JP6431674B2 - タービンケーシング入口アセンブリの構造 - Google Patents

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Description

本発明は広義にはターボ機械類に関し、特に、蒸気タービンの低圧セクションで用いるための入口アセンブリ構造に関する。
蒸気タービンケーシングの低圧(LP)入口は、発電プラント配管から、LPタービンセクション(ロータの回転が起こる)まで作動流体(蒸気)を移送するように設計される。入口アセンブリは流れを入口ボウル(inlet bowl)まで流れを案内することができ、入口ボウルでさらに流れを方向転換させ、例えばロータに受け取られる角度に流れを曲げることができる。典型的には、入口ボウルはそのエッジに沿って入口アセンブリに接続させる。入口アセンブリは、断面円形の管から多角形又は実質的に多角形の出口ジオメトリまで、移行部を通しての損失が最小限になるように、流れを形成し導くことができる。かかる損失は、入口通過表面の不連続性及び流れ障害によって生じるおそれがある。
入口アセンブリは円錐をベースとして用いて製造されてきた。円錐ベース構造には幾つかの問題がある。円錐では上流端の円形ジオメトリから下流端の多角形又は実質的に多角形のジオメトリへと移行させるためかなりの手作業が必要となることがある。さらに、円錐は、特に製造費用のかさむジオメトリであり、2次元での圧延を必要とし、多大な廃棄物が生じる。さらに、円錐ベース入口アセンブリでは、下流端の2つの側に湾曲エッジを有するような実質的に多角形の出口ジオメトリしか達成できないことがある。そのため、入口ボウルのエッジへの入口アセンブリの取付けがさらに複雑になりかねない。
米国特許出願第20120171010号
本開示の第1の態様は、環状リングと、環状リングの遠位面に取り付けられてそこから遠位方向に延在する胴部とを備える蒸気タービン入口アセンブリを提供する。胴部は、環状リングに隣接して曲線入口ジオメトリを有しており、遠位端で実質的に多角形の出口ジオメトリへと移行している。
本開示の第2の態様は、タービンケーシング入口アセンブリの製造方法であって、曲線入口ジオメトリを有する移行部を形成し、移行部の遠位側に配置される主胴部であって実質的に多角形の出口ジオメトリを有する主胴部を形成することを含む方法を提供する。移行部の形成は、第1の中空半円筒及び第2の中空半円筒を用いて移行部を形成し、第1及び第2の中空半円筒の各々を遠位端及び近位端で切り詰めることを含む。
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
タービンケーシング入口アセンブリへの供給導管を含むタービンケーシングの斜視図。 本発明の実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階を示す斜視図。斜視図。 本発明の実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階を示す斜視図。斜視図。 本発明の実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階を示す斜視図。斜視図。 本発明の実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階を示す斜視図。斜視図。 本発明の実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階を示す斜視図。斜視図。 本発明の一実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階の上面図である。 本発明の実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階を示す斜視図。斜視図。 本発明の実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階を示す斜視図。斜視図。 本発明の実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階を示す斜視図。斜視図。 本発明の実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階を示す斜視図。斜視図。 本発明の実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階を示す斜視図。斜視図。 本発明の一実施形態に係る図12に示すタービンケーシング入口アセンブリの一部分の上面図である。 本発明の実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階を示す斜視図。斜視図。 本発明の実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階を示す斜視図。斜視図。 本発明の一実施形態に係る図15に示すタービンケーシング入口アセンブリの一部分の底面図である。 本発明の一実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階の斜視図。 本発明の一実施形態に係るタービンケーシング入口アセンブリの製造方法の一段階の上面図である。
本開示の図面は必ずしも縮尺通りでない。図面は本開示の典型的な態様を例示するものにすぎず、本開示の要旨を限定するものではない。図面を通して、同じ要素には同じ符号を付した。
以下、本発明の1以上の実施形態について、蒸気タービンの低圧(LP)セクション用ケーシングにおける入口アセンブリに関して説明する。本発明の実施形態を蒸気タービンLPセクション入口アセンブリに関して例示するが、本教示は上流端の曲線ジオメトリから下流つまり出口端の多角形ジオメトリへと移行する入口アセンブリに等しく適用できる。かかる曲線ジオメトリは、例えば、円形もしくは実質的円形でも、楕円形でも、或いはレーストラック形であってもよい。本発明が適当な任意の入口アセンブリに適用できることは当業者には明らかであろう。さらに、本発明が様々な規模及び寸法で適用できることも当業者には明らかであろう。
上述の通り、本発明の態様では、入口アセンブリ構造並びにその構築方法が提供される。
図1を参照すると、タービンケーシングは、入口アセンブリ110を使用し得る1以上の入口102を含んでいる。入口アセンブリ110は、供給導管104から流体を取り込んで、流れを再形成及び/又は加速し、1以上のタービンケーシング入口102に向けて流れを方向転換させることができる。入口アセンブリ110は、供給導管104と接続されるように構成された入口106と、流体をそれぞれのタービンケーシング入口102に移送するように構成された1以上の出口108とを含むことができる。ある実施形態では、流れは例えばタービンケーシング入口102の中心線CLに沿って方向転換させることができる。
以下、本発明の実施形態に係る入口アセンブリ110の製造方法について図2〜図18を参照しながら説明する。
図2〜図14を参照すると、移行部36は、曲線入口ジオメトリ52(例えば、図7〜図8参照)を有し、第1の中空半円筒12及び第2の中空半円筒14を用いて形成される。
図2に示すように第1の中空半円筒12及び第2の中空半円筒14は、圧延鋼でできた中空円筒16を用意し、中空円筒16を長手方向に2分割することによって形成できる。ただし、第1及び第2の中空半円筒12,14は、同じ中空円筒16の半分である必要はない。中空円筒16は、図2に示す真円形円筒であってもよいし、別の実施形態では例えば楕円形円筒であってもよい。
図3に示すように、第1の中空半円筒12と第2の中空円筒14を互いに傾斜させてもよい。第1及び第2の中空半円筒12,14の各々が互いに接合して完全な中空円筒16を形成するように互いに実質的に平行である図2の位置に比して、図3では、第1及び第2の中空半円筒12,14の各々の近位端26は半径方向内側に回転し、中心線100に向かって互いに近づいている。同時に、第1及び第2の中空半円筒12,14の各々の遠位端28は半径方向外側に回転している。
図4〜図5に示すように、傾斜させた第1及び第2の中空半円筒12,14の各々はその近位端26と遠位端28の両方で切り詰めてもよい。図4に示すように、第1及び第2の中空半円筒12,14の近位端26の切り詰めは、傾斜させた第1及び第2の中空半円筒12,14の各々からの近位部43の除去を含んでいてもよい。近位部43は、第1の水平面44と傾斜させた第1及び第2の中空半円筒12,14との交差面によって画成し得る。この切り詰めによって、第1及び第2の中空半円筒12,14の各々に図5に示す半楕円形の近位エッジ66が得られる。
図4に戻ると、第1及び第2の中空半円筒12,14の遠位端28の切り詰めも、同様に、傾斜させた第1及び第2の中空半円筒12,14の各々から遠位部45を除去することによって実施し得る。遠位部45は、第2の水平面46と傾斜させた第1及び第2の中空半円筒12,14との交差面によって画成し得る。この切り詰めによって、第1及び第2の中空半円筒12,14の各々に図5に示す半楕円形の遠位エッジ68が得られる。
図5〜図6を参照すると、第1及び第2の中空半円筒12,14の各々の近位端26を、第1及び第2の実質的に垂直な平面48,50と、傾斜させた第1及び第2の中空半円筒12,14の各々との交差面(図5〜図6)によって画成される傾斜させた第1及び第2の中空半円筒12,14の各々の近位部70(図5)の除去によってさらに切り詰めてもよい。近位部70の除去後(図6〜図8)に、近位エッジ66が実質的な楕円形(図5)ではなく実質的に半円形となってもよい。近位部70の除去(図6)後に、傾斜させて切り詰めた第1及び第2の中空半円筒12,14を、図7〜図8に示すように互いに隣接して配置して、第1及び第2の中空半円筒12,14の近位部70を除去した部分が互いに隣接するように配置してもよい。第1及び第2の中空半円筒12,14の近位端26は移行部36の曲線入口ジオメトリ52を形成し、遠位端28は実質的に楕円形のフットプリント54を有しているが、実質的に楕円形のフットプリント54は、第1及び第2の中空半円筒12,14の間の略三角状スペース25(図7〜図8)のため連続していない。
図9〜図11を参照すると、第1及び第2の中空半円筒12,14の遠位端28も移行部36を形成するように切り詰めてもよい。図9及び図10に示すように、第1及び第2の中空半円筒12,14の各々の遠位端28の一部分を、移行部36の4つの側面の各々に実質的にアーチ状の開口部32が形成されかつ湾曲端部でなく尖った端部が形成されるように除去してもよい。これは、図9に示すように、第3の平面56と第1の中空半円筒12との交差面によって画成される第1の中空半円筒12の遠位部、並びに第4の平面58と第2の中空半円筒14との交差面によって画成される第2の中空半円筒14の遠位部の除去によって達成し得る。第3及び第4の平面56,58は、平面56,58によって画成される遠位端28における底辺が近位端26におけるよりも広くなるように傾斜させてもよい。さらに図10に示すように、第5の平面60と第1及び第2の中空半円筒12,14との交差面によって画成される第1及び第2の中空半円筒12,14の各々の遠位部と、第6の平面62と第1及び第2の中空半円筒12,14との交差面によって画成される第1及び第2の中空半円筒12,14の各々の遠位部をさらに除去してもよい。第5及び第6の平面60,62は、平面60,62によって画成される遠位端28における底辺が近位端26におけるよりも狭くなるように傾斜させてもよい。図10〜図11に示すように、第3の平面56、第4の平面58、第5の平面60及び第6の平面62の各々と第1及び第2の中空半円筒12,14の各々の遠位端28との交差面によって実質的に矩形のフットプリント64を形成してもよい。第1及び第2の中空半円筒12,14を図11に示すように切り詰めると、曲線入口ジオメトリ52から完成入口アセンブリ110の実質的に多角形の出口ジオメトリ40(図15)へと移行する移行部36を形成する。
図12〜図13に示すある実施形態では、第1及び第2の中空半円筒12,14の各々を、移行部36の前半分74と後半分76を画成するように例えば実質的に垂直な平面72によって実質的に2分割してもよい。前半分74と後半分76を次いで互いに分離して、第1及び第2の中空半円筒12,14の各々の半分の間にスペース78が残るようにしてもよい。前半分74と後半分76の相対的位置並びに得られるスペース78のサイズは、以下でさらに検討する要件に応じて調整することができる。
図14に示すように主胴部38を移行部36の遠位端28に形成し得る。主胴部38は、実質的にアーチ状の開口部32の各々にプレート34を接合係止することによって形成し得る。遠位端28において、プレート34の平坦な遠位エッジは主胴部38の実質的に多角形の出口ジオメトリ40を形成する。ある実施形態では、主胴部38の実質的に多角形の出口ジオメトリ40は平行四辺形、特に矩形とし得る。実質的に多角形の出口ジオメトリ4は、例えば入口ボウルと連結することができる。プレート34の各々と実質的にアーチ状の開口部32の各々との接合部は、プレート34を適所に取り付けるため溶接してもよい。さらに、移行部36の前半分74と後半分76とを互いに溶接してもよく、スペース78のような間隙は溶接で閉じればよい。
図15に示すように、環状リング10は移行部36の近位端26で曲線入口ジオメトリ52に取り付けることができる。環状リング10は供給導管104(図1)と連結することができる。環状リング10を供給導管104(図1)に取り付けるためのボルトを収容するため環状リング10の厚さが第1及び第2の中空半円筒12,14の厚さよりも大きくなることがあるので、環状リング10の外径は、第1及び第2の中空半円筒12,14の各々の外表面の半径方向外側に配置してもよい。
上述の通り、移行部36の前半分74と後半分76の位置(図12〜図13)は調整し得る。これは、移行部36の曲線入口ジオメトリ52の内径が環状リング10の内径と実質的に整合するように、環状リング10を移行部36に取り付ける前に実施される。環状リング10の内径が曲線入口ジオメトリ52の内径よりも若干大きい場合は、前半分74と後半分76とを離して、スペース78(図13)を拡大させ、曲線入口ジオメトリ52の内径を有効に拡大させればよい。
図17〜図18に示す通り、本方法は、さらに、環状リング10と第1及び第2の中空半円筒12,14の各々との間の接合部を機械加工又はトリミングして、入口アセンブリ110の内表面を滑らかにする段階を含んでいてもよい。これは、入口を通る蒸気の流れの障害又は流れの方向転換を生じさせるおそれのある隆起部80を平滑にするために行うことができる。かかる隆起部80は、例えば移行部36の曲線入口ジオメトリ52が真円ではなく若干楕円形である場合に生じるおそれがある。
上述の通り、本開示の別の態様では、蒸気タービン入口アセンブリ110を提供し、例えば供給導管の上流円形断面ジオメトリから例えば入口ボウルとの連結のための多角形の出口ジオメトリへの移行部を提供する。
図15に示すように、入口アセンブリ110は、環状リング10と、環状リング10の遠位面13に取り付けられてそこから遠位方向に延在する胴部42とを含む。胴部42は、環状リング10に隣接して曲線入口ジオメトリ52を有しており、遠位端28における実質的に多角形の出口ジオメトリ40へと断面形状が移行する。
胴部42は、曲線入口ジオメトリ52を含む移行部36を含んでいてもよい。ある実施形態では、環状リング10の内径は移行部36の曲線入口ジオメトリ52の内径と実質的に同じである。別の実施形態では、入口アセンブリ110を通る流体流路の不連続性を最小限にするため、環状リング10の内径と移行部36の曲線入口ジオメトリ52の内径とは互いに実質的に整合している。
移行部36は、4つの略三角状凸状湾曲ファセット37を環状リング10の周りに配置して、各略三角状湾曲ファセット37の1つの頂点39が実質的に多角形の出口ジオメトリ40のコーナー部に位置するようにしてもよい。移行部36は、各略三角状湾曲ファセット37がその外表面に凸状曲面を有するように、凸状湾曲外表面を有していてもよい。
胴部42はさらに、実質的に多角形の出口ジオメトリ40を有する主胴部38を含んでいてもよい。実質的に多角形の出口ジオメトリ40はある実施形態では平行四辺形であり、さらに矩形であってもよい。主胴部38は、各々2つの略三角状湾曲ファセット37の間に配置されて接合係止された4枚のプレート34を含んでいてもよい。略三角状湾曲ファセット37は厳密には三角形ではないが、略三角形であり、辺の幾つかは直線ではなく丸みを有していてもよいし、及び/又は角度を湾曲させてもよい。4枚のプレート34は実質的に多角形の出口ジオメトリ40(図15〜図16)の各辺を形成する。
略三角状湾曲ファセット37を含む移行部36は、プレート34を含む主胴部38に溶接し得る。移行部36と本体38とからなる胴部42は、ある実施形態では圧延鋼から製造できる。
本明細書における「第1」、「第2」などの用語は順序、数量又は重要性を意味するものではなく、ある構成要素を他の構成要素から区別するために用いられる。単数形で記載したものであっても、数を限定するものではなく、そのものが少なくとも1つ存在することを意味する。数量に用いられる「約」という修飾語は、記載の数値を含み、文脈毎に決まる意味をもつ(例えば、特定の数量の測定に付随する誤差範囲を含む)。本明細書に開示した範囲はすべてその上下限を含み、独立に結合可能である(例えば、「約25重量%以下、具体的には約5〜約20重量%」という範囲は、「約5〜25重量%」の上下限とその範囲内のすべての中間値を含む)。
本明細書では様々な実施形態について説明してきたが、本明細書の記載から、構成要素の様々な組合せ、変更及び修正を当業者がなし得ること、並びにそれらが本発明の技術的範囲に属することは明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
10 環状リング
12 第1の中空半円筒
13 環状リングの遠位/下流側
14 第2の中空半円筒
16 長手方向に2分割した円筒
25 実質的に三角形のスペース
26 上流側近位端/方向
28 下流側遠位端/方向
32 アーチ状開口部
34 プレート
36 移行部
37 三角形の湾曲ファセット
38 主胴部
39 頂点
40 多角形の出口ジオメトリ
42 胴部(移行部+主胴部)
43 近位部
44 第1の水平面(頂部)
45 遠位部
46 第2の水平面(底部)
48 第1の垂直平面(第1中空半円筒側)
50 第2の垂直平面(第2中空半円筒側)
52 曲線入口ジオメトリ
54 実質的に楕円形のフットプリント
56 第3の平面
58 第4の平面
60 第5の平面
62 第6の平面
64 矩形のフットプリント
66 近位エッジ
68 遠位エッジ
70 近位部
72 第7の平面
74 前半分
76 後半分
78 スペース
80 不連続性
100 中心線
102 入口
104 供給導管
106 入口
108 出口
110 入口アセンブリ

Claims (18)

  1. 環状リングと、
    環状リングの遠位面に取り付けられて、そこから遠位方向に延在する胴部と
    を備える蒸気タービン入口アセンブリであって、
    胴部が環状リングに隣接して曲線入口ジオメトリを有しており、胴部が遠位端で多角形の出口ジオメトリへと移行し、
    前記胴部が、
    曲線入口ジオメトリを有する移行部であって、さらに凸状湾曲外表面をなす移行部と、
    多角形の出口ジオメトリを有する主胴部と
    を含み、
    前記移行部が、環状リングの周りに配置された4つの略三角状凸形湾曲ファセットを含んでいて、各略三角状凸形湾曲ファセットの頂点の1つが、多角形の出口ジオメトリのコーナー部に配置されている、蒸気タービン入口アセンブリ。
  2. 環状リングと、
    環状リングの遠位面に取り付けられて、そこから遠位方向に延在する胴部と
    を備える蒸気タービン入口アセンブリであって、
    胴部が環状リングに隣接して曲線入口ジオメトリを有しており、胴部が遠位端で多角形の出口ジオメトリへと移行し、
    前記胴部が、
    曲線入口ジオメトリを有する移行部であって、さらに凸状湾曲外表面をなす移行部と、
    多角形の出口ジオメトリを有する主胴部と
    を含む、請求項1記載の蒸気タービン入口アセンブリ
  3. 前記環状リングの内径が前記移行部の曲線入口ジオメトリの内径と同じである、請求項1または2に記載の蒸気タービン入口アセンブリ。
  4. 環状リングの内径と移行部の曲線入口ジオメトリの内径が互いに整合している、請求項1乃至3のいずれかに記載の蒸気タービン入口アセンブリ。
  5. 主胴部の多角形の出口ジオメトリがさらに矩形を含む、請求項1乃至4のいずれかに記載の蒸気タービン入口アセンブリ。
  6. 前記移行部及び主胴部の各々がさらに圧延鋼を含む、請求項1乃至5のいずれかに記載の蒸気タービン入口アセンブリ。
  7. 前記移行部及び主胴部が溶接されている、請求項1乃至6のいずれかに記載の蒸気タービン入口アセンブリ。
  8. タービンケーシング入口アセンブリの製造方法であって、
    曲線入口ジオメトリを有する移行部を形成する段階であって、第1の中空半円筒及び第2の中空半円筒を用いて移行部を形成する段階と、
    遠位端で多角形の出口ジオメトリが形成され、近位端で円形の入口ジオメトリが形成されるように、第1及び第2の中空半円筒の各々を遠位端及び近位端で切り詰める段階とを含む段階と、
    移行部の遠位側に配置される主胴部であって多角形の出口ジオメトリを有する主胴部を形成する段階と
    を含む方法。
  9. 移行部を形成する段階が、さらに、第1及び第2の中空半円筒の各々が互いに接合して中空円筒を形成する位置に対して、第1及び第2の中空半円筒の各々の近位端が半径方向内側に回転し第1及び第2の中空半円筒の各々の遠位端が半径方向外側に回転した状態で第1及び第2の中空半円筒の各々を整合させる段階を含む、請求項8に記載の方法。
  10. 第1及び第2の中空半円筒の各々を近位端で切り詰める段階が、第1の水平面と傾斜させた第1及び第2の中空半円筒との交差面によって画成される傾斜させた第1及び第2の中空半円筒の各々の近位部を除去する段階を含んでおり、
    第1及び第2の中空半円筒の各々を遠位端で切り詰める段階が、第2の水平面と傾斜させた第1及び第2の中空半円筒との交差面によって画成される傾斜させた第1及び第2の中空半円筒の各々の遠位部を除去する段階を含んでおり、
    第1及び第2の中空半円筒の各々の近位エッジ及び遠位エッジが半楕円形となる、請求項9に記載の方法。
  11. 第1及び第2の中空半円筒の各々を近位端で切り詰める段階が、さらに、垂直面と傾斜させた第1及び第2の中空半円筒との交差面によって画成される傾斜させた第1及び第2の中空半円筒の各々の近位部を除去する段階を含んでおり、
    当該方法が、さらに、切り詰めた第1及び第2の中空半円筒を、第1及び第2の中空半円筒の近位端が曲線入口ジオメトリを形成し遠位端が楕円形フットプリントをもつように互いに隣接して配置する段階を含む、請求項10に記載の方法。
  12. 傾斜させた第1及び第2の中空半円筒の各々を切り詰める段階が、さらに、移行部の4つの側面の各々にアーチ状の開口部が形成され、かつ第1及び第2の中空半円筒が曲線入口ジオメトリから多角形の出口ジオメトリへと移行する移行部を形成するように、第1及び第2の中空半円筒の各々の遠位部を除去する段階を含む、請求項9に記載の方法。
  13. 第1及び第2の中空半円筒の各々を切り詰める段階が、さらに、
    第3の平面と第1の中空半円筒との交差面によって画成される第1の中空半円筒の遠位部を除去する段階と、
    第4の平面と第2の中空半円筒との交差面によって画成される第2の中空半円筒の遠位部を除去する段階と、
    第5の平面と第1及び第2の中空半円筒との交差面によって画成される第1及び第2の中空半円筒の各々の遠位部を除去する段階と、
    第6の平面と第1及び第2の中空半円筒との交差面によって画成される第1及び第2の中空半円筒の各々の遠位部を除去する段階と
    を含んでおり、第3、第4、第5及び第6の平面の各々と第1及び第2の中空半円筒の各々の遠位端との交差面によって矩形のフットプリントが形成される、請求項12に記載の方法。
  14. 主胴部を形成する段階が、さらに、主胴部の多角形の出口ジオメトリを形成するプレートを、アーチ状の開口部の各々と接合係止する段階を含む、請求項12に記載の方法。
  15. プレートの各々とそれぞれのアーチ状の開口部の各々との間の接合部を溶接する段階をさらに含む、請求項14に記載の方法。
  16. 移行部の曲線入口ジオメトリに環状リングを取り付ける段階をさらに含む、請求項8乃至15のいずれかに記載の方法。
  17. 環状リングを取り付ける前に、第1及び第2の中空半円筒の各々を2分割して移行部の前半分と後半分を画成する段階と、移行部の曲線入口ジオメトリの内径が環状リングの内径と整合するように前半分を後半分から分離する段階とをさらに含む、請求項16に記載の方法。
  18. 環状リングと第1及び第2の中空半円筒の各々との間の接合部を機械加工して入口アセンブリの内表面を滑らかにする段階をさらに含む、請求項17に記載の方法。
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