DE1426335A1 - Statoreinheit fuer Stroemungsmaschinen - Google Patents

Description

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PATENTANWALT DIPL-ING. R. MÜLLER-BORNER PATENTANWALT DIPL.-ING. HANS-H. WEY

BERLIN- DAHLEM 33 · PODBiELSKIALLEE 63 8MO N CHEN 22- WIDENM AY ER ST RASSE

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P 14 26 335.5 18 196

Neue Unterlagen:

General Electric Company Schenectady, N.Y. /USA

Stato.reinheit für Strömungsmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Statoreinheit für Gasturbinenaggregate mit mindestens zwei bogenförmigen Segmenten, die je ein äußeres und ein inneres bogenförmiges Mantelteil und mehrere sich in radialer Richtung erstreckende zwischen den Mantelteilen angeordnete und an diesen befestigte Leitschaufeln enthalten, wobei die Leitschaufeln .je eine in axialer Richtung auseinanderliegende An- und Absttömkante aufweisen und benachbarte Leitschaufeln Strömungsdurchlasse mit sich in axialer Richtung verändernder Querschnittsfläche begrenzen, mit Flanschen, die sich radial von den den Leitschaufeln

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[7JJ Abs,2Nr.1 Satz3desAnderungsgee.ν, 4.9.1907)'

abgewandten Seiten (Außenseiten) der Mantelfläche zum Abstützen an den umgebenden Gehäuseteilen erstrecken.

Zwischen der Brennkammer und dem Laufrad eines Gasturbinenaggregats ist üblicherweise ein ringförmiger Düsenzwischenboden angeordnet, um den unter hohem Druck stehenden Verbrennungsgasen eine bestimmte.dichtung zu geben, in der sie die Beschaufelung..des Laufr;ades anströmen, Der Diisenzwischenboden ist mitunter ein vollkommen geschlossenes, aus einem Stück bestehendes llingbauteil, das als zusammenhängende Einheit hergestellt ist und in dem Turbinenaggregat gehalten wird« Da der Düsenzwischenboden gewöhnlich Temperaturen von etwa.980° C ausgesetzt ist, die bei modernen Hochleistungs-Gasturbinen-Aggregaten auch noch höher liegen können, hat man die Düsenzwischenboden schon oft in Segmente unterteilt und diese, um Ausdehnungen und Kontraktionen aufgrund von Temperaturänderungen zu ermöglichen, in in Umfangsrichtung voneinander getrennter Lage der Segmente in bzw. an dem Stator angebracht bzw. eingebaut* Obwohl das Unterteilen des Zwischenbodens in Segmente zu einer bedeutenden Verringerung der erheblichen Wärmebeanspruchungen führt, die ansonst bei so großen TemperaturSchwankungen auftreten wurden, hat man festgestellt, daß in Bereichen starker Wärmezufuhr, insbesondere an den Anström- und Abströmkanten der in dem Düsenzwischenboden sitzenden, stromlinienförmig ausgebildeten Leitschaufeln noch beträchtliche

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Wärmebeanspruchungen auftreten. Diese Beanspruchungen

sofern sie ausreichend sind, eine Zerstörung des Düsenzvri'jscljiiöhbodens oder gar dessen Ausbrechen zur Folge haben.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen JXjsenzwischenboden zu schaffen, bei dem die WärmebeanSpÄ'uciiungföiiV insbesondere in den An- und den Abströmkanten der Lei tschau fein, auf einem möglichst niedrigen Wert gehalten werden, .,

Zur Ϊ/9'sung die sei" Aufgabe wii'd gemäß der Erfindung eine Statpreirihext für beispielsweise ein Gasturbinenaggregat yorgpseßl'ag&ji,. . die mindestens zwei b ο ge ii. for ro ige Segmente äufw'eis't ,* die "je" ein äußeres und ein inneres bogenförmiges elje4_|. ur^d _rtri%hr.ere, sich in radialer .Richtung erstrecken- <3ß;'«rw.iiiachen''.'den äWaniJelteilen angooi'dneto und an diesen be— festigte" Lei"tsctJÄufein enthalten, wobei die Leitschaufeln je eine in axialer Richtung auseinanderliegende An- und Abetröflikantc.'i&yfweisen und boiiaolibarte Lr it schaufeln Strö— mungsdui*chlfisee mit sich in axialer Richtung verändernder Querschnittsflache begrenzen, mit Flanschen, die sich radial ^öj;^schaufeln ijbgewand ten Seiten (Außenseiten) zum Abstützen an den umgebenden Gehäuse—

teiljpn er,s^ec.k;exi und .die dadurch gekennzeichnet sind, daß

.f-|aiiteltei.le nur jo eU s.icli In

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etwa mit den Bereichen geringster Querschnittsfläehe der Durchlässe zwischen benachbarten Leitschaufel» im wesentlichen deckender Flansch vorgesehen ist«,

Die Segmente der Düsen werden in der Turbine von Halterungen getragen, an welchen die Plansche anliegen und welche bei Temperaturveränderungen das Ausdehnen bzw. Zusammenziehen der Segmente zulassen, wobei die Anordnung so ist, daß die Abstände in Umfangsrichtung zwischen den bogenförmigen Segmenten so gehalten sind, daß die infolge Wärmeeinwirkung sich ausdehnenden Segmente bei der Arbeitstemperatur aneinander anliegen. Die Halterungen, überlappen die Flansche, um Verluste infolge Undichtigkeit an den Zwischenräumen in Umfangsrichtung zwischen den Flanschen einander benachbarter Segmente zu vermeiden«

In den Figuren 1 bis h der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung anhand eines bevorzugten Aüsführungsbeispiels dargestellt, welches nachstehend näher erläutert ist. Es zeigern

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Teil eines Gasturbinenaggregats im Bereich des Düsenzwischenbodens;

Fig, 2 eine Aufsicht auf einen Teil des Düsenzwischenbodens mit Blickrichtung entgegen der Strömungsrichtung;

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OH 0 O Π Λ / η λ λ λ ■ ■'..

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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines der Segmente des im Düsenzwischenboden sitzenden Leitschaufel— ringes;

Fig. 4 einen Umfangsschnitt entlang der Linie k-k in Fig.1, aus dem die Lage der Halterungsflansche in Bezug auf die Leitschaufeln bzw» die Strömungskanäle oder Düsen zwischen den Leitschaufeln hervorgeht.

In Fig,* 1 ist ein Teil eines Gasturbinenaggregats dargestellt, das ein äußeres zylindrisches Gehäuse 10 aufweist, welches aus den ringförmigen Abschnitten 11 und 12 zusammengesetzt ist, die mittels ihrer Flansche I3 bzw, I^ und mit Hilfe von in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordneten Bolzen 15 oder mit Hilfe sonstiger geeigneter Befestigungsmittel miteinander verbunden sind. Zwischen dem Gehäuse^ 1p und der Innenwand 17 befindet sich ein ringförmige^ ;£nnenr.aum 1 6« Die aus einem feststehenden stützfähigen Teil.], bestehende Innenwand 17 kann beispielsweise ein sich in axialer Richtung von dem hinteren Rahmen des nicht dargestellten Verdichters aus erstreckender Ringflansch sein. .JIn dem. Innenraum 16 ist ein ringförmiger _t nur teilweise dargestellter. Brennkammereinsatz 18 angeordnet, welcher mit Öffnungen zwecks Zuführung der durch den Verdichter komprimieirkejQ, Luft zum, Unterhalten der Verbrennung im Innenraum des BrennkaHimereinsatzes 18 versehen ist»

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Am .hinteren. Ende des Brennkammereinsatzes 18 ist ein ringförmiger Düsenzwischeriboden 20 mit einem Leitscliaufellcranz angebracht, um die heißen Verbrennungsgase dem Schaufelkranz 21 des Rotors 22 mit bestimmter Geschwindigkeit und im richtigen Winkel zuzuführen. Die Turbinenschaufeln 21 sind am Außenumfang des Turbinenlaufrades 22 angeordnet, das zusammen mit der Welle 23, die mittels nicht dargestellter Lager in dem Gelläuse 10 drehbar gelagert ist, umlauft.

Der Düsenzwisclienboden 20 bestellt im wesentlichen, wie aus Fig. 1 und 2 hervorgeht, aus mehreren Segmenten 25» von denen in Fig. 3 eines einzeln dargestellt ist. Jedes Zwischenbodensegment 25 besteht aus einem bogenförmigen äußeren Mantelteil 26._t einem bogenförmigen inneren Mantelteil 27 und mehreren zwischen diesen beiden Mantelteilen 26 und 27 radial angeordneten und an ihnen befestigten Leitschaufeln 28, die je eine Anströmkante 29 und eine Abströmkante 30 besitzen. An dem äußeren Mantelteil 26 befindet sich ein in radialer Ebene liegender, nach außen ragender, im wesentlichen in etwa auf der Mitte zwischen den Anströmkanten 29 bzw. den Abströtnkanten 30 der Leitschaufeln 28 angeordneter Plansch 31. Ein entsprechender Flansch 32 befindet sich an dem inneren Mantel— teil 27 und ragt nach innen gegen die ¥elle, wobei auch seine axiale Lage im wesentlichen die Mitte zwischen den Anström- und den Abströmkanten 29 bzw. 30 der Leitschaufeln 28 ist. Der Grund für diese besondere Anordnung bzw_o Lage der Flansche

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31 und 32 ist an anderer Stelle der 13eSchreibung· noch näher erläutert.

In dem Flansch 32 eines jeden Segments 25 sind in Umfangsrichtung auf ,einem an der Achse der Maschine angelegten Radius R₁ im Abstand voneinander Bohrungen 33» 3^ und 35 angeordnet, von denen die Bohrungen 3h und 35 SK^· einen größeren Durchmesser haben als die Bohrung 33· Der Grund für diesen Unterschied in der Größe der Durchmesser der Bohrungen 33 bzw, 3h, 35 ist nachfolgend dargelegt* Die Segmente 25 sind konzentrisch zur Turbinenachse ausgebildet, wobei die Bohrungen 33, 3^ und 35 im inneren Flansch 32 auf dem gleichen durch ihre Mittelpunkte verlaufenden Radius R liegen.

Jedes Segment 25 des Düsenzwischenbodens 20 wird nach den üblichen Herstellungsmethoden so ausgebildet, daß es sich über einen Segmentwinkel von 60 erstreckt. Selbstverständlich kann der Dusenzwischenboden 20 die unterschiedlichste Anzahl von Segmenten 25 haben. Beispielsweise ist es möglich, daß der Düsenzwischenboden 2O anstatt der dargestellten sechs Segmente mit 60 zwölf Segmente mit 30 hat. Es hat sich jedoch als zweckmäßig herausgestelltj im Zwischenboden 20, wie dargestellt, sechs Segmente von 60 vorzusehen. Es kann jedoch jede beliebige Anzahl von Segmenten verwendet werden, sofern die Gesamtzahl der Leitschaufeln durch diese Zahl teil—

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bar ist. Dadurch wird gewährleistet, daß alle Segmente gleich groß sind und eine gleiche Anzahl von Leitschaufeln haben.

Mit Hilfe geeigneter Mittel, wie beispielsweise mittels der Schraubbolzen 41, ist der konische Haltering 40 (Fig.1 u. 2) an dem Flansch der zylindrischen Innenwand 17 befestigt. Der Haltering 40 weist auf einem an der Achse der Maschine angelegten Radius R_ Bohrungen 42 auf, deren in Umfangsrichtung vorgesehenen Winkelabstände sich mit den zwischen den Bohrungen 33, 3h und 35 im Flansch 32 der Zwischenbodensegmente 25 vorgesehenen Winkelabstände decken. Die Segmente 25 sind daher derart in den Zwischenboden des Gasturbinenaggregats eingesetzt, daß die Bohrungen 33» 34 und 35 mit je einer der Bohrungen 42 ausgerichtet sind. Dann wird ein erster Bolzen in jede Bohrung 33 und die ihr zugeordnete Bohrung 42 eingesetzt. Die Bolzen 43 haben einen zylindrischen Schaftteil, der mit glattem Paßsitz in den Bohrungen 33 und 42 liegt, so daß die Segmente 25 in bestimmter Lage zentriert und ausgerichtet gehalten werden. Die Befestigungsbolzen 44 und 45 liegen mit Spiel in den Bohrungen 34 und 35, so daß sich die Enden der Zwischenbodensegmente 25 in Bezug auf ihre Mitte in Umfangsrichtung frei ausdehnen bzw. zusammenziehen können,, Aus diesem Grunde müssen die Bohrungen 34 und 35 einen größeren Durchmesser als die Bohrungen 33 aufweisen oder als Langloch.ausgebildet sein. Ggf. können die Bohrungen 34 und

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d *>:.;;£ ΛΪ " U28335

35 auch die' ■gleiche Größe haben wie die Bohrungen 33» doch müssen'dann die Bolzen 44 und 45 einen kleineren Durchmesser haben als die Bolzen 43· Sofern sich in der Praxis zeigt, daß die Segmente 25 die Neigung haben, sich um den Bolzen 43^;zu verdrehen, können die Bohrungen 33 und 34 anstatt kreisrund als in Umfangsriclitung verlaufende längliche- Schlitze ausgebildet sein*

Bei der Befestigung der Segmente 25 an dem Ringteil 40 der Maschine Entstehen·zwischen den Ringteilen 26 bzw, 27 aneinander* !angrenzender Segmente 25 Zwischenräume C, da der Radius R größer ist als der Radius R₁, Die Radien Rx und R und der Spielr'-aum G sind so gewählt, daß die Segmente 25 bei normaler Betriebstemperatur des Düsenzwischenbodens 20 infolge ihrer Ausdehnung aneinander anliegen. Die ¥ahl der Radien^; R₁,' Rp und des Spielraumes C ist von einer Anzahl , Faktoren abhängig, die praktisch im Hinblick auf jedes Aggregat empirisch ermittelt werden müssen. Beispielsweise muß der Werkstoff, ausι dem die Segmente 25 des Düsenzwischenbodens hergestellt sind, berücksichtigt werden, da unterschiedliche· ¥erkstiO.ffe unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizieiilien haben. Die normale Betriebstemperatur des Düsenzwischehboden-s und d±e Temperatur, bei der die Segttfeiite 25 zusammengebaut werden, müssen ebenfalls berücksichtigi; wenden. Ebenso muß auch die Ausdehnung des konischen Halteringes 4© intBetracht gezogen werden. Diese Ausdehnung

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ist im allgemeinen verhältnismäßig gering, da der Haltering 40 der verhältnismäßig kühleren verdichteten Luft
in dem Raum 16 und nicht den heißen Verbrennungsgasen
ausgesetzt ist,. , . . ,

Mit. IJLiIf e der . vo.rstehend beschriebenen Haiterungsanordnung werden die Mitten der Segmente 25 in vorbestimmter Lage festgelegt^ wobei diese Haiterungsanordnung eine Ausdehnung und Kontraktion der Enden der Zwischenbödensegmente 25 in Um— fangsrichtung zuläßt. Nachstehend sind die Halterungsmittel zur Festlegung des Düsenzwischenbodens 20 in axialer Richtung beschrieben. Auf der in Strömungsrichtung hinteren Seite des sich von dem äußeren Mantelteil 26 aus nach außen erstreckenden Flansches 31 z'agt ein am Gehäuseteil 12 befindlicher Flansch 46 radial· nach innen. Die den Leitschaufelkranz durchströmenden, unter Druck stehenden Verbrennungs— gase sorgen für eine Anlage der Flansche31 des Düsenzwischenbodens 20, an dem Flansch 46 am Gehäuseteil 12. Der an den Flanschen 32 anliegende Haltering 40 unterstützt das
axiale Festlegen des Düsenzwischenbodens 20.

Es wurde festgestellt, daß in den.Bereichen starker Wärmezufuhr erhebliche Wärmebeanspruchungen auftreten, was ins— besonde^re-^für die Bereiche der An,;Si;röm-- und der. Abströmkanten dez"_; in den.Zwiischenbodensegmenten 25 sitzenden Leitschaufeln, 28 zju.trifft.. .Außh_vcwurde.,,fes,tg₍este,llt, daß zwischen den aneinander angrenzenden Segmenten 25 in einem Düsenzwischenboden

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erhebliche Lässigkeitsverluste auftreten können, sofern keine besonderen Abdichtungsmittel vorgesehen sind.

Zu der Ausführungsform nach Fig. 1 ist zu bemerken, daß, während die Luft innerhalb des gesamten ringförmigen Raumes 16 einen im wesentlichen gleichmäßigen, hohen Druck hat, die Temperatur in dem Raum 16 weitgehend unterschiedlich ist. Der eigentliche Verbrennungsvorgang findet im Inneraum 19 des Brennkammereinsatzes 18 statt, wobei die dem Leitschaufelkranz aus dem Verbrennungsraum 19 zugeführten Verbrennungs gase eine Temperatur von ca. 980 C oder mehr aufweisen können. Die Luft außerhalb des Brennkammereinsatzes 18hat eine viel niedrigere Temperatur, die im allgemeinen bei etwa 425 liegt. Dies bringt es also mit sich, daß die Flansche 31 und 32 eine geringere Neigung zum Ausdehnen haben als die übrigen Teile der Segmente 25 des Düsenzwischenbodens, Daraus entstehen in den verschiedenen Abschnitten des Düsenzwischenbodens Wärmespannungen oder -beanspruchungen. Erfindungsgemäß sind die Flansche 31 bzw. 32 etwa in der Mitte zwischen den Anströmkanten 29 und den Abströmkanten 30 der Leitschaufeln 28 angeordnet. Folglich können sich die Anström- und die Abströmkanten, die diejenigen Teile der Leitschaufeln sind, die insbesondere während des Startens und des Auslaufens nach dem Abstellen der Maschine durch die Hochtemperatur-Verbrennungsgase am meisten ungünstig beeinträchtigt werden, ausdehnen oder zusammenziehen, wobei das Ausmaß der Beein-

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trächtigung gegenüber den bisher bekannten Konstruktionen, bei denen die Halte- bzw. Befestigungsflansche oder entsprechende Bauteile in der Nähe der Anström- oder der Abströmkanten der Leitschaufeln, oder sowohl im Bereich der Anström- als auch der Abströmkanten angeordnet sind, das kleinstmögliche ist.

Die Flansche 31 und 32 sollen gemäß der Erfindung: zwischen den Anström- und den Abströmkanten 29 ,bzw. 30 der Leitschaufeln 28 liegen. Aus Fig. h ist ersichtlich, daß die Flansche derart angeordnet "sind, daß sich ihre Lage in etwa mit der Mitte der Bereiche mit kleinster Querschnittsfläche zwischen einander benachbarten Leitschaufeln 28 deckt. Während ihre axiale Lage somit in etwa mit der Mitte zwischen den Anström- und den Abströmkanten übereinstimmt,, können sie erfindungsgemäß genauer in einer solchen Lage angeordnet sein, die sich durch Bestimmung der Lage des engsten Strömungsquerschnitts zwischen zwei einander benachbarten Leitschaufeln, der in Fig. k mit T bezeichnet ist, ergibt. Die Verbrennungsgase haben in Strömungsrichtung vor der engsten Stelle T jeder Düse einen hohen Druck, während sie in Strömungsrichtung dahinter einen verhältnismäßig niedrigen Druck haben«

Aus Fig. 1 ist offensichtlich, daß zwischen der Luft in den Bereichen 50 bzw. 51 des Innenraumes 16 unmittelbar außerhalb des äußeren Mantelteils 26 bzw. innerhalb des inneren Manteiteils 27 und den Verbrennungsgas en in Strö-

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mungsriehtüng vor den Düsen ein verhältnismäßig geringer Druckunterschied besteht. Demzufolge und auch aufgrund der Tatsache^ daß die Segmente' 25 des Zwischenbodens in der Weise gehalten werden, daß die Zwischenräume C bei normaler Betriebstemperatur des Düsenzwischenbodens 20 geschlossen sind, können selbst bei Fehlen besonderer Abdichtungsmittel zwischen den einander benachbarten Segmenten 25 nur geringe LässigkeitsVerluste auftreten. Auch ist ersichtlich, daß zwischen den Räumen 52 und 53 und dem Düsenbereieh in Strö^nürigfsricntürig Tainter dem engsten Düsenquerschnitt gleicherweise hur ganz geringe Lässigkeitsverluste auftreten köririen. ■·■;..·;·..·■.....■ ■ - . . - . ■- .-. . ,- . ■-_

Natürlich* besteht zwischen den Hochdruckbereichen 50 und 51 und den angrenzenden Niederdruckbereichen 52 bzw. 53 Pin beträchtlicher -DrucleuhtersGhied. Um Lässiglceitsverluste zwischen diesen Bereichen durch die Umfangszwischenräume der anliegenden Flansche 31 und 32 zu verhindern, überlappen der Flansch 46 und' der Hiäitöraiig 40 diese Zwischenräume in der leise, daß eine "ausreichende Abdichtung gegeben ist»

Durch die ea?finduhgsgemäße Ausbildung des Düsenzwischenbodens werden die Wärmebeanspruchungen, insbesondere im Bereich der Ariström-und der Abströmkanten der einzelnen Leitschaufeln, auf einem relativ niedrigen Wert gehalten;

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aucli sind besondere Abdichtungsmit"feel zum-Verhindern von Lässigkeitsverlusten zwischen den aneinander angrenzenden Düsensegmenten nicht erforderlich.

ORIGJ_NAL INSPECTED

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   Statoreinheit für Gasturbinenaggregate mit mindestens zwei bogenförmigen Segmenten, die je ein äußeres und ein inneres bogenförmiges Mantelteil und mehrere sich in radialer Richtung erstreckende zwischen den Mantelteilen angeordnete und an diesen befestigte Leitschaufeln enthalten, wobei die Leitschaufeln je eine in axialer Richtung auseinanderliegende An- und Abströmkante aufweisen und benachbarte Leitschaufeln Strömungsdurchlässe mit sich in axialer Richtung verändernder Querschnitts— fläche begrenzen, mit Planschen, die sich radial von Cen den Leitschaufeln abgewandten Seiten (Außenseiten) der Mantel-

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   fläche zum Abstützen an den umgebenden Gehäuseteilen erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Aus— senseite der Mantelteile (26,27) nur je ein sich in etwa mit den Bereichen (T) geringster Querschnittsfläche der Durchlässe Zwischen benachbarten Leitschau— fein (28) im wesentlichen deckender Flansch (31»32) vorgesehen ist.
2. 2. Statoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände (c) in Uiriangsrichtung zwischen den bogenförmigen Segmenten (25) so gehalten sind, daß die infolge Wärmeeinwirkung sich ausdehnenden Segmente bei der Arbeitstemperatur aneinander anliegen»

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