KR100944860B1 - 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치 - Google Patents

가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치 Download PDF

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Abstract

가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치는 가스터빈엔진의 연소기 입구로 저온 공기를 안내하는 공기 안내유닛, 및 공기 안내유닛의 내부에 구비되어 저온 공기와의 열전달을 통해 연료를 냉각시키는 연료 냉각파트와, 연료 냉각파트의 일단부에 연결되어 연료 냉각파트로 연료를 제공하는 연료 제공파트와, 연료 냉각파트의 타단부에 연결되어 냉각된 연료를 연소기로 공급하는 연료 공급파트를 구비하는 연료 냉각유닛을 포함한다. 본 발명에 따른 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치는 단순한 구조만으로도 요구되는 온도로 균일하게 냉각된 저온 연료를 생성할 수 있으며, 저온 연료의 생성에 소요되는 비용을 절감시킬 수 있다.

Description

가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치 {FUEL COOLER FOR LOW TEMPERATURE GASTURBINE ENGINE COMBUSTOR PERFORMANCE TEST}
본 발명은 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 단순한 구조만으로도 요구되는 온도로 균일하게 냉각된 저온 연료를 생성할 수 있으며, 저온 연료의 생성에 소요되는 비용을 절감시킬 수 있는 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치에 관한 것이다.
항공기용 엔진은 보통 고고도에서 작동되므로, 고고도에서도 원활한 작동 성능이 보장되어야 한다. 한편, 고고도에서의 온도, 압력 및 밀도는 지상에 비해 매우 낮을 뿐만 아니라, 고고도에서는 압력과 온도 변화에 따라 엔진의 공기역학적, 열역학적 특성이 달라지므로, 상기와 같은 고공환경하에서도 항공기용 엔진의 성능이 충분히 발휘되는가가 시험되어야 한다.
상기와 같은 시험을 위해 일반적으로 지상에 설치된 고공모사 시험설비가 이용된다. 상기 고공모사 시험설비는 엔진의 운전 조건을 실제 고공환경과 유사하게 만들어 주고, 장착된 각종 센서로부터 힘, 압력, 온도, 진동, 유량 등을 측정 분석하여 엔진의 공기역학적, 열역학적, 구조역학적 성능을 해석하고 운용성, 내구 성, 안전성 등을 파악하기 위해 사용되는 시험설비로서, 시험 시간과 비용의 절감 등 여러 가지 장점이 있어 실제 비행시험보다 널리 사용되고 있다.
상기와 같은 고공모사 시험을 수행하기 위해서는 가스터빈엔진 연소기에 고공환경과 유사하게 저온의 연료와 저온의 공기를 공급하여야 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 저온의 공기(A)는 입구 덕트(20)를 통해 연소기(30)로 공급될 수 있으며, 연소가스(C)는 연소기(30) 후방으로 배출될 수 있다.
한편, 상기 연소기(30)에 저온의 연료(F)를 공급하기 위한 종래 방법으로 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 큰 부피를 가지는 연료 저장탱크(10) 내의 연료를 액체질소 등의 냉매(R)를 사용하여 냉각시킨 후 배관(40)을 통해 연소기(30)에 공급하는 방식이 있다.
상기 방식의 경우 연료 저장탱크 내의 많은 연료를 냉각시켜야 하므로 필요 이상의 연료가 냉각되어야 하며, 이에 따라 연료의 냉각에 소요되는 연료 비용이 크게 증가한다는 문제가 있다. 또한, 연료의 냉각을 위한 장비가 연료 저장탱크 내에 추가로 설치되어야 하며, 연료 저장탱크의 큰 용적으로 인해 상기 냉각 장비 또한 대형화되어야 하므로 연료 냉각 장비를 구성하는 데에 많은 비용이 소요된다는 문제가 있다. 아울러, 연료 저장탱크는 일반적으로 연소기와 멀리 떨어진 장소에 위치하기 때문에 배관을 통한 저온 연료의 공급 과정에서 상기 저온 연료의 온도가 상승한다는 문제가 있다. 이에 따라 시험자가 원하는 온도의 저온 연료를 엔진에 공급하기 어렵다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 일 과제는 연소기에 공급되는 저온 연료가 필요 이상으로 냉각되어 연료 비용이 증가하는 것을 방지할 수 있는 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 과제는 고공모사 시험설비 내의 공간 활용도를 향상시킬 수 있으며, 연료 냉각장치를 설치하는 데에 소용되는 비용을 절감할 수 있는 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치를 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 과제는 연소기에 공급되는 연료의 온도 분포를 균일하게 하고 냉각된 저온 연료의 공급과정에서 상기 연료의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있는 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치는 가스터빈엔진의 연소기 입구로 저온 공기를 안내하는 공기 안내유닛, 및 공기 안내유닛의 내부에 구비되어 저온 공기와의 열전달을 통해 연료를 냉각시키는 연료 냉각파트와, 연료 냉각파트의 일단부에 연결되어 연료 냉각파트로 연료를 제공하는 연료 제공파트와, 연료 냉각파트의 타단부에 연결되어 냉각된 연료를 연소기로 공급하는 연료 공급파 트를 구비하는 연료 냉각유닛을 포함한다.
상기 연료 냉각유닛은 복수 개의 연료 냉각파트가 순차적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 연료 냉각유닛은 상기 연료 냉각파트를 지지하는 지지파트를 더 구비할 수 있다. 그리고, 연료 냉각유닛을 구성하는 연료 제공파트, 연료 냉각파트 및 연료 공급파트는 일체로 형성될 수 있다.
한편, 상기 연료 냉각파트는 상기 공기 안내유닛의 내면 형상에 대응하여 나선 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 연료 냉각파트는 저온 공기와 연료 사이에 열전달이 원활히 이루어지도록 구리 재질로 형성될 수 있다.
이외에도, 상기 공기 안내유닛의 양단에는 플랜지가 구비될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치는 연료를 저장하는 저장 탱크 및 저장 탱크의 내면을 따라 구비되며 냉매를 공급받아 저장 탱크에 저장된 연료를 냉각시키는 냉각 튜브를 구비하는 보조 냉각유닛을 더 포함할 수 있으며, 상기 보조 냉각유닛은 애벌 냉각된 연료를 상기 연료 제공파트로 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치는 연료를 냉각시키기 위한 별도의 연료 저장탱크를 구비할 필요가 없어 고공모사 시험설비 내의 공간 활용도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치는 저온 성능 시험에서 요구되는 연료량만을 냉각하여 연소기에 공급할 수 있 어 필요 이상의 연료를 냉각하여 발생하는 연료 비용의 증가를 방지할 수 있으며, 연료 냉각장치의 간단한 구조로 인해 연료 냉각장치를 구성하는 데에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치는 공기 안내유닛 내의 연료 냉각파트가 저온 공기와 균일하게 접할 수 있어 연료 냉각파트에 의해 냉각되는 연료의 온도분포를 균일하게 만들 수 있을 뿐만 아니라, 연료 공급파트가 연소기와 가까운 위치에 구비되어 저온 연료의 공급과정에서 연료의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 상기 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치를 설명하기 위한 개념도이다. 도 3은 도 2의 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치를 도시하고 있는 사시도이며, 도 4는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면 사시도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치는 공기 안내유닛(110) 및 연료 냉각유 닛(120)을 포함하여 구성된다.
공기 안내유닛(110)은 저온 성능 시험을 위해 가스터빈엔진의 연소기(140)로 저온의 공기(A)를 안내하는 구성요소이다. 공기 안내유닛(110)을 통해 연소기(140)로 공급되는 공기(A)의 압력 및 온도를 조절함으로써 고고도 환경하에서의 엔진 작동 상태를 모사할 수 있다.
이러한 공기 안내유닛은 단면이 직사각형, 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있으나, 본 실시예에서는 단면이 원형으로 형성된 공기 안내유닛(110)을 예로 들어 설명하기로 한다. 또한, 저온의 공기(A)가 공기 안내유닛(110)을 통과하는 과정에서 외부와의 열전달로 인해 공기(A)의 온도가 상승하는 것을 방지하기 위해 상기 공기 안내유닛(110)의 외부에는 단열재(미도시)가 더 구비될 수 있다.
한편, 상기 공기 안내유닛(110)의 양단에는 플랜지(112)가 구비될 수 있으며, 이에 따라 본 실시예에 따른 연료 냉각장치가 용이하게 고공모사 시험설비에 설치 및 분리될 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 본 실시예에 따른 복수 개의 연료 냉각장치를 플랜지(112)를 통해 결합함으로써 연료 냉각파트와 저온 공기 사이의 접촉 면적을 충분히 확보할 수 있다.
연료 냉각유닛(120)은 연료 제공파트(124), 연료 냉각파트(122) 및 연료 공급파트(126)를 포함하여 구성되며, 연소기(140)의 저온 성능 시험을 위해 연료(F1)를 냉각하여 연소기(140)로 공급하는 역할을 수행한다.
이러한 연료 냉각유닛(120)은 연료(F1)의 냉각을 위해 연료 냉각파트(122) 를 포함하여 구성된다 상기 연료 냉각파트(122)는 통상 파이프 형상으로 형성되어 공기 안내유닛(110)의 내부에 구비될 수 있다. 이러한 연료 냉각파트(122)는 연료 냉각파트(122) 내부의 연료와 공기 안내유닛(110) 내부의 저온 공기(A) 사이에 열전달을 유도하여 연료 냉각파트(122)를 통과하는 연료의 온도를 낮출 수 있다.
연료와 저온 공기(A) 사이의 열전달이 원활히 일어나기 위해서는 연료 냉각파트(122)와 저온 공기(A) 사이의 접촉 면적이 충분히 확보될 필요가 있다. 이를 위해 상기 연료 냉각파트(122)는 공기 안내유닛(110)의 내면 형상에 대응하여 나선 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 연료 냉각파트(122)는 공기 안내유닛(110)의 내면 형상에 대응되는 형상을 가지되 바깥 쪽에서 안 쪽으로 상기 형상이 반복되는 구조를 가질 수 있다. 연료 냉각파트(122)가 상기와 같은 구성을 가짐으로써 연료 냉각파트(122)가 공기 안내유닛(110) 내부의 저온 공기(A)와 충분히 접할 수 있으며, 이에 따라 연료 냉각파트(122) 내의 연료가 저온 공기(A)와 유사한 온도까지 냉각될 수 있다.
또한, 연료 냉각파트(122)와 저온 공기(A) 사이의 열전달 정도를 향상시키기 위해 상기 연료 냉각파트(122)는 열전달율이 높은 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 연료 냉각파트(122)는 열전달율이 높은 구리 재질로 형성될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 연료 냉각장치는 연료 제공파트(124)와 연료 공급파트(126)를 포함하여 구성된다. 상기 연료 제공파트(124)는 일단부가 외부의 연료 저장탱크(미도시)에 연결되고 타단부가 연료 냉각파트(122)에 연결되도록 구성될 수 있다. 이러한 구성을 통해 냉각 전 연료(F1)를 연료 냉각파트(122)로 제공할 수 있다. 또한, 연료 공급파트(126)는 일단부가 연료 냉각파트(122)에 연결되고 타단부가 연소기(140)에 연결됨으로써 연료 냉각파트(122)에 의해 냉각된 연료(F2)를 연소기(140)로 공급할 수 있다. 여기서, 연료 냉각유닛(120)을 구성하는 연료 제공파트(124), 연료 냉각파트(122) 및 연료 공급파트(126)는 일체로 형성될 수 있다. 그러나, 연료 제공파트(124), 연료 냉각파트(122) 및 연료 공급파트(126)의 결합 구조가 상기에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 각각 별개로 제작한 후 본 실시예에 따른 연료 냉각장치의 설치 시에 각각을 결합하여 연결할 수도 있다.
또한, 본 실시예에 따른 연료 냉각유닛(120)은 도 4에 도시된 바와 같이, 연료 냉각파트(122)를 지지하는 지지파트(128)를 더 구비할 수 있다. 본 실시예에 따른 연료 냉각장치는 연료 냉각유닛(120)이 지지파트(128)를 더 구비함으로써 공기 안내유닛(110) 내의 공기(A) 유동으로 인해 상기 연료 냉각파트(122)가 변형되는 것을 방지할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참고하여 연료 냉각파트와 저온 공기 사이의 열전달 정도를 향상시키기 위한 연료 냉각장치의 변형예를 이하에서 설명하도록 한다. 도 5는 연료 냉각파트의 변형예를 설명하기 위한 개념도이며, 도 6은 연료 냉각장치의 변형예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 냉각파트는 복수 개가 구비될 수 있다. 즉, 복수 개의 연료 냉각파트가 공기 안내유닛(110) 내부에 구비되 되 순차적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 즉, 제1 연료 냉각파트(2221)의 일단부는 연료 제공파트(124)에 연결되고 제1 연료 냉각파트(2221)의 타단부는 제2 연료 냉각파트(2222)의 일단부에 연결될 수 있다. 또한, 제2 연료 냉각파트(2222)의 타단부는 제3 연료 냉각파트(2223)의 일단부에 연결될 수 있으며, 제3 연료 냉각파트(2223)의 타단부는 연료 공급파트(126)에 연결될 수 있다. 본 변형예에서는 3개의 연료 냉각파트가 구비된 연료 냉각장치를 예시하고 있으나, 요구되는 냉각 정도에 따라 상기 연료 냉각파트의 개수를 선택할 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 연료 냉각장치는 플랜지(112)를 통해 복수 개가 구비될 수 있다. 즉, 연료 냉각파트의 길이를 충분히 확보할 수 있도록 복수 개의 연료 냉각장치를 플랜지(112)를 통해 순차적으로 연결할 수 있다.
상기와 같이, 연료 냉각유닛 또는 연료 냉각장치를 구비함으로써 연료 냉각파트와 저온 공기 사이의 열전달이 충분히 일어날 수 있으며, 이에 따라 별도의 냉각 설비를 갖추지 않고서도 연소기로 공급되는 연료의 온도를 저온 성능 시험에 필요한 정도로 충분히 낮출 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치는 보조 냉각유닛을 더 구비할 수 있다. 도 7은 보조 냉각유닛을 더 구비하고 있는 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치를 도시하고 있는 개념도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 보조 냉각유닛(330)은 연료(F)를 저장하는 저장 탱크(332), 및 저장 탱크(332)의 내면을 따라 구비되며 냉매(R)를 공급받아 저장 탱크(332)에 저장된 연료를 냉각시키는 냉각 튜브(334)를 포함하여 구성된다. 이러한 보조 냉각유닛(330)은 연료(F)를 애벌 냉각하여 연료 냉각유닛(120)으로 제공하는 역할을 수행한다.
본 실시예에 따른 연료 냉각장치는 상기와 같이 보조 냉각유닛(330)을 더 구비함으로써, 설치 공간 상의 문제 등으로 인해 연료 냉각파트(122)의 길이를 충분히 확보할 수 없는 경우에도 연료 냉각유닛(120)으로 제공되는 연료의 온도를 애벌 냉각함으로써 저온 성능 시험에서 요구되는 정도로 연료를 냉각할 수 있다.
본 실시예에 따른 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치는 전술한 구성을 구비함으로써 단순한 구조만으로도 저온 성능 시험에서 요구되는 정도로 연소기에 공급되는 연료를 냉각시킬 수 있다. 또한, 연료를 냉각시키기 위한 별도의 연료 저장탱크를 구비할 필요가 없어 고공모사 시험설비 내의 공간 활용도를 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 저온 성능 시험에서 요구되는 연료량만을 냉각하여 연소기에 공급할 수 있어 필요 이상의 연료를 냉각하여 발생하는 연료 비용의 증가를 방지할 수 있으며, 연료 냉각장치의 간단한 구조로 인해 연료 냉각장치를 구성하는 데에 적은 비용으로도 충분하다.
이외에도 본 실시예에 따른 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치는 공기 안내유닛 내의 연료 냉각파트가 저온 공기와 균일하게 접할 수 있어 연료 냉각파트에 의해 냉각되는 연료의 온도분포를 균일하게 만들 수 있을 뿐만 아니라, 연료 공급파트가 연소기와 가까운 위치에 구비되어 저온 연료의 공급과정 에서 연료의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 연료 냉각파트의 길이를 충분히 길게 형성하는 경우에는 연료 냉각파트 내의 연료가 공기 안내유닛 내의 저온 공기와 동일 온도로 냉각될 수 있으므로, 연료의 온도를 제어하기 위한 제어기가 불필요하게 된다. 아울러, 연료 냉각파트를 적절히 배치함으로써 연소기 입구 공기의 유동 균일화에도 기여할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 가스터빈엔진의 연소기에 저온의 연료를 공급하기 위한 종래 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 도 2의 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치를 도시하고 있는 사시도이다.
도 4는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면 사시도이다.
도 5는 연료 냉각파트의 변형예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 연료 냉각장치의 변형예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 보조 냉각유닛을 더 구비하고 있는 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치를 도시하고 있는 개념도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 공기 안내유닛 112 : 플랜지
120 : 연료 냉각유닛 122 : 연료 냉각파트
124 : 연료 제공파트 126 : 연료 공급파트
128 : 지지파트 330 : 보조 냉각유닛

Claims (8)

  1. 가스터빈엔진의 연소기 입구로 저온 공기를 안내하는 공기 안내유닛;
    상기 공기 안내유닛의 내부에 구비되어 상기 저온 공기와의 열전달을 통해 연료를 냉각시키는 연료 냉각파트, 상기 연료 냉각파트의 일단부에 연결되어 상기 연료 냉각파트로 상기 연료를 제공하는 연료 제공파트, 및 상기 연료 냉각파트의 타단부에 연결되어 냉각된 연료를 상기 연소기로 공급하는 연료 공급파트를 구비하는 연료 냉각유닛; 및
    상기 연료를 저장하는 저장 탱크, 및 상기 저장 탱크의 내면을 따라 구비되며 냉매를 공급받아 상기 저장 탱크에 저장된 연료를 냉각시키는 냉각 튜브를 구비하여, 애벌 냉각된 연료를 상기 연료 제공파트로 공급하는 보조 냉각유닛;
    을 포함하며,
    상기 공기 안내유닛의 양단에는 상기 공기 안내유닛을 선택적으로 분리시키는 플랜지가 구비되는 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 냉각파트는 상기 공기 안내유닛의 내면 형상에 대응하여 나선 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료 냉각유닛은 순차적으로 연결된 복수 개의 연료 냉각파트를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료 냉각유닛은 상기 연료 냉각파트를 지지하는 지지파트를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료 냉각파트는 구리 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료 제공파트, 상기 연료 냉각파트 및 상기 연료 공급파트는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진 연소기의 저온 성능 시험용 연료 냉각장치.
  8. 삭제
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