CN111622809B - 轴流涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种轴流涡轮，其能有效地除去泄漏流体的圆周方向速度成分，并实现动力回收。轴流涡轮的护罩(6)具有朝向转子轴方向的上游侧突出的环状的第一突起部(16)、位于比第一突起部靠半径方向的外侧且向转子轴方向的上游侧突出并比第一突起部长的环状的第二突起部(17)、在第一突起部与第二突起部之间形成的循环流生成室(18)、位于循环流生成室内的多个引导板(19)。循环流生成室构成为产生循环流(A1)，循环流以下述方式形成：泄漏流体的一部分与第一突起部的前端面碰撞且向转子半径方向的外侧，之后与第二突起部的内周面碰撞并向转子半径方向的内侧。多个引导板朝向转子半径方向的内侧且向与转子旋转方向相反侧倾斜。

Description

轴流涡轮
技术领域
本发明涉及用于发电设备的蒸汽涡轮机、燃气轮机等的轴流涡轮。
背景技术
轴流涡轮例如具备设于环状的隔板外轮与环状的隔板内轮之间的多个静叶片、以位于这些静叶片的下游侧的方式设于转子的外周侧的多个动叶片以及设于这些动叶片的外周侧的环状的护罩。在隔板外轮的内周面形成有收纳护罩的环状的槽部，在该槽部与护罩之间形成有间隙流路(分支流路)。并且，工作流体(详细地说，蒸汽或气体等)的一部分作为泄漏流体从主流路的静叶片的下游侧(换而言之，动叶片的上游侧)流入间隙流路，从间隙流路流出到主流路的动叶片的下游侧。因此，泄漏流体的能量未用作转子的动力，产生分支损失。一般来说，为了降低分支损失(换而言之，为了减少泄漏流体的流量)，在间隙流路上设置多级密封翅片。
从主流路的静叶片的下游侧流入间隙流路的泄漏流体具有较大的周向速度成分。因此，在专利文献1中，例如在护罩的上游侧侧面形成多个槽。多个槽朝向转子半径方向的外侧向与转子旋转方向相反侧倾斜，对泄漏流体的流动方向进行引导。由此，减少泄漏流体的圆周方向速度成分，并且实现动力回收。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2012-137006号公报
但是，在上述现有技术中具有以下那样的改进余地。即，在专利文献1所记载的现有技术中，为了使泄漏流体的流动方向转向，只使泄漏流体通过多个槽。因此，如果不增加槽的数量，则无法充分地得到使泄漏流体的流动方向转向的效果，无法得到除去泄漏流体的圆周方向速度成分的效果。因此，无法充分地得到减少以泄漏流体的圆周方向速度成分为起因的混合损失(详细地说，在泄漏流体从间隙流路流出且与通过了动叶片的工作流体合流时产生的损失)的效果。另外，无法充分地得到抑制以泄漏流体的圆周方向速度成分为起因的旋转体的不稳定振动的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供能提高混合损失的减少效果以及不稳定振动的抑制效果且实现动力回收的轴流涡轮。
为了实现上述目的，本发明是一种轴流涡轮，具有设于静止体的内周侧且在圆周方向上排列的多个静叶片、设于旋转体的外周侧且在圆周方向上排列的多个动叶片、配置上述多个静叶片且在这些静叶片的下游侧配置上述多个动叶片并供工作流体流通的主流路、设于上述多个动叶片的外周侧的护罩、形成于上述静止体且收纳上述护罩的环状的槽部、在上述槽部与上述护罩之间形成且工作流体的一部分作为泄漏流体从上述主流路的上述静叶片的下游侧流入并向上述主流路的上述动叶片的下游侧流出的间隙流路、设于上述间隙流路的多级的密封翅片，还具有形成于上述护罩且向上述旋转体的轴向的上游侧突出的环状的第一突起部、以位于比上述第一突起部靠上述旋转体的半径方向的外侧的方式形成于上述护罩且向上述旋转体的轴向的上游侧突出且为比上述第一突起部长或相同的长度的环状的第二突起部、在上述第一突起部与上述第二突起部之间形成的循环流生成室以及以位于上述循环流生成室内的方式形成于上述护罩的多个引导板，上述循环流生成室构成为生成循环流，该循环流以下述方式形成：上述泄漏流体的一部分与上述第一突起部的前端面碰撞并朝向上述旋转体的半径方向的外侧，之后，与上述第二突起部的内周面碰撞且朝向上述旋转体的半径方向的内侧的循环流，上述多个引导板朝向上述旋转体的半径方向的内侧向与上述旋转体的旋转方向相反侧倾斜。
本发明的效果如下。
根据本发明，能提高混合损失的减少效果以及不稳定振动的抑制效果且实现动力回收。
附图说明
图1是示意地表示本发明的第一实施方式的蒸汽涡轮机的局部构造的转子轴向的剖视图。
图2是图1中II部的局部放大剖视图，表示间隙流路的详细构造。
图3是图1中剖面III-III的转子圆周方向的剖视图，表示主流路内的流。
图4是图2中剖面IV-IV的转子半径方向的剖视图，表示间隙流路内的相对的流。
图5是图1中剖面V-V的转子圆周方向的剖视图，与主流路内的流一起表示间隙流路内的相对的流。
图6是表示本发明的第一实施方式以及现有技术的动叶片损失系数的分布的图。
图7是表示本发明的第二实施方式的间隙流路的详细构造的局部放大剖视图。
图8是图7中剖面VIII-VIII的转子半径方向的剖视图，表示间隙流路内的相对的流。
图中：1—隔板外轮，2—静叶片，4—转子，5—动叶片，6—护罩，7—主流路，12—槽部，13—间隙流路，14A～14D—密封翅片，16、16A—第一突起部，17、17A—第二突起部，18、18A—循环流生成室，19、19A—引导板，20—第三突起部，21—第四突起部，22—密封翅片。
具体实施方式
下面，参照附图说明将本发明应用于蒸汽涡轮机的情况下的实施方式。
图1是示意地表示本发明的第一实施方式的蒸汽涡轮机的局部构造(级构造)的转子轴向的剖视图。图2是图1中II部的局部放大剖视图，表示间隙流路的详细构造。图3是图1中剖面III-III的转子圆周方向的剖视图，表示主流路内的流。图4是图2中剖面IV-IV的转子半径方向的剖视图，表示间隙流路内的相对的流(详细地说，以旋转体侧为基准的流)。另外，在图4中，为了方便，省略静止体侧的图示。图5是图1中剖面V-V的转子圆周方向的剖视图，与主流路内的流一起表示间隙流路内的绝对的流(详细地说，以静止体侧为基准的流)。
本实施方式的蒸汽涡轮机具备设于外壳(未图示)的内周侧的环状的隔板外轮1(静止体)、设于该隔板外轮1的内周侧的多个静叶片2以及设于这些静叶片2的内周侧的环状的隔板内轮3。多个静叶片2在隔板外轮1与隔板内轮3之间沿圆周方向以预定间隔排列。
另外，蒸汽涡轮机具备以旋转轴O为中心旋转的转子4(旋转体)、设于该转子4的外周侧的多个动叶片5、设于这些动叶片5的外周侧(换言之，叶片前端侧)的环状的护罩6。多个动叶片5在转子4与护罩6之间沿圆周方向以预定间隔排列。
蒸汽(工作流体)的主流路7由形成于隔板外轮1的内周面8与隔板内轮3的外周面9之间的流路、形成于护罩6的内周面10与转子4的外周面11之间的流路等构成。在主流路7上配置有多个静叶片2(换而言之，一个静叶片列)，并且，在这些的下游侧(图中右侧)配置有多个动叶片5(换而言之，一个动叶片列)，这些静叶片2和动叶片5的组合构成一个级。另外，在图1中，为了方便，只图示了一级，但一般来说，为了有效地回收蒸汽的内部能量，在转子轴向上设置多级。
主流路7内的蒸汽(主流蒸汽)如图1中空白箭头表示那样流动。并且，利用静叶片2将蒸汽的内部能量(换而言之，压力能量等)转换为动能(换而言之，速度能量)，利用动叶片5将蒸汽的动能转换为转子4的旋转能量。另外，在转子4的端部连接发电机(未图示)，利用该发电机将转子4的旋转能量转换为电能。
使用图3说明主流路7内的蒸汽流(主流)。蒸汽从静叶片2的前缘侧(图3中左侧)以绝对速度向量C1(详细地说，大致不具有圆周方向速度成分的绝对的流)流入。并且，在通过静叶片2的叶片间时增速，转向，并成为绝对速度向量C2(详细地说，具有较大的圆周方向速度成分的绝对的流)，从静叶片2的后缘侧(图3中右侧)流出。从静叶片2流出的蒸汽的大部分与动叶片5碰撞，使转子4以速度U旋转。此时，蒸汽在通过动叶片5时减速、转向，从相对速度向量W2成为相对速度向量W3。因此，从动叶片5流出的蒸汽成为绝对速度向量C3(详细地说，大致不具有圆周方向速度成分的绝对的流)。
另外，相对速度向量W2以轴向速度成分W2x和圆周方向速度成分W2y(但是，朝向转子旋转方向的速度成分)表示。相对速度向量W3以轴向速度成分W3x和圆周方向速度成分W3y(但是，朝向与转子旋转方向相反侧的速度成分，W3y≒ⅠUⅠ)表示。
顺便，在隔板外轮1的内周面形成有收纳护罩6的环状的槽部12，在该槽部12与护罩6之间形成有间隙流路(分支流路)13。并且，蒸汽的一部分作为泄漏蒸汽从主流路7的静叶片2的下游侧(换而言之，动叶片5的上游侧)流入间隙流路13，从间隙流路13向主流路7的动叶片5的下游侧流出(泄漏流)。因此，无法有效利用泄漏蒸汽的能量，产生分支损失。为了减少该分支损失(换而言之，为了减少泄漏蒸汽的流量)，在间隙流路13上设置迷宫式密封件。
在本实施方式的迷宫式密封件中，在槽部12的内周面设置密封翅片14A～14D，这些密封翅片14A～14D在转子轴向上以预定间隔配置，在护罩6的外周侧以位于第一级的密封翅片14A与第四级的密封翅片14D之间的方式形成环状的台阶部(***部)15。
主流路7的静叶片2的下游侧中的主流蒸汽为在图3中所示的具有圆周方向速度成分(W2y+U)的绝对的流，流入间隙流路13的泄漏蒸汽也为具有圆周方向速度成分(W2y+U)的绝对的流(换言之，具有圆周方向速度成分W2y的相对的流)。并且，在不具有后述的第一突起部、第二突起部、循环流生成室以及多个引导板的现有技术中，从间隙流路13向主流路7的动叶片5的下游侧流出的泄漏蒸汽也为具有圆周方向速度成分(W2y+U)的绝对的流(换言之，具有圆周方向速度成分W2y的相对的流)。另一方面，在主流路7中通过了动叶片5的主流蒸汽如图3所示为不具有圆周方向速度成分的绝对的流(换言之，具有圆周方向速度成分W3y的相对的流)。因此，如图6中虚线所示，叶片前端附近的区域中的动力损失系数变大，混合损失变大。另外，间隙流路13内的泄漏蒸汽具有较大的圆周方向速度成分(W2y+U)，因此容易产生以此为起因的转子4的不稳定振动。
因此，作为本实施方式的特征，在护罩6的上游侧侧面形成有朝向转子轴向的上游侧突出的环状的突起部16、17。第一突起部16位于护罩6的上游侧侧面中的转子半径方向的内侧的缘部，形成为在第一突起部16的内周面与上述的护罩6的内周面10之间没有台阶。第二突起部17位于护罩6的上游侧侧面中的转子半径方向的外侧的缘部，比第一突起部16长。并且，利用第一突起部16的外周面、第二突起部17的内周面以及护罩6的上游侧侧面形成循环流生成室(二次流生成室)18，产生循环流(二次流)A1。详细地说，流入间隙流路13的泄漏蒸汽的一部分与第一突起部16的前端面碰撞并朝向转子半径方向的外侧，之后，与第二突起部17的内周面碰撞并生成朝向转子半径方向的内侧的循环流A1。换而言之，生成绕向转子轴向的下游侧且转子半径方向的内侧的循环流A1。
另外，在本实施方式中，第二突起部17比第一突起部16长，但是也可以是相同的长度。另外，第一突起部16的前端面向转子半径方向延伸而不倾斜，但是，也可以朝向转子半径方向的外侧向转子轴向的下游侧倾斜。另外，在本实施方式中，第二突起部17的内周面朝向转子轴向的下游侧向转子半径方向的内侧倾斜，但是也可以向转子轴向延伸而不倾斜。
作为本实施方式的特征，在护罩6的上游侧侧面形成有位于循环流生成室18内的多个引导板19。多个引导板19在圆周方向上以预定间隔排列，朝向转子半径方向的内侧向与转子旋转方向相反侧倾斜。另外，引导板19相对于转子半径方向的倾斜角θ比后述的相对速度向量W2ˊ相对于转子半径方向的倾斜角大。在本实施方式中，引导板19的倾斜角θ是30°左右，但根据方案条件改变。
从主流路7的静叶片2的下游侧流入间隙流路13的泄漏蒸汽如图4所示，具有利用圆周方向速度成分W2y和半径方向成分W2z表示的相对速度向量W2ˊ。因此，流入循环流生成室18的泄漏蒸汽的一部分具有相对速度向量W2ˊ。但是，循环流生成室18内的泄漏蒸汽通过在从转子半径方向的外侧向内侧时沿引导板19流动，如图4所示，成为具有圆周方向速度成分(但是，朝向与转子旋转方向相反侧的速度成分)的循环流A1ˊ(相对的流)。并且，由于这样生成的循环流A1ˊ的干涉，相对于泄漏蒸汽的相对的流B1ˊ，能有效地赋予圆周方向速度成分(但是，朝向与转子旋转方向相反侧的速度成分)。具体地说，如图4所示，成为由圆周方向速度成分W4y(但是，是朝向与转子旋转方向相反侧的速度成分，W4y≒ⅠUⅠ)和半径方向成分W4y表示的相对速度向量W4。
换言之，通过具有圆周方向速度成分(但是，朝向与转子旋转方向相反侧的速度成分)的循环流A1(绝对的流)的干涉，能相对于泄漏蒸汽的绝对的流B1(参照图5)有效地除去圆周方向速度成分。由此，从间隙流路13向主流路7的动叶片5的下游侧流出的泄漏蒸汽的绝对的流B2(参照图5)也大致不具有圆周方向速度成分。因此，如图6中实线所示，能减小叶片前端附近的区域中的动力损失系数，能减少混合损失。另外，能抑制转子4的不稳定振动。另外，能利用多个引导板19将泄漏蒸汽的能量作为动力回收。
因此，在本实施方式中，能提高混合损失的降低效果以及不稳定振动的抑制效果，并且实现动力回收。
另外，在第一实施方式中，如图4所示，对引导板19是平板的情况例进行说明，但并未限定于此，能在不脱离本发明的主旨的范围内进行变形。引导板例如可以是曲板，可以朝向转子半径方向的内侧向与转子旋转方向相反侧逐渐倾斜。在该情况下也能得到上述相同的效果。
另外，在第一实施方式中，如图4所示，以引导板19的圆周方向间隔(角度换算)相对于动叶片5的圆周方向间隔(角度换算)为1/8的情况为例进行说明，但并未限定于此，能在不脱离本发明的主旨的范围内变形。可以根据泄漏蒸汽的流量改变引导板19的圆周方向间隔。另外，如果泄漏蒸汽的流量的分布不均匀，则也可以相应地使引导板19的圆周方向间隔不均匀。
另外，在第一实施方式中，以迷宫式密封件具有四极的密封翅片14A～14D和一个台阶部15的情况为例进行说明，但并未限于此，能在不脱离本发明的主旨的范围内进行变形。即，密封翅片的级数未限于四个，可以是两个、三个或五个以上。另外，迷宫式密封件可以不具有台阶部，也可以具有两个以上的台阶部。这些情况也能得到上述相同的效果。
利用图7及图8说明本发明的第二实施方式。另外，在本实施方式中，与第一实施方式相等的部分标注相同的符号，适当省略说明。
图7是表示本发明的第二实施方式的间隙流路的详细构造的局部放大剖视图。图8是图7中剖面VIII-VIII的转子半径方向的剖视图，表示间隙流路内的相对的流。另外，在图8中为了方便，省略静止体侧的图示。
在本实施方式中，在槽部12的内周面设置有环状的密封翅片14A、14B。在护罩6的外周面以位于密封翅片14A、14B之间的方式形成朝向转子半径方向的外侧突出的环状的第三突起部20。在第三突起部的上游侧侧面形成朝向转子轴向的上游侧突出的环状的突起部16A、17A。在第二突起部17A的前端部形成朝向转子半径方向的内侧突出的环状的第四突起部21。第四突起部21的下游侧侧面朝向转子半径方向的外侧向转子轴向的下游侧倾斜。在第二突起部17A的外周侧设置有朝向转子半径方向的外侧延伸的环状的密封翅片22(旋转体侧密封翅片)。
第一突起部16A位于第三突起部20的上游侧侧面中的转子半径方向的内侧的缘部，相对于密封翅片14A(静止体侧密封翅片)的前端与护罩6的外周面的间隙，转子半径方向中的位置相同。第二突起部17A位于第三突起部20的上游侧侧面中的转子半径方向的外侧的缘部，比第一突起部16A长。并且，利用第一突起部16A的外周面、第二突起部17A的内周面以及第三突起部20的上游侧侧面形成循环流生成室18A，生成循环流A2。若详细说明，通过了密封翅片14A的前端与护罩6的外周面的间隙的蒸汽的一部分与第一突起部16A的前端面碰撞并朝向转子半径方向的外侧，之后，与第四突起部21的下游侧侧面以及第二突起部17A的内周面碰撞并生成朝向转子半径方向的内侧的循环流A2。换言之，生成绕向转子轴向的下游侧且转子半径方向的内侧的循环流A2。
另外，在本实施方式中，第二突起部17A比第一突起部16A长，但可以是相同的长度。另外，第一突起部16A的前端面向转子半径方向延伸地不倾斜，但可以朝向转子半径方向的外侧向转子轴向的下游侧倾斜。另外，在本实施方式中，在第二突起部17A的前端部形成第四突起部21，但也可以不形成第四突起部21。
作为本实施方式的特征，在第三突起部20的上游侧侧面形成有位于循环流生成室18A内的多个引导板19A。多个引导板19A在圆周方向上以预定间隔排列，朝向转子半径方向的内侧向与转子旋转方向相反侧倾斜。另外，引导板19A相对于转子半径方向的倾斜角θ比相对速度向量W2ˊ相对于转子半径方向的倾斜角大。
通过了密封翅片14A的前端与护罩6的外周面之间的间隙的泄漏蒸汽如图8所示，具有由圆周方向速度成分W2y和半径方向成分W2z表示的相对速度向量W2ˊ。因此，流入循环流生成室18A的泄漏蒸汽的一部分也具有相对速度向量W2ˊ。但是，循环流生成室18A内的泄漏蒸汽通过在从转子半径方向的外侧朝向内侧时沿引导板19A流动，如图8所示，成为具有圆周方向速度成分(但是，朝向与转子旋转方向相反侧的速度成分)的循环流A2(相对的流)。并且，通过这样生成的循环流A2ˊ的干涉，能相对于泄漏蒸汽的相对的流B3ˊ有效地赋予圆周方向速度成分(其中，朝向与转子旋转方向相反侧的速度成分)。具体地说，如图8所示，成为由圆周方向速度成分W4y(但是，是朝向与转子旋转方向相反侧的速度成分，W4y≒ⅠUⅠ)和半径方向成分W4z表示的相对速度向量W4。
换而言之，通过具有圆周方向速度成分(但是，朝向与转子旋转方向相反侧的速度成分)的循环流A2(绝对的流)的干涉，能相对于泄漏蒸汽的绝对的流B3有效地除去圆周方向速度成分。由此，从间隙流路13流出到主流路7的动叶片5的下游侧的泄漏蒸汽的绝对的流B4也大致不具有圆周方向速度成分。因此，能降低混合损失。另外，能抑制转子4的不稳定振动。另外，能通过多个引导板19A将泄漏蒸汽的能量作为动力回收。
因此，即使在本实施方式中，也与第一实施方式相同，能提高混合损失的降低效果以及不稳定振动的抑制效果且实现动力回收。
另外，在以上中，作为本发明的适用对象，以作为轴流涡轮的一个的蒸汽涡轮机为例进行说明，但并未限定于此，也可以应用于燃气涡轮机等。在该情况下也能得到上述相同的效果。

Claims (3)

1.一种轴流涡轮，其具有：
设于静止体的内周侧且在圆周方向上排列的多个静叶片；
设于旋转体的外周侧且在圆周方向上排列的多个动叶片；
主流路，其配置有上述多个静叶片且在这些静叶片的下游侧配置有上述多个动叶片，并供工作流体流通；
设于上述多个动叶片的外周侧的护罩；
形成于上述静止体且收纳上述护罩的环状的槽部；
间隙流路，其在上述槽部与上述护罩之间形成，工作流体的一部分作为泄漏流体从上述主流路的上述静叶片的下游侧流入并向上述主流路的上述动叶片的下游侧流出；以及
设于上述间隙流路，并包括设于上述静止体的静止体侧密封翅片的多级的密封翅片，
该轴流涡轮的特征在于，
还具有：
环状的第三突起部，其以配置于上述静止体侧密封翅片的下游侧的方式，形成于上述护罩的外周面且朝向上述旋转体的半径方向的外侧突出；
环状的第一突起部，其以相对于上述静止体侧密封翅片的前端与上述护罩的外周面的间隙在上述旋转体的半径方向上的位置相同的方式，形成于上述第三突起部的上游侧侧面，且向上述旋转体的轴向的上游侧突出；
环状的第二突起部，其以位于比上述第一突起部靠上述旋转体的半径方向的外侧的方式形成于上述第三突起部的上游侧侧面，向上述旋转体的轴向的上游侧突出且为比上述第一突起部长或相同的长度；
在上述第一突起部与上述第二突起部之间形成的循环流生成室；以及
以位于上述循环流生成室内的方式形成于上述护罩的多个引导板，
上述循环流生成室构成为生成循环流，该循环流以下述方式形成：上述泄漏流体的一部分与上述第一突起部的前端面碰撞并朝向上述旋转体的半径方向的外侧，之后，与上述第二突起部的内周面碰撞且朝向上述旋转体的半径方向的内侧，
上述多个引导板朝向上述旋转体的半径方向的内侧向与上述旋转体的旋转方向相反侧倾斜。
2.一种轴流涡轮，其具有：
设于静止体的内周侧且在圆周方向上排列的多个静叶片；
设于旋转体的外周侧且在圆周方向上排列的多个动叶片；
主流路，其配置有上述多个静叶片且在这些静叶片的下游侧配置有上述多个动叶片，并供工作流体流通；
设于上述多个动叶片的外周侧的护罩；
形成于上述静止体且收纳上述护罩的环状的槽部；
间隙流路，其在上述槽部与上述护罩之间形成，工作流体的一部分作为泄漏流体从上述主流路的上述静叶片的下游侧流入并向上述主流路的上述动叶片的下游侧流出；以及
设于上述间隙流路的多级的密封翅片，
该轴流涡轮的特征在于，
还具有：
形成于上述护罩的外周面且朝向上述旋转体的半径方向的外侧突出的环状的第三突起部；
形成于上述第三突起部的上游侧侧面且朝向上述旋转体的轴向的上游侧突出的环状的第一突起部；
环状的第二突起部，其以位于比上述第一突起部靠上述旋转体的半径方向的外侧的方式形成于上述第三突起部的上游侧侧面，向上述旋转体的轴向的上游侧突出且为比上述第一突起部长或相同的长度；
形成于上述第二突起部的前端部且朝向上述旋转体的半径方向的内侧突出的环状的第四突起部；
在上述第一突起部与上述第二突起部之间形成的循环流生成室；以及
以位于上述循环流生成室内的方式形成于上述护罩的多个引导板，
上述循环流生成室构成为生成循环流，该循环流以下述方式形成：上述泄漏流体的一部分与上述第一突起部的前端面碰撞并朝向上述旋转体的半径方向的外侧，之后，与上述第二突起部的内周面碰撞且朝向上述旋转体的半径方向的内侧，
上述多个引导板朝向上述旋转体的半径方向的内侧向与上述旋转体的旋转方向相反侧倾斜。
3.根据权利要求2所述的轴流涡轮，其特征在于，
上述多级密封翅片包括设于上述第二突起部的外周侧且朝向上述旋转体的半径方向的外侧延伸的旋转体侧密封翅片。
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