KR101944838B1 - 가스 터빈 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 프레임 - Google Patents
가스 터빈 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 프레임 Download PDFInfo
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Abstract
중간 지지 프레임(68)은, 지지 링의 길이의 중간의 위치에서, 가스 터빈 연소기 캡 어셈블리(24)의 지지 링(48)의 내경(inner diameter)에 걸쳐있다. 중간 지지 프레임은, 연소기 캡 어셈블리의 중앙 연료 사전-혼합 튜브(44)를 수용하는 중앙 포위부(72)를 가질 수 있고, 그리고 개별 외측 사전-혼합 튜브(42)를 각각 수용하는 외측 안정화 링들(70)의 원형 어레이를 더 가질 수 있다. 중앙 사전-혼합 튜브는 예를 들어, 용접에 의해 중앙 포위부(72)에 부착될 수 있다. 외측 사전-혼합 튜브들은 외측 안정화 링들(70) 내에 슬라이딩가능하게 맞물릴 수 있어서, 차등 열 팽창을 허용하면서 측방향 안정성을 제공한다. 중간 지지 프레임은 냉각제 통로를 위한 홀들(74), 및 지지 링(48)으로의 부착을 위한 주변부 탭들(76)을 가질 수 있다.
Description
본 출원은 출원일이 2011년 5월 20일인 미국 특허 출원 번호 제 61/488,204호를 우선권으로 주장하고, 상기 특허 출원은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 가스 터빈 연소기(gas turbine combustor) 캡 어셈블리(cap assembly)의 구조적인 양상들에 관한 것이다.
산업용 가스 터빈 엔진 연소 시스템은, 예를 들어 미국 특허 제 5,274,991호에 기술된 바와 같은 여러 개개의 연소 디바이스(combustion device) 어셈블리들을 포함할 수 있다. 이들 연소 디바이스 어셈블리들은 연료 및 산화제 공급부를 포함하고, 상기 연료 및 산화제 공급부는 연료 및 산화제 분사기 혼합 캐버티들(mixing cavities)의 하나 또는 다수의 세트로 구성될 수 있다. 이들 캐버티들은 사전-혼합 튜브(pre-mix tube)들로 지칭된다. 사전-혼합 튜브의 1차적인 목적은, 연소를 위해 정확하게 계측되고 그리고 혼합된 연료 및 산화제 비율을 공급하는 것이다. 사전-혼합 튜브들은 종종, 1차 공급 구조부로부터 캔틸레버형(cantilevered) 방식으로 지지되고, 그리고 유출판(effusion plate)으로 알려진 비교적 유연한 스크린(screen)을 통과한다. 사전-혼합 튜브들은 용접 접합부(weld joint)에서 힘을 받고(liberate), 그리고 상당한 다운스트림(downstream) 터빈 손상을 초래하는 것으로 알려져 있다.
본 연소 캡 내부의 구조적 프레임(structural frame)의 실시예들은 모든 사전-혼합 튜브들을 서로에 대해 그리고 주위의 지지 링(support ring)에 대해 구조적으로 안정화시킨다. 이러한 어레인지먼트는 캡 어셈블리 내에 개선된 안정성을 제공하고, 이에 의해 튜브들 및 지지 링 간의 과도한 상대적 변위들을 방지하고, 따라서, 원하지 않는 사전-혼합 튜브 동적 변위들 및 유출판 상의 결과적인 부하들을 감소시킨다. 본 내부의 구조적 프레임의 실시예들은 연소 시스템 강도 마진(margin)들 및 연소 시스템 동적 역량을 개선한다.
본 발명은 아래의 설명에서 도면들을 고려하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예들이 존재할 수 있는 예시적인 가스 터빈 엔진의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들이 존재할 수 있는 예시적인 연소기 캡 어셈블리의 다운스트림 단부의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예를 포함하는 도 2의 연소기 캡 어셈블리의 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 양상들에 따른 예시적인 중간 구조적 프레임의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 양상들에 따른 업스트림 플랜지(upstream flange)를 갖는 예시적인 외측 사전-혼합 튜브의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 양상들에 따른 업스트림 플랜지 및 중간 플랜지를 갖는 예시적인 중앙 사전-혼합 튜브의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들이 존재할 수 있는 예시적인 연소기 캡 어셈블리의 다운스트림 단부의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예를 포함하는 도 2의 연소기 캡 어셈블리의 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 양상들에 따른 예시적인 중간 구조적 프레임의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 양상들에 따른 업스트림 플랜지(upstream flange)를 갖는 예시적인 외측 사전-혼합 튜브의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 양상들에 따른 업스트림 플랜지 및 중간 플랜지를 갖는 예시적인 중앙 사전-혼합 튜브의 사시도이다.
본 발명자들은, 종래의 연소 캡 어셈블리들이, 사전-혼합 튜브들의 동적 반응으로 인해 사전-혼합 튜브들과 유출판 사이에 전달되는 부하들에 취약하다는 것을 인식하였다. 더욱이, 연소-유도 진동이 개개의 사전-혼합 튜브들 내에서 발생할 수 있어서, 사전-혼합 튜브 용접부들에서의 원하지 않는 피로 손상, 및 개개의 사전-혼합 튜브 힘작용(liberation)에 대한 가능성을 생성한다.
도 1은 예시적인 가스 터빈 엔진(20)의 개략도이며, 상기 가스 터빈 엔진(20)은 압축기(22), 연소기 캡 어셈블리들(24)로서 또한 알려진 연료 분사기 어셈블리들, 연소 챔버(combustion chamber)들(26), 트랜지션 덕트(transition duct)들(28), 터빈 섹션(turbine section)(30), 및 엔진 샤프트(engine shaft)(32) ― 상기 엔진 샤프트(32)에 의해 터빈(30)이 압축기(22)를 구동시킴 ― 를 포함한다. 여러 연소기 어셈블리들(24, 26, 28)은 캔-환형(can-annular) 설계의 원형 어레이(array) 내에 배열될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 캔-환형 설계 내에 배열된 연소기 어셈블리들(24, 26, 28)은 당업자들에 의해 인식되는 바와 같이 역류 연소기 어셈블리들이지만, 본 발명의 실시예들은 다양한 유형들의 연소기 어셈블리들에 적용될 수 있다. 동작 동안, 압축기(22)는 공기(33)를 흡입(intake)하고, 그리고 압축된 공기(37)의 흐름을, 확산기(34) 및 연소기 플리넘(plenum)(36)을 통해 연소기 유입구들(23)로 제공한다. 이러한 압축된 공기(37)는 또한, 연소 챔버들(26) 및 트랜지션 덕트들(28)을 위한 냉각제로서 기능한다. 어셈블리(24) 내 연료 분사기들(도시되지 않음)은 연료를 압축된 공기와 혼합한다. 이러한 혼합물은 연소 챔버(26) 내에서 태워져서 고온의 연소 가스(38)를 생성하고, 작용 가스로 또한 불리는 상기 연소 가스(38)는, 트랜지션 덕트(28)를 통과하여 트랜지션 덕트의 출구 프레임(40)과 터빈 유입구(29) 사이의 밀봉된 연결부를 통해 터빈(30)으로 전달된다. 확산기(34) 및 플리넘(36)은 엔진 샤프트(32) 둘레에서 환형으로 연장될 수 있다. 연소기 플리넘(36) 내 압축된 공기흐름(37)은, 연소 챔버(26) 내의 그리고 트랜지션 덕트(28) 내의 작용 가스(38)보다 더 높은 압력을 갖는다.
도 2는 중앙 사전-혼합 튜브(44)를 둘러싸는 외측 연료/공기 사전-혼합 튜브들(42)의 환형 어레이를 갖는 예시적인 연료 분사기 또는 연소기 캡 어셈블리(24)의 다운스트림 단부의 사시도이다. 완전히 어셈블링될 때, 연료 분사기들(도시되지 않음)은 이들 튜브들 내에 장착된다. 캡 어셈블리(24)는, 브래킷(bracket)들(52)에 의해 상호연결된 내측 및 외측 지지 링들(48, 50)을 포함할 수 있는 메인 지지 구조를 가질 수 있다. 튜브들(42, 44)의 다운스트림 단부는 유출판(54)에 의해 둘러싸일 수 있고, 상기 유출판(54)은 내측 링(48) 내부의 압축된 공기에 의한 유출 냉각을 위해 천공될 수 있고, 상기 압축된 공기는 천공들을 통해 연소 챔버(26) 내로 블리딩(bleed)된다. 환형 스프링 밀봉부(56)는 내측 지지 링(48)을 연소 챔버(26) 라이너(liner)에 연결하기 위해 내측 지지 링(48)의 다운스트림 단부를 둘러쌀 수 있다.
도 3은 본 발명의 양상들에 따른 중앙 사전-혼합 튜브(44)를 둘러싸는 원형 어레이 또는 예시적인 외측 연료/공기 사전-혼합 튜브들(42)을 포함할 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기 캡 어셈블리(24)의 측단면도이다. 연료 및 연소 공기의 흐름 방향(43)은 본 명세서에서 "업스트림" 또는 포워드(forward), 그리고 "다운스트림" 또는 후미(aft)의 의미를 판단하도록 표시된다. 완전히 어셈블링될 때, 연료 분사기들(도시되지 않음)은 이들 사전-혼합 튜브들(42, 44) 내에 장착된다. 각각의 사전-혼합 튜브(42, 44)는 연료 분사 소스를 개별적으로 격리시키기 위해 이용될 수 있어서, 연료 및 산화제의 조정된 혼합을 허용한다. 각각의 사전-혼합 튜브(42, 44)의 다운스트림 단부는 유출판(54)에 부착된 스프링 밀봉부(58) 내로 슬라이딩될 수 있다. 각각의 사전-혼합 튜브(42, 44)의 업스트림 단부는 예를 들어, 용접에 의해 1차 공급판(66)에 부착될 수 있다. 1차 공급판(66)은 내측 지지 링(48)의 업스트림 단부에 걸쳐 부착될 수 있다. 냉각제 유입구 홀들(67)은 압축된 공기(37)를 위해 내측 지지 링(48)에 제공될 수 있고, 상기 압축된 공기(37)는 유출판(54)의 천공들을 통해 빠져나갈 것이다.
도 3을 더 참조하면, 각각의 사전-혼합 튜브(42, 44)의 업스트림 단부는, 1차 공급판(66)에 대해 개별 사전-혼합 튜브들(42, 44)을 유지 및 정렬시키는 업스트림 플랜지(60, 62)를 가질 수 있다. 중앙 사전-혼합 튜브(44) 및/또는 다른 사전-혼합 튜브들(42)은, 튜브 길이의 중간의 위치에서 중간 구조적 프레임(68) 또는 보강 링(stiffening ring)에 대해 개별 사전-혼합 튜브를 정렬 및 유지시키는 중간 플랜지(64)를 가질 수 있다. 중앙 사전-혼합 튜브(44), 또는 각각의 사전-혼합 튜브(42, 44)는 예를 들어, 플랜지(64) 주변을 용접함으로써, 중간 구조적 프레임(68)에 부착될 수 있다.
도 3의 예시된 실시예에서, 중앙 사전-혼합 튜브(44)는, 중간 구조적 프레임(68)에 대해 놓이는 중간 플랜지(64)를 사용하여 중간 구조적 프레임(68)의 포위부(encirclement; 72)를 통해 삽입된다. 외측 사전-혼합 튜브들(42)은 반드시 중간 구조적 프레임(68)에 고정되는 것은 아니지만, 대신에 중간 구조적 프레임(68)의 안정화 링들(70)의 홀들 또는 개별 포위부들 내에서 슬라이딩가능하게 맞물릴 수 있다. 이러한 슬라이딩가능한(slidable) 맞물림은, 차등(differential) 열 팽창을 허용하면서, 외측 사전-혼합 튜브들(42)의 상대적인 측방향 움직임을 제한한다.
도 4는 본 발명의 양상들에 따른 가스 터빈 엔진을 위한 연소기 캡에 대한 예시적인 지지 프레임의 사시도이다. 예시적인 실시예에서, 일반적으로 평면형의 중간 구조적 프레임(68)은, 외측 사전-혼합 튜브들(42) 각각을 위한 개별 안정화 링 또는 포위부(70) 및 중앙 사전-혼합 튜브(44)를 위한 중앙 포위부(72)를 포함할 수 있다. 홀들(74)은 중량 감소 및 냉각제 통로를 위해 중간 구조적 프레임(68)의 부분들 내에 형성될 수 있다. 프레임(68)은 튜브들(42, 44)과 지지 링(48) 사이의 필요한 기계적인 상호연결을 제공하도록 내측 지지 링(48)에 부착을 위해 구성된다. 예시된 실시예에서, 주변부(perimeter) 탭들(76)은, 내측 지지 링(48)의 내측 표면에 프레임(68)을 부착하기 위해 중간 구조적 프레임(68)의 주변부 표면들 상에 형성된다.
예시된 기하학적 구조는 사전-혼합 튜브들(42, 44)의 각각을 위해 전체 포위부를 형성하는, 개별 홀을 갖는 임의의 프레임 또는 판의 예시이다. 다른 실시예들은 개별 튜브들 중 하나 이상의 튜브를 위해 하나 이상의 부분적인 포위부들을 포함할 수 있는데, 그 이유는 각각의 튜브가 흐름의 방향(43)에 수직인 평면의 2개의 움직임 축들을 따라 지지되는 한, 각각의 튜브의 전체 360° 지지는 필요하지 않기 때문이다. 지지 정도는 바람직하게, 피크 스트레스(peak stress)를 감소시키고 그리고 피로 수명을 연장시키도록 유익한 방식으로 튜브들 및 어셈블리의 동적 반응을 변경하기에 적합하다. 일반적으로, 지지 프레임의 실시예들은 내측 지지 링(48)(예시된 실시예에서 탭들(76))에 부착될 수 있는 주변 섹션, 및 주변 섹션에 부착되고 그리고 최소 2개의 포인트들(예시된 실시예에서 포위부들(70, 72))에서 각각의 튜브와 접촉을 이루는 내부 섹션을 포함할 수 있다. 연소기 캡 냉각제 유입구 홀들(67)(도 3) 중 몇몇 또는 모두는, 중간 구조적 프레임(68)의 업스트림일 수 있다. 만약 그러하다면, 도시된 바와 같은 냉각제 통로 홀들(74) 및/또는 다른 통과(pass-through) 보이드(void)들은, 특히 전체 포위부들이 각각의 튜브를 위해 이용되는 도 4와 같은 실시예들에서, 유출판(54)으로의 냉각제(37)의 통로를 제공하기 위해 필요할 수 있다. 당업자는, 적합한 기계적인 지지를 여전히 제공하면서, 튜브들과의 360°미만의 접촉을 제공하는 포위부들이 냉각제(37)의 흐름을 위해 증가된 영역을 제공할 수 있다는 것을 인식할 것이다.
도 5는 업스트림 플랜지(60)를 갖는 예시적인 사전-혼합 튜브(42)의 사시도이다. 도 6은 업스트림 플랜지(62) 및 중간 플랜지(64)를 갖는 예시적인 사전-혼합 튜브(44)의 사시도이다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본 명세서에서 도시되고 그리고 설명되지만, 이러한 실시예들은 단지 예시로만 제공된다는 것이 명백할 것이다. 많은 변형들, 변경들, 및 대체들이 본 명세서의 본 발명으로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 사상 및 범주에 의해서만 제한되도록 의도된다.
Claims (16)
- 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)의 연소 캡 어셈블리(combustion cap assembly)를 위한 구조적 지지부로서,
상기 연소 캡 어셈블리를 통한 연료 및 공기의 흐름의 방향에 대한 상기 연소 캡 어셈블리의 내측 지지 링의 업스트림 단부와 다운스트림 단부 사이의 중간 위치에서, 상기 내측 지지 링의 내경(inner diameter)에 걸쳐있는(spanning) 평면형의 프레임(frame);
상기 프레임 내에 형성되고, 그리고 연소 캡 어셈블리의 중앙 사전-혼합 튜브(pre-mix tube)를 수용하도록 구성된 중앙 포위부(encirclement); 및
상기 프레임 내에 형성된 외측 안정화 링(stabilization ring)들의 어레이(array) ― 각각의 안정화 링은 상기 연소 캡 어셈블리의 개별 외측 사전-혼합 튜브를 수용하도록 구성됨 ―
를 포함하고,
상기 각각의 안정화 링은, 상기 개별 외측 사전-혼합 튜브가 상기 내측 지지 링에 대하여 상기 흐름의 방향으로 차등 열 팽창(differential thermal expansion)하도록 상기 개별 외측 사전-혼합 튜브를 슬라이딩 가능하게 지지하는,
가스 터빈 엔진의 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 지지부. - 제 1 항에 있어서,
상기 중앙 포위부 및 상기 안정화 링들은 각각의 개별 튜브에 대해 360° 지지를 제공하는,
가스 터빈 엔진의 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 지지부. - 제 1 항에 있어서,
상기 중앙 포위부 및 안정화 링들 각각은 상기 사전-혼합 튜브들의 개별 사전-혼합 튜브를 수용하기 위해 상기 프레임 내에 형성된 개별 홀(hole)을 포함하는,
가스 터빈 엔진의 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 지지부. - 제 1 항에 있어서,
상기 중앙 포위부와 상기 외측 안정화 링들 사이에서 상기 프레임 내에 형성된 냉각제 통로
를 더 포함하는,
가스 터빈 엔진의 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 지지부. - 제 1 항에 있어서,
상기 안정화 링들 각각의 주변부(perimeter) 상에 형성된 탭(tab)
을 더 포함하는,
가스 터빈 엔진의 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 지지부. - 가스 터빈 엔진의 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 지지부로서,
연소 캡 어셈블리의 내측 지지 링에 부착하도록 구성된 주변 섹션(section); 및
상기 주변 섹션에 부착되고 그리고 상기 연소 캡 어셈블리의 복수의 사전-혼합 튜브들의 각각과 접촉을 이루기 위한 복수의 포위부들을 포함하는 내부 섹션
을 포함하고,
상기 내부 섹션은, 상기 연소 캡 어셈블리를 통한 연료 및 공기의 흐름의 방향에 대한 상기 내측 지지 링의 업스트림 단부와 다운스트림 단부 사이의 중간 위치에서, 상기 내측 지지 링의 내경에 걸쳐있고,
상기 포위부들은 상기 사전-혼합 튜브들 중 적어도 일부를 슬라이딩 가능하게 지지함으로써, 상기 사전-혼합 튜브들 중 적어도 일부가 상기 내측 지지 링에 대하여 상기 흐름의 방향으로 슬라이딩 가능하게 열 팽창할 수 있도록 하는,
가스 터빈 엔진의 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 지지부. - 제 6 항에 있어서,
상기 내부 섹션은, 상기 사전-혼합 튜브들 중 중앙에 배치된 사전-혼합 튜브에 대해 완전한 360° 지지를 제공하는 중앙에 위치된 홀을 더 포함하는,
가스 터빈 엔진의 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 지지부. - 제 7 항에 있어서,
상기 내부 섹션은, 상기 중앙에 위치된 홀 둘레에 배치되고 그리고 복수의 외측 사전-혼합 튜브들의 각각에 대해 완전한 360° 지지를 제공하는 홀들의 어레이를 더 포함하는,
가스 터빈 엔진의 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 지지부. - 제 6 항에 있어서,
상기 내부 섹션은,
상기 사전-혼합 튜브들 중 중앙에 위치된 사전-혼합 튜브에 대한 지지를 제공하기 위한 중앙에 위치된 포위부, 및
상기 사전-혼합 튜브들 중 외측의 사전-혼합 튜브들에 대한 지지를 제공하기 위한 상기 중앙에 위치된 포위부 둘레에 배치된 복수의 안정화 링들
을 더 포함하는,
가스 터빈 엔진의 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 지지부. - 제 9 항에 있어서,
상기 주변 섹션은 상기 안정화 링들의 각각의 주변부 상에 형성된 탭을 포함하는,
가스 터빈 엔진의 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 지지부. - 제 10 항에 있어서,
냉각제의 통로를 위해 상기 내부 섹션 내에 형성된 홀
을 더 포함하는,
가스 터빈 엔진의 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 지지부. - 제 9 항에 있어서,
상기 중앙에 위치된 포위부 및 상기 복수의 안정화 링들은 각각의 개별 사전-혼합 튜브에 대해 완전한 360° 지지를 제공하는,
가스 터빈 엔진의 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 지지부. - 제 12 항에 있어서,
냉각제의 통로를 위해 상기 내부 섹션 내에 형성된 홀
을 더 포함하는,
가스 터빈 엔진의 연소 캡 어셈블리를 위한 구조적 지지부. - 가스 터빈 연소 캡 어셈블리로서,
지지 링 ― 상기 지지 링은 상기 연소 캡 어셈블리를 통한 연료 및 공기의 흐름의 방향에 대한 상기 지지 링의 업스트림 단부와 다운스트림 단부 사이의 길이를 가짐 ―;
상기 지지 링의 상기 업스트림 단부를 가로지르는 1차 공급판;
복수의 사전-혼합 튜브들;
상기 지지 링의 다운스트림 단부를 가로지르는 유출판(effusion plate);
상기 지지 링의 길이의 중간의 위치에서 상기 지지 링에 고정되고 상기 지지 링의 내경에 걸쳐있는 중간 구조적 프레임
을 포함하고,
상기 복수의 사전-혼합 튜브들은 개별 업스트림 단부들을 가지며, 상기 복수의 사전-혼합 튜브들의 개별 업스트림 단부들은 상기 1차 공급판 내의 개별 홀들의 둘레에서 상기 1차 공급판에 고정되고,
상기 복수의 사전-혼합 튜브들은 개별 다운스트림 단부들을 가지며, 상기 복수의 사전-혼합 튜브들의 개별 다운스트림 단부들은 상기 유출판 내의 개별 홀들의 둘레에서 상기 유출판에 부착되고,
상기 중간 구조적 프레임은, 상기 흐름의 방향에 수직한 평면에서의 상기 사전-혼합 튜브들의 움직임들에 맞서 상기 사전-혼합 튜브들의 각각을 지지하고, 그리고 상기 사전-혼합 튜브들 중 적어도 일부가 상기 지지 링에 대하여 상기 흐름의 방향으로 슬라이딩 가능하게 움직이도록 상기 사전-혼합 튜브들 중 적어도 일부를 지지하는,
가스 터빈 연소 캡 어셈블리. - 제 14 항에 있어서,
상기 복수의 사전-혼합 튜브들은, 상기 중간 구조적 프레임에 고정된 중앙 사전-혼합 튜브; 및 상기 중앙 사전-혼합 튜브를 둘러싸는 외측 사전-혼합 튜브들의 원형 어레이를 포함하고,
상기 외측 사전-혼합 튜브들은 상기 중간 구조적 프레임에 의해 슬라이딩 가능하게 지지되는,
가스 터빈 연소 캡 어셈블리. - 제 15 항에 있어서,
상기 사전-혼합 튜브들의 개별 다운스트림 단부들은 상기 유출판 내의 개별 홀들의 둘레에서 상기 유출판에 부착된 개별 스프링 밀봉부들에 삽입되는,
가스 터빈 연소 캡 어셈블리.
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US13/238,403 | 2011-09-21 | ||
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