WO2020021866A1 - ティルティングパッド型ジャーナル軸受及びそれを用いた回転機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、ティルティングパッド型ジャーナル軸受に供給された潤滑油を、効率よくティルティングパッド型ジャーナル軸受の冷却に使用する共に、潤滑油の排出性を向上させたティルティングパッド型ジャーナル軸受とそれを用いた回転機械を提供する。そして、本発明のティルティングパッド型ジャーナル軸受は、回転軸の周方向に、回転軸を支持する複数のティルティングパッドと、ティルティングパッドを搖動可能に収容する環状のハウジングと、ハウジングの軸方向の両端部に設置されるサイドプレートと、を有し、ティルティングパッドは、ティルティングパッドの内周面であって、前記回転軸の回転方向に対して上流側となる前縁部に、回転軸の回転方向におけるティルティングパッドの中心部分に所定の幅の平面部と、平面部の端部から回転軸の軸方向の両端に向かうにつれて、回転軸の表面と前記ティルティングパッドの表面との間隙が広がる勾配となり、回転軸の周方向におけるティルティングパッドの中心部分に向かうにつれて、回転軸の表面とティルティングパッドの表面との間隙が狭まる勾配となるテーパとを有することを特徴とする。

Description

ティルティングパッド型ジャーナル軸受及びそれを用いた回転機械

　本発明は、ティルティングパッド型ジャーナル軸受及びそれを用いた回転機械に関する。

　本技術分野の背景技術として、特開２０１４‐１５６９０３号公報（特許文献１）がある。この公報には、軸受パッドは、軸線回りに回転する回転軸の外周面との隙間に潤滑油を介在させて、回転軸を外周側からパッド支持面によって支持するパッド本体を備え、パッド支持面の回転軸の回転方向前方側における軸線方向両側の両縁部の少なくとも一方が、回転方向前方側に向かうにしたがって軸線方向両側の両縁部の他方に近接するように形成されていることが記載されている。

　また、本技術分野の背景技術として、特開２０１５‐０３１３７２号公報（特許文献２）がある。この公報には、荷重分担に関与しないパッドにおいて、高温油の排出を促進することにより、軸受メタルの温度上昇を抑制することが記載されている。具体的には、ティルティングパッド軸受装置は、荷重を分担する下半部のティルティングパッドの摺動面に潤滑油を供給する給油構造を有し、荷重を分担しない上半部のティルティングパッド摺動面には軸受装置の側面側に潤滑油を排出する潤滑油排出構造を有することが記載されている。

特開２０１４‐１５６９０３号公報 特開２０１５‐０３１３７２号公報

　前記特許文献１及び前記特許文献２には、軸受パッドやティルティングパッド軸受装置（ティルティングパッド型ジャーナル軸受）が記載されている。しかし、前記特許文献１及び前記特許文献２に記載されるティルティングパッド型ジャーナル軸受は、高温となった潤滑油を効率的に排出することや高温となった潤滑油の排出を促進することが記載されているに過ぎない。

　すなわち、ティルティングパッド型ジャーナル軸受に供給された潤滑油を、効率よくティルティングパッド型ジャーナル軸受の冷却に使用する共に、潤滑油の排出性を向上させたティルティングパッド型ジャーナル軸受については言及されていない。

　そこで、本発明は、ティルティングパッド型ジャーナル軸受に供給された潤滑油を、効率よくティルティングパッド型ジャーナル軸受の冷却に使用する共に、潤滑油の排出性を向上させたティルティングパッド型ジャーナル軸受とそれを用いた回転機械を提供する。

　上記課題を解決するために、本発明のティルティングパッド型ジャーナル軸受は、回転軸の周方向に、回転軸を支持する複数のティルティングパッドと、ティルティングパッドを搖動可能に収容する環状のハウジングと、ハウジングの軸方向の両端部に設置されるサイドプレートと、を有し、ティルティングパッドは、ティルティングパッドの内周面であって、前記回転軸の回転方向に対して上流側となる前縁部に、回転軸の回転方向におけるティルティングパッドの中心部分に所定の幅の平面部と、平面部の端部から回転軸の軸方向の両端に向かうにつれて、回転軸の表面と前記ティルティングパッドの表面との間隙が広がる勾配となり、回転軸の周方向におけるティルティングパッドの中心部分に向かうにつれて、回転軸の表面とティルティングパッドの表面との間隙が狭まる勾配となるテーパとを有することを特徴とする。

　そして、本発明の回転機械は、本発明のティルティングパッド型ジャーナル軸受を用いるものである。

　本発明によれば、ティルティングパッド型ジャーナル軸受に供給された潤滑油を、効率よくティルティングパッド型ジャーナル軸受の冷却に使用する共に、潤滑油の排出性を向上させたティルティングパッド型ジャーナル軸受とそれを用いた回転機械を提供することができる。

　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本実施例に係る遠心多段圧縮機の全体構成を説明する説明図である。 本実施例に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受の断面図である。 本実施例に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受の部分（前縁部）断面図である。 本実施例に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受の部分（後縁部）断面図である。 本実施例に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受の潤滑油の流れを示した説明図である。 本実施例に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受の潤滑油の内周面側の流れを示した説明図である。

　以下、実施例を、図面を用いて説明する。なお、同一の構成には同一の符号を付し、重複する部分は、その説明を省略する場合がある。

　蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機、発電機などの回転機械においては、その回転軸を回転自在に支持するために、ティルティングパッド型ジャーナル軸受（以下「軸受」と省略して使用する。）が用いられることが多い。

　図１は、本実施例に係る遠心多段圧縮機の全体構成を説明する説明図である。

　本実施例では、本実施例に記載する軸受を遠心多段圧縮機に適用する場合を説明する。

　本実施例に記載する圧縮機１００は、作動流体として炭酸（以下ＣＯ２と表記する）用の遠心多段圧縮機である。この遠心多段圧縮機は、回転軸８に複数の羽根車４０が設置される。

　本実施例に記載する圧縮機１００は、羽根車４０（羽根車４１、羽根車４２、羽根車４３、羽根車４４、羽根車４５）が５段に設置される。

　初段の羽根車４１と最終段の羽根車４５との間には、ＣＯ２を、一度、機外へ排出する吐出流路５０ｂと、初段の羽根車４１と最終段の羽根車４５との間には、排出されたＣＯ２を、再度、機内へ注入する吸込流路５０ｃとが設置される。つまり、本実施例に記載する圧縮機１００では、羽根車４３と羽根車４４との間に、吐出流路５０ｂ及び吸込流路５０ｃが設置される。

　羽根車４３と羽根車４４との間、つまり、吐出流路５０ｂと吸込流路５０ｃとの間には、流路を形成する中間ダイアフラム６０が設置される。

　そして、最終段の羽根車４５の後段には、バランスシール２０が設置される。

　なお、ケーシング９０は、圧縮機１００の外郭を形成する静止体である。複数段（本実施例では５段）の羽根車４０は、回転軸３に設置され、その回転によってＣＯ２を圧縮するものである。

　また、羽根車４１、羽根車４２、羽根車４３によって昇圧され、温度が上昇したＣＯ２は、圧縮の効率を上げるために、吐出流路５０ｂを介して、一度、圧縮機１００外へ排出され、ガスクーラ（図示なし）を通して冷却された後、吸込流路５０ｃを介して、再度、圧縮機１００内へ注入され、羽根車４４、羽根車４５によって昇圧される。

　中間ダイアフラム６０には、中間ステージラビリンス７０が設置される。中間ステージラビリンス７０は、回転体である羽根車４３と静止体である中間ダイアフラム６０との間に生じる隙間に流れる漏れ流量を低減する目的で設置される。

　そして、回転軸８には、軸受（ティルティングパッド型ジャーナル軸受）８０が設置される。本実施例に記載する軸受８０を回転機械１００に用いることにより、回転機械１００に供給する潤滑油の量を低減（潤滑油の供給装置の小型化を実現）することができる。
また、回転機械１００の高速化や高効率化が実現できる。

　図２は、本実施例に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受の断面図である。

　この軸受８０は、回転軸８の周方向に、回転軸８を支持する複数のティルティングパッド（以下「パッド」と省略して使用する。）１と、パッド１の外周を保持し、搖動可能に収容する環状のハウジング２と、パッド１をハウジング２の軸方向（回転軸３の軸方向と同様の方向。図２上、紙面に対して垂直方向）に保持し、ハウジング２の軸方向の両端部に設置されるサイドプレート３（図３又は図４参照）と、を有する。

　パッド１の外周面にはピボット４が設置され、潤滑油の油膜の圧力分布に応じて、パッド１が傾斜し、高い安定性を有する。このため、高負荷・高速回転の回転機械で広く採用されている。

　ピボット４を有するパッド１は、揺動可能であり、パッド１が傾斜し、姿勢を自動的に調整する機能を有する。そして、本実施例では、パッド１が４つ設置される場合を示しているが、それぞれのパッド１が独立して回転軸８を支持する。

　なお、本実施例に記載する軸受８０は、回転軸８の半径方向の荷重（ラジアル荷重）を支持するすべり軸受けである。

　軸受８０は、パッド１の表面に、例えば、ホワイトメタル（鉛、スズ、アンチモン、亜鉛など）などの低融点合金（軸受合金）を溶着させて使用される。このため、軸受８０は、この低融点合金の融点よりも、低い温度に維持する必要がある。

　本実施例では、軸受８０の温度上昇を抑制するため、ハウジング２の内部を潤滑油で満たし、パッド１の摺動面（内周面）を潤滑する油浴方式を採用する。油浴方式は、パッド１に確実に潤滑油を供給することができるため、信頼性が高い方式といえる。

　本実施例に記載する軸受８０は、回転軸８の表面とパッド１の表面との間のせん断流によって生じる発熱（発生した熱量）を、ハウジング２の外部へ逃がし、冷却効果を高める。これにより、パッド１の表面を、所定の温度（軸受け合金の融点以下の温度）に維持することができる。

　本実施例に記載する回転軸８を支持する複数（本実施例では４つ。５つでもよい）のパッド１は、回転軸８の周方向に間隔を空けて配置される。各パッド１には、ピボット４が設けられ、パッド１の表面（内周面）の圧力分布により搖動可能となっている。

　また、パッド１の回転軸８の軸方向の長さ（Ｌ）は、回転軸８の直径（ｄ）との関係から、Ｌ／ｄが０．４～０．６であることが好ましい。安定して回転軸８を支持することができるためである。

　各パッド１の間には、仕切板５が設置され、ハウジング２と回転軸３との間の空間を仕切る。本実施例では、仕切板５は、４つ設置される。

　つまり、仕切板５はハウジング２に設置され、パッド１とパッド１との間に設置される。これにより、高温となった潤滑油が隣りのパッド１に流入するキャリーオーバー現象を抑制することができる。

　そして、仕切板５の先端（回転軸８側）は、回転軸８の回転方向と反対方向（図２上では反時計回りの方向）に、つまり、回転軸８の回転に伴う潤滑油の移動（流れ）方向に対向する方向に突出する突出部を有する。したがって、仕切板５は、回転軸８の中心側の端部が、潤滑油の流れ方向に対して、上流側に向かって曲げられている。これにより、高温となった潤滑油が隣りのパッド１に流入するキャリーオーバー現象を抑制することができる。

　また、仕切板５によって仕切られたハウジング２と回転軸８との間の空間には、それぞれ、潤滑油が供給される給油孔６と、潤滑油が排出される排油孔７とが設置される。これにより、パッド１が設置される空間に潤滑油が満たされると共に、高温となった潤滑油が隣りのパッド１に流入するキャリーオーバー現象を抑制することができる。

　つまり、供給された潤滑油は、パッド１を冷却し、その後、排出される。

　給油孔６と排油孔７とは、それぞれ仕切板５で仕切られた空間に、給油孔６はハウジング２に設置され、排油孔７はサイドプレート３に設置される。これにより、パッド１を信頼性高く冷却することができると共に、高温となった潤滑油が隣りのパッド１に流入するキャリーオーバー現象を抑制することができる。

　図３は、本実施例に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受の部分（前縁部）断面図（図２のＡ－Ａ方向から見た図）である。

　本実施例に記載するパッド１は、パッド１の内周面であって、回転軸８の回転方向、つまり、回転軸８の回転に伴う潤滑油の移動方向に対して上流側となる前縁部であって、回転軸８の軸方向の両端部に第１の勾配（テーパ）を有する。

　この勾配は、回転軸８の回転方向における（回転軸８の回転方向から俯瞰した場合の）パッド１の中心部分（図３に記載の中心部分）から両端（サイドプレート３）に向かうにつれて、回転軸８の表面とパッド１の表面との間隙が広がるように形成される。

　また、回転軸８の回転方向におけるパッド１の中心部分に、所定の幅の平面部を有する。この平面部は、パッド１の回転軸８の軸方向の幅に対して、二分の一（１／２）～四分の一（１／４）程度であることが好ましい。

　なお、この中心部分は、中心点の概念ではなく、中心点の付近部分を含むものであり、所定の幅を有するものである。

　そして、平面部の端部から回転軸８の軸方向の両端（サイドプレート３）に向かうにつれて、回転軸８の表面とパッド１の表面との間隙が広がる勾配が形成される。

　これにより、回転軸８の表面とパッド１の表面との間に生じる熱を、サイドプレート３とパッド１との間隙から、効率よく冷却することができる。

　そして、また、本実施例に記載するパッド１は、パッド１の内周面であって、回転軸８の回転方向、つまり、回転軸８の回転に伴う潤滑油の移動方向に対して上流側となる前縁部であって、回転軸８の軸方向の両端部に第２の勾配（テーパ）を有する（図２参照）。

　この勾配は、前縁（パッド１の上流側の縁）から回転軸８の周方向における（回転軸８の周方向から俯瞰した場合の）パッド１の中心部分に向かうにつれて、回転軸３の表面とパッド１の表面との間隙が狭まるように形成される（図２参照）。

　また、この勾配は、パッド１の回転軸８の周方向の幅に対して、三分の一（１／３）～五分の一（１／５）程度であることが好ましい。

　なお、この中心部分は、中心点の概念ではなく、中心点の付近部分を含むものであり、所定の幅を有するものである。

　ここで、パッド１の前縁部に形成される第１の勾配（テーパ）及び第２の勾配（テーパ）は、便宜上、２つ分けて説明したが、これら両方の勾配（テーパ）により、前縁テーパ部９が形成される。

　なお、前縁テーパ部９は、パッド１の回転軸８の周方向（軸受長さ方向）の幅に対して、三分の一（１／３）～五分の一（１／５）程度であることが好ましい。本実施例では、この幅を三分の一（１／３）としている。

　前縁テーパ部９により、回転軸８の表面とパッド１の表面との間に形成される楔流路によって行き場を失う低温の潤滑油を、サイドプレート３とパッド１との間に積極的に導油することができ、パッド１が冷却される。

　これにより、回転軸８の表面とパッド１の表面との間に生じる熱を、サイドプレート３とパッド１との間隙から、効率よく冷却することができる。

　図４は、本実施例に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受の部分（後縁部）断面図（図２のＢ－Ｂ方向から見た図）である。

　本実施例に記載するパッド１は、パッド１の内周面であって、回転軸８の回転方向、つまり、回転軸８の回転に伴う潤滑油の流れ方向に対して下流側となる後縁部に、勾配（テーパ）である後縁テーパ部１０を有する。

　この勾配は、回転軸８の周方向における（回転軸８の周方向から俯瞰した場合の）パッド１の中心部分（図２に記載の中心部分）から後縁部に向かうにつれて、回転軸８の表面とパッド１の表面との間隙が広がるように形成される。

　なお、この中心部分は、中心点の概念ではなく、中心点の付近部分を含むものであり、所定の幅を有するものである。

　これにより、高温となった潤滑油が隣りのパッド１に流入するキャリーオーバー現象を抑制することができる。

　図５は、本実施例に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受の潤滑油の流れを示した説明図である。また、図５は、パッド１の一つを回転軸８の軸方向から見た図であり、図２の部分拡大図でもある。

　本実施例に記載するパッド１は、パッド１の内周面であって、回転軸８の回転方向、つまり、回転軸８の回転に伴う潤滑油の流れ方向に対して上流側となる前縁部であって、回転軸８の軸方向の両端部に前縁テーパ部９が、そして、パッド１の内周面であって、回転軸８の回転方向、つまり、回転軸８の回転に伴う潤滑油の流れ方向に対して下流側となる後縁部に後縁テーパ部１０が形成される。

　後縁テーパ部１０により、排出される潤滑油に指向性を持たせることができる。

　つまり、給油孔６から供給された潤滑油は、前縁テーパ部９により、回転軸８の回転に伴い、回転軸８の表面とパッド１の表面（内周面）との間の隙間に流入（図５中矢印参照）すると共に、パッド１の側面とサイドプレート３との間の隙間に流入（図５中矢印参照）し、パッド１を効率よく冷却することができる。そして、回転軸８の表面とパッド１の表面（内周面）との間の隙間に流入し高温となった潤滑油は、後縁テーパ部１０により、排油孔７から効率よく排出される。

　また、パッド１の後縁部には、潤滑油の流れ方向に向かって、回転軸８の表面とパッド１の表面との間隙が広がるように、後縁テーパ部１０が形成される。

　これにより、高温となった潤滑油が隣りのパッド１に流入するキャリーオーバー現象を抑制することができる。

　そして、図５に記載するように、パッド１の下流（回転軸８の回転に伴う潤滑油の流れ方向に対する下流）には、仕切板５が設置され、ハウジング２と回転軸３との間の空間を仕切る。

　仕切板５を設置することにより、それぞれ仕切板５で仕切られた空間に、給油孔６と排油孔７とを設置し、高温の排油と低温の新油との混合を抑制することができる。これにより、パッド１を信頼性高く冷却することができると共に、高温となった潤滑油が隣りのパッド１に流入するキャリーオーバー現象を抑制することができる。

　なお、仕切板５（先端）と回転軸８の表面とのクリアランス（距離）は、仕切板５（先端）と回転軸８との接触を回避するため、パッド１の表面と回転軸８の表面とのクリアランス（距離）よりも大きくする必要がある。

　しかし、クリアランス（距離）を大きくしすぎると、仕切板５で高温の排油が、隣りのパッド１に流入するキャリーオーバー現象を抑制するという効果が薄れてしまう。

　そこで、仕切板５の先端（回転軸８側）には、回転軸８の回転方向と反対方向（潤滑油の流れ方向と反対方向）に、突出する突出部を有する。これにより、接触を回避すると共に、高温となった潤滑油が隣りのパッド１に流入するキャリーオーバー現象を抑制することができる。

　図６は、本実施例に係るティルティングパッド型ジャーナル軸受の潤滑油の内周面側の流れを示した説明図である。図６は、図５に記載のパッド１を上面（内周面）から見た図であり、パッド１の拡大図である。

　パッド１の前縁部の幅方向両端には、前縁テーパ部９が形成される。

　前縁テーパ部９は、パッド１の幅方向両端に向かって、回転軸８の表面とパッド１の表面との間隙が広がるような勾配となっている。また、前縁テーパ部９は、潤滑油の流れ方向に向かって、両端がパッド１の幅方向の両縁に近接するように形成される。

　このように、前縁テーパ部９を設置することにより、潤滑油は、回転軸８の回転に伴い、回転軸８の表面とパッド１の表面（内周面）との間の隙間に流入（図６中矢印参照）すると共に、パッド１の側面とサイドプレート３との間の隙間に流入（図６中矢印参照）し、低温の潤滑油を、パッド１とサイドプレート３との間に導くことができ、潤滑油を効率よく利用することができる。

　このように、突出部を有する仕切板５及び後縁テーパ部１０を有するパッド１を使用することにより、後縁テーパ部１０は、仕切板５に向かって解放され、高温となった潤滑油を仕切板５にあてることでき、キャリーオーバー現象を抑制することができる。また、潤滑油がサイドプレート３に設置した排油孔７から排出されやすくなる。

　以上のように、本実施例に記載する軸受８０は、軸受温度抑制機構を備えたティルティングパッド型ジャーナル軸受であるといえる。

　本実施例によれば、キャリーオーバー現象を抑制することができ、軸受８０の温度が上昇するようなトラブルを回避することができる。

　また、本実施例に記載するパッド１は、基本的に４つのパッド１が同型であり、パッド１がそれぞれ荷重を分担することができる。

　また、本実施例に記載のパッド１は、細かい加工を施すことないため、潤滑油の流れが複雑になることがない。

　以上のように、本実施例では、パッド１の冷却とキャリーオーバー現象の抑制との両者を同時に達成することができる。

　なお、本実施例に記載する軸受８０は、パッド１に潤滑油を直接供給する指向型潤滑方式であっても適用できる。

　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。

１…パッド、２…ハウジング、３…サイドプレート、４…ピボット、５…仕切板、６…給油孔、７…排油孔、８…回転軸、９…前縁テーパ部、１０…後縁テーパ部

Claims (8)

1. 　回転軸の周方向に、前記回転軸を支持する複数のティルティングパッドと、
   　前記ティルティングパッドを搖動可能に収容する環状のハウジングと、
   　前記ハウジングの軸方向の両端部に設置されるサイドプレートと、を有し、
   　前記ティルティングパッドは、前記ティルティングパッドの内周面であって、前記回転軸の回転方向に対して上流側となる前縁部に、
   　前記回転軸の回転方向における前記ティルティングパッドの中心部分に所定の幅の平面部と、
   　前記平面部の端部から前記回転軸の軸方向の両端に向かうにつれて、前記回転軸の表面と前記ティルティングパッドの表面との間隙が広がる勾配となり、前記回転軸の周方向における前記ティルティングパッドの中心部分に向かうにつれて、前記回転軸の表面と前記ティルティングパッドの表面との間隙が狭まる勾配となるテーパと、
   　を有することを特徴とするティルティングパッド型ジャーナル軸受。
2. 　前記ティルティングパッドが、前記ティルティングパッドの内周面であって、前記回転軸の回転方向に対して下流側となる後縁部に、
   　前記回転軸の周方向における前記ティルティングパッドの中心部分から前記後縁部に向かうにつれて、前記回転軸の表面と前記ティルティングパッドの表面との間隙が広がる勾配となるテーパを有することを特徴とする請求項１に記載のティルティングパッド型ジャーナル軸受。
3. 　回転軸の周方向に、前記回転軸を支持する複数のティルティングパッドと、
   　前記ティルティングパッドを搖動可能に収容する環状のハウジングと、
   　前記ハウジングの軸方向の両端部に設置されるサイドプレートと、を有し、
   　前記ティルティングパッドは、前記ティルティングパッドの内周面であって、前記回転軸の回転方向に対して上流側となる前縁部であって、前記回転軸の軸方向の両端部に、前記回転軸の回転方向における前記ティルティングパッドの中心部分から両端に向かうにつれて、前記回転軸の表面と前記ティルティングパッドの表面との間隙が広がる勾配となり、前縁から前記回転軸の周方向における前記ティルティングパッドの中心部分に向かうにつれて、前記回転軸の表面と前記ティルティングパッドの表面との間隙が狭まる勾配となるテーパを有することを特徴とするティルティングパッド型ジャーナル軸受。
4. 　前記ティルティングパッドが、前記ティルティングパッドの内周面であって、前記回転軸の回転方向に対して下流側となる後縁部に、
   　前記回転軸の周方向における前記ティルティングパッドの中心部分から前記後縁部に向かうにつれて、前記回転軸の表面と前記ティルティングパッドの表面との間隙が広がる勾配となるテーパを有することを特徴とする請求項３に記載のティルティングパッド型ジャーナル軸受。
5. 　前記ハウジングに設置され、ティルティングパッドとティルティングパッドとの間に設置された仕切板を有することを特徴とする請求項３記載のティルティングパッド型ジャーナル軸受。
6. 　前記仕切板は、その先端が回転軸の回転方向の反対方向に突出する突出部を有することを特徴とする請求項５記載のティルティングパッド型ジャーナル軸受。
7. 　前記仕切板で仕切られた空間に、
   　前記ハウジングに設置された給油孔と、前記サイドプレートに設置された排油孔と、を有することを特徴とする請求項５記載のティルティングパッド型ジャーナル軸受。
8. 　請求項３又は請求項４に記載のティルティングパッド型ジャーナル軸受を用いた回転機械。

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