの空気流20の流路190を形成する。内筒160と燃焼領域170と外筒180と流路190とは、いかなる大きさ、形状又は構成を有してもよい。本発明においては、いかなる個数の燃焼器100が環状多筒形配列等をなして用いられてもよい。その他の構成要素及びその他の構成も本発明において用いることができる。
燃焼器100は、更にまた、可変容積型燃焼器195であってよい。よって、可変容積型燃焼器195は線形アクチュエータ200を含んでよい。線形アクチュエータ200は、エンドカバー140の周り及びその外側に配置される。線形アクチュエータ200は、従来設計のものであってよく、線形又は軸方向の運動をもたらす。線形アクチュエータ200の操作は、機械式、電気機械式、圧電式、空気式、油圧式及び/又はこれらを組み合わせたものであってよい。例として、線形アクチュエータ200は、油圧シリンダ、ラックピニオン装置、ボールねじ、手動クランク又は制御された軸方向運動をもたらすことができる何らかの種類の装置を含んでよい。線形アクチュエータ200は、全体的なガスタービン制御装置と連通して、システムフィードバック等に基づいて動的操作を行なう。
線形アクチュエータ200は、駆動ロッド210等により共通の燃料管125と連通する。駆動ロッド210はいかなる大きさ、形状又は構成を有してもよい。共通の燃料管125は、駆動ロッド210の周りに配置されて、駆動ロッドと一緒に移動する。このように、線形アクチュエータ200と駆動ロッド210と共通の燃料管125とが、マイクロミキサノズル120を自身内に有するキャップ組立体130を内筒160の長さに沿って何らかの適切な位置において軸方向に操作する。共通の燃料管125内の複数の燃料回路が燃料ノズルのステージングを可能にする。本発明において、その他の構成要素及びその他の構成も用いることができる。
使用時において、線形アクチュエータ200はキャップ組立体130を操作して、ヘッド端150の容積を内筒160の容積に対して変動させるようにする。内筒の容積(及び燃焼領域170の容積)は、このように、マイクロミキサ燃料ノズル120を内筒160に沿って伸長又は後退させることにより減少又は増加させることができる。更に、キャップ組立体130は、全体的なシステムの圧力降下を変化させることなしに操作可能である。一般的な燃焼システムでは、全体的な圧力降下が変化することがある。しかし、このような圧力降下は一般に、そのシステム内の構成要素の冷却に影響を及ぼす。更に、圧力降下の変動は燃焼ダイナミクスの制御における問題を創出する。
上流及び下流の容積の変化は、全体的な反応滞留時間の変動を、よって窒素酸化物、一酸化炭素及びその他の種類の排出物質の全体的な排出レベルの変動をもたらす。概して、反応滞留時間は内筒の容積に直接相関し、このため、本発明では所定の運転モードにおいて排出規制を満たすように調節される。更に、滞留時間の変動は、ヘッド端及び内筒の容積が変動すると全体的な音響挙動が変動することがあるという点で、ターンダウン及び燃焼器のダイナミクスにも影響を与えかねない。
例えば、ベース負荷で低窒素酸化物レベルを確保するためには、短い滞留時間が必要になる。逆に、低負荷条件で一酸化炭素を減少させるためには、より長い滞留時間が必要になる。よって、本明細書に記載の燃焼器100は、全体的なシステムの圧力降下が変動しない調整可能な燃焼器として、最適化された排出物質及びダイナミクスの低減を達成する。特に、燃焼器100は、積極的に容積を変動させることで、燃焼器100を調整して、燃料ステージングに影響を与えることなしに最小限の動的応答が達成されるようにする機能をもたらす。
本明細書に記載の線形アクチュエータ200は、キャップ組立体130内のマイクロミキサ燃料ノズル120を1つのグループとして操作するものとして示されているが、複数の線形アクチュエータ200を用いて、マイクロミキサ燃料ノズル120を個別に操作すると共にノズルのステージングを達成するようにしてもよい。本例では、個別のマイクロミキサ燃料ノズル120が、自身間において且つキャップ組立体130に対して付加的な密封作用をもたらす。本発明において回転動作を用いることもできる。更に、非マイクロミキサ燃料ノズルを本発明において用いることもでき、且つ/又は非マイクロミキサ燃料ノズルとマイクロミキサ燃料ノズルとを本発明において一緒に用いることができる。その他の種類の軸方向移動装置も本発明において用いられる。その他の構成要素及びその他の構成を本発明において用いることができる。
図5及び図6に、燃焼器100等と一緒に用いることができるプレノズル燃料噴射システム220の一例を示す。各々の燃料ノズル120はプレノズル燃料噴射システム220に取り付けられる。プレノズル燃料噴射システム220は燃料ノズルマニホルド230を含んでよい。燃料ノズルマニホルド230は共通の燃料管125と連通すると共に、上記の駆動ロッド210により操作可能であってよい。燃料ノズルマニホルド230はいかなる大きさ、形状又は構成を有してもよい。
プレノズル燃料噴射システム220の燃料ノズルマニホルド230は中央ハブ240を含む。中央ハブ240はいかなる大きさ、形状又は構成を有してもよい。中央ハブ240は複数の異なる流れを自身内に収容する。プレノズル燃料噴射システム220の燃料ノズルマニホルド230は、中央ハブ240から延在する複数の支持ストラット250を含んでよい。いかなる個数の支持ストラット250を用いてもよい。支持ストラット250は、本発明においてはいかなる大きさ、形状又は構成を用いることもできるが、実質的に空気力学的な輪郭をなす形状を有する。特に、各々の支持ストラット250は、上流端260と下流端270と第1の側壁280と第2の側壁290とを含んでよい。支持ストラット250は、中央ハブ240からキャップ組立体130まで半径方向に延在してよい。各支持ストラット250は1つ以上の燃料ノズル120と連通して、これらの燃料ノズルに燃料流30を供給するようになっている。燃料ノズル120は、各々の支持ストラット250の下流端270から軸方向に延在する。本発明において、その他の構成要素及びその他の構成を用いることができる。
図5〜7に、更にまた、本明細書に記載の入れ子式燃料マニホルドシステム320を示す。入れ子式燃料マニホルドシステム320は、プレノズル燃料噴射システム220又はその他の種類の燃料噴射システムと協働して、1つ以上の燃料流30が燃料ノズル120に安全に送給されるようにする。更に、入れ子式燃料マニホルドシステム320は、線形アクチュエータ200及び駆動ロッド210とも協働して、キャップ組立体130内の燃料ノズル120の軸方向移動に対応する一方で、エンドカバー140の貫通部の個数を制限する。
入れ子式燃料マニホルドシステム320は、入れ子式燃料マニホルド330を含む。入れ子式燃料マニホルド330は、ヘッド端150のエンドカバー140の外側において線形アクチュエータ200の周りに配置されて、このアクチュエータと一緒に移動する。入れ子式燃料マニホルド330は複数の燃料回路接続部340を含んでよい。いかなる個数の燃料回路接続部340を用いることもできる。燃料回路接続部340は、本発明において燃料柔軟性を達成するように、同じ又は異なる種類の燃料流330と連通してよい。燃料回路接続部340はいかなる大きさ、形状又は構成を有してもよい。
入れ子式燃料マニホルド330の各々の燃料回路接続部340は入れ子式燃料供給回路350と連通する。本例においては、第1の入れ子式燃料供給回路360と第2の入れ子式燃料供給回路370と第3の入れ子式燃料供給回路380との3つの入れ子式燃料供給回路350が示されている。しかし、本発明では、いかなる個数の入れ子式燃料供給回路を用いることもできる。入れ子式燃料供給回路350は互いの内側に環状に収まって、第1の入れ子式燃料供給回路360が第2の入れ子式燃料供給回路370内に配置され、第2の入れ子式燃料供給回路は更に第3の入れ子式燃料供給回路380内に配置されるようになっている。燃料送給密封部390が各々の入れ子式燃料供給回路350を分離する。各々の入れ子式燃料供給回路350は撓み管400等の形態を取ってよい。入れ子式燃料供給回路350はいかなる大きさ、形状又は構成を有してもよい。入れ子式燃料供給回路350は集合的に共通の燃料管125として作用する。
入れ子式燃料供給回路350を共通の燃料管125内に配置して、エンドカバー140内への貫通部の個数が単一の入口ポート410のみに抑えられるようにすることができる。しかし、本発明において、エンドカバー140を貫通するその他の種類の入口も用いることができる。入れ子式燃料供給回路350は燃料ノズルマニホルド230と連通してよい。各々の入れ子式燃料供給回路350は特定の燃料ノズル120の専用であってもよく、又は、入れ子式燃料供給回路が全体的又は部分的に燃料ノズルマニホルドへの共通の供給部となってもよい。本発明において、その他の構成要素及びその他の構成を用いることができる。
入れ子式燃料マニホルドシステム320により、このように、燃焼器100に燃料流30を供給するシステムの単純化が達成される。入れ子式燃料供給回路350を用いることにより、潜在的な漏出経路の個数が制限される。特に、1つの入れ子式燃料供給回路が漏出を起こしても、漏出物は単に次の回路350又は共通の燃料管125内に流入するだけとなる。エンドカバー140内での撓み管の漏出は、自動点火が起こるノズル120の上流における燃料漏れの可能性があるため、ハードウェアの損失及びタービンの運転停止の長期化を引き起こす可能性がある。更に、燃料接続部340は、温度がはるかに低く且つ燃料漏れがより容易に検出可能であるエンドカバー140の外側にある。
入れ子式燃料供給回路350は、更にまた、エンドカバー140内への貫通部の個数を最小限に抑える一方で、複数の燃料回路を提供する。入れ子式燃料マニホルドシステム320全体は、このように、駆動ロッド210に対するインライン配向を与えられると、キャップ組立体130及び線形アクチュエータ200と共に動作する。このような配向は燃料接続部の応力を制限する。これは、燃料マニホルドが固定されており、各接続部がエンドカバーを貫通して燃料を供給する一般的な配向と対照をなす。このように、入れ子式燃料マニホルドシステム320は、複数の燃料回路を提供する一方で、単純化された構成で漏出経路の個数を最小限に抑える。
上記の説明は、本出願及びその結果として付与される特許のある一定の実施形態のみに関することは明らかである。当業者は、以下の特許請求の範囲及び均等物に記載される本発明の一般的な精神及び範囲から逸脱することなしに、本発明に数多くの変更及び改変を加えることができる。
10 ガスタービンエンジン
15 圧縮機
20 空気
25 燃焼器
30 燃料
35 燃焼ガス
40 タービン
45 軸
50 負荷
52 エンドカバー
54 トランジションピース
56 燃料ノズル
58 内筒
60 燃焼領域
62 フロースリーブ
64 流路
66 マイクロミキサ燃料ノズル
68 混合管
70 燃料管
72 燃料板
100 燃焼器
110 マイクロミキサ燃焼器
120 燃料ノズル
125 燃料管
130 キャップ組立体
135 シール
140 エンドカバー
150 ヘッド端
160 内筒
170 燃焼領域
180 外筒
190 流路
195 可変容積型燃焼器
200 線形アクチュエータ
210 駆動ロッド
220 プレノズル燃料噴射システム
230 燃料マニホルド
240 中央ハブ
250 支持ストラット
260 上流端
270 下流端
280 第1の側壁
290 第2の側壁
300 燃料噴射穴
310 プレノズル流
320 入れ子式燃料マニホルドシステム
330 入れ子式燃料マニホルド
340 燃料回路接続部
350 入れ子式燃料供給回路
360 第1の入れ子式燃料供給回路
370 第2の入れ子式燃料供給回路
380 第3の入れ子式燃料供給回路
390 燃料供給密封部
400 撓み管
410 入口ポート

Claims (20)

  1. ガスタービンエンジンと一緒に用いる燃焼器であって、
    複数のマイクロミキサ燃料ノズルと;
    前記複数のマイクロミキサ燃料ノズルと連通して、前記燃料ノズルに燃料流を送る燃料マニホルドシステムと;
    前記複数のマイクロミキサ燃料ノズルと前記燃料マニホルドシステムとを操作する線形アクチュエータとを含む燃焼器。
  2. 前記複数のマイクロミキサ燃料ノズルは複数のマイクロミキサ燃料管と1つの燃料板とを含む請求項1に記載の燃焼器。
  3. 前記複数のマイクロミキサ燃料ノズルはキャップ組立体内に配置される請求項1に記載の燃焼器。
  4. 前記燃料マニホルドシステムは入れ子式燃料マニホルドシステムを含む請求項1に記載の燃焼器。
  5. 前記燃料マニホルドシステムは入れ子式燃料マニホルドを含む請求項1に記載の燃焼器。
  6. 前記入れ子式燃料マニホルドは1つ以上の燃料回路接続部を含む請求項5に記載の燃焼器。
  7. 前記燃料マニホルドシステムは複数の燃料回路を含む請求項1に記載の燃焼器。
  8. 前記燃料マニホルドシステムは複数の入れ子式燃料回路を含む請求項1に記載の燃焼器。
  9. 前記複数の入れ子式燃料回路は、前記回路間に配置される複数の燃料送給密封部を含む請求項8に記載の燃焼器。
  10. 前記複数の入れ子式燃料回路は複数の撓み管を含む請求項8に記載の燃焼器。
  11. 前記複数の入れ子式燃料回路の各々は前記複数のマイクロミキサ燃料ノズルの1つと連通する請求項8に記載の燃焼器。
  12. 前記複数の入れ子式燃料回路の各々は1つの燃料ノズルマニホルドと連通する請求項8に記載の燃焼器。
  13. 前記線形アクチュエータは駆動ロッドを含み、前記複数の入れ子式燃料回路は前記駆動ロッドにより操作される請求項8に記載の燃焼器。
  14. エンドカバーを更に含み、前記複数の入れ子式燃料回路は前記エンドカバーを貫通する単一の入口ポートを含む請求項13に記載の燃焼器。
  15. 複数のマイクロミキサ燃料ノズルを駆動ロッドの周りに配置する段階と;
    前記複数のマイクロミキサ燃料ノズルに共通の燃料管を介して燃料流を供給する段階と;
    前記共通の燃料管と前記複数のマイクロミキサ燃料ノズルとを前記駆動ロッドにより操作する段階とを含む燃焼器の運転方法。
  16. ガスタービンエンジンと一緒に用いる燃焼器であって、
    複数の燃料ノズルと;
    前記複数の燃料ノズルと連通して、前記燃料ノズルに燃料流を送る複数の入れ子式燃料回路と;
    前記複数の燃料ノズルを操作する駆動ロッドとを含む燃焼器。
  17. 前記複数の燃料ノズルは複数のマイクロミキサノズルを含む請求項16に記載の燃焼器。
  18. 前記複数の入れ子式燃料回路と連通する入れ子式燃料マニホルドを更に含む請求項16に記載の燃焼器。
  19. 前記入れ子式燃料マニホルドは1つ以上の燃料回路接続部を含む請求項18に記載の燃焼器。
  20. 前記複数の入れ子式燃料回路は複数の撓み管を含む請求項16に記載の燃焼器。
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