DE69009372T2 - Verringerung des Wellenwiderstandes eines Schiffes. - Google Patents

Verringerung des Wellenwiderstandes eines Schiffes.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verringerung des während der Schiffsnavigation auftretenden Wellenwiderstandes und ein mit dieser Einrichtung versehenes Schiff. Die Erfindung liefert nicht nur bei kleinen und mittleren Hochgeschwindigkeitsschiffen zufriedenstellende Ergebnisse, sondern auch bei großen Schiffen, wie z.B. ältankern, die mit hoher oder höherer Geschwindigkeit fahren müssen.
  • Der Widerstand, der auftritt wenn ein Schiff auf dem Wasser treibt und gesteuert wird, besteht im wesentlichen aus Reibungswiderstand mit Wasser, Wellenwiderstand und Luftwiderstand. Während der Reibungswiderstand nahezu 90 des Gesamtwiderstandes bei einem großen Schiff mit geringer Geschwindigkeit beträgt, steigt der Anteil des Wellenwiderstandes bei kleinen oder mittleren Schiffen mit hoher Geschwindigkeit manchmal bis auf 60 % des Gesamtwiderstandes an. Auf der anderen Seite beträgt der Widerstandsanteil aufgrund von Formwiderstand und Luftwiderstand bei den meisten Schiffen nur einige Prozent. Daher wird die Schätzung des Gesamtwiderstandes im allgemeinen durch Messung des Gesamtwiderstandes eines Modellschiffs vorgenommen, von dem der berechnete Reibungswiderstand abgezogen wird, und der verbleibende Wellenwiderstand wird mit dem Verhältnis von Verdrängung des tatsächlichen Schiffs zu der des Modellschiffs multipliziert, um den Wellenwiderstand des tatsächlichen Schiffs abzuschätzen, zu welchem der Reibungswiderstand addiert wird, um den gewünschten Gesamtwiderstand zu erhalten.
  • Der besagte Wellenwiderstand betrifft den Widerstand aufgrund von Wellen, d.h. Gravitationswellen, die durch die Vorwärtsbewegung eines Schiffs erzeugt werden. Das Verhältnis von Trägheit zu Schwerkraft oder die sog. Froude-Zahl ist ein wichtiger Faktor des Wellenwiderstandes.
  • Zur Verringerung des Wellenwiderstandes wurde vorgeschlagen, die Schwerkraft des Schiffs per se zu verringern und hierzu wurde bisher in den japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 55-15349, Nr. 48-35557 und anderswo die Lehre erteilt, eine Anzahl von Luftaustrittsbohrungen am Boden des Schiffrumpfes oder an den Seiten in der Nähe des Bodens vorzusehen, durch welche Druckluft in das Wasser eingeblasen wird, um einen Auftrieb des Schiffskörpers in Richtung der Wasseroberfläche zu erreichen.
  • Dieses Verfahren wird jedoch bei gegenwärtigen Schiffen kaum angewendet, da außer bei Schiffen, die mit dem gesamten Rumpf unter Wasser navigieren und keine freie Oberfläche aufweisen, wie z. B. U-Boote, die Erzeugung von Wellen infolge der Vorwärtsbewegung des Schiffs nicht reduziert werden kann wenn der Schiffsrumpf über der Wasseroberfläche ist, so daß dieses Verfahren zur Verringerung des Wellenwiderstandes unwirksam ist. Darüber hinaus besteht ein Risiko zum Kentern, wenn die Geschwindigkeit des Schiffs über eine bestimmte Grenze hinaus erhöht wird.
  • Es wurden ferner ein Verfahren zum Einblasen von Druckluft in das Wasser nach vorn in Fahrtrichtung des Schiffes vorgeschlagen, um so den Wasserwiderstand durch die Masse der Luftblasen zu verringern (vgl. z.B. japanisches Patent Kokai Nr. 60-33185> , sowie ein Verfahren zur Verringerung des Wasserwiderstandes, bei dem dünne, schlanke Platten parallel zur Außenfläche des Rumpfes und näherungsweise rechtwinklig zur Fahrtrichtung angebracht sind, wobei ein geringer Abstand mit der Rumpfoberfläche im Wasser beibehalten wird und Luft aus einer Vielzahl von kleinen Öffnungen an der Vorderkante der Platte hinausgeblasen wird.
  • Diese bekannten Verfahren erfordern jedoch zusätzliche Einrichtungen wie z.B. Kompressoren zur Erzeugung von der in das Wasser einzublasenden Druckluft und der Verbrauch von großen Energiemengen zum Ausstoßen der Luft ist unvermeidbar. Daher ist die Anwendung dieser bekannten Verfahren bei gegenwärtigen Schiffen nicht sehr zufriedenstellend.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Reduzierung des Wellenwiderstandes mit einem einfachen Aufbau und hohem Wirkungsgrad ohne Verbrauch von übermäßig großen Energiemengen zu schaffen.
  • Als Ergebnis von intensiven Untersuchungen für die Entwicklung einer Einrichtung zur Verringerung des Wellenwiderstandes eines Schiffs haben die Erfinder herausgefunden, daß dieses Ziel dadurch erreicht werden kann, daß platten- oder flossenartige Körper symmetrisch an den rechten und linken Seitenflächen des Rumpfes befestigt werden und oberhalb und unterhalb der Wasserlinie des Rumpfes verlaufen, wobei jeder flossenartige Körper an seinem Vorderende am Rumpf befestigt und dessen hinteres Ende sich in der gleichen Weise wie die Flosse eines Fisches nach außen erstreckt.
  • Die internationale Patentveröffentlichung WO 86/04557 schlägt die Verwendung von Luftzufuhrkanälen in den Rumpfseiten vor, die zur Bildung von Luftblasen zwischen dem Schiffsrumpf und dem Wasser oberhalb der Wasserlinie verlaufen. Der Kanal kann durch einen federartigen Streifen abgedeckt werden, der in der Rumpfebene derart angeordnet ist, daß der Streifen keinen geschwindigkeitsreduzierenden Effekt bei geringen Geschwindigkeiten aufweist. Es sind ferner Mittel zum Drücken des Streifens entgegen seiner natürlichen Federwirkung vorgesehen, um zu einer mit dem Rumpf bündigen Stellung zurückzukehren und um die Stellung des Streifens relativ zum Schiffsrumpf einzustellen. Der komplizierte Aufbau zur Bildung von Luftblasen innerhalb des Schiffsrumpfs wird durch die vorliegende Erfindung vermieden.
  • Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung zur Verringerung des Wellenwiderstandes eines Schiffs vorgesehen, mit mindestens einem Flossenpaar von jeweils im wesentlichen identischer Form, das oberhalb und unterhalb der Wasserlinie des Schiffsrumpfes symmetrisch zu beiden Seiten des Rumpfes und nach hinten in Richtung des Hecks verläuft, wobei jede Flosse zur Befestigung am Rumpf in direktem Kontakt mit diesem entlang ihrer Vorderkante steht und wobei das hintere Ende jeder Flosse von der Rumpfoberfläche beabstandet ist, und Mitteln zur Einstellung der Flosse gegenüber dem Rumpf durch Bewegung des hinteren Endes der Flosse vom Rumpf weg und auf diesen zu, dadurch gekennzeichnet, daß jede Flosse durch eine Schwenkeinrichtung am Schiffsrumpf angeordnet ist, wodurch das Verschwenken der Flosse durch die Einstelleinrichtung den Winkel der Flosse gegenüber dem Rumpf an der Schwenkachse verändert.
  • Fig 1 ist eine schematische Draufsicht auf einen Schiffsrumpf in Möhe der Wasserlinie mit der erfindungsgemäßen Einrichtung.
  • Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines Schiffrumpfes mit der erfindungsgemäßen Einrichtung.
  • Fig. 3a bis 3h zeigen jeweils eine bei der Erfindung verwendete Flosse mit unterschiedlichen Formen.
  • Fig. 4 bis 6 zeigen jeweils eine Perspektivansicht einer Flosse, die am Schiffsrumpf in unterschiedlicher Weise angeordnet ist, welche jedoch nicht durch die Ansprüche gedeckt ist.
  • Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine am Rumpf angeordnete Flosse mit einem variablen Einstellwinkel.
  • Fig. 8 ist eine Darstellung zur Erläuterung der im wesentlichen um einen Körper herum verlaufenden Strömungslinien.
  • Fig. 9 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der erfindungsgemäßen Einrichtung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Wie aus der Hydrodynamik bekannt ist, weist jedes reale Fluid eine Viskosität und eine Kompressibilität auf, so daß die Viskosität des Fluids beim Einbringen eines Körpers in die Fluidströmung eine Geschwindigkeitsverteilung aufgrund des Wandungswiderstandes verursacht und es werden Abrißbereiche a und Rückströmungsbereiche b in dem Strömungslinienmuster um den Körper herum gebildet, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Die Situation ist ähnlich, wenn das Fluid stationär ist und der Körper darin bewegt wird. Wenn jedoch ein Paar flossenartiger Platten vorgesehen ist, das sich gemäß Fig. 9 nach hinten weiter vom Rumpf entfernt und sich in einer Höhe oberhalb und unterhalb der Wasserlinie des Rumpfs befindet, wird der Abrißbereich a am hinteren Ende jeder Platte und ein Rückströmungsbereich b in dem Raum zwischen dem hinteren Ende der Platte und dem Rumpf gebildet. Dies führt dazu, daß sich die durch die Vorwärtsbewegung des Schiffs erzeugten Wellen beim Überströmen des hinteren Endes der Platte infolge einer Umwandlung der Strömung in eine turbulente Strömung aufheben.
  • Anhand der beiliegenden Zeichnung wird die erfindungsgemäße Einrichtung im folgenden im einzelnen erläutert. Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen Schiffsrumpf in Höhe der Wasserlinie und Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Rumpfes, bei dem mehrere flossenartige Plattenpaare 4, 4, ... und 4', 4', ... symmetrisch an den linken und rechten Seitenwänden 2, 2', bzw. des Rumpfes 1 angeordnet sind. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist jede der Platten 4, 4, ... und 4', 4', ... in einer Höhe angeordnet, um vom Vorschiff bis zum Heck des Rumpfes 1 oberhalb und unterhalb der Wasserlinie 3 zu verlaufen. Jede der Flossen 4 ... und 4' ... ist gemäß Fig. 2 entlang der vorderen Endkante am Rumpf 1 befestigt, während dessen hinteres Ende von der Oberfläche des Rumpfes 1 getrennt ist.
  • Vorzugsweise ist jede der Flossen 4, ... und 4', ... unter einem im folgenden als Anstellwinkel α bezeichneten Winkel von 2 bis 25º bzw. noch besser von 5 bis 15º zur Oberfläche des Rumpfs 1 angeordnet. Wenn der Anstellwinkel α kleiner als 20 ist, reicht der Unterdrückungseffekt auf den Wellenwiderstand nicht aus, während bei einem Anstellwinkel von mehr als 25º der Reibungswiderstand so stark ansteigt, daß die Geschwindigkeit des Schiffes abnimmt. Wenn zwei oder mehrere Flossenpaare angebaut sind, kann der Anstellwinkel wahlweise von Paar zu Paar variiert werden. Der optimale Wert des Anstellwinkels α hängt von der Geschwindigkeit des Schiffes und dem Profil des Rumpfes 1 ab, so daß vorzugsweise für jedes Schiff ein Design auf der Grundlage der Ergebnisse des Wassertankexperimentes unter Verwendung eines Modellrumpfes des entsprechenden Profils erstellt wird.
  • Die Form der bei der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendeten Flossen ist nicht besonders beschränkt, vorausgesetzt die vordere Endkante hat dieselbe Krümmung wie die Oberfläche des Rumpfes, an dem die Flosse mit direktem Kontakt befestigt ist. Beispiele für geeignete Flossenbauformen sind Quadrate, vertikal verlängerte Rechtecke, horizontal verlängerte Rechtecke, Trapeze, umgekehrte Trapeze, Dreiecke, Fünfecke, Halbkreise und Sektoren, wie dies in den Fig. 3a bis 3h gezeigt ist.
  • Auch das Material der Flossen ist nicht besonders beschränkt, vorausgesetzt das Material hat eine ausreichend hohe Festigkeit, um dem beim Fahren des Schiffes auftretenden Wasserwiderstand zu widerstehen, wie z.B. Metalle, Kunststoffe, Holzmaterialien, Keramik o. ä.
  • Die Flosse kann z.B. in einer Weise angeordnet sein, wie dies in Fig. 4 perspektivisch dargestellt ist. Eine Platte 4 wird vorher derart geformt, daß die vordere Endkante 5 entsprechend der Wölbung der Rumpfoberfläche gekrümmt ist und derart gebogen, daß deren hinteres Ende 6 von der Rumpfoberfläche entfernt ist, wenn die Flosse 4 an der vorderen Endkante 5 unter einem geeigneten Winkel zur Rumpf oberfläche befestigt ist. Das vordere Ende 5 der Flosse ist am Rumpf 2 durch Nieten oder Schweißen befestigt. Wenn dies erforderlich ist, kann ein keilförmiger Abstandshalter zwischen die Flosse 4 und den Rumpf 2 eingesetzt werden, um eine stabile Befestigung der Flosse zu gewährleisten.
  • Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Flossenanordnung in Fig. 4, bei der der hintere Endbereich der Flossenplatte 4 nahezu rechtwinklig umgebogen ist, um einen Knick 6' mit einer Breite entsprechend dem gewünschten Abstand des hinteren Endes 6 vom Rumpf 2 zu bilden. Der Knick 6' ist an dem Rumpf 2 ebenfalls durch Nieten oder Schweißen befestigt. Der Knick 6' ist vorzugsweise in einer derartigen Form hergestellt, daß die oberen und unteren Bereiche alleine in Form von Schenkeln verbleiben, um das Ansaugen von Luft zu erleichtern.
  • Fig. 6 ist eine Perspektive einer weiteren Abwandlung der Flossenkonstruktion, bei der die Flosse 4 im voraus als einstückiges ausgebauchtes Teil des Rumpfes 2 zur Bildung einer Tasche 7 geformt ist, die sich nach hinten und wahlweise zumindestens zum Teil nach oben und/oder nach unten öffnet, während die Tasche 7 vom Bordinneren durch Anbringen einer Platte wasserdicht getrennt ist.
  • Es ist unnötig zu sagen, daß der Wellenwiderstand eines Schiffes nicht nur in Abhängigkeit von der Form des Schiffrumpfes, sondern auch von der Windgeschwindigkeit, der Geschwindigkeit und der Richtung der Meeresströmung, der Wellenhöhe und anderen Umgebungsbedingungen variiert, so daß es manchmal wünschenswert ist, daß der Anstellwinkel der Flossen in Abhängigkeit von den Umständen verändert wird. Es ist vorteilhaft, daß der Ahstellwinkel der Flossen innerhalb eines bestimmten Bereichs veränderbar ist.
  • Fig. 7 ist eine Draufsicht auf einen Mechanismus für einen veränderbaren Flossenanstellwinkel, bei dem die vordere Endkante 5 der Flosse 4 gelenkig an dem Rumpf 2 derart gehalten ist, daß das hintere Ende 8 geöffnet und geschlossen wird, indem es durch die mit dem Schneckengetriebemechanismus 10 verbundene Stange 9 geschoben und gezogen wird. Der Schneckengetriebemechanismus 10 kann natürlich auch durch einen Hydraulikzylinder oder durch einen Kurvengetriebemechanismus ersetzt werden.
  • Darüber hinaus werden die Daten betreffend die Effekte der Windgeschwindigkeit, Geschwindigkeit und Richtung der Meeresströmung, Wellenhöhe u.ä. auf den Wellenwiderstand gerade für ein bestimmtes Schiff kompiliert und für die Berechnung des optimalen Anstellwinkels verwendet und die Ergebnisse werden in einen Computer eingegeben, der zur automatischen Steuerung des Flossenanstellwinkels während der Navigation des Schiffes entsprechend den Änderungen der Umgebungbedingungen dient.
  • Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den Effekt, daß die durch die Vorwärtsbewegung eines Schiffes erzeugten Wellen infolge der Bildung des Abrißbereichs a an dem äußeren hinteren Ende der Flosse und des Rückströmbereichs b im Raum zwischen dem hinteren Ende der Flosse und dem Schiffsrumpf stark verringert werden, wie dies unter Bezug auf Fig. 9 erläutert wurde.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ist besonders groß, wenn das Schiff mit konstanter Geschwindigkeit oberhalb eines bestimmten Wertes fährt, um den Wellenwiderstand zu reduzieren. Der Aufbau der bei der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendeten Vorrichtung ist darüber hinaus so einfach, daß die Einrichtung bei nahezu allen konventionellen Schiffstypen einsetzbar ist.
  • Demgemäß kann die erfindungsgemäße Einrichtung in großem Umfang in unterschiedlichen Schiffen von kleinen Schiffen wie z.B. Ruderbooten, Rennbooten, Yachten und Fischerbooten bis zu beliebig großen Schiffen wie Frachtschiffen, Passagierschiffen, Containerschiffen und Öltankern eingesetzt werden.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert, die einige Ausführungen der Erfindung darstellen.
  • Beispie1 1
  • Ein Tankexperiment wurde in folgender Weise durchgeführt. Ein 2 m langes Rumpfmodell, das auf der Wasseroberfläche in Längsrichtung eines 10 m langen und 5 m breiten Wassertanks schwimmt, wurde an dem vorderen Ende ungefähr in der Mitte der 5 m langen Wand des Tanks durch ein Seil mit dazwischengeschaltetem Spannungsmesser festgemacht.
  • Zehn Flossenplatten aus Polyvinylchlorid mit jeweils einer Höhe von 100 mm, einer Breite von 50 mm und einer Dicke von 2 mm wurden an beiden Seitenflächen des Rumpfes symmetrisch mit Abständen von 20 cm, 40 cm, 60 cm, 80 cm und 100 cm vom vorderen Ende des Rumpfes derartig angeklebt, daß die an ihrer vorderen Endkante am Rumpf befestigte Flossenplatte oberhalb und unterhalb der Wasserlinie des Rumpfes verläuft und daß das hintere Ende der Flossenplaite unter Bildung eines Flossenanstellwinkels von ungefähr 30 zur Oberfläche des Rumpfes nach außen steht.
  • Anschließend wurde eine Wasserstrahlpumpe mit 50 PS zur Erzeugung einer Wasserströmung im Tank angeschaltet und es wurden Messungen für die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der Wasserströmung und der auf den Schiffskörper wirkenden Belastung durchgeführt.
  • Zum Vergleich wurde ein ähnliches Experiment mit demselben Rumpfmodell ohne der Flossen aus Polyvinylchlorid durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 Belastung ohne Flossen Mit Flossen
  • Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, konnte die am Rumpf angreifende Belastung stark verringert werden, wenn der Rumpf mit den Flossen versehen war und der Effekt zur Reduzierung des Widerstandes war bei einer größeren Geschwindigkeit der Wasserströmung deutlicher.
  • Es war erkennbar, daß die an beiden Seiten des Rumpfes erzeugten weißen schäumenden Wellen bei dem Rumpf mit den Flossen auf etwa die Hälfte reduziert werden konnten.
  • Beispiel 2
  • Die Wirksamkeit der Flossen wurde durch Verwendung eines realen Schiffs getestet. Dabei ließ man 3 in lange Arme von den rechten und linken Bordseiten eines Motorbootes (Modell Yamaha SR-21) nach außen ragen, das eine Gesamtlänge von 6,65 in, eine Gesamtbreite von 2,41 in und ein Bruttogewicht von 820 kg aufwies sowie mit einem Außenbordmotor mit 220 PS zum Erreichen einer Maximalgeschwindigkeit von 40 Knoten ausgerüstet war. Durch 30 in lange und jeweils an den Enden eines der vorstehenden Arme verknotete Schlepptaue wurden zwei Ruderboote (Modell Yamaha ROW-10) mit einer Gesamtlänge von 2,84 m, Gesamtbreite von 1,08 m und Bruttogewicht von 72 kg vertaut und die Spannung in den Schlepptauen wurde durch einen Spannungsmesser erfaßt.
  • In diesem Fall wurden 1 cm, 37 cm und 70 cm vom Vorschiff entfernt und 22 cm vom Heck entfernt symmetrisch an den rechten und linken Seiten Flossen aus Aluminium angebracht. Jede Flosse hatte eine Höhe von 10 cm und eine Länge von 50 cm und war an ihrer vorderen Kante fest an der Seitenbeplattung des Schiffsrumpfes mit Bolzen befestigt, während das hintere Ende der Flosse unter Bildung von Flossenanstellwinkeln von 11º33', 8º13', 7º29' und 8º13' von der jeweils vordersten bis zur hintersten Finne nach außen ragte.
  • Die folgende Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse des Schlepptests dieser Ruderboote bei veränderlicher Geschwindigkeit. Tabelle 2 Belastung, kg Schiffsgeschwindigkeit, km/h Ohne Flossen Mit Flossen
  • Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, war der Wellenwiderstand des Bootes mit Flossen wesentlich geringer als derjenige des Bootes ohne Flossen, ungeachtet des Geschwindigkeitsbereichs von geringer bis hoher Geschwindigkeit. Dieser Effekt war besonders deutlich, wenn die Geschwindigkeit des Schiffs 30 km/h übersteigt.
  • Beispiel 3
  • Zur Untersuchung der Beziehung zwischen dem Flossenanstellwinkel und dem Wellenwiderstand wurde dasselbe Experiment wie in Beispiel 2 wiederholt, indem alle Flossen unter einem identischen Flossenanstellwinkel angebracht wurden. Die Experimente wurden mit Flossenanstellwinkeln von 14,70 und 300 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3 Belastung, kg Schiffsgeschwindigkeit, km/h Flossen Keine Flossen
  • Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, steigt der Widerstand auf das Boot an, wenn der Flossenanstellwinkel einen bestimmten kritischen Winkel übersteigt, der ungefähr 250 sein kann, wobei die Geschwindigkeit des Schiffs nachteilig beeinflußt wird.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Verringerung des Wellenwiderstandes eines Schiffs (1), mit
mindestens einem Flossenpaar (4, 4') von jeweils im wesentlichen identischer Form, das oberhalb und unterhalb der Wasserlinie des Schiffsrumpfs (2) symmetrisch zu beiden Seiten des Rumpfes und nach hinten in Richtung des Hecks verläuft, wobei jede Flosse zur Befestigung am Rumpf in direktem Kontakt mit diesem entlang ihrer Vorderkante steht und wobei das hintere Ende jeder Flosse von der Rumpfoberflache beabstandet ist, und Mitteln zur Einstellung der Flosse gegenüber dein Rumpf durch Bewegung des hinteren Endes der Flosse vom Rumpf weg und auf diesen zu, dadurch gekennzeichnet, daß jede Flosse durch eine Schwenkeinrichtung am Schiffsrumpf angeordnet ist, wodurch das Verschwenken der Flosse durch die Einstelleinrichtung den Winkel der Flosse gegenüber dein Rumpf an der Schwenkachse verandert.
2. Einrichtung zur Verringerung des Wellenwiderstandes eines Schiffs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichiung für jede Flosse eine Druck-Zug-Einrichtung ist.
3. Schiff mit einer Einrichtung zur Verringerung des Wellenwiderstandes nach Anspruch 1 oder 2.
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