KR20110038098A - 터빈 블레이드 피치 조절 장치 - Google Patents

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KR20110038098A
KR20110038098A KR1020117002580A KR20117002580A KR20110038098A KR 20110038098 A KR20110038098 A KR 20110038098A KR 1020117002580 A KR1020117002580 A KR 1020117002580A KR 20117002580 A KR20117002580 A KR 20117002580A KR 20110038098 A KR20110038098 A KR 20110038098A
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스베인 다그 헨릭센
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하이드라 타이덜 에너지 테크놀로지 에이에스
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Abstract

본 발명은 터빈 블레이드 피치 조절 장치에 관한 것으로서, 상기 터빈 블레이드 피치 조절 장치는 지지 부재(28)에 회전가능하게 연결된 터빈 블레이드에 연결하기 위해 터빈 블레이드 스핀들(14)을 포함한다. 액츄에이터(32)가 상기 터빈 블레이드 스핀들(14)에 연결되며 작동 부재(38)를 거쳐 상기 지지 부재(28)에 연결된다. 상기 액츄에이터(32)는 상기 터빈 블레이드 스핀들(14)을 스핀들 종축 주위로 회전시키도록 작동가능하며 이에 따라 터빈 피치 조절이 가능해진다. 상기 지지 부재(28)는 톱니형 아크(28)를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 톱니형 아크(28)는 기어 휠들을 거쳐 피치 조절 구동 유닛(18)에 연결된다. 본 발명은 예를 들어 신속한 터빈 페더링(feathering)에 적합한 보조 피치 조절 장치 및/또는 긴급 피치 조절 장치를 제공한다.

Description

터빈 블레이드 피치 조절 장치{DEVICE FOR CONTROLLING TURBINE BLADE PITCH}
본 발명은 다양한 피치 타입을 가진 터빈 시스템 및 특히 터빈 블레이드 피치를 조절하기 위한 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 조류(tidal current) 터빈 및 특히 조류 터빈 블레이드의 피치를 선택적으로 조절하기 위한 시스템에 관한 것이다.
통상, 가변 피치 터빈 블레이드 시스템(variable pitch turbine blade system)들에는, 구동 샤프트에 연결된 회전 허브에 장착된 복수의 터빈 블레이드가 일체로 구성된다. 각각의 터빈 블레이드는 블레이드의 종축을 따라 허브로부터 반경 방향으로 외부를 향해 연장된다. 피치 조절을 가능하게 하기 위하여, 각각의 블레이드는 블레이드 종축 주위로 피벗회전 운동을 위해 허브에 장착된다. 이 허브는 통상 허브 내부에 챔버를 포함하며, 터빈 블레이드에 작동가능하게 연결된 피치 변경 작동 시스템이 배열된다. 이 작동 시스템은 블레이드의 피치를 선택적으로 변경시키는 기능을 수행하며, 이에 따라 블레이드의 회전 운동에 대한 유체 저항을 변경시켜 구동 샤프트의 회전 속도를 조절한다.
물의 유동(예컨대, 조류)으로부터 전기에너지를 발생시키기 위한 발전소용 가변 피치 터빈 시스템의 경우, 물의 유동에 의해 터빈이 회전되고 이 회전 운동은 허브와 구동 샤프트를 거쳐 발전소의 발전기(generator)에 전달된다. 터빈 블레이드의 피치는 블레이드를 블레이드 종축 주위로 피벗회전 시킴으로써 조절되며, 이에 따라 물 유동 터빈이 유동 상태를 변경시키고 터빈의 시동을 보조하는 데 있어서 최대 효율로 수행할 수 있게 할 뿐만 아니라, 블레이드를 페더링(feathering) 함으로써 고속의 물 유동에서 터빈의 과속 작동이 방지된다.
종종, 물 유동으로부터 전기에너지를 발생시키기 위한 발전소는 발전기와 함께 조류와 같은 주된 유동을 가진 물 내에 잠긴 상태로 배열되는데, 물의 유동 방향은 특정 기간의 조수 간만 상태에서 바뀐다. 이러한 타입의 발전소용 가변 피치 터빈 시스템들에는, 종종, 각각의 개별 터빈 블레이드가 터빈 블레이드 종축 주위로 180° 회전될 수 있게 하는 피치 조절 시스템들이 장착된다. 때때로, 터빈 블레이드를 페더링할 필요가 생긴다. 이는 터빈의 과속 작동을 방지하거나 또는 발전소가 셧-다운되는 것을 방지하기 위해서일 수 있다.
본 발명의 목적은 신속하고 예측가능하며 안정적인 방식으로 터빈 블레이드 페더링 공정(feathering operation)을 수행하기 위한 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 터빈 블레이드 피치를 조절하기 위한 장치를 제공하는데, 상기 터빈 블레이드 피치 조절 장치는:
- 터빈 블레이드에 연결하기 위한 터빈 블레이드 스핀들(spindle)을 포함하고, 상기 터빈 블레이드 스핀들은 지지 부재(support element)에 회전가능하게 연결되고 터빈 블레이드의 종축과 나란하게 배열하기 위한 종축을 가지며;
- 상기 터빈 블레이드 스핀들에 연결되고 작동 부재(actuation element)를 거쳐 상기 지지 부재에 연결된 액츄에이터를 포함하고, 상기 액츄에이터는 접혀진 상태와 펼쳐진 상태 사이에서 작동가능하며, 상기 액츄에이터의 상기 작동은 상기 터빈 블레이드 스핀들을 스핀들 종축 주위로 회전하게 한다.
상기 작동 부재는 접혀진 상태와 펼쳐진 상태 사이에서 작동할 수 있는 것이 바람직하며, 상기 액츄에이터의 상기 작동은 상기 터빈 블레이드 스핀들을 스핀들 종축 주위로 회전하게 한다. 바람직한 구체예에서, 상기 터빈 블레이드 스핀들은 상기 액츄에이터에 연결하기 위해 연결 부재를 포함한다.
상기 연결 부재는 상기 액츄에이터에 연결하기 위해 제 1 피벗회전 연결 수단을 포함하며, 상기 지지 부재는 상기 액츄에이터에 연결하기 위해 제 2 피벗회전 연결 수단을 포함하는 것이 바람직하다.
바람직한 구체예에서, 상기 지지 부재는 톱니형 아크(toothed arc)를 포함하며, 이 톱니형 아크는 기어 휠과 베벨 기어를 거쳐 피치 조절 구동 유닛에 연결된다.
바람직한 구체예에서, 상기 액츄에이터는 유압 작동식 액츄에이터, 또는 솔레노이드 액츄에이터, 및/또는 하나 또는 그 이상의 폭발성 물질(explosive charge) 혹은 스프링을 가진 액츄에이터를 포함한다. 또한, 바람직한 구체예에서, 상기 액츄에이터는 상기 피치 조절 기어에 대해 독립적으로 작동될 수 있도록 구성된다. 또한 상기 액츄에이터는 상기 피치 조절 기어과 함께 공동으로(concurrently) 작동될 수 있도록 구성된다.
본 발명에 따른 장치는 수역(body of water)에 잠겨 있는(submerged) 발전기에서, 상기 잠겨 있는 발전기를 통과하여 흐르는 유동으로부터 전기를 발생시키기에 특히 유용하다.
본 발명의 상기 특징들과 그 외의 특징들은 첨부된 도면을 참조하여 비-제한적인 예로서 주어진 하기 바람직한 구체예를 기술한 설명으로부터 명백해 질 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 구체예를 예시하는 터빈 넛셀의 단면 입면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 구체예의 원리를 도식적으로 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 구체예를 도시한 투시도이다.
도 4는, 제 1 위치에 있는, 본 발명의 바람직한 구체예의 특정 구성요소들을 도시한 투시도이다.
도 5는, 제 2 위치에 있는, 본 발명의 바람직한 구체예의 특정 구성요소들을 도시한 투시도이다.
도 1은 넛셀(nacelle) 또는 하우징(10) 내에 일체로 구성된 본 발명의 바람직한 구체예를 도시한다. 구동 샤프트(12)가 한 단부에서는 터빈 허브(11)에 연결되고 다른 단부에서는 조류(tidal current) 또는 이와 비슷한 것과 같은 물의 유동으로부터 전기를 발생시키기 위한 발전기(도시되지 않음)에 연결된다. 예시된 구체예에서, 상기 터빈 허브는 두 개의 터빈 블레이드 스핀들(14)을 포함하는데, 일반적으로 터빈 블레이드(도시되지 않음)는 각각의 터빈 블레이드 스핀들(14)의 각각의 자유 단부(8)에 부착된다. 도시하는데 있어서 간결성을 위해 터빈 블레이드는 도면에 도시되어 있지 않지만, 당업자는 터빈 블레이드가 각각의 스핀들(14)에 부착되어 있으며, 스핀들의 종축이 터빈 블레이드의 종축과 나란하게 배열된다는 것을 이해할 것이다. 각각의 스핀들(14)은 상기 기술된 구체예에서 각각 외부 레이디얼 베어링(9)과 내부 베어링(7)에 의해 지지된다. 상기 내부 베어링(7)은 추력 베어링(thrust bearing)과 레이디얼 베어링(radial bearing) 조합일 수 있다. 상기 구체예에서, 이 베어링들은 물 윤활식(water lubricated) 베어링들이다.
또한, 도 1은 피치 조절 구동 유닛(18)을 예시하는데, 이 구동 유닛(18)은 통상적인 방식으로(유압작동식 또는 전기작동식으로) 터빈 피치 조절 기어(16)를 구동한다. 상기 피치 조절 기어(16)는 도 3에 더욱 상세하게 도시되어 있다.
도 3은 각각의 터빈 스핀들(14)용 크라운 휠(24)과 피니언 드라이브(22)를 포함하는 베벨 기어에 연결된 피치 조절 액슬(20)(도 3에는 도시되어 있지 않은 피치 조절구동 유닛(18)에 연결되어 있음)을 도시한다(오직 일부만이 도 3에 도시되어 있음). 각각의 크라운 휠(24)은 각각의 기어 휠(26)에 연결되며, 상기 각각의 기어 휠(26)은 각각의 톱니구성의(toothed) 원형 세그먼트 아크(28) 상에서 해당 톱니(29)와 맞물려 있는 톱니를 가지는데, 본 명세서에서는 상기 톱니구성의 원형 세그먼트 아크(28)를 톱니형 아크(28)로 언급한다. 당업자는, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도, 상기 톱니형 아크(28)가 완전한 원형 디스크를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 예시된 구체예에서, 톱니형 아크(28)는 일부분이 디스크 형태의 구조물을 포함하는데, 이 구조물은 구조물의 주변을 따라 톱니(29)와 내부 구획(33)에 의해 분리된 2개의 천공 측벽들을 가진다.
또한 도 3은 각각의 터빈 블레이드 스핀들(14)이 어떻게 각각의 톱니형 아크(28)에 회전가능하게 연결되는 지를 보여준다. 상기 터빈 블레이드 스핀들(14)은 상기 톱니형 아크(28) 내에 적절하게 구성된 지지 영역(31) 내에서 종축 주위로 회전할 수 있다. 상기 스핀들의 내측 단부(15)는 종래 기술에 공지된 방식으로(따라서 여기서는 도시되거나 논의되지 않음) 위에서 언급한 내부 베어링(7)에 의해 지지되고 상기 내부 베어링(7)에 연결된다.
연결 부재(36)가 상기 스핀들(14)에 부착되며, 이 연결 부재(36)는 예시된 구체예에서 톱니형 아크의 두 벽 부분들 사이에 위치된 지지 영역(31) 부근에서 상기 터빈 블레이드 스핀들(14)에 고정된 부재로서 도시된다. 상기 연결 부재(36)는 나사 또는 그와 비슷한 조임 수단에 의해 상기 스핀들(14)에 부착될 수 있거나, 또는 상기 연결 부재(36)는 상기 스핀들(14)과 일체형으로 형성될 수 있다. 액츄에이터(32)가 상기 연결 부재(36)에 피벗회전 가능하게 연결되며 이에 따라 상기 스핀들(14)에 연결된다. 상기 액츄에이터(32)는 액츄에이터 로드(38)(도 3에서 접혀진 상태로 도시됨)를 포함하는데, 이 액츄에이터 로드(38)는 액츄에이터 로드의 자유 단부에서 피벗 연결부(34)에 의해 톱니형 아크(28)에 연결된다(이 액츄에이터(32)에 대해서는 밑에서 더 상세하게 기술될 것이다).
터빈 블레이드 스핀들의 회전 위치 및 따라서 터빈의 피치는 피치 조절 구동 유닛(18)을 조절가능하게 작동시켜 이에 따라 피치 조절 액슬(20)을 회전시킴으로써 조절될 수 있다. 상기 피치 조절 액슬(20)의 회전 운동은 베벨 기어(22, 24)를 거쳐 개별 기어 휠(26)들과 각각의 톱니형 아크(28)에 전달된다. 톱니형 아크(28)가 액츄에이터(32)를 거쳐 (그리고 상기 액츄에이터(32)의 연결부(34, 35, 36)에 의해) 스핀들(14)에 연결되기 때문에, 상기 톱니형 아크의 회전 운동은 스핀들(14)에 직접 전달된다. 따라서, 상기 톱니형 아크(28)와 스핀들(14)은, 상기 액츄에이터(32)와 액츄에이터의 연결부(34, 35, 36)에 의해 톱니형 아크와 스핀들 사이에 형성된 단단한 연결에 의해, 하나의 단일 부재로서 작동한다.
상기 톱니형 아크(28)의 호 길이는 각각의 스핀들(14)이 스핀들 종축 주위로 회전가능한 범위를 결정하며 따라서 터빈 블레이드 피치 조절 범위를 결정한다. 따라서, 예시된 구체예에서, 톱니형 아크(28)의 호 길이로 인해 180°이상 회전할 수 있게 된다. 이는 예를 들어 조류에서 발생할 수 있는 역류(reversed currents)를 설명하기에 유용하다.
발전소가 작동 중이며 터빈이 높은 추력 하중(thrust load)을 받고 있을 때 터빈 블레이드 피치를 조절하기 위해서는, 톱니형 아크(28) 상의 톱니(29)들이 고강도의 재료들로 구성될 필요가 있다. 이는 도 3, 도 4 및 도 5에 예시되어 있는데, 여기서 톱니형 아크(28)의 양 단부 상에 있는 아크 영역(30)들은 Duplex(듀플렉스) 또는 이와 유사한 것과 같은 고강도 재료들을 포함한다.
예시된 구체예에서, 액츄에이터(32)는 접혀진 상태(도 4 참조)와 펼쳐진 상태(도 5 참조) 사이에서 작동될 수 있는 액츄에이터 로드(38)를 포함한다. 상기 액츄에이터(32)는 유압식으로 작동될 수 있으며, 이 액츄에이터(32) 내에서 상기 액츄에이터 로드(38)는 종래 기술에 공지된 방식으로 유압으로 조작하여 접혀지고 펼쳐진다. 대안의 구체예에서, 액츄에이터(32)는 솔레노이드 액츄에이터일 수 있으며, 전기적 임펄스에 의해 액츄에이터 로드(38)가 펼쳐지고 접혀진다. 명확하게 도시하기 위해 유압 선들과 컨트롤 선들은 도면에서 생략되었으며 이들의 특징들은 종래 기술에 공지되어 있다.
따라서, 스핀들(14)(및 이 스핀들(14)에 부착된 터빈 블레이드)이 액츄에이터(32)의 작동에 의해 스핀들 종축 주위로 회전될 수 있기 때문에, 액츄에이터(32)는 추가적인 피치 조절 장치로서 사용된다. 따라서, 액츄에이터(32)에 의한 상기 피치 조절은 구동 유닛(18), 베벨 기어(22, 24) 및 톱니형 아크(28)를 참조하여 위에서 기술한 피치 조절에 대해 독립적으로 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 액츄에이터(32)는 보조적인 피치 조절 장치로서 사용될 수 있다.
예시된 구체예에서, 액츄에이터(32)에 의해 수행되는 피치 조절 범위는 액츄에이터 로드(38)의 행정 길이, 터빈 블레이드 스핀들의 중심과 액츄에이터 연결 지점(35) 사이의 거리, 및 터빈 블레이드 스핀들의 중심과 톱니형 아크 연결 지점(34) 사이의 거리와 같은 수치 변수들에 의해 제한되는데; 이들은 각각, 도 2에서, 상기 행정 길이는 "S"로 표시되어 있고, 상기 터빈 블레이드 스핀들의 중심과 액츄에이터 연결 지점(35) 사이의 거리는 "a"로 표시되어 있으며, 상기 터빈 블레이드 스핀들의 중심과 톱니형 아크 연결 지점(34) 사이의 거리는 "b"로 표시되어 있다.
따라서, 액츄에이터(32)는, 예를 들어 톱니형 아크(28)가 도 3에 도시된 것과 같이 베벨 기어 장치에 의한 위치에 고정될 때 터빈 피치를 미세하게 조정하기(fine-tuning) 위한 수단으로서 사용될 수 있다. 두 개의 피치 조절 수단(예컨대, 회전 톱니형 휠(28)과 액츄에이터(32))은 서로에 대해 독립적으로 작동될 수 있으나, 또한, 이 두 피치 조절 수단은 함께 공동으로(concurrently) 작동될 수도 있다.
위에서 기술되고 도 3에 도시된 것과 같이, 상기 장치의 한 작동 모드에서, 피치는 구동 유닛(18), 베벨 기어(22, 24) 및 톱니형 아크(28)에 의해 조절된다. 이 구성에서, 액츄에이터(32)는 접혀진 상태에 고정되어 즉 액츄에이터 로드(38)가 액츄에이터 하우징 내부로 접혀지고, 피치 조절 액슬(20)의 회전 운동은, 위에서 설명한 것과 같이, 고정된 액츄에이터(32)를 거쳐 스핀들(14)로 직접 전달된다. 특정한 경우 하에서, 피치 조절을 수행하는 것이 바람직하거나 또는 필요할 수 있는데, 예를 들어, 터빈으로부터 추력 하중들을 실질적으로 제거하기 위해 터빈 블레이드를 페더링하는(feather) 것이 바람직하거나 또는 필요할 수도 있다. 이는, 예를 들어, 물의 유속이 허용 설계 변수들을 초과할 때 및/또는 피치 조절 기어(16) 또는 이와 결합된 구성요소들이 오작동하여 신속한 피치 조절이 추가로 필요한 상황일 때, 조력 발전소를 위한 경우일 수 있다. 따라서, 터빈 블레이드 스핀들(14)이 터빈 블레이드 스핀들의 종축 주위로 회전하기에 충분하도록, 액츄에이터(32)를 작동시키고 액츄에이터 로드(38)를 펼침으로써 이러한 피치 조절이 구현될 수 있다.
도 4는 접혀진 상태에 있는 액츄에이터 로드(38)와 액츄에이터를 도시하는 반면, 도 5에서는 펼쳐진 상태에 있는 액츄에이터 로드(38)를 예시한다. 액츄에이터(32)의 작동에 따른, 터빈 블레이드 스핀들의 종축 주위로의 스핀들 회전(및 이에 따라 터빈 블레이드 피치 조절)은 도 4와 도 5에서 도면부호("A")로 표시된다.
도 2에 표시된 변수들을 포함하여, 액츄에이터를 적절하게 수치화 함으로써, 액츄에이터를 작동시켜 터빈 블레이드를 페더링할 것이다. 또한 액츄에이터는 액츄에이터 로드(38)가 신속하게 전개되도록 구성될 수 있다. 따라서, 액츄에이터는, 단독의 작동 수단 또는 위에서 기술된 유압식 또는 전기식 작동 수단과 조합한 형태로서, 폭발성 물질 및/또는 스프링을 포함할 수 있다. 따라서, 액츄에이터(32)는 페더링 장치 및 긴급 페더링 장치로서 사용될 수 있다. 따라서 액츄에이터(32)는 피치 조절 기어(16)를 위한 보완 기능을 충족시키는 안전장치를 제공한다.
본 발명이 두 개의 터빈 블레이드 스핀들(14)을 포함하는 구체예에 대해 기술되었지만, 당업자는 본 발명이 그 외의 다른 수량과 구성을 가진 터빈 블레이드 스핀들에도 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (11)

  1. 터빈 블레이드 피치 조절 장치에 있어서,
    상기 터빈 블레이드 피치 조절 장치는:
    - 터빈 블레이드에 연결하기 위한 터빈 블레이드 스핀들(14)을 포함하고, 상기 터빈 블레이드 스핀들(14)은 지지 부재(28)에 회전가능하게 연결되고 터빈 블레이드의 종축과 나란하게 배열하기 위한 종축을 가지며;
    - 상기 터빈 블레이드 스핀들(14)에 연결되고 작동 부재(38)를 거쳐 상기 지지 부재(28)에 연결된 액츄에이터(32)를 포함하고, 상기 액츄에이터(32)는 상기 터빈 블레이드 스핀들(14)을 스핀들 종축 주위로 회전시키도록 작동가능한 터빈 블레이드 피치 조절 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 작동 부재(38)는 접혀진 상태와 펼쳐진 상태 사이에서 작동가능하며, 상기 액츄에이터(32)의 상기 작동은 상기 터빈 블레이드 스핀들(14)을 스핀들 종축 주위로 회전하게 하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 피치 조절 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 터빈 블레이드 스핀들(14)은 상기 액츄에이터(32)에 연결하기 위해 연결 부재(36)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 피치 조절 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 연결 부재(36)는 상기 액츄에이터(32)에 연결하기 위해 제 1 피벗회전 연결 수단(35)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 피치 조절 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 부재(28)는 상기 액츄에이터(32)에 연결하기 위해 제 2 피벗회전 연결 수단(34)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 피치 조절 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 부재(28)는 톱니형 아크(28)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 피치 조절 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 톱니형 아크(28)는 기어 휠(26)과 베벨 기어(22, 24)를 거쳐 피치 조절 구동 유닛(18)에 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 피치 조절 장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액츄에이터(32)는 유압 작동식 액츄에이터, 또는 솔레노이드 액츄에이터, 및/또는 하나 또는 그 이상의 폭발성 물질 혹은 스프링을 가진 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 피치 조절 장치.
  9. 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액츄에이터(32)는 상기 피치 조절 기어(16)에 대해 독립적으로 작동될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 피치 조절 장치.
  10. 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액츄에이터(32)는 상기 피치 조절 기어(16)과 함께 공동으로(concurrently) 작동될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드 피치 조절 장치.
  11. 수역(body of water)에 잠겨 있는(submerged) 발전기에서, 상기 잠겨 있는 발전기를 통과하여 흐르는 유동으로부터 전기를 발생시키기 위한, 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 터빈 블레이드 피치 조절 장치 사용법(use).
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