KR101305794B1 - 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신용 봉쇄 보호 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반경류 압축기 휠(3)을 가진 터보 머신에 관한 것이다. 압축기 하우징(8)은 외부 나선형 하우징(10) 및 내부 하우징 삽입물(12)로 형성된다. 노화에 의해, 압축기 휠(3)이 파손될 수 있다. 이상적인 경우에는 터보 머신의 봉쇄 보호를 위해, 파편들은 하우징 삽입물(12)에 의해 잡혀져야 한다. 압축기 휠(3)의 충돌하는 파편에 의해 충격 형태로 방출되는 힘으로 인해, 본 발명은 특히 교환 가능 부품으로 제공되는 내부 하우징 삽입물(12)의 특별한 구성을 제공함으로써, 파편들이 확실하게 그리고 저렴하게 터보 머신 내에 지지될 수 있다. 즉, 터보 머신의 봉쇄 보호가 보장된다.
압축기 휠, 터보 머신, 압축기 하우징, 외부 나선형 하우징, 내부 하우징 삽입물.
Description
도 1은 선행 기술에서 사용되는 바와 같은, 하우징 삽입물을 가진 반경류 압축기의 부분 종단면도.
도 2는 하우징 삽입물과 나선형 하우징 사이의 연결 지점에서 본 발명에 따른 반경류 압축기의 부분 종단면도.
도 3은 압축기 휠을 향한 하우징 삽입물 부분의 확대도.
도 4는 하우징 삽입물의 링형 웨브의 평면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1: 베어링 하우징 2: 샤프트
3: 압축기 휠 4: 허브
5: 블레이드 6: 외부 윤곽
7, 13: 내부 윤곽 8: 압축기 하우징
9: 유동 채널 10: 나선형 하우징
11, 14: 채널 섹션 12: 하우징 삽입물
15: 내부 실린더 16: 공동부
17, 18: 고정부 19: 벽
20: 피크 21: 갭
22: 고정 나사 23: 탄성 홈
24: 횡단면 25, 26: 리브
27: 웨브 28: 오목부
29: 공기 통과 채널 30: 하우징
본 발명은 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신, 및 터보 머신 내에 조립하기 위한 하우징 삽입물에 관한 것이다.
이러한 터보 머신, 예컨대 터보 과급기의 반경류 압축기의 기본 구성 및 동작 방식은 공지되어 있기 때문에, 여기서는 더 이상 상세히 설명되지 않는다. EP 1 233 190 A1은 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신을 개시한다.
바람직하지 않은 작동 조건 하에서 오랜 작동 후, 터보 머신의 압축기 휠은 부식, 침식 및 노화에 의해 매우 약해지기 때문에, 압축기 휠의 파열이 배제될 수 없다. 휠이 적어도 2개 또는 3개의 큰 부분으로 파괴되는 압축기 파손의 경우에, 개개의 파편들 큰 원심력에 의해 외부로 날아간다. 이 경우, 파편은 압축기 하우징으로부터 배출될 수 있다. 압축기 휠 블레이드가 완전히 파괴되고 남은 허브 바디가 베어링 하우징과 압축기 하우징 사이에 고착된다. 허브의 구조로 인해 쐐기 작용이 일어나고, 이 쐐기 작용은 충격 형태의 큰 축방향력을 하우징에 가한다. 압축기 휠의 파편들이 터보 머신으로부터 다른 기계 부품들을 배출시킬 수도 있고, 이는 심한 손상을 야기할 수 있다. 결과적으로, 손상의 경우 전체 터보 머신의 봉쇄 보호가 저하되는데, 이는 피해져야 한다.
나선형 하우징 외부에 있는 추가의 파열 보호 수단 없이 터보 머신의 봉쇄 보호를 보장하기 위해, EP 1 233 190 A1는 압축기 하우징을 외부 나선형 하우징 및 내부 하우징 삽입물로 2부분으로 형성하는 것을 제안한다. 내부 하우징 삽입물은 가요성 고정부에 의해 외부 나선형 하우징에 장착된다. 하우징 삽입물을 나선형 하우징에 고정하는데 사용되는 상기 가요성 고정부는 압축기 하우징의, 즉 터보 머신의 베어링 하우징에 있는 외부 나선형 하우징의 강성 고정부보다 파손에 대한 저항이 덜하게 형성된다. 이로 인해, EP 1 233 190 A1 호에 따른 선행 기술에 의해, 파열된 작동 휠의 파편 또는 부분 조각의 배출을 확실하게 방지할 수 있는 나선형 하우징이 제공된다. 파열된 압축기 휠의 파편의 운동 에너지는 터보 머신의 내부에서 완전히 변형 에너지 및 열로 변환될 수 있다.
그러나, EP 1 233 190 A1에 따른 터보 머신에서는, 하우징 삽입물과 나선형 하우징 사이에 복잡하고 비용이 많이 드는 고정부가 필요하다.
본 발명의 과제는 높은 봉쇄 보호를 보장하며 낮은 제조 비용으로 제조될 수 있는, 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신을 제공하는 것이다. 또한, 교환 가능 부품으로 제공되는 하우징 삽입물은 쉽게 장착될 수 있어야 한다.
상기 과제는 본 발명의 독립 청구항에 따른 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신 및 하우징 삽입물에 의해 달성된다. 종속 청구항은 본 발명의 바람직한 실시예를 제시한다.
본 발명에 따라, 외부 나선형 하우징과 내부 하우징 삽입물에 의해 압축기 하우징이 형성되는 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신이 제공된다. 하우징 삽입물은 공기 통과 채널을 형성하며, 상기 공기 통과 채널의 공기 유입부에 놓인 하우징 삽입물의 제1의 단부에는 하우징 삽입물을 나선형 하우징에 고정시키기 위한 고정 수단이 제공된다. 고정 수단은 예컨대 홀의 형태로 형성될 수 있다. 하우징 삽입물의 제2의 반대측 단부에는 지지 장치가 제공된다. 압축기 휠이 파열하는 경우, 압축기 휠의 파편은 내부 하우징 삽입물을 향해 날아간다. 이 때에 방출되는, 특히 개별 파편의 원심력은 본 발명에 따른 지지 장치에 의해 외부 나선형 하우징에 축방향 및 반경 방향으로 작용하는 압력으로 변환된다. 상기 압력에 의해 내부 하우징 삽입물이 외부 나선형 하우징 내에 고착된다.
바람직한 실시예에 따라, 지지 장치는 나선형 하우징 내에 고정을 위해 파열 압축기 휠에 의해 주로 또는 부분적으로만 반경 방향으로 외부를 향해 가압된다. 결과적으로 압축기 휠의 파열 시에 방출되는 힘에 의해 변형 섹션에서 내부 하우징 삽입물의 변형이 이루어진다. 상기 변형에 의해 내부 하우징 삽입물이 터보 머신의 외부 나선형 하우징 내에 고착된다. 이러한 고착 작용을 구조적으로 실현하기 위해, 한편으로는 압축기 휠의 파열에 의해 방출되는 에너지가 가급적 많이 변형 에너지로 변환되고 다른 한편으로는 나선형 하우징과 하우징 삽입물 간의 고착이 지지 장치에 의해 규정된 방식으로 일어나도록 특별한 변형 섹션들이 제공된다. 그러나, 이 변형 섹션은 외부 나선형 하우징 내에만 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 나선형 하우징에는 고정 장치가 예컨대 하우징 삽입물의 지지 장치가 고착되는 오목부의 형태로 제공된다. 고정 장치는 충격 형태로 방출되는 힘에 의해 그 파손이 배제되도록 형성된다.
고착과 변형의 조합은 상기 방출되는 에너지의 효율적인 흡수, 및 상기 방출되는 에너지의 변형 에너지와 열 에너지로의 변환을 가능하게 한다. 이로 인해, 선행 기술에 비해, 터보 머신의 봉쇄 보호를 위한 결정적인 장점이 얻어진다. 압축기 휠의 파열 시에 내부 하우징 삽입물의 위치가 변하면, 하우징 삽입물이 외부 나선형 하우징 내에서 동일한 장소에 머문다. 따라서, 결과적으로, 압축기 휠의 파편이 터보 머신의 내부를 벗어나지 않고 터보 머신의 다른 부분이 충격력에 의해 터보 머신으로부터 날아가지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 지지 장치가 링형 웨브의 형태로 하우징 삽입물의 외부면에 형성된다. 외부 나선형 하우징 내의 오목부은 고정 장치를 형성한다. 오목부은 하우징 삽입물을 향한 나선형 하우징의 측면 상에 제공된다. 압축기 휠이 파괴되면, 링형 웨브가 하우징 삽입물의 외부면으로부터 외부로 가압되고 나선형 하우징의 오목부 내에 고착된다. 웨브와 오목부는 형상 맞춤(form-fit)식으로 서로 고착되고 압축기 휠의 파손에 의해 방출되는 모든 힘은, 이전에 변형 및 열 에너지로 변환되지 않았다면 나선형 하우징을 통해 방출된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라 링형 웨브는 하우징 삽입물의 중심축에 대해 평행하게 연장되고, 웨브의 자유 단부는 공기 유입 개구의 방향을 가리키고, 압축기 휠의 파열에 의해서야 고정을 위해 외부를 향해 나선형 하우징의 오목부 내로 가압된다.
상기 실시예에 따라 내부 하우징 삽입물을 어려움 없이 외부 나선형 하우징 내로 조립하는 것이 가능하다. 왜냐하면 링형 웨브는 나선형 하우징에 대한 형상 맞춤식 조립을 위해 사용되는 하우징 삽입물의 외주 섹션의 편평한 연장부를 형성한다. 따라서, 나선형 하우징을 분해할 필요없이 하우징 삽입물을 분해하는 것이 가능하다. 이는 특히 하우징 삽입물이 예컨대 침식으로 인해 마모되어 때때로 교환되어야 하는 교환 가능 부품이기 때문에 바람직하다. 따라서, 본 발명에 따른 터보 머신은 수리가 용이하고 저렴하게 유지 관리될 수 있다.
내부면에서, 즉 압축기 휠을 향한 측면에서 하우징 삽입물의 구조로 인해, 링형 웨브는 압축기 휠의 파열 시에야 고정을 위해 오목부 내로 가압된다. 이러한 구성은 베이요넷 연결에 비해, 나선형 하우징의 종방향으로 밀링 홈이 제공되지 않아도 되기 때문에 하우징 삽입물의 중심축에 대해 평행하지 않은 웨브를 가진 하우징 삽입물이 나선형 하우징 내로 조립될 수 있다는 점에서 바람직하다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라, 링형 웨브는 하나 이상의 탄성 홈을 갖는다. 상기 탄성 홈에 의해, 링형 웨브의 반경 방향 변형을 제어하는 것이 가능해진다. 압축기 휠의 파열 시에 링형 웨브가 나선형 하우징의 오목부 내로 휘어짐으로써, 링형 웨브의 횡단면이 변한다. 링형 웨브의 원주 상에 규칙적인 간격으로 탄성 홈을 형성함으로써, 탄성 홈에 의해 세분된 웨브의 다른 세그먼트에 영향을 주지 않으면서 링형 웨브가 휘어질 수 있다. 탄성 홈들은 바람직하게는 웨브의 자유 단부로부터 그 재료 내로 연장되는 통로 홈이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라 내부 하우징 삽입물은 그 외부면에, 하우징 삽입물의 내부 윤곽으로부터 웨브로의 힘 전달을 위한 예컨대 리브 형태의 하나 이상의 전달 부재를 포함한다. 압축기 휠의 파열이 하우징 삽입물을 변형시키는 것이 아니라, 웨브를 규정된 방식으로 외부 나선형 하우징의 오목부 내로 가압하기 위해, 상기 전달 부재는 하우징 삽입물의 축방향으로 웨브와 하우징 삽입물의 외부면 사이에 제공된다. 바람직하게는 전달 부재가 링형 웨브 상에 수직으로 놓이고, 압축기 휠을 향한 하우징 삽입물의 부분과 웨브 사이에 브리지를 형성한다. 전달 부재들은 바람직하게는 웨브에 균일하게 분포됨으로써, 상기 탄성 홈에 의해 형성되는 각각의 웨브 섹션에는 하나 이상의 전달 부재가 제공된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라, 오목부는 외부 나선형 하우징 내의 변형 섹션에 형성된다. 변형 섹션으로는 나선형 하우징의 리브가 사용될 수 있어서, 나선형 하우징의 리브 내로 맞물릴 때 외부 나선형 하우징의 일부, 즉 리브 자체가 변형될 수 있고, 따라서 파열 압축기 휠의 에너지가 변형 에너지로 변환될 수 있다. 또한, 상기 조치에 의해 더 많은 리브가 제공되면, 나선형 하우징의 중량이 감소된다.
본 발명에서 언급되는 회전하지 않는 부품에는 5% 이상의 파괴 연신율을 가진 재료가 사용된다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 상세히 설명한다.
도 1은 선행 기술에 따른 반경류 압축기의 부분 종단면도를 도시한다. 상기 도면에 기초되는 배기가스 터보 과급기는 그 중간 종방향 영역에서 베어링 하우징(1)에 지지된 샤프트(2)를 가지며, 상기 샤프트는 상기 베어링 위로 돌출한 단부에 도시 생략한 터빈 휠 및 도 1에 개략적으로 도시한 반경류 압축기 휠(3)을 지지한다.
상기 도시된 압축기 휠(3)은 터빈 휠에 의해 구동되는 샤프트(2) 상에 회전 가능하게 수용된 허브(4)를 갖는다. 상기 허브(4)는 둘레에 반경 방향으로 돌출한 블레이드(5)를 갖는다. 상기 허브(4)의 외부 윤곽(6)은 압축기 하우징(8)의 내부 윤곽(7)과 함께 축방향(A)으로부터 반경 방향(B)으로 방향 전환되고 외부를 향해 좁아지는 유동 채널(9)을 형성한다. 상기 유동 채널의 횡단면은 블레이드(5)의 구성에 상응한다. 압축기 하우징(8)은 강성 고정부(18)에 의해 베어링 하우징(1)에 고정된다. 허브(4)와 블레이드(5)의 직경은 유동 입구로부터 유동 출구를 향해 증가됨으로써, 압축기 휠(3)의 길이에 걸쳐 커지는 질량 분포가 나타난다.
압축기 하우징(8)은 강성 고정부(18)에 의해 베어링 하우징에 고정된 외부 나선형 하우징(10), 및 내부 하우징 삽입물(12)로 구성된다. 상기 나선형 하우징(10)은 반경 방향(B)으로 외부로 향한 유동 채널(9)의 채널 섹션(11)을 포함한다. 상기 하우징 삽입물(12)은 나선형 하우징(10)과 압축기 휠(3) 사이에 반경 방향(B)으로 제공되며 그 내부 윤곽(13)은 압축기 휠(3)의 허브(4)의 외부 윤곽(6)과 함께 실질적으로 축방향(A)으로 연장되는 유동 채널(9)의 채널 섹션(14)을 형성한다.
도 2는 도 1에 도시된 선행 기술의 나선형 하우징의 섹션 및 하우징 삽입물에 대해 본 발명에 따라 변형된 사항을 도시한다. 복잡하고 비용이 많이 드는 나사 구성에 의해 구현되었던 도 1의 고정부(17)는 생략될 수 있고 DIN 규격의 고정 나사(22)로 대체된다. 하우징 삽입물의 하우징(30)에는 링형 웨브(27)가 장착되며, 이 링형 웨브는 하우징 삽입물의 종방향 중심축에 대해 평행하게 연장한다. 링형 웨브(27)는 원주 방향으로 리브(25)에 의해 다시 지지되고, 이 리브(25)는 압축기 휠(3)을 향한 내부 윤곽으로부터 링형 웨브로의 힘 전달에 사용된다.
링형 웨브와의 맞물림 시에 변형되는 리브(26)가 나선형 하우징(11)에 제공된다. 나선형 하우징 내의 리브는 오목부(28)를 가지며, 이 오목부(28)는, 압축기 휠(3)이 파열될 때 오목부(28) 내에서 링형 웨브(27)가 변형됨으로써 하우징 삽입물이 전체적으로 적합하게 제동되고 나선형 하우징 내에 지지되도록, 형성된다. 오목부의 형상은, 바람직하게는 오목부가 파손되는 것이 아니라, 나선형 하우징의 특히 변형 가능한 리브에서의 힘의 프로파일이 가능한 한 압축기 휠의 파열에 의해 생긴 힘을 나선형 하우징에 의해 흡수할 수 있도록 선택되게 형성된다.
도 3은 도 2의 부분 X, 즉 하우징 삽입물(12)의 링형 웨브(27)를 도시한다. 도 4는 도 3의 평면도를 도시한다. 도 4에는 웨브의 자유 단부로부터 재료 내로 연장되는 탄성 홈(23)이 나타난다. 탄성 홈은 링형 웨브를 완전히 분리함으로써, 탄성 홈에 의해 분할된 링형 웨브의 개별 세그먼트들이 상부로 휘어질 수 있다.
본 발명에 따른 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신에 있어서, 노화에 의해 압축기 휠이 파손되더라도, 특히 교환 가능 부품으로 제공되는 내부 하우징 삽입물의 특별한 구성을 제공함으로써, 파편들이 확실하게 그리고 저렴하게 터보 머신 내에 지지될 수 있다. 즉, 터보 머신의 봉쇄 보호가 보장된다.
Claims (15)
- 반경류 압축기 휠(3)을 포함하고, 이 압축기 휠(3)은 베어링 하우징(1) 내에 지지된 샤프트(2) 상에 수용되는 한편, 유동 채널(9)을 가진 압축기 하우징(8) 내에 배치되고, 상기 압축기 휠(3)의 허브(4)의 외부 윤곽(6)과 상기 압축기 하우징(8)의 내부 윤곽(7)은 축방향으로부터 반경 방향으로 방향 전환되는 유동 채널(9)을 형성하고, 상기 압축기 하우징(8)은 하나 이상의 외부 나선형 하우징(10)과 내부 하우징 삽입물(12)을 가지며, 상기 내부 하우징 삽입물(12)은 공기 통과 채널(29)을 형성하고, 상기 공기 통과 채널(29)의 공기 유입부에 놓인 상기 내부 하우징 삽입물(12)의 제1의 단부에는 상기 외부 나선형 하우징(10)에 상기 내부 하우징 삽입물(12)을 고정하기 위한 고정 수단이 제공되는, 터보 머신에 있어서,상기 내부 하우징 삽입물(12)의 제2의 반대측 단부에는 지지 장치(27)가, 상기 압축기 휠(3)의 파열 시에 상기 내부 하우징 삽입물(12)이 지지 장치(27)를 통해 상기 외부 나선형 하우징(10) 상으로 가해지는 압력에 의해 외부 나선형 하우징(10) 내에 고착되도록, 형성되는 것을 특징으로 하는 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신.
- 제1항에 있어서, 상기 지지 장치(27)는 상기 외부 나선형 하우징(10) 내에 고정되도록 파열된 압축기 휠(3)에 의해 반경 방향으로 외부를 향해 가압되는 것을 특징으로 하는 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 외부 나선형 하우징(10)에는, 상기 압축기 휠(3)의 파열에 의해 야기되는 상기 외부 나선형 하우징(10)과 상기 내부 하우징 삽입물(12)의 고착을 지지하기 위해 고정 장치(28)가 제공되는 것을 특징으로 하는 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신.
- 제3항에 있어서, 상기 외부 나선형 하우징(10) 및 상기 내부 하우징 삽입물(12) 중 하나 이상은 상기 압축기 휠(3)의 파열 시에 방출되는 에너지를 적어도 부분적으로 변형 에너지로 변환시키기 위해 변형 섹션(25, 26)을 구비하는 것을 특징으로 하는 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신.
- 제4항에 있어서, 상기 지지 장치(27)는 상기 내부 하우징 삽입물(12)의 외부면에 있는 링형 웨브이고, 상기 고정 장치(28)는 상기 외부 나선형 하우징(10) 내의 오목부인 것을 특징으로 하는 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신.
- 제5항에 있어서, 상기 링형 웨브(27)는 상기 내부 하우징 삽입물(12)의 중심 축에 대해 대체로 평행하게 연장하고, 상기 압축기 휠(3)의 파열 시에 상기 웨브(27)의 변형 및 상기 내부 하우징 삽입물(12)의 다른 부분의 변형 중 하나 이상에 의해 오목부(28) 내로 고정되도록 가압되는 것을 특징으로 하는 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신.
- 제5항에 있어서, 상기 링형 웨브(27)는 이 링형 웨브(27)의 반경 방향 변형을 가능하게 하기 위해 하나 이상의 탄성 홈(23)을 갖는 것을 특징으로 하는 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신.
- 제5항에 있어서, 상기 내부 하우징 삽입물(12)은 외부면에, 내부 윤곽(13)으로부터 상기 링형 웨브(27)로의 힘 전달을 위한 하나 이상의 전달 부재(25)를 구비하는 것을 특징으로 하는 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신.
- 제5항에 있어서, 상기 오목부(28)는 상기 외부 나선형 하우징(10)의 상기 변형 섹션(26) 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신.
- 제5항에 있어서, 상기 변형 섹션은 상기 외부 나선형 하우징(10)의 리브(26)의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 반경류 압축기 휠을 가진 터보 머신.
- 반경류 압축기 휠(3)을 가진 터보 머신의 압축기 하우징(8)의 내부 부품으로서 나선형 하우징(10)에 장착하기 위한 하우징 삽입물(12)로서,상기 하우징 삽입물(12)은 횡단면으로 볼 때 내부 공간을 가진, 양 측면이 개방된 관형 하우징(30)이며, 상기 내부 공간은 공기 통과 채널(29)을 형성하고, 상기 관형 하우징(30)의 외부면은 나선형 하우징(10)에 형상 맞춤(form-fit)식으로 장착하도록 형성되며, 상기 공기 통과 채널(29)의 공기 유입부에 놓인 상기 관형 하우징(30)의 제1의 단부에는 상기 나선형 하우징(10)에 상기 하우징 삽입물(12)을 고정하기 위한 고정 수단이 제공되는, 하우징 삽입물에 있어서,상기 하우징(30)의 제2의 반대측 단부에는 지지 장치(27)가 터보 머신의 압축기 휠의 파열시에 상기 나선형 하우징(10) 내에 고정되도록 반경 방향으로 외부를 향해 가압되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 하우징 삽입물.
- 제11항에 있어서, 상기 지지 장치가 상기 관형 하우징(30)의 외부면에 링형 웨브(27)인 것을 특징으로 하는 하우징 삽입물.
- 제12항에 있어서, 상기 링형 웨브(27)는 상기 관형 하우징(30)의 중심축에 대해 대체로 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 하우징 삽입물.
- 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 링형 웨브(27)는 상기 웨브(27)의 반경 방향 변형을 가능하게 하기 위해 축 방향으로 하나 이상의 탄성 홈(23)을 갖는 것을 특징으로 하는 하우징 삽입물.
- 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 하우징 삽입물(12)은 내부 윤곽(13)으로부터 상기 하우징 삽입물(12)의 외부면에 있는 상기 링형 웨브(27)로의 힘 전달을 위한 하나 이상의 전달 부재(25)를 가지며, 상기 전달 부재(25)는 상기 웨브(27) 상에 대체로 수직으로 놓이는 것을 특징으로 하는 하우징 삽입물.
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