CN117222800B - 安装在横向构件上的涡轮环组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种围绕轴线(X‑X)延伸的涡轮环组件(2),其包括多个环段(10),这些环段由陶瓷基质复合材料制成,形成涡轮环(4)和由涡轮壳体保持的环支撑结构(6),每个环段(10)包括基部(12),从基部径向向外延伸有彼此轴向间隔的上游突出部(16)和下游突出部(18)。组件(2)还包括横向构件(20),该横向构件机械地连接到环支撑件(6)并且包括抵靠所述环段(10)的上游闩锁突出部(16)的第一径向凸缘(210),并且对于每个环区段(10)包括至少两个横向销(40)和一个径向弹簧(70),每个横向销(40)穿过环段(10)的上游闩锁突出部(16)和下游闩锁突出部(14)以及环支撑件(6),以保持环段(10)和环支撑件(6)彼此固定,并且径向弹簧(70)在与轴向方向(X‑X)正交的径向方向(DR)上一方面抵靠环段(10)并且另一方面抵靠环支撑件(6),以便保持布置在相同径向位置的环段。环支撑件(6)还包括第二径向凸缘(68),该第二径向凸缘抵靠环段(10)的下游闩锁突出部(14),每个环段的上游闩锁突出部(16)和下游闩锁突出部(14)轴向上布置在第一径向凸缘(210)与第二径向凸缘(68)之间,并且所述第一径向凸缘(210)包括第一部分(2103)和在第一部分(210)的径向内侧的第二部分(2104),第二部分(2104)包括第一突出部(2105)和第二突出部(2105),该第一突出部(2105)和第二突出部(2105)彼此轴向间隔开并且均固定到第一部分(2103),第一突出部(2105)位于第二突出部(2106)的轴向上游,并且第二突出部(2106)抵靠上游闩锁突出部(16)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮机的涡轮环组件,其中该组件包括由陶瓷基质复合材料制成的多个角环段,这些角环段端对端地设置以形成涡轮环。
本发明的应用领域特别是航空燃气涡轮发动机领域。然而,本发明也可应用于其他涡轮机,例如工业涡轮。
背景技术
在全金属涡轮环组件的情况下,有必要冷却该组件的所有元件且特别是受到最热流影响的涡轮环。因为所使用的冷却流是从发动机的主流中提取的,所以这种冷却对发动机的性能有重大影响。此外,涡轮环使用金属限制了增加涡轮温度的可能性,然而增加涡轮温度将允许提高航空发动机的性能。
为了试图解决这些问题,已经考虑生产由陶瓷基质复合(CMC)材料制成的涡轮环段,以免除金属材料的实施。
CMC材料具有良好的机械性能,使其能够构成结构元件且有利地在高温下维持这些机械性能。CMC材料的实施允许有利地减少在运行期间施加的冷却流,并由此提高了涡轮机的性能。此外,CMC材料的实施允许有利地减少涡轮机的质量并减少金属部件所遇到的热膨胀的影响。
此外,已知文献FR 2 540 939、GB 2 480 766、EP 1 350 927、US2014/0271145、US2012/082540和FR 2 955 898,它们公开了涡轮环组件。
环段包括环形基部和外表面,环形基部的内表面限定涡轮环的内表面,两个突出部从外表面径向延伸,突出部的端部保持在金属环形支撑结构的两个凸缘之间。
因此,使用CMC环段可以显著减少冷却涡轮环所需的通风量。然而,CMC具有与金属材料不同的机械行为,需要重新考虑其集成以及将其定位在涡轮内的方式。事实上,CMC不容许收缩配合组件(通常用于金属环),且其热膨胀比金属材料的热膨胀小。
此外,使用CMC环段增加了将其集成到涡轮壳体中所需的零部件数量,这增加了组件的成本和重量并且需要复杂的组装程序(套筒收缩、定位销组装等)。
发明内容
因此,本发明的主要目的是提出一种涡轮环组件,该涡轮环组件不具有上述缺点但同时仍然具有减小的质量,并且进一步降低了CMC环段在涡轮运行期间所承受的机械应力的强度。
该目的是由于一种围绕轴线延伸的涡轮环组件而实现的,该组件包括由陶瓷基质复合材料制成的形成涡轮环的多个环段以及由涡轮壳体保持的环支撑结构。每个环段包括基部,彼此轴向间隔开的上游闩锁突出部和下游闩锁突出部从该基部径向向外延伸。
根据本发明的涡轮环组件特别值得注意的是,其还包括横向构件,该横向构件机械地连接到环支撑件并且包括抵靠环段的上游闩锁突出部的第一径向凸缘,且对于每个环段包括至少两个横向销和一个径向弹簧,每个横向销穿过环段的上游闩锁突出部和下游闩锁突出部以及环支撑件以保持环段与环支撑件彼此固定,并且径向弹簧一方面保持抵靠环段且另一方面保持抵靠环支撑件,环支撑件还包括第二径向凸缘,该第二径向凸缘抵靠环段的下游闩锁突出部,每个环段的上游闩锁突出部和下游闩锁突出部轴向上布置在第一径向凸缘与第二径向凸缘之间。
因此,根据本发明的涡轮环组件的架构允许在不使用金属环的保持技术的情况下提供对由CMC材料制成的每个环段的径向和轴向保持,并且以如下方式起作用:一方面,控制其位置且避免其振动,同时还允许环段进而延及到环在温度升高以及压力变化的影响下自由变形,这特别是由于界面处的金属部件的数量减少所致。
在该架构中,对由CMC材料制成的环的径向保持,一方面通过使所述至少两个销借助于为此目的提供的轴向孔而穿过每个环段和环支撑件来提供、另一方面通过将金属弹簧放置在两个销之间并径向支撑在环段与环支撑件之间来提供。
特别地,弹簧允许保持环段布置在相同径向位置。
对由CMC材料制成的环的轴向保持,一方面通过将环支撑件固定到横向构件(例如,通过由螺钉与螺母形成的至少一个组件将环支撑件和横向构件一起附接在壳体外部)来提供、另一方面通过环的上游闩锁突出部与横向构件之间的平面接触以及通过环支撑件与环的下游闩锁突出部之间的平面接触来提供。
此外,涡轮环组件的这种架构和构造提供了一种在涡轮环与环支撑结构以及壳体之间没有螺栓连接的解决方案,这种连接是由于横向销而实现的,这允许显著减少组件的总质量。此外,螺栓连接的消除还允许以不同的方式布置环组件的各零部件,这还允许通过减少构成涡轮环组件的元件的数量来在质量方面进行改进。
此外,径向销的消除减少了环支撑结构的零部件的机加工操作。其结果是改进了零部件数量,进而因此降低了组件的重量和成本。
根据涡轮环组件的第一方面,所述第一径向凸缘可以包括第一部分和在第一部分径向内侧的第二部分,第二部分包括彼此轴向分开且均固定到第一部分的第一突出部和第二突出部,第一突出部在第二突出部的轴向上游,并且第二突出部抵靠上游闩锁突出部。
因此,横向构件的第一径向凸缘允许最小化金属部件中的切向应力,从而一方面提供了对环的保持,并且还补偿了CMC环段的强制造离差,特别是环的轴向长度。
此外,将横向构件生产为单件允许显著减少保持环所需的零部件数量。
此外,制造公差不那么严重,横向构件允许吸纳环段之间的间隙,而360°凸缘无法做到这一点。
根据涡轮环组件的第二方面,所述第一径向凸缘的下游突出部可以包括固定到第一径向凸缘的第一部分上的第一端和自由且与第一端相反的第二端,下游突出部还包括径向槽,这些径向槽成等角间隔地间隔开且各自从第二端延伸到圆形开口,径向槽的数量至多等于环段的数量。
槽所通入的圆形开口允许减少该区域中的应力集中。在一个实施方式中,槽的数量可以等于环段的数量。以此方式,无论CMC制成的环段的制造离差如何,都能确保横向构件与组件的每个环段之间的接触。在另一个实施方式中,环段可以被二乘二或三乘三编组,以便产生具有基本相同轴向长度的两个或三个环的编组。然后将各环段编组并排安装在发动机上以形成环。
以此方式,横向构件的第一径向凸缘的下游突出部所需的槽的数量可以除以两或三。槽数量上的这种减少允许进一步增加装置通风的稳健性,同时改善流外段与流段之间的密封,特别是位于环的径向上部部分的腔室的密封。
根据涡轮环组件的第三方面,横向构件可以包括围绕涡轮环布置的钟形壳体,并且环支撑件可以包括径向上布置在涡轮环与横向构件的钟形壳体之间的护罩。
根据涡轮环组件的第四方面,横向构件的钟形壳体可以包括注入开口,并且环支撑件的护罩包括相对于注入开口径向偏移的补充注入开口。换言之,不存在与横向构件的注入开口径向对准的环形支撑件的补充注入开口。
注入开口和补充注入开口以升高的压力供应冷空气,通常是在高压压缩机的出口处提取的空气,从而允许对位于环与横向构件之间或环及环支撑件中的腔室进行加压。换言之,这种空气注入允许对流外段进行加压,并由此改善流外段与流段之间的密封。
根据涡轮环的第五方面,该组件还可以包括在横向构件的钟形壳体和环支撑件的护罩之间延伸的C形环状密封件,该C形环状密封件与横向构件的钟形壳体以及环支撑件的护罩同轴。
放置在横向构件与环支撑件之间的C形密封件允许最小化这两个部件之间的任何泄漏进而提高了用于冷却环的装置的稳健性。
根据涡轮环组件的第六方面,环支撑结构还可以包括第一径向支撑凸缘和与第一径向支撑凸缘轴向上分开的第二径向支撑凸缘,每个横向销穿过第一径向支撑凸缘和第二径向支撑凸缘。
通过横向销将涡轮环段径向联接到环支撑件,这允许避免使用体积更大、重量更重的螺栓连接,进而简化了环组件的机械构造。
根据涡轮环组件的第七方面,径向弹簧可以包括金属板,该金属板在平行于轴向方向的第一方向上具有至少一个弯拱。
形成径向弹簧的金属板可以是波纹状或弯拱状的,***部径向延伸以在涡轮环的径向方向上施加力。
根据涡轮环组件的第八方面,径向弹簧还包括突片,该突片在与第一方向正交的第二方向上从弯拱的峰部突出,并且在与第一和第二方向正交的第三方向上沿着弯拱延伸小于金属板在第三方向上的长度的一个长度,突片布置在第一径向支撑凸缘与第二径向支撑凸缘之间以形成弹簧的轴向抵接部。
因此,弹簧的突片防止弹簧轴向移动。
根据涡轮环组件的第九方面,该组件还可以包括布置在两个相邻环段之间的每个接合部处的L形密封片,每个密封片包括轴向延伸的较大部分和径向延伸的较小部分,较小部分在较大部分的上游端处固定到较大部分。
该密封片在环段的整个轴向长度上在两个相邻环段之间沿圆周方向延伸,其形成在流段与流外段之间提供密封的密封件。此外,密封片的L形状允许避免该密封片与第二径向凸缘之间的任何影响。
根据涡轮环组件的第十方面,该组件还可以包括热保护环,该热保护环安装在第二径向凸缘的径向内侧,环支撑件的第二径向凸缘还包括轴向穿过环支撑件的所述第二径向凸缘的排放孔。
排放孔和热保护环允许在流外段和流段之间、特别是在位于环段下游的腔室中提供密封。热保护环可以是在其圆周上的单个位置处分段的角金属片部件,以更好地适应径向尺寸。
本发明的目的还在于提供一种涡轮机,该涡轮机包括如前所限定的组件。
附图说明
[图1]图1是根据本发明的涡轮环组件在包括轴向方向和径向方向的平面中的示意性剖视图。
[图2]图2示出了图1的涡轮组件的横向构件的示意性立体剖视图。
[图3]图3示出了图1的涡轮机组件的径向弹簧的示意性立体图。
[图4]图4示出了环组件在包括轴向方向和径向方向的截平面中的在径向弹簧处的剖视图。
[图5]图5示出了环组件在包括径向方向和正交于轴向方向的截平面中的在环段处的剖视图。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的涡轮环组件2。图1是在包括径向方向和轴向方向的平面中的剖视图。
该组件2特别地包括以纵向轴线X-X为中心的由陶瓷基质复合(CMC)材料制成的涡轮环4、附接到涡轮壳体的金属环支撑结构6,为了更清楚地阅读,图1中仅示出了涡轮壳体的附接部分32。涡轮环4围绕一组涡轮叶片(未示出)。
在下文的全文中,参照箭头所指示的通过叶片的气流F的方向使用术语“上游”和“下游”。
此外,涡轮环4由多个角环段10形成,这些环段在圆周方向上端对端地放置以形成环。在图1中,箭头DA指示涡轮环的轴向方向,而箭头DR指示涡轮环的径向方向。
每个角环段10的横截面基本上呈倒圆周率Pi(或π)的形状,其中基部12设置有内表面12a,该内表面12a限定涡轮环4的内表面的角部分,并且该内表面通常设置有也用作热与环境屏障的可磨损涂层13。
两个闩锁突出部(一个下游突出部14和一个上游突出部16)从基部12的与内表面12a相对的外表面12b径向延伸。这些闩锁突出部14和16在每个环段10的整个宽度上(在圆周方向上)延伸。
除了涡轮环4和布置在涡轮环4径向外侧的环支撑结构6之外,环组件2还包括通过螺栓300和螺母302附接到环支撑结构6的横向构件20。
横向构件20包括围绕轴线X-X延伸并具有下游端204和上游端206的钟形壳体202。横向构件20还包括从横向构件20的下游端204径向向外延伸的第一径向附接凸缘208。
环形支撑结构6包括围绕轴线X-X延伸的护罩60,并且包括从护罩60径向向外延伸的第二附接凸缘62。
环形支撑结构6的护罩60的第二径向附接凸缘62、涡轮壳体的附接部分32和横向构件20的第一径向附接凸缘208通过轴向穿过这三个元件的螺栓300以及螺母302附接在一起。
环支撑结构6还包括用于环4的第一径向闩锁凸缘64和用于环4的第二径向闩锁凸缘66,每个径向闩锁凸缘在径向方向DR上向内延伸,即朝向涡轮环4延伸。
第一径向闩锁凸缘64设置在第二径向闩锁凸缘66的下游。第一径向闩锁凸缘64和第二径向闩锁凸缘66轴向上布置在环段10的下游闩锁突出部14与上游闩锁突出部16之间。
涡轮环组件2还包括横向销40,每个横向销40形成为单件并且在气体流动方向F上轴向穿过环段10的上游突出部16、环支撑结构6的第二径向闩锁凸缘66、环支撑结构6的第一径向闩锁突缘64、和下游闩锁突出部14。
每个横向销40包括下游端402、上游端404,上游端包括轴向开口406以便于移除销40。
横向构件20还包括从横向构件20的上游端206径向向内延伸的上游径向凸缘210。上游径向凸缘210在径向方向DR上包括固定到横向构件20的上游端206的第一端2101、与第一端2101相对的第二自由端2102、第一部分2103和第二部分2104,第一部分2103在第一端2101与第二部分2104之间径向延伸,而第二部分2104在第一部分2103与第二端2102之间径向延伸。
横向构件20的上游径向凸缘210的第二部分2104包括上游突出部2105和下游突出部2106。上游径向凸缘210的第二部分2104的上游突出部2105和下游突出部2106形成在轴向方向DA上彼此分开的两个环。此外,上游径向凸缘210的下游突出部2106抵靠环段10的上游闩锁突出部16。
因此,环段10的上游闩锁突出部16在流动方向F上轴向布置在横向构件20的上游径向凸缘210的下游突出部2106与环支撑结构6的第二径向闩锁凸缘66之间。
此外,上游径向凸缘210的第二部分2104的上游突出部2105在其径向内端上包括径向凹槽2107,垫圈2108***在径向凹槽2107内。
横向构件20可以是圆柱形(即360°)部件,也可以通过组装端对端设置的多个横向构件段来生产。环支撑结构也是如此,其可以制成为单个圆柱形件或通过组装凸缘段制成。
环支撑结构6还包括下游径向凸缘68,该下游径向凸缘68在轴向上布置在第一闩锁凸缘64的下游和环段10的下游闩锁突出部14的下游。因此,环段10的下游闩锁突出部14在流动方向F上轴向布置在环支撑结构6的第一径向闩锁凸缘64与下游径向凸缘68之间。下游径向凸缘68抵靠环段10的下游闩锁突出部16。
环段10因此被轴向支撑在横向构件20的上游径向凸缘210的下游突出部2106与环支撑结构6的下游径向凸缘68之间。
横向构件20的钟形壳体202还包括径向穿过钟形壳体202的注入开口220,并且环支撑结构6的护罩60也包括径向穿过护罩60的补充注入开口600。注入开口200和补充注入开口600不是径向对准的。它们可以相对于彼此以错开的模式排列。特别地,注入开口200和补充注入开口600允许将从高压压缩机提取的冷却空气引导到位于环支撑结构6与涡轮环4之间的腔室中。
环支撑结构6的下游径向凸缘68还包括排放孔680,排放孔680允许将冷却空气引导到位于下游径向凸缘68下游的腔室中。
环组件2还包括环状C形金属密封件50,该密封件50径向上布置在横向构件20与环支撑结构6之间以改进密封。
环组件2还包括由金属制成的热保护环52,该热保护环52径向上布置在环支撑结构6的下游径向凸缘68与气流F在其中流动的流45之间。
此外,如图2所示,该图示出了横向构件20的示意性剖视图,横向构件20的上游径向凸缘210的下游突出部2106还包括多个径向槽222,这些径向槽222在圆周方向上等角间隔地间隔开。径向槽222是开口的,并且从上游径向凸缘210的第二端2102径向延伸到圆形开口224,从而允许减少应力的集中。根据该实施方式,径向槽222的数量等于形成涡轮环4的环段10的数量,或者等于环段10的数量除以二或三。
在图3中以立体图示意性地示出了径向弹簧70。径向弹簧70包括波纹状金属板71,当径向弹簧70安装在涡轮环组件2上时,波纹部布置在与涡轮环4的圆周方向相切的第一方向上。金属板71因此包括中心凸台72,突片73从中心凸台72突出,当径向弹簧70安装在涡轮环组件2上时,突片73同时在与第一方向正交且平行于轴向方向DA的第二方向上延伸。突片在轴向方向DA上的长度小于金属板71的长度。
中心凸台72由两个突片74围绕,突片74具有与中心凸台72相反的凸台。
如图4所示,图4示出了在包括轴向方向DA和径向方向DR的平面中的在径向弹簧70处的剖视图,突片73轴向布置并保持抵靠第一径向闩锁凸缘64和第二径向闩锁凸缘66。径向地,径向弹簧70通过其突片74抵靠在其安装的环段10的基部12上,并通过其突片73抵靠在环支撑结构6的护罩60上。
如图1和图4以及图5所示,图5示出了涡轮环组件2在包括径向方向DR和周向方向DC的截平面中的在环段10处的剖视图,周向方向DC正交于径向方向DR和轴向方向DA,环组件还包括呈L形的密封片8,密封片8具有较小部分82和较大部分84。
上述较大部分在轴向方向DA上在上游端86与下游端88之间延伸。较小部分82从较大部分84的上游端86径向向外延伸。
密封片8布置在两个环段10之间的每个接合部处。较小部分82允许将密封片8轴向保持在适当位置并避免其向下游运动进而损坏环支撑结构6的下游径向凸缘68。
因此,本发明提出了一种具有减少的零部件数量的涡轮环组件,由此降低了泄漏的风险,并提高了组件的通风和密封的稳健性,同时仍然确保了对由CMC材料制成的环段的保持。此外,根据本发明的涡轮环组件避免了由CMC制成的环段的制造离差,并允许减少环保持装置处的切向应力。此外,涡轮环组件在更大范围的涡轮上是整体性的。
Claims (11)
1.一种围绕轴线(X-X)延伸的涡轮环组件(2),包括:多个环段(10),这些环段(10)由陶瓷基质复合材料制成,形成涡轮环(4);以及环支撑结构(6),所述环支撑结构由涡轮壳体保持,每个环段(2)包括基部(12),从所述基部(12)径向向外延伸有彼此轴向间隔开的上游闩锁突出部(16)和下游闩锁突出部(14),
其特征在于,所述组件(2)还包括:
横向构件(20),所述横向构件(20)机械地连接到所述环支撑结构(6)并且包括抵靠所述环段(10)的所述上游闩锁突出部(16)的第一径向凸缘(210),以及
对于每个环段(10),至少两个横向销(40)和一个径向弹簧(70),其中,每个横向销(40)穿过所述环段(10)的所述上游闩锁突出部(16)和所述下游闩锁突出部(14)以及所述环支撑结构(6),以保持所述环段(10)和所述环支撑结构(6)固定于彼此,并且,所述径向弹簧(70)在正交于所述轴向方向(X-X)的径向方向(DR)上保持一方面抵靠所述环段(10)并且另一方面抵靠所述环支撑结构(6)以保持所述环段布置在相同径向位置,
所述环支撑结构(6)还包括第二径向凸缘(68),所述第二径向凸缘(68)抵靠所述环段(10)的所述下游闩锁突出部(14),每个环段(10)的所述上游闩锁突出部(16)和所述下游闩锁突出部(14)轴向上布置在所述第一径向凸缘(210)与所述第二径向凸缘(68)之间,并且所述第一径向凸缘(210)包括第一部分(2103)和在所述第一部分(210)的径向内侧的第二部分(2104),所述第二部分(2104)包括第一突出部(2105)和第二突出部(2106),所述第一突出部(2105)和所述第二突出部(2106)彼此轴向分开并且均固定到所述第一部分(2103),所述第一突出部(2105)位于所述第二突出部(2106)的轴向上游,并且所述第二突出部(2106)抵靠所述上游闩锁突出部(16)。
2.根据权利要求1所述的组件(2),其中,所述第一径向凸缘(210)的所述下游突出部(2106)包括固定到所述第一径向凸缘(210)的所述第一部分(2103)的第一端和自由且与所述第一端相对的第二端,所述下游突出部(2106)还包括径向槽(222),所述径向槽(222)等角间隔地间隔开并且各自从所述第二端延伸到开口(224),所述径向槽(222)的数量至多等于所述环段(10)的数量。
3.根据权利要求1所述的组件(2),其中,所述横向构件(20)包括围绕所述涡轮环(4)布置的钟形壳体(202),并且所述环支撑结构(6)包括径向上布置在所述涡轮环(4)与所述横向构件(20)的所述钟形壳体(202)之间的护罩(60)。
4.根据权利要求3所述的组件(2),其中,所述横向构件(20)的所述钟形壳体(202)包括注入开口(220),并且所述环支撑结构(6)的所述护罩(60)包括相对于所述注入开口(220)轴向偏移的补充注入开口(600)。
5.根据权利要求3所述的组件(2),还包括在所述横向构件(20)的所述钟形壳体(202)与所述环支撑结构(6)的所述护罩(60)之间延伸的C形环状密封件(50),所述C形环状密封件(50)与所述横向构件(20)的所述钟形壳体(202)以及所述环支撑结构(6)的所述护罩(60)同轴。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的组件(2),其中,所述环支撑结构(6)还包括第一径向支撑凸缘(64)和与所述第一径向支撑凸缘(64)轴向分开的第二径向支撑凸缘(66),每个横向销(40)穿过所述第一径向支撑凸缘(64)和所述第二径向支撑凸缘(66)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的组件(2),其中,所述径向弹簧(70)包括形成波纹状而具有至少一个弯拱(72)的金属板(71)。
8.根据权利要求6所述的组件(2),其中,所述径向弹簧(70)还包括突片(73),所述突片(73)从所述弯拱(72)的峰部突出并且沿着所述弯拱(72)延伸小于所述金属板(71)的轴向长度的一个长度,所述突片(73)布置在所述第一径向支撑凸缘(64)与所述第二径向支撑凸缘(66)之间。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的组件(2),还包括布置在两个相邻环段(10)之间的每个接合部处的L形密封片(8),每个密封片(8)包括轴向延伸的较大部分(84)和径向延伸的较小部分(82),所述较小部分(82)在所述较大部分(84)的上游端(86)处固定到所述较大部分(84)。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的组件(2),还包括热保护环(52),所述热保护环安装在所述第二径向凸缘(68)的径向内侧,所述第二径向凸缘(68)还包括排放孔(680),所述排放孔(680)轴向穿过所述第二径向凸缘(68)。
11.一种包括根据权利要求1至10中任一项所述的组件(2)的涡轮机。
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