KR100590985B1 - 노즐 연료 팁, 가스 단독 노즐, 및 가스 단독 연료 노즐 팁 냉각 방법 - Google Patents

노즐 연료 팁, 가스 단독 노즐, 및 가스 단독 연료 노즐 팁 냉각 방법 Download PDF

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Abstract

복식 연료 노즐을 가스 단독 노즐로 전환시키기 위해 확산 화염 노즐 가스 팁이 제공된다. 노즐 팁은 확산 노즐 공기 선회 베인에 공기를 공급하는 통로로부터 복식 연료 구성요소를 제거함으로써 비어있게 된 영역으로 압축기 추출 공기를 분류(分流)하여, 분류된 압축기 추출 공기가 노즐 팁의 단부 캡 플레이트내의 방출 구멍을 통해 유동할 수 있게 한다. 양호한 실시예에 있어서, 노즐 가스 팁은 단부 캡 플레이트내에 규정된 방출 개구를 통해 유동하도록 노즐의 주변 통로로부터 압축기 추출 공기를 수용하는 공동을 규정한다.

Description

노즐 연료 팁, 가스 단독 노즐, 및 가스 단독 연료 노즐 팁 냉각 방법{GAS ONLY NOZZLE FUEL TIP AND METHOD FOR COOLING THE SAME}
도 1은 액체 연료 부품이 노즐의 중앙 부분으로부터 제거된 연료 노즐의 사시도,
도 2는 본 발명을 실시하는 가스 단독 노즐에 대한 확산 가스 팁의 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20 : 확산 가스 팁 22 : 단부 캡 플레이트
28 : 공기 공동 30 : 4개의 원형의 반경방향 냉각 공기 전달 통로
34 : 중앙 노즐 공동 36 : 가스 분사 구멍
40 : 가스 플리넘 42 : 방출 개구
46 : 팁 부분 48 : 분류기 부분
본 발명은 연료 노즐에 관한 것으로, 특히 가스 단독 용도로 구성된 "복식 연료" 노즐 형태의 단부 캡 플레이트 및 단부 캡 플레이트를 냉각하기 위한 구조에 관한 것이다.
동력 발생용 가스 터빈은 일반적으로 "복식 연료(dual fuel)" 또는 "가스 단독(gas only)"용으로 구성된 연료 노즐과 함께 사용된다. "가스 단독"은 예컨대 천연 가스를 연소시키는 작동을 지칭하며 "복식 연료"는 천연 가스 또는 액체 연료 를 연소시키는 작동 능력을 갖는 것을 지칭한다. 복식 연료 구성은 천연 가스를 사용할 수 없을 때 일반적으로 보충 연료로서 사용되는 오일이 공급된다. 가스 단독 구성은 액체 연료 작동을 위해 필요한 노즐 부분과 모든 관련 설비가 공급되지 않을 때 비용을 감소하기 위해 제공된다. 일반적으로, 연료 노즐은 복식 연료 능력을 갖도록 설계되며, 가스 단독 형태는, 오일, 분무 공기 및 냉각수 통로를 포함하는 복식 연료 부분이 노즐로부터 제거된, 복식 연료 형태에 대한 변형이다. 이러한 구성요소를 제거함으로써 노즐의 축방향 중심선을 따르는 원통형의 개방된 영역이 고온의 연소 가스에 노출된다. 복식(액체) 연료 부분을 제거하도록 변형된 복식 연료 노즐의 예가 도 1에 도시되어 있다. 이러한 노즐은 1998년 1월 10일 출원되었고, 계류중인 미국 특허 출원 제 09/021,081 호에 상세하게 개시되며, 그 전체 내용이 참조로서 본 명세서에 인용된다.
도 1은 버너 조립체의 단면도이다. 버너 조립체는 입구 유동 조절기(inlet flow conditioner : IFC)(7), 천연 가스 연료가 주입되는 공기 선회기 조립체(노즐 조립체로서 지칭됨)(2), 환형의 연료 공기 혼합 통로(3) 및 중앙의 확산 화염 천연 가스 연료 노즐 조립체(13)를 포함하는 4개의 영역으로 기능적으로 분할된다.
방출 단부를 제외하고 전체 조립체를 둘러싸는 고압의 플리넘(5)으로부터 공기가 버너로 들어가며, 방출 단부는 연소기 반응 영역(6)으로 들어간다. 연소용 공기의 대부분은 입구 유동 조절기(7)를 통해 예비 혼합기(premixer)로 들어간다. 입구 유동 조절기는 내경이 견고한 원통형 내벽(9)에 의해, 외경이 천공된 원통형 외벽(10)에 의해, 또한 상류측 단부가 천공된 단부 캡(11)에 의해 경계가 정해지는 유동 통로(8)를 구비한다. 하나 또는 그 이상의 환형 회전 베인(12)이 유동 통로(8)의 중앙에 있다. 예비 혼합기 공기는 단부 캡(11)내의 개구와 원통형 외벽(10)을 통하여 입구 유동 조절기(7)로 들어간다.
환형의 통로(15)로부터 연소 공기를 수용하고 가스 구멍(16)을 통해 천연 가스 연료를 수용하는 슬롯된 가스 팁(14)을 갖는 종래의 확산 화염 연료 노즐 팁(13)이 버너 조립체의 중앙에 있다. 이러한 연료 노즐체는 이 노즐과 예비 혼합기 사이의 상이한 열팽창을 보상할 벨로스(bellows)(17)를 구비한다. 이러한 확산 화염 연료 노즐의 중앙에 상기 언급된 바와 같은 복식 연료 능력을 제공하기 위해 액체 연료 조립체를 수용하는 공동(cavity)(18)이 있다. 복식 연료 구성에 있어서, 가스 연료 작동 도중, 이러한 영역내의 오일, 분무화한 공기 및 냉각수 통로는 사용 중이 아닐 때 고온 가스가 통로로 들어가는 것을 방지하기 위해 냉각 공기로 정화된다. 노즐이 가스 단독 작동용으로 구성될 때, 고온 때문에 기계적 손실을 일으킬 수도 있는 고온의 연소 가스가 중앙의 개방된 영역으로 들어가는 것을 방지하기 위해 공동(18)은 노즐의 말단 단부에서 덮여져야 한다. 단부 캡 플레이트가 고온의 연소 가스에 노출되므로, 단부 캡 플레이트는 냉각되어야 한다.
종래에는, 복식 연료 구성에서 가스 단독 구성으로 전환할 때 노즐 팁에서 개방된 영역을 덮기 위해 사용되는 단부 캡 플레이트를 냉각하는 것은 냉각 매체로서 가스 연료를 사용하여 실행되었다. 특히, 복식 연료 구성요소를 제거함으로써 가스 연료 통로의 내벽을 형성했던 구조체가 제거되므로, 가스 연료의 일부가 단부 캡 플레이트내의 미세 구멍(도 1에 도시되지 않음)을 통해 단부 캡 플레이트를 냉각하도록 방출될 수 있으며 다량의 연료가 공기 선회 베인 사이에 위치한 정상 가스 구멍 주입구(16)를 관통한다. 이 형태가 복식 연료에서 가스 단독 노즐로 전환하는 매우 단순한 형태이다. 이러한 방법은 대체로 효과적이지만, 가스 터빈 작동 범위에 대하여 방출물을 적게 유지할 필요성에서 생각한다면 이러한 방법은 바람직하지 않다. 냉각용 가스 연료를 소망의 주입 지점으로부터 공기 선회 베인 사이로 전환시키고 이 가스를 상이한 위치에서 냉각용 단부 캡 플레이트내의 미세 구멍(도 1에 도시되지 않음)을 통해 주입함으로써 방출물을 적게 유지하는 성능을 위해 필요한 가스 연료와 공기의 예비 혼합이 감소된다.
단부 캡 플레이트를 냉각하는 다른 가능한 방법은 노즐 정화 공기 시스템으로부터 공급된 냉각 공기를 사용하는 것이다. 노즐 정화 공기 시스템은 냉각된 공기를 공급하여 그 온도가 750℉를 초과하지 않게 한다. 가스 연료 작동 도중 액체 연료 구성요소를 정화하는 것을 참조하여 상기 간략하게 설명된 바와 같이, 이 공기가 일반적으로 사용중이 아닐 때 가스 연료 통로를 정화하기 위해 사용되어 고온의 연소 가스의 가스 통로, 매니폴드 및 배관내로의 고온의 연소 가스의 역류(back-flow)에 저항한다. 750℉의 공기 온도를 초과하지 않는 한계는 이 온도를 초과하는 공기와 접촉하는 가스 연료의 자동 점화 가능성과 관계된다. 가스 연료보다는 오히려 냉각용 정화 공기를 수용하기에 적합한 단부 캡 플레이트 통로가 결코 가스 연료를 통과시키지 않으므로, 단부 캡 플레이트를 냉각하기 위해 노즐 정화 시스템으로부터 특별히 냉각된 공기를 사용하는 것은 비능률적이다.
현재의 연료 노즐 정화 시스템은 가스 단독 노즐 단부 캡 플레이트를 냉각하기 위해 필요한 추가적인 양의 공기를 공급할 능력을 갖추고 있지 않으며, 특별히 냉각된 공기를 사용하는 것도 능률적이지 않다.
그러나, 압축기 추출 공기가 적절한 냉각 매체가 될 것으로 결정되었다. 따라서, 단부 캡 플레이트를 냉각하기 위해 확산 화염 노즐 가스 팁이 압축기 추출 공기를 사용할 수 있도록 설계되었다. 적절한 양의 압축기 추출 공기가 환형의 통로(15)로부터 중앙 영역(18)내로 추출되고 단부 캡 플레이트내의 미세(방출) 구멍을 통해 방출되어 소망의 냉각을 제공한다.
따라서, 본 발명은 압축기 추출 공기가 냉각 매체로서 공급되는 가스 단독 연료 노즐의 단부 캡 플레이트를 냉각하는 방법에 대하여 실시된다. 유리하게도 본 발명의 방법이 냉각 매체로서 현재의 노즐 정화 시스템으로부터의 냉각 공기 또는 가스 연료 중의 어느 하나를 사용할 필요성을 대체한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방법은 확산 노즐 공기를 선회 베인에 이송시키는 통로로부터 복식 연료 구성요소를 제거함으로써 비어있게 된 공동으로 압축기 추출 공기를 분류(分流;divert)시켜 분류된 압축기 추출 공기가 단부 캡 플레이트내의 방출 구멍으로 또한 방출 구멍을 통해 유동할 수 있게 하는 확산 화염 노즐 가스 팁을 제공함으로써 실행된다. 양호한 실시예에 있어서, 노즐 가스 팁은 단부 캡 팁내에 규정된 방출 개구를 통하는 유동을 위한 노즐의 주변 통로로부터 압축기 추출 공기를 수용하는 공동을 규정한다.
상기 설명된 바와 같이, 도 1은 액체 연료 부품이 노즐의 중앙 부분으로부터 제거된 연료 노즐의 사시도이다. 복식 연료 노즐의 액체 연료 부분이 가스 단독 구성을 위해 제거되어 있으며, 고온의 연소 가스가 이 영역내로 유동하는 것을 배제하고 가스 연료를 가스 구멍으로 또한 가스 구멍을 통해 배향시키도록 공동은 말단 단부에서 폐쇄되어야 한다.
도 2를 참조하면, 특별히 본 발명의 가스 단독 노즐에 대한 확산 가스 팁(20)의 실시예가 도시되어 있다. 액체 연료 부분을 제거함으로써 형성된 공동을 폐쇄하는 단부 캡 플레이트(22)는 그 말단 표면(24)이 고온의 연소 가스에 노출되므로 냉각되어야 한다. 단부 캡 플레이트를 냉각하기 위해, 압축기 추출 공기는 확산 공기 선회 베인을 통해 공기를 이송시키는 환형의 통로(26)로부터 분류되어, 단부 캡 플레이트(22) 후방에 규정된 공동(28)내로 배향된다. 도시된 실시예에서는, 4개의 반경방향 원형 냉각 공기 전달 통로(30)가 압축기 추출 공기를 환형 외측 통로(26)로부터 내측 공동(28)으로 이동시킨다. 또한, 도시된 실시예에 있어서, 이러한 4개의 원형의 반경방향 냉각 공기 전달 통로(30)는 공동(28)의 원주방향으로 균등하게 이격되며 중앙 노즐 공동(34)으로부터 공기 선회 베인(38)내의 가스 분사 구멍(36)으로 가스를 이동시키는 축방향 가스 연료 통로(32) 사이로 균등하게 이격되는 것이 바람직하다. 도시된 실시예에 있어서, 환형의 가스 플리넘(40)이 가스 분사 구멍(36)으로의 분배를 위해 가스 통로(32)로부터 가스를 수용한다. 4개의 원형의 반경방향 냉각 공기 전달 통로(30)의 크기와 노즐의 종축에 대한 통로의 배향은 공동(28)을 향하여 분류되는 압축기 추출 공기(compressor bleed air)의 양을 결정하기에 필요하거나 바람직하다고 생각되는 바에 따라 변경할 수도 있으나, 냉각 공기 유동과 관련된 주된 제한 요소는 통과하는 유동의 양을 결정하는 단부 캡 플레이트(22)의 방출 개구(42)임이 이해될 것이다.
중앙 공기 공동(28)에 있어서, 4개의 원형의 반경방향 냉각 공기 전달 통로(30)를 통해 수용된 공기는 단부 캡 플레이트(22)내의 작은 방출 구멍(42)을 통해 유동하도록 배향되며, 그에 의해 단부 캡 플레이트(22)의 인접 표면(44)을 냉각할 뿐만 아니라, 전체 플레이트 구조체의 냉각을 향상시킨다. 단부 캡 플레이트 냉각을 위해 분류된 압축기 추출 공기의 양은 확산 노즐 공기 선회 베인(38)에 공기를 공급하는 환형의 통로(26)를 통과하는 공기의 양의 매우 작은 비율만을 차지함이 인식되어야 한다.
도시된 실시예에 있어서, 노즐 팁은 팁 부분(46)과 유동 분류기 부분(48)으로 구성된다. 분류기 부분(48)은 참조부호(50)로 도시된 납땜 연결로서 팁 부분(46)에 고정된다. 팁 부분(46)은 또한 참조부호(52)에서 노즐 구조체에 납땜된다. 팁 부분(46)은 단부 캡 플레이트(22), 확산 노즐 선회 베인(38), 가스 플리넘(40)의 외주 벽(54), 및 분류기 부분(48)의 공동 규정 벽(58)을 수용하는 수납부(56)를 규정한다. 도시된 실시예에 있어서, 팁 부분(46)은 공동(28)의 말단 부분을 규정한다. 유동 분류기 부분(48)은 공동(28)의 나머지 부분과, 단부 캡 플레이트(22)를 냉각하기 위해 공기를 공동(28)으로 분류시키는 4개의 원형의 반경방향 냉각 공기 전달 통로(30)와, 중앙 노즐 공동(34)으로부터 연료 주입 구멍(36)으로 또한 연료 주입 구멍을 통해 유동하는 가스 연료를 위한 축방향 통로(32)를 규정한다.
인식된 바와 같이, 상기 설명된 확산 가스 팁이 가스 단독 연료 노즐의 말단 팁상의 단부 캡 플레이트를 냉각하기 위해 압축기 추출 공기의 사용을 가능하게 하며 이러한 기능을 위해 현재의 노즐 공기 정화 시스템으로부터 가스 연료 또는 냉각된 공기 중 어느 하나를 사용하는 것을 대체한다. 또한, 유리하게도 본 발명은 복식 연료 형태로부터 가스 단독 노즐 형태로 전환하기 위해 확산 팁 소조립체 만을 변형하면 된다. 가스 단독 노즐에 대한 이러한 변형의 영향이 복식 연료 구성의 가스 단독 모드로부터의 노즐의 가스 연료 작동 특성을 실질적으로 변경할 것으로 기대되지는 않는다.
본 발명이 현재 가장 실용적이고 양호한 실시예로 생각되어지는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위의 사상과 범위내에 포함된 다양한 변형과 동등한 구성을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따르면, 가스 단독 형태로 구성된 노즐 연료에 있어서, 중앙의 개방된 영역을 덮고 있는 단부 캡 플레이트를 냉각하기 위해, 압축기 추출 공기를 분류하고 분류된 압축기 추출 공기를 공기 공동을 지나 단부 캡 플레이트로 보내 단부 캡 플레이트를 냉각하여, 냉각 매체로서 가스 연료 또는 노즐 정화 시스템으로부터의 특별히 냉각된 공기를 사용할 필요가 없게 된다.

Claims (19)

  1. 복식 연료 노즐 구성을 가스 단독 노즐 구성으로 전환하기 위한 노즐 연료 팁에 있어서,
    말단 표면(distal surface), 근접 표면(proximal surface) 및 유체 유동을 냉각하기 위해 관통되도록 형성된 다수의 개구를 갖는 단부 캡 플레이트 구조체와,
    상기 개구에 인접하고 상기 개구와 유체 연통되는 공기 공동을 규정하기 위해 상기 단부 캡 플레이트의 상기 근접 표면에 인접하게 배치된 공동 규정 구조체를 포함하며,
    상기 공동 규정 구조체는 그 외주면으로부터 상기 공동까지 연장되어 상기 외주면으로부터 상기 공동까지 냉각 공기를 유동시키는 다수의 냉각 공기 통로와, 상기 공동 규정 구조체의 근접 단부로부터 상기 공동 규정 구조체의 말단 단부까지 연장되어 가스 연료 유동으로부터 상기 공기 공동을 실질적으로 격리시켜 상기 단부 캡 플레이트를 통해 가스 연료의 통과가 이뤄지게 하는 다수의 가스 연료 통로를 더 포함하는
    노즐 연료 팁.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동 규정 구조체의 주변에 배치되고 그로부터 이격되어 상기 공동 규정 구조체와의 사이에 상기 가스 연료 통로를 통해 유동하는 가스 연료 유동을 수용하여 분배하는 가스 플리넘을 규정하는 벽을 더 포함하는
    노즐 연료 팁.
  3. 제 2 항에 있어서,
    가스 연료를 상기 가스 연료 플리넘으로부터 대체로 멀리 배향시키기 위해 상기 단부 캡 플레이트의 주변에 규정된 다수의 가스 분사 구멍을 더 포함하는
    노즐 연료 팁.
  4. 제 1 항에 있어서,
    팁 부분과 분류기 부분으로 구성되며, 상기 팁 부분이 상기 단부 캡 플레이트를 포함하고, 상기 분류기 부분이 상기 공동 규정 구조체를 포함하는
    노즐 연료 팁.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 팁 부분과 분류기 부분이 일체형 유닛으로서 단단히 고정되도록 납땜되는
    노즐 연료 팁.
  6. 제 1 항에 있어서,
    4개의 상기 냉각 공기 통로가 있는
    노즐 연료 팁.
  7. 제 6 항에 있어서,
    4개의 상기 가스 연료 통로가 있으며, 가스 연료 통로는 인접한 상기 냉각 공기 통로 사이에 배치되는
    노즐 연료 팁.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 연료 통로가 상기 노즐의 종축에 대체로 평행한 방향으로 연장되는
    노즐 연료 팁.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 공기 통로는 그 각각이 상기 노즐의 종축에 대하여 대체로 반경방향으로 연장되도록 상기 노즐의 종축에 대하여 대체로 횡방향으로 배향되는
    노즐 연료 팁.
  10. 가스 단독 노즐에 있어서,
    외주 벽과,
    상기 외주 벽내에 규정되고 적어도 부분적으로 그 원주방향으로 연장되는 공기 유동 통로와,
    중앙 가스 연료 유동 통로와,
    상기 중앙 가스 유동 통로를 실질적으로 폐쇄하기 위해 상기 외주 벽에 대하여 그 말단 단부에서 고정되고, 단부 캡 플레이트를 구비하는 노즐 팁을 포함하며,
    상기 노즐 팁은 상기 공기 유동 통로를 통해 유동하는 공기 유동의 일부분을 분류하기 위해 상기 단부 캡 플레이트의 중심 주변에서 대체로 밀집되는 다수의 구멍에서 종료하여 상기 노즐 단부 캡 플레이트를 냉각시키기는 적어도 하나의 냉각 공기 통로를 규정하며, 상기 노즐 팁은, 상기 냉각 공기 유동 통로로부터 격리되고 분리하여 배치되며, 상기 중앙 가스 유동 통로를 통해 유동하는 가스 연료를 상기 노즐 단부 캡 플레이트의 주연부 둘레에 규정된 가스 분사 구멍을 통과하도록 배향시키는 가스 연료 통로를 규정하는
    가스 단독 노즐.
  11. 제 10 항에 있어서,
    다수의 유체 유동 개구가 상기 단부 캡 플레이트를 관통하도록 형성되어 그것을 통해 냉각 공기를 유동시키는
    가스 단독 노즐.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 노즐 팁은 상기 노즐 단부 캡 플레이트에 인접한 공기 공동을 규정하기 위해 상기 노즐 단부 캡 플레이트의 근접 표면의 부근에 배치된 공동 규정 구조체를 구비하며, 상기 공동 규정 구조체는 적어도 하나의 상기 냉각 공기 통로와 적어도 하나의 상기 가스 연료 통로를 규정하는
    가스 단독 노즐.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 공동 규정 구조체의 주변에 배치되고 그로부터 이격되어, 상기 공동 규정 구조체와의 사이에 상기 적어도 하나의 가스 연료 통로를 통해 유동하는 가스 연료 유동을 수용하고 분배하는 가스 플리넘을 규정하는 벽을 더 포함하는
    가스 단독 노즐.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 노즐 팁은 팁 부분과 분류기 부분으로 구성되며, 상기 팁 부분이 상기 단부 캡 플레이트를 포함하고, 상기 분류기 부분이 상기 공동 규정 구조체를 포함하는
    가스 단독 노즐.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 팁 부분과 분류기 부분이 일체형 유닛으로서 단단히 고정되도록 납땜되는
    가스 단독 노즐.
  16. 제 10 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 가스 연료 통로가 상기 노즐의 종축에 대체로 평행한 방향으로 연장되며, 적어도 하나의 상기 냉각 공기 통로가 상기 노즐의 종축에 대하여 대체로 반경방향으로 연장되도록 상기 노즐의 종축에 대체로 횡방향으로 배향되는
    가스 단독 노즐.
  17. 가스 단독 연료 노즐 팁을 냉각하는 방법에 있어서,
    외주 벽과, 상기 외주 벽내에 규정되고 그 원주방향으로 적어도 부분적으로 연장되는 공기 유동 통로와, 중앙 가스 연료 유동 통로를 구비하는 가스 단독 노즐을 제공하는 단계와,
    상기 중앙 가스 유동 통로를 실질적으로 폐쇄하도록, 단부 캡 플레이트를 구비하는 노즐 팁을 말단 단부의 상기 외주 벽에 고정시키는 단계와,
    상기 공기 유동 통로를 통해 유동하는 공기의 일부분을 상기 플레이트의 중심 주변에서 밀집하는 다수의 구멍을 통해 상기 단부 캡 플레이트로 그리고 이 플레이트를 통해 유동하도록 분류하여 상기 단부 캡 플레이트를 냉각시키는 단계와,상기 중앙 가스 연료 유동 통로를 통해 유동하는 가스 연료를 상기 다수의 구멍의 반경방향 외측인 상기 단부 캡 플레이트의 주변 둘레에 규정된 가스 분사 구멍으로 통해 그리고 이 구멍을 통해 흐르도록 분류하는 단계를 포함하는
    가스 단독 연료 노즐 팁 냉각 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 노즐을 통해 유동하는 공기가 압축기 추출 공기인
    가스 단독 연료 노즐 팁 냉각 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 단부 캡 플레이트를 관통하도록 형성된 다수의 개구가 있으며, 상기 공기를 분류하는 단계가 상기 단부 캡 플레이트내의 상기 개구를 통해 유동하도록 공기를 분류하는 단계를 포함하는
    가스 단독 연료 노즐 팁 냉각 방법.
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