KR101194648B1 - 실링장치 - Google Patents

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KR101194648B1
KR101194648B1 KR1020090115075A KR20090115075A KR101194648B1 KR 101194648 B1 KR101194648 B1 KR 101194648B1 KR 1020090115075 A KR1020090115075 A KR 1020090115075A KR 20090115075 A KR20090115075 A KR 20090115075A KR 101194648 B1 KR101194648 B1 KR 101194648B1
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두산중공업 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 실링장치는 고정체와 상기 고정체에 회전 가능하게 지지되는 회전체에 원주 방향으로 형성된 장착홈의 사이에 설치되어 상기 회전체의 내부의 오일이 상기 고정체와 상기 회전체의 사이의 갭을 통해 상기 회전체의 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 외주면이 상기 고정체에 접촉되도록 상기 장착홈에 설치되는 환형의 몸체; 및 상기 장착홈의 일측면과 상기 몸체의 일측면 사이의 간극과 상기 장착홈의 외주면과 상기 몸체의 내주면의 간극을 통해 유입되는 상기 회전체 외부의 공기가 상기 몸체의 타측면과 상기 장착홈의 타측면의 사이로 유입되도록 상기 몸체의 타측면과 상기 장착홈의 타측면 중 적어도 어느 하나의 면에 형성된 측면홈을 포함한다.
가스터빈, 실링부재, 마모, 수명, 기밀, 실링장치

Description

실링장치{SEALING APPARATUS}
본 발명은 회전체와 함께 회전하면서 회전체와 고정체 사이로 오일이 누유되는 것을 방지하기 위한 실링장치에 관한 것이다.
가스터빈 등 다양한 산업분야에서 고정체와 회전체 사이로 오일이 누유되는 것을 방지하기 위한 목적으로 실링장치가 사용된다.
특히, 소위 메카니칼 실(Mechanical Seal)이라고 불리는 실링부재는 회전체와 함께 회전하면서 회전체 내부의 오일이 회전체의 외부로 누유되는 것을 방지한다. 이때, 상기 실링부재는 상기 회전체의 회전속도보다 낮은 속도로 회전되게 설정된다. 즉, 상기 실링부재는 회전체와 함께 회전하면서 오일 누유 방지를 위해 고정체와 접촉하면서 회전하게 된다. 이때, 상기 실링부재가 회전체와 동일한 회전속도로 회전한다면 상기 실링부재는 고정체와의 마찰에 의해 마모량이 커지고 이로 인해 수명이 단축된다. 이러한 이유로 실링부재는 상기 회전체의 회전속도보다는 느리게 회전하도록 설정된다.
그러나 끝단이 절개단 환형의 실링부재는 회전속도에 따라 원심력이 작용하게 되고, 이로 인해 고정체 방향으로의 가압력이 증가하게 된다. 이러한 가압력은 실링부재와 고정체 사이의 마찰력을 증가시켜 실링장치의 수명이 단축되며 실링 성능이 저하된다.
한편, 상기 실링부재의 마모량은 상기 실링부재의 회전속도에 의해 결정되며, 상기 실링부재의 회전속도는 상기 회전체와 상기 실링부재 사이의 마찰력에 의해 결정된다. 즉, 상기 회전체와 상기 실링부재 사이의 마찰력을 줄이면, 상기 실링부재의 회전속도를 줄일 수 있게 되고, 이러한 실링부재의 회전속도를 적정한 수준으로 유지하면 상기 실링부재의 수명을 연장시킬 수 있으며 최적의 실링 성능을 구현할 수 있게 된다. 즉, 상기 실링부재를 상기 회전체에 가압하는 가압력이 증가하게 되면, 상기 실링부재의 회전속도가 증가하게 되고, 이에 의해 상기 실링부재가 고정체에 의해 마모되는 량이 증가하게 되어 실링부재의 수명이 단축되고 실링 성능이 저하되는 결과를 초래한다.
본 발명은 전술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 실링부재와 회전체 사이의 마찰력을 줄여 수명을 연장시킬 수 있고 최적의 실링 성능을 제공할 수 있는 실링장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실링장치는 고정체와 상기 고정체에 회전 가능하게 지지되는 회전체에 원주 방향으로 형성된 장착홈의 사이에 설치되어 상기 회전체의 내부의 오일이 상기 고정체와 상기 회전체의 사이의 갭을 통해 상기 회전체의 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 외주면이 상기 고정체에 접촉되도록 상기 장착홈에 설치되는 환형의 몸체; 및 상기 장착홈의 일측면과 상기 몸체의 일측면 사이의 간극과 상기 장착홈의 외주면과 상기 몸체의 내주면의 간극을 통해 유입되는 상기 회전체 외부의 공기가 상기 몸체의 타측면과 상기 장착홈의 타측면의 사이로 유입되도록 상기 몸체의 타측면과 상기 장착홈의 타측면 중 적어도 어느 하나의 면에 형성된 측면홈을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 측면홈은 복수개가 상기 장착홈의 타측면에 원주 방향으로 상호 이격되게 형성된다.
또한, 상기 각 측면홈은 상기 장착홈의 외주면 방향으로 연장된 제 1 측면홈; 및 상기 제 1 측면홈으로부터 상기 장착홈의 원주 방향으로 연장되어 형성된 제 2 측면홈을 포함한다.
한편, 상기 몸체는 카본실로 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 과제 해결 수단에 의하면, 장착홈의 일측면과 몸체의 일측면 사이의 간극과 장착홈의 외주면과 몸체의 내주면 사이의 간극을 통해 유입된 회전체 외부의 공기가 측면홈을 통해 몸체의 타측면과 장착홈의 타측면으로 유입될 수 있고, 이에 의해 몸체의 타측면을 상기 장착홈의 타측면에 가압하는 가압력을 줄일 수 있어 실링장치의 회전속도를 줄일 수 있게 된다. 실링장치의 회전속도를 줄임으로서, 고정체 내주면과의 마찰에 의한 몸체의 외주면의 마모량을 줄일 수 있고, 이로 인해 실링장치의 수명을 연장시킬 수 있고 최적의 실링 성능을 제공할 수 있게 된다.
또한, 측면홈을 복수개로 구성하고, 복수의 측면홈을 장착홈의 타측면에 원주 방향으로 상호 이격되게 형성함으로써, 몸체의 타측면이 장착홈의 타측면으로부터 이격되는 방향의 힘을 몸체의 타측면 전체에 골고루 분산시킬 수 있고, 이에 의해 몸체 외주면의 마모량이 몸체 외주면의 위치에 따라 균일하게 될 수 있고, 이에 의해 실링장치의 수명을 더욱 연장시킬 수 있게 된다.
한편, 측면홈을 장착홈의 외주면 방향으로 연장된 제 1 측면홈과 상기 제 1 측면홈으로부터 장착홈의 원주 방향으로 연장되어 형성된 제 2 측면홈으로 구성함으로써, 상기 몸체의 타측면과 상기 장착홈의 타측면 사이로 회전체 외부의 공기를 용이하게 유입시킬 수 있을 뿐만 아니라 제 1 측면홈으로 유입된 공기를 제 2 측면홈으로 용이하게 전달할 수 있게 된다. 이에 의해 몸체의 타측면과 장착홈의 타측 면 사이에 더욱 균일하게 공기를 분산시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 실링장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실링부재(50)는, 고정체(10)와 상기 고정체(10)의 내부에 베어링(20)을 매개로 회전 가능하게 설치되는 회전체(30)의 사이에 설치된다. 본 실시예에 따른 실링장치는 실링부재(50)와, 회전체(30)에 형성된 측면홈(44)을 포함한다.
상기 회전체(30)의 내부에는 상기 베어링(20)에 공급되는 오일이 유동하는 소위 오일섬프(oil sump)라는 공간(이하에서는 '회전체 내부'로 칭한다)이 마련되고, 상기 회전체(30)의 외부(32)에는 상기 회전체(30) 내부(31)의 압력보다 높은 공기압이 유지되는 공간(이하에서는 '회전체 외부'로 칭한다)이 마련된다. 이와 같이 회전체(30)의 외부(32)를 회전체(30)의 내부(31)보다 높은 압력으로 유지하는 이유는 회전체(30) 내부(31)의 오일이 회전체(30) 외부(32)로 누유되는 것을 방지하기 위한 것이다.
이러한 오일의 누유를 방지하기 위한 실링부재(50)는 상기 회전체(30)의 내부(31)와 외부(32)를 구획하는 위치에 설치된다. 보다 구체적으로, 상기 실링부재(50)는 그 양측면(53)(54)과 내주면(56)이 회전체(30)에 원주 방향으로 형성된 장착홈(40)에 삽입되며, 그 외주면(57)은 상기 고정체(10)의 내주면(11)에 접촉된다.
보다 구체적으로, 상기 실링부재(50)는, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같 이, 상기 장착홈(40)에 대응하는 형상인 환형의 몸체(51)와, 상기 몸체(51)의 내주면(56)과 외주면(57)을 관통하여 형성되는 관통로(55)와, 상기 관통로(55)와 연결되도록 상기 몸체(51)의 외주면(57)에 형성된 외주홈(58)과, 상기 외주홈(58)과 연결되는 환형 원주홈(59)을 포함한다.
상기 몸체(51)는 환형 즉, 링형의 형상으로 제작되며, 카본 복합체와 같은 카본실(carbon seal)이 이용될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 몸체(51)는 절개부(52)에 의해 절개된 환형의 형상을 가지며, 절개부(52)의 양단면이 일정한 간격을 유지하는 복원력을 가진다. 따라서, 상기 몸체(51)의 절개부(52)를 벌린 상태에서 상기 장착홈(40)에 삽입하면, 상기 몸체(51)는 그 외주면(57)이 상기 고정체(10)의 내주면(11)을 가압하는 탄성력을 작용한다.
한편, 상기 몸체(51)의 일측면(53)은 상기 장착홈(40)의 일측면(41)과 일정 간극을 두고 상호 마주하고, 상기 몸체(51)의 타측면은 상기 장착홈(40)의 타측면(43)과 가압 접촉된다. 이는 회전체(30)의 외부(32)의 압력이 회전체(30)의 내부(31) 압력보다 높기 때문이다.
또한, 상기 몸체(51)의 내주면()은 상기 장착홈(40)의 외주면(42)과 일정 간극을 두고 상호 마주하고, 상기 몸체(51)의 외주면(57)은 상기 고정체(10)의 내주면(11)과 가압 접촉된다. 이는 몸체(51)가 고정체(10)의 내주면(11) 방향으로 탄성력을 작용하기 때문이다.
이러한 몸체(51)는, 상기 회전체(30)가 회전하면, 상기 회전체(30)와 함께 회전하며, 회전속도가 상승할수록 상기 몸체(51)를 절개부(52)를 중심으로 벌어지 게 하려는 원심력이 커지게 되고, 이에 의해 몸체(51)의 외주면(57)이 상기 고정체(10)의 내주면(11)을 가압하는 힘이 커진다. 이와 같이 몸체(51)의 외주면(57)을 고정체(10)의 내주면(11)에 가압하는 힘이 커질수록 상기 몸체(51)의 외주면(57)과 고정체(10)의 내주면(11)사이의 마찰력이 커지고, 이에 의해 상기 몸체(51)의 마모량이 커지게 되어 실링부재(50)의 수명이 단축되는 결과를 초래한다. 이러한 이유로, 전술한 관통로(55)와 외주홈(58) 및 환형 원주홈(59)을 형성하였다.
상기 관통로(55)는, 전술한 바와 같이, 상기 몸체(51)의 내주면(56)과 외주면(57)을 연통시키기 위한 것으로서, 복수개가 상기 몸체(51)의 원주 방향으로 상호 이격되게 형성된다. 이러한 관통로(55)는 상기 몸체(51)의 일측면(53)과 상기 장착홈(40)의 일측면(41)을 통해 상기 몸체(51)의 내주면(56)과 상기 장착홈(40)의 외주면(42) 사이로 도입된 회전체(30) 외부(32)의 공기를 상기 몸체(51)의 외주면(57)으로 유입시킨다. 이에 의해 상기 몸체(51)의 외주면(57)에는 상기 몸체(51)를 상기 장착홈(40)의 외주면(42) 방향으로 가압하는 가압력이 발생하게 된다. 이와 같은 가압력은 상기 몸체(51)의 외주면(57)을 상기 고정체(10)에 밀착시키는 힘과 반대 방향으로 작용하여, 상기 몸체(51)의 외주면(57)과 상기 고정체(10)의 내주면(11) 사이의 마찰력을 감소시키게 되고, 이에 의해 실링부재(50)와 고정체(10)와 마찰에 의한 상기 실링부재(50)의 마모량을 줄일 수 있게 된다.
상기 외주홈(58)은 상기 몸체(51)의 외주면(57)을 상기 장착홈(40)의 외주면(42) 방향으로 가압하는 가압력을 더욱 증대시키기 위한 것으로서, 상기 복수의 관통로(55)의 대응하는 위치에 상기 관통로(55)와 연결되게 형성된다. 즉, 상기 외 주홈(58)도 상기 몸체(51)의 외주면(57)에 원주 방향으로 상호 이격되게 형성된다.
상기 환형 원주홈(59)은 상기 관통로(55)와 상기 외주홈(58)을 통해 도입된 공기압을 상기 몸체(51)의 외주면(57) 전체에 분배하기 위한 것으로서, 제 1 환형 원주홈(59a)과 제 2 환형 원주홈(59b)을 포함한다. 제 1 환형 원주홈(59a)은 상기 상기 외주홈(58)의 일측과 연결되며, 상기 몸체(51)의 외주면(57)에 원주 방향으로 형성된다. 상기 제 2 환형 원주홈(59b)은 상기 외주홈(58)의 타측과 연결되며, 상기 몸체(51)의 외주면(57)에 원주 방향으로 형성된다.
한편, 회전체(30)와 고정체(10)의 사이로 도입되는 회전체(30) 외부(32)의 공기는 장착홈(40)의 일측면(41)과 몸체(51)의 일측면(53) 사이의 간극으로 도입되어 몸체(51)를 축방향으로 가압한다. 이와 같은 축 방향의 힘은 몸체(51)를 장착홈(40)의 타측면(43)에 가압하는 힘으로 작용하게 되고, 이러한 가압력은 상기 회전체(30)와 상기 몸체(51)의 마찰력을 결정하게 되며, 이러한 마찰력에 의해 상기 회전체(30)의 회전 속도에 대한 몸체(51)의 회전 속도가 결정된다. 즉, 실링부재(50)는 회전체(30)의 회전속도보다 느리게 회전하여야 한다. 이는 몸체(51)의 외주면(57)과 고정체(10)의 외주면(11) 사이의 상대 회전속도가 높으면, 실링부재(50)의 마모율이 증가하여 실링부재(50)의 수명이 단축되기 때문이다. 이러한 이유로 본 실시예에서는 상기 몸체(51)의 내주면(56)과 장착홈(40)의 외주면(42)의 사이로 도입된 회전체(30) 외부(32)의 공기가 몸체(51)의 타측면(54)과 장착홈(40)의 타측면(43) 사이로 도입 되도록 측면홈(44)을 형성하였다.
상기 측면홈(44)은 복수개가 장착홈(40)의 타측면(43)에 일정 간격으로 배치 되게 형성되며, 각 측면홈(44)은 상기 장착홈(40)의 외주면(42) 방향으로 연장된 제 1 측면홈(44a)과, 상기 제 1 측면홈(44a)으로부터 원주 방향으로 연장되어 형성된 제 2 측면홈(44b)을 포함한다. 이와 같은 구성에 의해 상기 몸체(51)의 내주면(56)과 장착홈(40)의 외주면(42) 사이로 도입된 공기는 상기 제 1 측면홈(44a)을 통해 상기 제 2 측면홈(44b)으로 유입되고, 상기 제 1 및 제 2 측면홈(44a)(44b)에 유입된 공기는 상기 몸체(51)의 타측면(54)을 상기 장착홈(40)의 타측면(43)으로부터 이격되는 방향으로 상기 몸체(51)를 가압하게 된다. 따라서, 상기 몸체(51)의 타측면(54)을 상기 장착홈(40)의 타측면(43)으로 가압하는 가압력을 줄일 수 있게 되고, 이에 의해 몸체(51)의 타측면(53)과 장착홈(40)의 타측면(43) 사이의 마찰력을 줄일 수 있게 되어 실링부재(50)의 회전 속도를 줄일 수 있게 된다.
즉, 상기 실링부재(50)의 회전속도는 상기 몸체(51)의 타측면(53)이 장착홈(40)의 타측면(43)에 대하여 슬립(slip)이 일어나는 정도에 따라 결정되며, 슬립은 몸체(51)의 타측면(53)과 장착홈(40)의 타측면(43) 사이의 마찰력에 의해 결정된다. 따라서, 상기 몸체(51)의 타측면(53)을 장착홈(40)의 타측면(43)에 가압하는 가압력이 작아지면, 상기 실링부재(50)의 회전 속도를 낮출 수 있게 되는 것이다.
본 실시예에서는 상기 측면홈(44)이 회전체(30)의 장착홈(40)의 타측면(43)에 형성되는 것을 예시하였으나, 본 실시예와 달리 상기 측면홈(44)은 상기 몸체(51)의 타측면(54)에도 형성될 수 있을 뿐만 아니라 상기 몸체(51)의 타측면(54)과 상기 장착홈(40)의 타측면(43) 모두에도 형성될 수 있다.
이하, 전술한 바와 같은 구성을 가지는 실링부재(50)의 작용 효과에 대하여 설명한다.
도 7을 참조하면, 회전체(30) 외부(32)의 고압영역(32)의 공기는 고정체(10)와 회전체(30) 사이의 간극(G)을 통해 장착홈(40)으로 도입된다. 장착홈(40)으로 도입된 공기는 장착홈(40)의 일측면(41)과 몸체(51)의 일측면(53) 사이의 간극을 통해 몸체(51)의 내주면(56)과 장착홈(40)의 외주면(42)의 사이로 도입된다. 이때, 상기 장착홈(40)의 일측면(41)과 몸체(51)의 일측면(53) 사이로 도입된 공기는 몸체(51)를 오일섬프 영역인 회전체(30)의 내부(31) 방향으로 가압하는 힘(FA1)을 발생시킨다. 이러한 축방향 가압력(FA1)은 결국, 몸체(51)의 타측면(54)을 장착홈(40)의 타측면(43)에 가압하여 마찰력을 증가시키는 힘으로 작용하게 된다. 따라서, 상기 축방향 가압력(FA1)이 클수록 상기 몸체(51)의 회전속도가 증가하게 된다.
또한, 상기 몸체(51)의 내주면(56)과 장착홈(40)의 외주면(42)의 사이로 도입된 공기는 몸체(51)의 탄성력과, 몸체(51)의 회전에 의한 원심력과 함께 상기 몸체(51)를 고정체(10)로 가압하는 반경방향 힘(FR1)을 발생시킨다. 이러한 반경방향 힘(FR1)은 몸체(51)의 외주면(57)을 상기 고정체(10)의 내주면(11)에 가압하여 몸체(51)의 외주면(57)과 고정체(10)의 내주면(11)의 마찰력을 증가시키는 힘으로 작용하게 된다. 즉, 몸체(51)는 축방향 힘(FA1)에 의해 회전속도가 증가하고, 반경방향 힘에 의해 마찰력이 증가하여 마모량이 극대화되게 되며, 이에 의해 실링부재(50)의 수명이 극히 짧아지게 된다. 이를 방지하기 위해, 관통로(55)와 외주 홈(58) 및 환형 원주홈(59)을 몸체(51)에 형성하였다.
상기 몸체(51)의 내주면(56)과 장착홈(40)의 외주면(42)으로 도입된 공기는 복수의 관통로(55)를 통해 복수의 외주홈(58) 각각으로 공급되고, 복수의 외주홈(58)으로 공급된 공기는 한 쌍의 환형 원주홈(59)을 통해 몸체(51)의 외주면(57) 전체에 분산되어 몸체(51)를 고정체(10)의 내주면으로부터 이격하는 방향으로 가압하는 힘(FR2)을 발생시키게 된다. 이러한 중심 방향의 힘(FR2)은 몸체(51)와 고정체(10) 사이의 마찰력을 감소시켜 몸체(51)의 마모량을 최소화할 수 있게 되고, 이에 의해 실링부재(50)의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
한편, 몸체(51)의 내주면(56)과 장착홈(40)의 외주면(42)으로 도입된 공기는 몸체(51)의 타측면(54)과 장착홈(40)의 타측면(43) 사이의 제 1 측면홈(44a) 및 제 2 측면홈(44b)으로 도입된다. 상기 제 1 및 제 2 측면홈(44a)(44b)으로 도입된 공기는 몸체(51)를 회전체(30)의 외부(32) 방향으로 가압하는 축방향 힘(FR2)으로 작용하게 되고, 이에 의해 몸체(51)와 회전체(30) 사이의 마찰력이 감소되고, 이에 의해 회전체(30)의 회전 속도에 대한 몸체(51)의 회전 속도를 줄일 수 있게 된다. 이와 같이, 회전속도가 감소함으로써, 실링부재(50)의 마모량을 줄일 수 있고, 이에 의해 실링부재(50)의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실링부재가 적용된 회전체 및 고정체를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 실링부재의 사시도,
도 3은 도 1에 도시된 실링부재의 측면도,
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ를 따라 절개한 단면도,
도 5는 도 1에 도시된 회전체의 요부를 개략적으로 나타낸 정면도,
도 6은 도 5에 도시된 회전체를 Ⅵ-Ⅵ을 따라 절개한 단면도,
도 7은 도 1에 도시된 실링부재가 장착된 상태를 확대 도시한 단면도이다.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
10; 고정체 30; 회전체
40; 장착홈 44; 측면홈
44a; 제 1 측면홈 44b; 제 2 측면홈
50; 실링부재 51; 몸체
55; 관통로 57; 외주면
58; 외주홈 59; 환형 원주홈

Claims (4)

  1. 고정체와 상기 고정체에 회전 가능하게 지지되는 회전체에 원주 방향으로 형성된 장착홈의 사이에 설치되어 상기 회전체의 내부의 오일이 상기 고정체와 상기 회전체의 사이의 갭을 통해 상기 회전체의 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 실링장치로서,
    외주면이 상기 고정체에 접촉되도록 상기 장착홈에 설치되는 환형의 몸체; 및
    상기 장착홈의 일측면과 상기 몸체의 일측면 사이의 간극과 상기 장착홈의 외주면과 상기 몸체의 내주면의 간극을 통해 유입되는 상기 회전체 외부의 공기가 상기 몸체의 타측면과 상기 장착홈의 타측면의 사이로 유입되도록 상기 몸체의 타측면 및 상기 회전체의 장착홈의 타측면 중 적어도 어느 하나의 면에 형성된 측면홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 실링장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측면홈은 복수개가 상기 장착홈의 타측면에 원주 방향으로 상호 이격되게 형성된 것을 특징으로 하는 실링장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 각 측면홈은,
    상기 장착홈의 외주면 방향으로 연장된 제 1 측면홈; 및
    상기 제 1 측면홈으로부터 상기 장착홈의 원주 방향으로 연장되어 형성된 제 2 측면홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 실링장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몸체는 카본실인 것을 특징으로 하는 실링장치.
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