KR100681560B1 - 가스 터빈 - Google Patents

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KR100681560B1
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모하메드-파키르압둘-아지즈
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그리네존엘밍톤
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Abstract

제 1 환상 축방향 밀봉 표면(48)을 갖는 노즐 유지 링(42)과 축방향으로 정합하는 제 2 표면을 갖는 슈라우드 세그먼트(43)를 구비하는 가스 터빈에 있어서, 유지 링과 슈라우드 세그먼트 사이의 누출 유동을 최소화하거나 또는 방지하기 위해, 반대방향으로 접혀진 U-형상 가장자리 부분(74)을 갖는 대체로 U-형상 실(70)이 제 2 표면내에 형성된 캐비티(80)내에 수용된다. 작동 상태에서, 가장자리 부분은 캐비티의 베이스(82) 및 유지 링의 제 1 표면(48)에 대해 밀봉하여 유지 링/슈라우드 세그먼트 계면을 지나는 누출 유동을 방지한다. 실을 설치하기 위해, 실 본체 주위에 하나 이상의 랩(wrap)(92)을 가함으로써 실 본체는 먼저 압축되어 압축된 상태로 유지되며, 캐비티내에서 압축될 때 실을 고정하는데 에폭시가 사용된다. 작동 온도에서, 유지 수단은 실을 해제하여 가장자리 부분을 슈라우드 세그먼트와 유지 링의 대향하는 밀봉 표면에 대해 결합시킨다.

Description

가스 터빈{SEAL FOR GAS TURBINE NOZZLE AND SHROUD INTERFACE}
도 1은 본 발명의 양호한 실시예에 따라 구성된 실의 위치설정을 도시하는 가스 터빈의 일부에 대한 개략적인 부분 측면도,
도 2는 가스 터빈의 제 1 스테이지의 노즐 유지 링과 슈라우드 세그먼트 사이를 밀봉하는 위치에 있는 실을 도시하는 확대 단면도,
도 3 및 도 4는 비압축된 상태의 본 발명의 실의 개략적인 도면으로서, 비압축된 상태에서의 실의 설치를 방지하거나 배제하는 도면,
도 5는 실을 터빈에 설치하기 전에 또한 설치하는 동안 압축된 상태의 본 발명의 실의 부분 사시도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 가스 터빈 12 : 전이 부재
14 : 고온 가스 경로 16, 22, 28 : 버킷
20, 26, 32 : 스테이터 베인 18, 24, 30 : 휠
34, 36 : 스페이서 37 : 영역
38, 40 : 내측 및 외측 밴드 41 : 노즐 세그먼트
42 : 유지 링 43 : 슈라우드 세그먼트
44 : 노즐 지지 링 46, 48, 84, 86 : 표면
70 : 실 71 : 실 본체
76, 78 : 시트 금속판 80 : 캐비티
82 : 베이스 92 : 랩
본 발명은 터빈내의 실(seal)에 관한 것으로, 특히 터빈 노즐 유지 링과 슈라우드 세그먼트(shroud segments) 사이의 누출 손실을 실질적으로 최소화하거나 또는 제거하는 실에 관한 것이다.
가스 터빈에 있어서, 고온 연소 가스는 연소기로부터 제 1 스테이지의 노즐 및 버킷을 통하여 또한 후속 터빈 스테이지의 노즐 및 버킷을 통하여 유동한다. 전형적으로, 제 1 스테이지 노즐은 주물 노즐 세그먼트의 환형 어레이 또는 조립체를 포함하며, 각각의 주물 노즐 세그먼트는 세그먼트당 하나 이상의 노즐 스테이터 베인(vane)을 수납한다. 또한, 각각의 제 1 스테이지 노즐 세그먼트는 서로 반경방향으로 이격된 내측 및 외측 밴드부를 포함한다. 노즐 세그먼트의 조립시에, 스테이터 베인은 환형의 내측 및 외측 밴드 사이에 환형 어레이의 베인을 형성하도록 서로 원주방향으로 이격된다. 제 1 스테이지 노즐의 외측 밴드에 결합된 노즐 유지 링은 터빈의 가스 유동 경로내의 제 1 스테이지 노즐을 지지한다. 수평 중심선에서 분할되는 것이 바람직한 환형 노즐 지지 링은 내측 밴드에 의해 결합되며, 축방향 운동에 대하여 제 1 스테이지 노즐을 지지한다.
제 1 스테이지 노즐의 운전 및/또는 보수중에, 뒤틀림(warpage)으로 인해 노즐 유지 링과 슈라우드 세그먼트의 밀봉 표면들 사이에 갭이 발생할 수 있다는 것을 발견하였다. 이러한 갭은 이들 축방향으로 마주 대하는 표면 사이에 누출이 발생하게 한다. 통상적으로, 노즐 유지 링과 슈라우드 세그먼트의 마주 대하는 면은 누출을 방지하기 위한 W-실을 구비한다. 그러나, W-실은 조립중에 구속될 수 있으며 저 사이클 피로에 기인하여 작동 중 크랙이 발생할 수도 있다. 결과적으로, 노즐 유지 링과 슈라우드 세그먼트 사이의 누출 경로를 발생시키는 터빈의 제 1 스테이지의 다양한 부품의 뒤틀림을 견디며, 이러한 누출을 제거하며 당해 위치에서의 실의 강인성을 향상시키는 신규한 실이 요구된다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 바람직하게는 터빈의 제 1 스테이지에 대해 유지 링과 슈라우드 세그먼트의 마주 대하는 표면을 지나는 누출을 제거하거나 또는 최소화하는 실이 노즐 유지 링과 슈라우드 세그먼트 사이에 제공된다. 실은 고온 가스 경로의 반경방향 외측에 있는 노즐 유지 링과 슈라우드 세그먼트의 축방향으로 대향하는 밀봉 표면 중 하나내의 원호형 캐비티내에서 연장하는 실 본체를 구비한다. 실 본체는 단면이 대체로 U-형상인 제 1 부분과 이 U-형상 부분의 대향 측면을 따라 반대로 연장하며 단면이 대체로 U-형상인 가장자리 부분을 갖는다. 터빈 작동 상태에서 실 본체가 캐비티내에 배치됨으로써, 실 본체의 가장자리 부분은 캐비티의 내측 표면, 예컨대 캐비티의 베이스와 축방향으로 반대로 향하는 밀봉 표면에 대해 밀봉 결합상태로 놓이며, 이에 의해 이들 축방향으로 서로 마주 대하는 표면을 지나는 누출을 제공할 수 있는 임의의 갭이 실질적으로 제거된다.
본 발명의 특정 양호한 실시예에 있어서, 실은 시트 금속으로 형성되는데, 바람직하게는 예를 들면 용접에 의해 서로 고정되어 상기 단면 형상으로 굽어진 한 쌍의 상보적 형상의 시트 금속판으로 형성된다. 실을 설치하기 위해, 실은 먼저 압축된 상태로 설치되어 설치동안 압축된 상태로 유지된다. 이를 위해, 실은 터빈 작동 또는 온도와 같은 유사-작동 상태에서 분해되어, 실을 캐비티내에서 팽창하도록 해제하며, 예압(preload)하에서 실 본체의 가장자리 부분을 밀봉 표면에 대해 바이어스시키는 재료에 의해 감겨질 수 있다. 설치동안 실을 압축된 상태로 유지하도록, 랩(wrap)은 Kevlar(등록상표) 29로 형성되거나 또는 Lexan(등록상표) 또는 Ultem(등록상표) 클립과 같은 고강도 플라스틱 재료로 형성될 수 있다. 변형적인 실시예에서, 캐비티내의 실을 압축된 상태로 유지하도록 압축된 실에 에폭시가 부가될 수 있으며, 에폭시는 대향된 밀봉 표면과의 밀봉 결합을 위해 터빈의 작동 또는 유사-작동 조건에서 실 본체를 해제한다.
본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 대체로 축방향으로 향하는 제 1 표면을 갖는 터빈 노즐 유지 링과, 상기 제 1 표면에 축방향으로 대향하는 제 2 표면을 갖는 슈라우드 세그먼트로서, 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중의 하나는 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중의 다른 하나를 향해 대체로 축방향으로 개방되는 캐비티 개구를 형성하는 슈라우드 세그먼트와, 단면이 대체로 U-형상인 제 1 부분과 단면이 대체로 U-형상이며 상기 U-형상 부분의 대향 측면을 따라 반대로 연장하는 한 쌍의 가장자리 부분을 갖는 실 본체를 구비하는 가요성 실로서, 상기 가장자리 부분은 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중 일 표면내의 캐비티의 내부 표면 및 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중 다른 표면과 각각 밀봉 결합하는 가요성 실을 포함하는 가스 터빈이 제공된다.
본 발명의 다른 양호한 실시예에 있어서, 대체로 축방향으로 향하는 제 1 표면을 갖는 터빈 노즐 유지 링과, 상기 제 1 표면에 축방향으로 대향하는 환상의 제 2 표면을 갖는 복수의 터빈 슈라우드 세그먼트로서, 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중의 하나는 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중의 다른 하나를 향해 제 1 실의 반경방향 외측 위치에 있으며 대체로 축방향으로 개방된 캐비티 개구를 갖는 슈라우드 세그먼트와, 단면이 대체로 U-형상인 제 1 부분과 단면이 대체로 U-형상이며 상기 U-형상 부분의 대향 측면을 따라 반대로 연장하는 한 쌍의 가장자리 부분을 갖는 실 본체를 구비하는 상기 캐비티내의 가요성 실로서, 상기 가장자리 부분은 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중 일 표면내의 캐비티의 내부 표면 및 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중 다른 표면과 각각 밀봉 결합하는 가요성 실을 포함하는 터빈이 제공된다.
이하 도 1을 참조하면, 가스 터빈(10)의 터빈 섹션의 대표적인 예가 도시되어 있다. 터빈(10)은 환형의 고온 가스 경로(14)를 따라 유동하도록 고온 가스를 전이 부재(transition piece)(12)를 통해 전달하는 환형 어레이의 연소기(도시되지 않음)로부터 고온 연소 가스를 수용한다. 터빈 스테이지는 고온 가스 경로(14)를 따라 배치된다. 각각의 스테이지는 터빈 로터상에 장착되어 그것의 일부를 형성하는 복수의 원주방향으로 이격된 버킷과, 환형 어레이의 노즐을 형성하는 복수의 원주방향으로 이격된 스테이터 베인을 포함한다. 예를 들면, 제 1 스테이지는 제 1 스테이지 로터 휠(18)상에 장착된 복수의 원주방향으로 이격된 버킷(16)과, 복수의 원주방향으로 이격된 스테이터 베인(20)을 포함한다. 유사하게, 제 2 스테이지는 로터 휠(24)상에 장착된 복수의 버킷(22)과, 복수의 원주방향으로 이격된 스테이터 베인(26)을 포함한다. 예를 들어 제 3 스테이지 로터 휠(30)상에 장착된 복수의 원주방향으로 이격된 버킷(28)과, 복수의 원주방향으로 이격된 스테이터 베인(32)으로 구성된 제 3 스테이지와 같은 추가적인 스테이지가 제공될 수도 있다. 스테이터 베인(20, 26, 32)은 터빈 케이싱상에 장착되어 그에 고정되는 반면에, 버킷(16, 22, 28) 및 휠(18, 24, 30)은 터빈 로터의 일부를 형성한다는 것은 이해될 것이다. 로터 휠 사이에는 또한 터빈 로터의 일부를 형성하는 스페이서(spacers)(34, 36)가 있다. 압축기 배출 공기가 제 1 스테이지의 반경방향 내측으로 배치된 영역(37)에 위치된다는 것은 이해될 것이다.
터빈의 제 1 스테이지를 참조하면, 제 1 스테이지 노즐을 형성하는 스테이터 베인(20)은, 각각 터빈 케이싱으로부터 지지되는 내측 밴드(38)와 외측 밴드(40) 사이에 배치된다. 주지된 바와 같이, 제 1 스테이지의 노즐은 복수의 노즐 세그먼트(41)로 형성되며, 각각의 노즐 세그먼트(41)는 내측 및 외측 밴드부 사이에서 연장되고 환형 어레이의 세그먼트로 배열되는 하나, 바람직하게는 2개의 스테이터 베인을 장착한다. 터빈 케이싱에 연결된 노즐 유지 링(42)은 외측 밴드에 결합되며, 제 1 스테이지 노즐을 고정한다. 환상 어레이로 배열된 슈라우드 세그먼트(43)는 회전가능한 버킷, 예컨대 제 1 스테이지의 버킷(16)을 둘러싼다. 슈라우드 세그먼트는 노즐 유지 링(42)의 마주 대하는 축방향으로 향하는 표면(48)과 밀봉 결합 관계로 놓이는 축방향으로 향하는 표면(46)(도 2)을 포함한다. 제 1 스테이지 노즐의 내측 밴드(38)의 반경방향 내측의 노즐 지지 링(44)은 내측 밴드(38)와 결합한다.
그러나, 전술된 바와 같이, 터빈 작동시, 노즐 유지 링(42)과 슈라우드 세그먼트(43)는 축방향으로 마주 대하는 밀봉 표면(46, 48) 사이에 누출 갭을 형성하는 경향이 있으며, 이에 의해 고압 영역으로부터 저압 영역으로 이러한 갭을 가로지르는 누출 유동이 발생할 수 있다. 고온 가스 경로(14)내로의 이러한 누출 유동을 최소하하거나 또는 방지하기 위해 또한 본 발명의 양호한 실시예에 따라, 노즐 유지 링과 슈라우드 세그먼트(43) 사이의 밀봉을 위한 실이 제공된다. 실(70)(도 2)은 단면이 대체로 U-형상인 제 1 부분(72)과 상기 U-형상 부분(72)의 대향 측면을 따라 반대로 연장하는 단면이 U-형상인 한 쌍의 가장자리 부분(74)을 포함한다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 실 본체의 자연적 상태에 있어서, 가장자리 U-형상 부분(74)의 측방향 최외측은 주(main) U-형상 부분(72)의 측방향 범위를 지나 외측으로 연장한다. 바람직하게는, 실 본체(71)는 시트 금속으로 형성된다. 특정 실시예에 있어서, 한 쌍의 시트 금속판(76, 78)이 예를 들면 용접에 의해 서로 고정되어 실 본체(71)를 형성한다.
계속 도 2를 참조하면, 슈라우드 세그먼트(43)와 노즐 유지 링(42)의 밀봉 표면(46, 48) 중 하나가 보조 실(70)을 수용하기 위한 캐비티(80)를 구비한다. 바람직하게는, 캐비티(80)는 슈라우드 세그먼트(43)내에 형성되는데, 이 때 캐비티(80)는 노즐 유지 링(42)의 축방향으로 대향하는 밀봉 표면(48)을 향해 대체로 축방향으로 개방된다. 캐비티(80)는 베이스(82) 및 각각 반경방향으로 대향된 표면(84, 86)을 구비한다. 캐비티(80)는 터빈 로터의 축선을 중심으로 한 원호 경로로 연장하며 고온 가스 경로(14)의 반경방향 외측에 놓인다. 결과적으로, 실(70)은 축방향으로 대향된 표면(46, 48)을 지나는 임의의 누출 유동이 고온 가스 경로(14)의 저압 영역내로 유입되는 것을 실질적으로 방지하도록 위치된다.
가장자리 밀봉 부분(74)이 사용시 각각의 베이스 표면(82) 및 밀봉 표면(48)에 대해 밀봉 결합하도록 바이어스되거나 또는 예압(preload)을 받기 때문에, 실(70)은 설치동안 먼저 압축되어야 한다. 달리, 도 3 및 도 4를 참조하면, 가장자리 부분(74)은 실 본체(71)가 캐비티내에 먼저 설치될 때 캐비티(80)로부터 돌출될 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 돌출하는 가장자리 부분(74)은 유지 링상에 걸치거나 또는 정합 표면(46, 48)상에 완전히 걸릴 수 있다. 물론, 이것은 밀봉을 비효과적으로 만든다.
실(70)을 설치하여 밀봉을 효과적으로 만들기 위해, 원호형 캐비티(80)가 먼저 슈라우드 세그먼트(43)의 표면(46)내에 형성된다. 실(70)은 개개의 슈라우드 세그먼트의 원호 길이를 넘는 원호 길이로, 바람직하게는 90°또는 180°길이로 제공되어, 슈라우드 세그먼트 사이의 조인트에 걸치는 것이 바람직하다. 실 본체를 설치하기 위해, 실 본체는 먼저 캐비티(90)내로 삽입될 때 실 본체가 전체적으로 캐비티(80)의 경계내에 놓일 수 있도록 하는 형태로 압축된다. 설치동안 실 본체를 압축된 상태로 유지하는 수단이 제공된다. 이러한 수단은, 예를 들면, 실의 가장자리 부분(74)을 서로를 향해 구부려서 가장자리 실의 측방향 범위뿐만 아니라, 실의 대체로 U-형상 부분(72)의 측방향 부분을 감소시키는 각 밀봉 섹션의 길이의 전체 길이 또는 일부분 주위에 제공된 랩(92)을 포함할 수 있다. 이러한 랩은 Kevlar(등록상표) 29로 구성될 수 있으며 또한 실의 섹션들 주위의 연속적인 랩 또는 세그먼트형 랩을 포함할 수 있다. 변형적인 실시예에서, Lexan(등록상표) 또는 Ultem(등록상표) 클립과 같은 고강도 플라스틱이 조립 동안 실을 압축된 상태로 유지할 수 있다. 다른 변형적인 실시예에서, 보조 실을 압축된 상태로 유지하기 위해 캐비티내에 위치될 때 실의 가장자리(74)에 에폭시가 도포될 수도 있다.
터빈이 작동 상태 즉, 고온에 도달함에 따라, 유지 수단 예컨대 랩(들) 또는 에폭시가 실을 그 압축상태로부터 해제하여 실이 측방향(축방향)으로 팽창하도록 한다. 이러한 팽창은 가장자리 부분(74)의 표면부(90)(도 2)를 캐비티(80)의 베이스(82)와 노즐 유지 링(42)의 밀봉 표면(48)에 대해 결합관계로 위치시킨다. 결과적으로, 실의 가장자리 부분(74)은 표면(46, 48)의 상대운동 또는 이들 사이의 하나 이상의 갭의 개방에도 불구하고 대향된 밀봉 표면과 밀봉 결합하도록 바이어스되거나 또는 예압을 받는 상태로 유지된다. 따라서, 양호한 밀봉 성능을 갖는 금속-대-금속 선 접촉이 제공되어 마주 대하는 축방향 표면(46, 48)을 지나는 임의의 누출 유동을 방지한다.
전술된 바와 같이, 실(70)은 슈라우드 세그먼트의 원주방향 길이보다 큰 원주방향 길이를 갖는 90°또는 180°세그먼트로 제공되는 것이 바람직하다. 따라서, 인접한 슈라우드 세그먼트들간의 조인트 사이에 걸친다. 따라서, 실(70)은 슈라우드 세그먼트들간의 조인트에서의 임의의 누출 경로를 밀봉한다.
본 발명이 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 고려되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에만 제한되지 않으며, 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위내에 포함되는 다양한 변형 및 균등한 구성을 커버하도록 의도됨을 이해할 것이다.
본 발명에 의하면, 노즐 유지 링과 슈라우드 세그먼트 사이의 누출 경로를 발생시키는 터빈의 제 1 스테이지의 다양한 부품의 뒤틀림을 견디며, 이러한 누출을 제거하며 당해 위치에서의 실의 강인성을 향상시키는 신규한 실이 제공된다.

Claims (10)

  1. 가스 터빈에 있어서,
    대체로 축방향으로 향하는 제 1 표면(48)을 갖는 터빈 노즐 유지 링(44)과,
    상기 제 1 표면에 축방향으로 대향하는 제 2 표면(46)을 갖는 슈라우드 세그먼트(shroud segment)(43)로서, 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중의 하나는 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중의 다른 하나를 향해 대체로 축방향으로 개방된 캐비티 개구(80)를 형성하는 슈라우드 세그먼트(43)와,
    단면이 대체로 U-형상인 제 1 부분(72)과 단면이 대체로 U-형상이며 상기 U-형상 부분의 대향 측면을 따라 반대로 연장하는 한 쌍의 가장자리 부분(74)을 갖는 실 본체(71)를 구비하는 가요성 실(70)로서, 상기 가장자리 부분은 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중 일 표면내의 캐비티의 내부 표면(82) 및 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중 다른 표면과 각각 밀봉 결합하는 가요성 실(70)을 포함하는
    가스 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐비티(80)와 상기 실 본체(71)는 터빈의 축을 중심으로 원주방향으로 원호형인
    가스 터빈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 실 본체(71)는 시트 금속을 포함하는
    가스 터빈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 실 본체는 서로 고정된 한 쌍의 시트 금속판(76, 78)으로 구성된
    가스 터빈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 실 본체(71)는 상기 가장자리 부분(74)을 상기 내부 캐비티 표면과 상기 제 1 및 제 2 표면 중의 다른 하나와 각각 밀봉 결합관계로 유지하도록 바이어스되는
    가스 터빈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 실 본체는 서로 고정된 한 쌍의 시트 금속판(76, 78)으로 구성되며, 상기 실 본체는 상기 가장자리 부분을 상기 내부 캐비티 표면과 상기 제 1 및 제 2 표면 중의 다른 하나와 각각 밀봉 결합관계로 유지하도록 바이어스되는
    가스 터빈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 실 본체가 완전히 상기 캐비티내에 놓이도록 상기 캐비티내의 실 본체를 압축된 상태로 해제가능하게 유지하는 수단(42)을 포함하며, 상기 유지 수단은 터빈 작동 상태에 따라 상기 압축된 상태로부터 상기 실 본체의 해제를 가능하게 하는
    가스 터빈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유지 수단은 상기 실 본체 주위에 랩(wrap)을 구비하는
    가스 터빈.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 유지 수단은 상기 캐비티내의 실 본체를 상기 압축된 상태로 일시적으로 유지하는 에폭시를 구비하는
    가스 터빈.
  10. 터빈에 있어서,
    대체로 축방향으로 향하는 제 1 표면(48)을 갖는 터빈 노즐 유지 링(42)과,
    상기 제 1 표면에 축방향으로 대향하는 환상의 제 2 표면(46)을 갖는 복수의 터빈 슈라우드 세그먼트(43)로서, 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중의 하나는 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중의 다른 하나를 향해 제 1 실의 반경방향 외측 위치에 있는 대체로 축방향으로 개방된 캐비티 개구(80)를 갖는 슈라우드 세그먼트(43)와,
    단면이 대체로 U-형상인 제 1 부분과 단면이 대체로 U-형상이며 상기 U-형상 부분의 대향 측면을 따라 반대로 연장하는 한 쌍의 가장자리 부분(74)을 갖는 실 본체(71)를 구비하는 상기 캐비티내의 가요성 실(70)로서, 상기 가장자리 부분은 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중 일 표면내의 캐비티의 내부 표면 및 상기 제 1 표면과 제 2 표면 중 다른 표면과 각각 밀봉 결합하는 가요성 실(70)을 포함하는
    터빈.
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