JP7202259B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンに関する。

蒸気タービンは、軸線回りに回転する回転軸と、この回転軸に固定された円盤状のディスクと、ディスクの外周面上に配列された複数の動翼と、回転軸及び動翼を外周側から覆うケーシングと、ケーシングの内周面上で動翼の軸線方向一方側に設けられた複数の静翼（ノズル）と、を主に備えている。上流側から供給された高温高圧の蒸気は、静翼に衝突して整流された後、動翼に衝突することで回転軸に回転力を与える。このような挙動が、蒸気タービンの上流側から下流側にかけて繰り返されることで、回転軸が回転駆動される。

ところで、蒸気タービン内部では、上流側になるほど蒸気の圧力が高い。したがって、ディスクの上流側と下流側との間では圧力差が生じる。この圧力差に基づいて、ディスクにはスラスト力（軸線方向の力）が加わる場合がある。このようなスラスト力を解消するために、ディスクにバランスホールと呼ばれる孔を形成する例が知られている（例えば下記特許文献１参照）。バランスホールは、ディスクを軸線方向に貫通するとともに、周方向に間隔をあけて複数形成されている。高圧側の蒸気がこのバランスホールを通じてディスクの下流側に導かれることで、上述のスラスト力が低減され、かつ動翼の根元における二次流れの発生が低減されるとされている。

実開昭６０－１９５９０２号公報

しかしながら、上記のバランスホールに流入し切れなかった蒸気の流れは、ディスクに沿って径方向外側に流れ、動翼の根元で依然として二次流れを形成してしまう。これにより、蒸気タービンの効率は低下する。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、より一層効率が向上した蒸気タービンを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る蒸気タービンは、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸に設けられ、前記軸線を中心とする円盤状のディスクと、該ディスクから径方向外側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼と、該複数の動翼を外周側から覆うケーシングと、該ケーシングの内周面における前記動翼の前記軸線方向一方側に設けられるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数のノズルと、該ノズルの径方向内側の端部に設けられ、前記軸線を中心とする環状をなすシュラウドと、該シュラウドの内周面に設けられ、前記回転軸の外周面との間にクリアランスを介して対向するシール機構と、を備え、前記ディスクにおける前記軸線方向一方側を向く面は、径方向に延びることで前記クリアランスを通過した蒸気を径方向外側に導く案内面とされ、前記ディスクには、一端が前記案内面に開口し、他端が前記ディスクにおける前記案内面とは反対側を向く下流面に開口するバランスホールが形成され、前記一端、及び前記他端の少なくとも一方を前記軸線方向から覆うとともに、径方向内側に向かって開口するポケットを形成する庇部をさらに備える。

上記構成によれば、クリアランスを通じてディスクに向かって流れた蒸気（漏れ蒸気）は、ディスクの案内面に沿って径方向外側に流れた後、庇部によって捕捉されることでポケットの内部に流入する。ポケットに流入した漏れ蒸気は、バランスホールに流入して一端側から他端側に向かって流れる。即ち、上記の構成によれば、庇部及びポケットが設けられていない構成に比べて、より多くの漏れ蒸気をポケットによって捕捉し、バランスホールに導くことができる。これにより、バランスホールに捕捉されなかった漏れ蒸気が動翼の根元で二次流れを形成する可能性を低減することもできる。

上記蒸気タービンでは、前記庇部は、前記軸線方向から見て、周方向に連続する円環状をなしていてもよい。

上記構成によれば、庇部が周方向に連続する円環状をなしている。つまり、案内面におけるバランスホールが形成されていない領域も、当該庇部によって軸線方向から覆われている。これにより、バランスホール同士の間を流通する漏れ蒸気も庇部によって捕捉することができる。その結果、バランスホールによってより多くの漏れ蒸気が捕捉されるため、回転軸に加わるスラスト力、及び動翼の根元で生じる二次流れをさらに低減することができる。

上記蒸気タービンでは、前記庇部の径方向内側の端縁は、前記バランスホールよりも径方向内側まで延びていてもよい。

上記構成によれば、庇部の径方向内側の端縁は、バランスホールよりも径方向内側まで延びている。つまり、庇部は、軸線方向から見てバランスホールを全体的に覆っている。これにより、ポケット内に流入した漏れ蒸気を逃すことがなく、バランスホールに導くことができる。

上記蒸気タービンでは、前記ポケットは、前記バランスホールと径方向で重複する位置に設けられていてもよい。

上記構成によれば、ポケット内に流入した漏れ蒸気をバランスホールに向かって円滑に導くことができる。

上記蒸気タービンでは、前記バランスホールの最も径方向内側の面は、前記ポケットの径方向内側の端部よりも径方向外側に位置していてもよい。

上記構成によれば、軸線方向から見てバランスホールがポケットによって覆われた状態となる。これにより、ポケット内に流入した漏れ蒸気を逃すことがなく、より積極的にバランスホールに導くことができる。

上記蒸気タービンでは、前記バランスホールの最も径方向外側の面は、前記ポケットの径方向における寸法の１／２以上、径方向外側に位置していてもよい。

上記構成によれば、バランスホールの最も径方向外側の面が、ポケットにおけるより深い位置に形成される。これにより、ポケット内に流入した漏れ蒸気を逃がすことなく、バランスホールに導くことができる。

上記蒸気タービンでは、前記バランスホールの最も径方向外側の面は、前記ポケットの径方向外側の面は、と同一の径方向位置にあってもよい。

上記構成によれば、ポケットの径方向外側の面が、バランスホールの最も径方向外側の内壁と同一の径方向位置にある。これにより、ポケット内におけるバランスホールの径方向外側の領域に漏れ蒸気が滞留する可能性を低減することができる。なお、このように漏れ蒸気がポケット内で滞留した場合、渦等が形成されることで、バランスホールへの漏れ蒸気の流入が阻害されてしまう可能性がある。上記の構成によれば、このような可能性を低減することができる。

上記蒸気タービンでは、前記案内面は、前記クリアランスに対して前記軸線方向から対向していてもよい。

上記構成によれば、案内面がクリアランスに対して軸線方向から対向している。これにより、クリアランスを通じて下流側（軸線方向他方側）に向かって流れてきた漏れ蒸気を逃がすことなく、案内面によってポケット内に導くことができる。その結果、回転軸に加わるスラスト力、及び動翼の根元で生じる二次流れをより一層低減することができる。

本発明によれば、より一層効率が向上した蒸気タービンを提供することができる。

本発明の実施形態に係る蒸気タービンの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大断面図である。 本発明の実施形態に係るディスクを軸線方向一方側から見た図である。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンの変形例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンのさらなる変形例を示す断面図である。

本発明の実施形態について、図１から図３を参照して説明する。図１に示すように、蒸気タービン１は、軸受装置３と、複数の動翼段４と、ケーシング５と、複数のノズル６と、ノズルシール機構７Ａ、及び動翼シール機構７Ｂ（図２参照）と、を備えている。回転軸２は軸線Ｏに沿って延びる柱状をなしており、当該軸線Ｏ回りに回転可能である。軸受装置３は、この回転軸２の軸端を支持している。軸受装置３は、一対のジャーナル軸受３１と、１つのみのスラスト軸受３２と、を有している。一対のジャーナル軸受３１は、回転軸２の軸線Ｏ方向両側の端部にそれぞれ設けられている。各ジャーナル軸受３１は、軸線Ｏに対する径方向への荷重を支持する。スラスト軸受３２は、軸線Ｏ方向一方側にのみ設けられている。スラスト軸受３２は、軸線Ｏ方向への荷重を支持する。

回転軸２の外周面には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数の動翼段４が設けられている。各動翼段４は、軸線Ｏに対する周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼４０と、これら複数の動翼４０を支持するディスク４１と、を有している。動翼４０は、動翼本体４２と、動翼シュラウド４３と、を有している。ディスク４１は、回転軸２に一体に固定された円盤状の部材である。詳しくは図示しないが、回転軸２には、軸線Ｏ方向に積層されるようにして複数のディスク４１が取り付けられている。動翼本体４２は、ディスク４１の外周面に取り付けられている。動翼本体４２は、径方向に延びるとともに、径方向から見て翼型の断面形状を有している。動翼本体４２の径方向外側の端部には、動翼シュラウド４３が取り付けられている。

回転軸２、及び動翼段４（動翼４０）は、径方向外側からケーシング５によって囲われている。ケーシング５は、軸線Ｏを中心とする筒状をなしている。ケーシング５の内周面には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数のノズル６が設けられている。これらノズル６は、軸線Ｏ方向において上記の動翼段４と交互に配列されている。ケーシング５の内周面におけるノズル６同士の間には、径方向外側に向かって凹む凹部８が形成されている。上述の動翼シュラウド４３は、この凹部８内に収容されている。

各ノズル６は、軸線Ｏに対する周方向に間隔をあけて配列された複数のノズル本体６１と、これらノズル本体６１の内周側に取り付けられたノズル内周部材６２と、を有している。ノズル本体６１は、ケーシング５の内周面における凹部８同士の間の領域（ノズル支持部９０）に取り付けられている。ノズル本体６１は、ノズル支持部９０の内周面から径方向内側に向かって延びるとともに、径方向から見て翼型の断面形状を有している。ノズル本体６１の径方向内側の端部には、ノズル内周部材６２が取り付けられている。ノズル内周部材６２は、軸線Ｏを中心とする円環状をなしている。

ケーシング５の軸線Ｏ方向一方側の端部には、外部から供給された高温高圧の蒸気を導入する吸気口５１が形成されている。ケーシング５の軸線Ｏ方向他方側の端部には、ケーシング５内を通過した蒸気を排出する排気口５２が形成されている。吸気口５１から導入された蒸気は、軸線Ｏ方向一方側から他方側にむかってケーシング５内を通過する中途で複数の動翼段４（動翼４０）、及び複数のノズル６（ノズル本体６１）に交互に衝突する。これにより、回転軸２に回転エネルギーが付与される。回転軸２の回転は軸端から取り出されて、例えば発電機（不図示）の駆動等に利用される。以降の説明では、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かってケーシング５内を流通する蒸気の流れを主流Ｆｍと呼ぶ。さらに、主流Ｆｍの流れて来る側（軸線Ｏ方向一方側）を上流側と呼び、主流Ｆｍの流れ去る側（軸線Ｏ方向他方側）を下流側と呼ぶ。

続いて、図２を参照して、動翼４０、及びノズル６の周辺の構成について詳述する。図２は、一組の動翼４０とノズル６、及び動翼４０の下流側に位置する他のノズル６の周辺を拡大して示している。ノズル内周部材６２の内周面には、回転軸２の外周面（回転軸外周面２Ｓ）に対して径方向に隙間（クリアランスＣ）をあけて対向するノズルシール機構７Ａが設けられている。ノズルシール機構７Ａは、一例として、軸線Ｏ方向に間隔をあけて複数配列された複数のシールフィンである。動翼シュラウド４３の外周面（シュラウド外周面４３Ａ）には、凹部８の底面に対して径方向に隙間をあけて対向する動翼シール機構７Ｂが設けられている。動翼シール機構７Ｂは、一例として、軸線Ｏ方向に間隔をあけて複数配列された複数のシールフィンである。なお、ノズルシール機構７Ａ、及び動翼シール機構７Ｂとして、上記のシールフィン以外に、ラビリンスシールやリーフシール等の他の機構を用いることも可能である。

さらに、ディスク４１には、上述のクリアランスＣを通じて下流側に流れる蒸気（漏れ蒸気）を捕捉するためのバランスホールＢｈが形成されている。バランスホールＢｈは、ディスク４１を軸線Ｏ方向に貫通している。ディスク４１の上流側を向く面は、漏れ蒸気を径方向外側に向かって案内するための案内面Ｓ１とされている。案内面Ｓ１は、軸線Ｏ方向から上記のクリアランスＣに対向している。

バランスホールＢｈの一端（上流側端部ｔ１）は、この案内面Ｓ１上に開口している。ディスク４１における案内面Ｓ１とは反対側（即ち、下流側）を向く面は下流面Ｓ２とされている。バランスホールＢｈの他端（下流側端部ｔ２）は、この下流面Ｓ２上に開口している。なお、本実施形態では、バランスホールＢｈは、動翼４０に対して１つずつ形成されている。バランスホールＢｈの配置や個数は設計や仕様に応じて適宜変更することが可能である。

ディスク４１には、上記のバランスホールＢｈの上流側端部ｔ１、及び下流側端部ｔ２の少なくとも一方を覆う庇部８０が設けられている。図２の例では、上流側端部ｔ１、及び下流側端部ｔ２にそれぞれ上流側庇部８１、及び下流側庇部８２が設けられている構成を示している。なお、上流側庇部８１と下流側庇部８２とは、ディスク４１を基準として軸線Ｏ方向に面対称をなしており、互いに同一の構成を有している。したがって、以降では、上流側庇部８１について代表的に説明する。

上流側庇部８１は、上流側端部ｔ１を上流側から覆うとともに、案内面Ｓ１に対して空間（上流側ポケットＰ１）を介して対向している。上流側庇部８１の径方向外側の端縁は、ディスク４１の径方向外側の端縁に接続されている。また、上流側庇部８１の径方向内側の端縁は、回転軸外周面２Ｓに対して隙間をあけて対向している。つまり、この上流側庇部８１によって形成される上流側ポケットＰ１は、径方向内側に開口している。

上流側庇部８１の径方向内側の端縁は、バランスホールＢｈの上流側端部ｔ１よりも径方向内側まで延びている。即ち、この上流側庇部８１は、上流側端部ｔ１を軸線方向から全体的に覆っている。言い換えれば、上流側ポケットＰ１は、バランスホールＢｈと径方向で重複する位置に設けられている。また、上流側ポケットＰ１の径方向外側の面（ポケット底面Ｐｓ１）は、バランスホールＢｈの上流側端部ｔ１と同一の径方向位置にある。言い換えると、ポケット底面Ｐｓ１は、バランスホールＢｈの最も径方向外側の内壁と同一の径方向位置にある。なお、ここで言う「同一」とは、実質的な同一を意味するものであり、加工上の誤差や設計上の公差等は許容されるものとする。

上流側庇部８１における下流側を向く面であるポケット対向面Ｐｓ２は、軸線Ｏ方向に間隔をあけて案内面Ｓ１に対向している。上流側ポケットＰ１は、これらポケット底面Ｐｓ１、ポケット対向面Ｐｓ２、及び案内面Ｓ１によって画成されている。また、図３に示すように、上流側庇部８１は、軸線Ｏに対する周方向に連続する円環状をなしている。下流側庇部８２も同様に、周方向に連続する円環状をなしている。なお、下流側庇部８２は、ディスク４１の下流面Ｓ２に対して、上記の上流側ポケットＰ１と同様の下流側ポケットＰ２を介して対向している。

続いて、本実施形態に係る蒸気タービン１の動作について説明する。蒸気タービン１を運転するに当たっては、外部の蒸気供給源（ボイラ等）から上述の吸気口５１を通じてケーシング５内に蒸気が供給される。蒸気は、ケーシング５内を上流側から下流側に向かう主流Ｆｍを形成する。主流Ｆｍは、ケーシング５内を通過する中途で、複数のノズル６、及び複数の動翼段４に交互に衝突する。ノズル６は蒸気の流れを整流する。この整流された蒸気の流れが動翼段４に衝突することで回転軸２に回転エネルギーが付与される。

ここで、蒸気の一部は、主流Ｆｍから逸脱して、上述のクリアランスＣにも流れ込む。クリアランスＣに流れ込んだ蒸気の大部分は、上述のノズルシール機構７Ａによって阻止される。一方で、ノズルシール機構７Ａによって阻止し切れなかった蒸気は、漏れ蒸気としてクリアランスＣを通過して、ディスク４１の案内面Ｓ１に向かう。このような漏れ蒸気が主流Ｆｍと干渉した場合、二次流れの形成が促進されるため、蒸気タービン１の効率が低下してしまう。

そこで、本実施形態では、上記の漏れ蒸気を、主流Ｆｍに合流させることなく下流側に導くために、バランスホールＢｈが形成されている。しかしながら、単にバランスホールＢｈのみを設けた構成では、漏れ蒸気を効率的に捕捉できない可能性がある。バランスホールＢｈに流入しなかった蒸気の流れは、ディスク４１の案内面Ｓ１に沿って径方向外側に流れ、動翼４０の根元で二次流れを形成してしまう。これにより、蒸気タービン１の効率が低下してしまう可能性がある。

バランスホールＢｈに漏れ蒸気を効率的に導くために、本実施形態では、このバランスホールＢｈの上流側端部ｔ１を、庇部８０（上流側庇部８１）によって覆っている。これにより、クリアランスＣを通過して漏れ蒸気は、案内面Ｓ１に沿って径方向外側に向かって流れた後、上流側ポケットＰ１内に捕捉される。ポケットＰ１内に流入した漏れ蒸気は、バランスホールＢｈに流入した後、下流側端部ｔ２を経て、下流側ポケットＰ２に導かれる。下流側ポケットＰ２に流れ込んだ漏れ蒸気は、下流側のノズルシール機構７Ａが形成するクリアランスＣを通じて後続のノズル６に向かう。

このように、上記の構成によれば、庇部８０及びポケットＰが設けられていない構成に比べて、より多くの漏れ蒸気をポケットＰによって捕捉し、バランスホールＢｈに導くことができる。これにより、バランスホールＢｈに捕捉されなかった漏れ蒸気が動翼４０の根元で二次流れを形成する可能性を低減することもできる。その結果、蒸気タービン１の効率をさらに向上させることができる。

さらに、上記構成によれば、庇部８０が周方向に連続する円環状をなしている。つまり、案内面Ｓ１におけるバランスホールＢｈが形成されていない領域も、当該庇部８０によって軸線Ｏ方向から覆われている。これにより、バランスホールＢｈ同士の間を流通する漏れ蒸気も庇部８０によってポケットＰ内に捕捉することができる。その結果、バランスホールＢｈによってより多くの漏れ蒸気が捕捉されるため、回転軸２に加わるスラスト力、及び動翼４０の根元で生じる二次流れをさらに低減することができる。

加えて、上記構成によれば、庇部８０の径方向内側の端縁は、バランスホールＢｈよりも径方向内側まで延びている。つまり、庇部８０は、軸線Ｏ方向から見てバランスホールＢｈの全体を覆っている。これにより、ポケットＰ内に流入した漏れ蒸気を逃すことがなく、バランスホールＢｈに導くことができる。

また、上記構成によれば、ポケットＰの径方向外側の面（ポケット底面Ｐｓ１）が、バランスホールＢｈと同一の径方向位置にある。これにより、ポケットＰ内におけるバランスホールＢｈの径方向外側の領域に漏れ蒸気が滞留する可能性を低減することができる。なお、このように漏れ蒸気がポケットＰ内で滞留した場合、渦等が形成されることで、バランスホールＢｈへの漏れ蒸気の流入が阻害されてしまう可能性がある。上記の構成によれば、このような可能性を低減することができる。

さらに、上記構成によれば、案内面Ｓ１がクリアランスＣに対して軸線Ｏ方向から対向している。これにより、クリアランスＣを通じて下流側（軸線Ｏ方向他方側）に向かって流れてきた漏れ蒸気を逃がすことなく、案内面Ｓ１によってポケットＰ内に導くことができる。その結果、動翼４０の根元で生じる二次流れをより一層低減することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、ディスク４１の上流側、及び下流側のそれぞれに庇部８０が設けられている構成について説明した。しかしながら、庇部８０がディスク４１の上流側（案内面Ｓ１側）のみに設けられている構成を採ることも可能である。また、バランスホールＢｈの断面形状は、設計や仕様、加工の容易性に基づいて、円形や矩形、多角形など種々の態様を採ることが可能である。

さらに、上記実施形態では、バランスホールＢｈの最も径方向外側の面が、ポケットＰの径方向外側の面と同一の径方向位置にある構成について説明した。しかしながら、バランスホールＢｈとポケットＰとの相対位置は上記に限定されず、図４、及び図５に示す構成を採ることも可能である。図４の例では、バランスホールＢｈの最も径方向外側の面が、ポケット底面Ｐｓ１よりもさらに径方向外側に位置している。なお、バランスホールＢｈの最も径方向外側の面は、ポケットＰの径方向における寸法の１／２以上、径方向外側に位置していることが望ましい。また、バランスホールＢｈの最も径方向内側の面は、ポケットＰの一端（径方向内側の入口）よりも径方向外側に位置していてもよい。

さらに、図５に示すように、バランスホールＢｈの最も径方向外側の面が、ポケット底面Ｐｓ１よりも径方向内側に位置している構成を採ることも可能である。このような構成によれば、上記実施形態の構成に比べて、加工をより容易に行うことができる。

１…蒸気タービン
２…回転軸
３…軸受装置
４…動翼段
５…ケーシング
６…ノズル
７Ａ…ノズルシール機構
７Ｂ…動翼シール機構
８…凹部
３１…ジャーナル軸受
３２…スラスト軸受
４０…動翼
４１…ディスク
４２…動翼本体
４３…動翼シュラウド
５１…吸気口
５２…排気口
６１…ノズル本体
６２…ノズル内周部材
８０…庇部
８１…上流側庇部
８２…下流側庇部
４１Ａ…ディスク外周面
４３Ａ…シュラウド外周面
２Ｓ…回転軸外周面
５Ａ…ケーシング内周面
Ｂｈ…バランスホール
Ｃ…クリアランス
Ｆｍ…主流
Ｐ…ポケット
Ｐ１…上流側ポケット
Ｐ２…下流側ポケット
Ｐｓ１…ポケット底面
Ｐｓ２…ポケット対向面
Ｓ１…案内面
Ｓ２…下流面
ｔ１…上流側端部
ｔ２…下流側端部

Claims (8)

1. 軸線回りに回転する回転軸と、
   該回転軸に設けられ、前記軸線を中心とする円盤状のディスクと、
   該ディスクから径方向外側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼と、
   該複数の動翼を外周側から覆うケーシングと、
   該ケーシングの内周面における前記動翼の前記軸線方向一方側に設けられるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数のノズルと、
   該ノズルの径方向内側の端部に設けられ、前記軸線を中心とする環状をなすノズル内周部材と、
   該ノズル内周部材の内周面に設けられ、前記回転軸の外周面との間にクリアランスを介して対向するシール機構と、
   を備え、
   前記ディスクにおける前記軸線方向一方側を向く面は、径方向に延びることで前記クリアランスを通過した蒸気を径方向外側に導く案内面とされ、
   前記ディスクには、一端が前記案内面に開口し、他端が前記ディスクにおける前記案内面とは反対側を向く下流面に開口するバランスホールが形成され、
   前記一端、及び前記他端の少なくとも一方を前記軸線方向から覆うとともに、径方向内側に向かって開口するポケットを形成する庇部をさらに備える蒸気タービン。
2. 前記庇部は、前記軸線方向から見て、周方向に連続する円環状をなしている請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 前記庇部の径方向内側の端縁は、前記バランスホールよりも径方向内側まで延びている請求項１又は２に記載の蒸気タービン。
4. 前記ポケットは、前記バランスホールと径方向で重複する位置に設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
5. 前記バランスホールの最も径方向内側の面は、前記ポケットの前記一端よりも径方向外側に位置している請求項１から４のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
6. 前記バランスホールの最も径方向外側の面は、前記ポケットの径方向における寸法の１／２以上、径方向外側に位置している請求項１から５のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
7. 前記バランスホールの最も径方向外側の面は、前記ポケットの径方向外側の面と同一の径方向位置にある請求項１から６のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
8. 前記案内面は、前記クリアランスに対して前記軸線方向から対向している請求項１から７のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
   
   

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