JP2004011553A - 軸流型ターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、洩れ流れが主流に入り込む時に生じるミキシングの発生を効果的に抑えることができる軸流型ターボ機械を提供することにある。
【解決手段】ケーシングに設けられた静翼１と、ロータに設けられた動翼２とを具備する軸流型ターボ機械において、流体の洩れ流れが流体の主流に入る時の方向を、主流の方向に向ける整流体２１を備え、この整流体２１は、動翼２の先端部に対して洩れ流れの下流側に設けられ、動翼２から流出する洩れ流れの方向を動翼２から流出する主流の方向に向けるものである。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は蒸気タービン、ガスタービン、あるいは軸流圧縮機などの軸流型ターボ機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸流型ターボ機械、例えば軸流タービンでは、図８に示すように流体が静翼１０１と動翼１０２とに亘って流れる主流に加えて、流体の一部が主流から分かれて静翼１０１の先端部と動翼１０２の先端部を回り込んで再び主流に流れ込む洩れ流れ（図中破線で示す）が生じる。この洩れ流れは静翼１０１の先端部と動翼１０２の先端部を回り込んだ後に、タービン周方向において主流に対して異なった角度（傾斜した）方向で主流に流れ込む。このように洩れ流れが角度を持って主流に入ると、両者のミキシングにより流体の流れが大きく乱れて損失が大きく、この損失がタービンの性能を低下させている。
【０００３】
そこで、従来は図８に示すように静翼１０１の先端部にシール１０３をタービン周方向に沿って設けるとともに、シール１０４をケーシング１０５に動翼１０２の先端部に対向してタービン周方向に沿って設けている。これらシール１０３、１０４は静翼１０１の先端部と動翼１０２の先端部を回り込む夫々の洩れ流れを阻害し、洩れ流れの流量を減少させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように静翼１０１の先端部と動翼１０２の先端部を回り込む洩れ流れを阻害して洩れ流れの流量を減少させる構成は、ロータが軸方向に膨張して動翼が軸方向に変位してケーシングに設けたシールに対して位置ずれを生じ、シールが期待したように洩れ流れを阻害することができない、などの理由により、洩れ流れが主流に入り込む時に生じるミキシングの発生を抑える作用に限界があった。
【０００５】
本発明は、洩れ流れが主流に入り込む時に生じるミキシングの発生を効果的に抑えることができる軸流型ターボ機械を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の軸流型ターボ機械は、ケーシングに設けられた静翼と、ロータに設けられた動翼とを具備する軸流型ターボ機械において、流体の洩れ流れが流体の主流に入る時の方向を主流の方向に向ける整流体を備えていることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の基本的な考え方について図７を参照して説明する。図７は静翼と動翼における流体の流れ方向（角度）を示す平面図である。図中１は静翼、２は動翼で、夫々横断面で示している。動翼２の入口における主流方向は図示するものである。すなわち、Ｖ１ａは絶対流入速度、Ｖ１ｂは相対流入速度、Ｖ１ｃは動翼回転周速度である。静翼１の先端部では洩れ流れがＶ１ｄの方向に流れて主流に入る。動翼２の出口における主流の流れ方向は図示するものである。すなわち、Ｖ２ａは絶対流出速度、Ｖ２ｂは相対流出速度、Ｖ２ｃは動翼回転周速度である。動翼２の先端部では洩れ流れがＶ２ｄの方向に流れて主流に入る。
【０００８】
本発明では、静翼１の先端部を流れる洩れ流れの速度Ｖ１ｄを、整流体により静翼１の出口における主流の絶対流出速度Ｖ１ａの方向に向ける。動翼２の先端部を流れる洩れ流れの速度Ｖ２ｄを、整流体により静翼１の出口における主流の絶対流出速度Ｖ２ａの方向に向ける。
【０００９】
本発明に係る第１ないし第３の実施の形態について図面を参照して説明する。これら各実施の形態はいずれも軸流型タービンに適用したものである。
【００１０】
第１の実施の形態について図１および図２を参照して説明する。この実施の形態は動翼に対して洩れ流れ下流側に整流体を設けたものである。図１はこの軸流型タービンにおいて静翼および動翼を設けた部分（直径方向半分の部分）を模式的に示す断面図、図２は整流体を図１のＡ矢視方向から見て模式的に示す図である。
【００１１】
図中１は静翼、２は動翼である。静翼１はケーシング１１における軸方向に間隔を置いた複数箇所に、夫々ケーシング１１の半径方向に沿って配置されて周方向に複数並べて取付けられている。ケーシング１１の周方向に並ぶ各静翼１の先端部にはこれら静翼１を囲む部材１２が取付けられている。このようにケーシング１１の軸方向に間隔を置いた複数箇所に、複数の静翼１を周方向に並べて構成される静翼翼列が夫々設けられる。
【００１２】
動翼２はケーシング１１の内部に設けられたロータ１３における軸方向に間隔を置いた複数箇所に、夫々ロータ１３の半径方向に沿って配置されて周方向に複数並べて取付けられている。各動翼２は静翼１が設けられる各位置の間の位置に設けられる。ロータ１３の周方向に並ぶ各動翼２の先端部にはこれら動翼２を囲む覆い体（シュラウド）１４が夫々取付けられている。このようにロータ１３の軸方向に間隔を置いた複数箇所に、複数の動翼２を周方向に並べて構成される静翼翼列が夫々設けられる。
【００１３】
ケーシング１１における各動翼翼列に対向する各箇所は動翼２の先端部を囲む環状の溝部となっており、ロータ１３における各静翼翼列に対向する部分は静翼１の部材１２を囲む環状の溝部となっている。
【００１４】
各静翼翼列に並ぶ各静翼１に取付けられた部材１２の外周面には静翼翼列の周方向全体に亘りシール１５が取付けられている。ケーシング１１の溝部には、動翼翼列に並ぶ各動翼２に取付けられた覆い体１４の外周面に面して動翼翼列の周方向全体に亘りシール１６が取付けられている。シール１５は静翼１の部材１２とロータ１３の溝部との間を流れる流体の洩れ流れを阻害して流量を減少させようとするものであり、シール１６は動翼２の先端部（覆い体１４を含む）とケーシング１１との間を流れる流体の洩れ流れを阻害して流量を減少させようとするものである。
【００１５】
図１および図２では各シール１５、１６を１個ずつ設けているが、これに限定されず必要に応じてケーシング１１の軸方向およびロータ１３の軸方向に間隔を存して複数個を設けるようにしても良い。
【００１６】
図中２１は整流体で、この整流体２１は、動翼２の先端部とこの動翼２の先端部を囲むケーシング１１の溝部との間に形成される隙間を流れる流体の洩れ流れを案内してその方向（角度）を、動翼２の流体出口における主流の流れ方向に向けるものである。
【００１７】
整流体２１は動翼翼列において並ぶ動翼２の先端部に対して洩れ流れの下流側に位置して設けられている。すなわち、ケーシング１１に各動翼翼列に対向して形成された環状の溝部において、動翼翼列に並ぶ動翼２の先端部に対して洩れ流れの下流側に位置する箇所には、動翼２の周囲を囲む同一円周上に多数の整流体２１がロータ１３の周方向（動翼並び方向）に間隔を置いて並べて設けられている。各整流体２１はケーシング１１に一体に形成されている、または独立して製作されて適宜な手段によりケーシング１１に取付けられている。
【００１８】
各整流体２１は平坦な板材からなるもので、ロータ１３の中心軸線（軸方向）に対して平行で、図２に示すようにロータ１３の直径方向線に対して所定角度θをもって傾けて配置されている。例えば、図１においてＡ方向から見た場合、図２に示すように各整流体２１が揃ってロータ１３の直径方向線に対して反時計方向へ向けて所定角度θで傾いて配置されている。例えば整流体２１が傾く角度は３０度である。この整流体２１の角度は洩れ流れを動翼２の出口における主流の流れ方向に向けるためのものである。
【００１９】
前述したようにケーシング１１における各動翼翼列に対向する箇所は、動翼２の先端部および覆い体１４を囲む環状溝部となっており、後述するように流体の洩れ流れがこの溝部の幅方向（ロータ１３の軸方向）に沿って流れるようになっている。そこで、整流体２１は水平部と垂直部が直角に交叉する形状をなしている。すなわち、動翼２の先端部を囲む環状溝部において動翼２および覆い体１４を囲むように水平部分と垂直部分とが交叉する角部に、整流体２１がその水平部と垂直部を組合せて配置されている。
【００２０】
なお、整流体２１の水平部分と垂直部分の大きさ、ロータ周方向に沿う整流体２１の数および配置間隔、整流体２１の傾き角度θ、整流体２１のケーシング１１の面からの高さなどの条件は、整流体２１に要求される機能を効果的に発揮できるように設定する。特に整流体２１の傾き角度θは、洩れ流れを動翼２の出口における主流の流れ方向に向ける上で重要な条件である。また、整流体２１は平坦なものに限定されず、円弧をなすものであっても良い。
【００２１】
この構成における作用について述べる。流体はケーシング１１に設けた静翼翼列の各静翼１の翼面に沿って案内され、ロータ１３に設けた各動翼翼列の各動翼２の翼面に衝突する。この流体のエネルギーにより動翼２およびロータ１３が回転する。動翼２に衝突した流体は再び静翼翼列の各静翼１の翼面に沿って流れ、さらに動翼の各動翼２の翼面に案内される。この流体の流れは主流である。図では実線で示している。図７に示すように主流は動翼２の入口において絶対流入速度速度Ｖ１ａで流入し、動翼２の出口では絶対流出速度Ｖ２ａで流出する。
【００２２】
ここで、静翼翼列における各静翼１の出口から流出する流体の一部は主流から分かれて、動翼翼列における各動翼２の先端部に取付けた覆い体１４と、この覆い体１４を囲むケーシング１１の溝部との間の隙間をケーシング１１およびロータ１３の軸方向（溝部の幅方向）に沿って流れ、主流方向下流側にある静翼翼列における各静翼１の入口で再び主流と合流する。この流体の流れは洩れ流れである。図では破線で示している。
【００２３】
説明を加える。洩れ流れの流体は、動翼２の入口側から、動翼２の先端部に取付けた覆い体１４とこの覆い体１４を囲むケーシング１１の溝部との間の隙間に流入して動翼２の出口に向けて流れる。ここで、覆い体１４の外周側を囲んでケーシング１１に設けたシール１６は、覆い体１４とケーシング１１の溝部との間の隙間を流れる流体の洩れ流れを阻止する。このため、覆い体１４とケーシング１１との間の隙間へ流入する洩れ流れがある程度抑制されて流量がある程度減少する。シール１６を乗り越えた洩れ流れの流体は覆い体１４とケーシング１１との間の隙間を流れ、動翼２の出口においてケーシング１１の溝部の角部と覆い体１４の角部で挟まれた部分、すなわち動翼２の先端部に対して洩れ流れ下流側の部分に達する。
【００２４】
この箇所には複数の整流体２１がロータ１３の周方向に並べて設けられている。この箇所に整流体２１が設けられていない場合には、洩れ流れの流体は図７に示すように周方向において主流とは異なる角度を持った（傾斜した）方向で流れて主流の流体に合流する。これに対して各整流体２１は、図２に示すように動翼２に対して洩れ流れ下流側の部分に達した洩れ流れの流体を動翼２の出口における主流の流れ方向へ向けて案内する。
【００２５】
このため、動翼２の先端部である覆い体１４とケーシング１１の溝部との間の隙間における動翼２の出口において、ケーシング１１（ロータ１３）の周方向全体にわたり洩れ流れの流体が主流の流れ方向と同じ方向、または主流の流れ方向に寄った方向に沿って流れて主流の流体と合流する。すなわち、洩れ流れの流体はケーシング１１（ロータ１３）の周方向において主流に対して角度を持つことなく（傾斜することなく）、またはケーシング１１（ロータ１３）の周方向において主流に対して殆ど角度を持つことなく（殆ど傾斜することなく）流れて主流の流体に合流する。
【００２６】
このため、洩れ流れの流体が主流の流体に合流する際に両者のミキシングによる流体の流れの乱れが大変少なく、両者のミキシングによる損失を大変小さく抑えることができる。
【００２７】
また、整流体２１を、動翼２の先端部に対して洩れ流れの下流側に設けることにより、整流体２１が洩れ流れを主流の流れ方向に向ける作用を効果的に行わせることができる。
【００２８】
なお、整流体２１は動翼２の先端部を囲む溝部における角部（水平部分と垂直部分とが交叉する箇所）に組合せて配置されているので、洩れ流れがケーシング１１の溝部の角部と覆い体１４の角部で挟まれた部分を通過する時に安定して主流の流れ方向へ向けて流すことができる。
【００２９】
第２の実施の形態について図３および図４を参照して説明する。この実施の形態は静翼１に対して洩れ流れ下流側に整流体を設けたものである。図３はこの軸流型タービンにおいて静翼および動翼を設けた部分（直径方向半分の部分）を模式的に示す断面図、図４は図３の整流体をＢ矢視方向から見て模式的に示す図である。この実施の形態は、第１の実施の形態とは整流体を設ける構成が異なるのみで、この点を除いた他の部分の構成は同じである。このため、図３および図４において図１および図２と同じ部分は同じ符号を付して示している。
【００３０】
この実施の形態における整流体について述べる。図中２２は整流体であり、この整流体２２は静翼１の先端部に対して洩れ流れの下流側に設けられ、静翼１から流出する洩れ流れを案内してその方向を静翼１から流れる主流の流れ方向に向けるものである。
【００３１】
整流体２２は、静翼翼列において並ぶ静翼１の先端部に対して洩れ流れの下流側に位置して設けられている。すなわち、静翼翼列における静翼１の先端部に設けた部材１２における洩れ流れ方向下流側の側面には、複数の整流体２２が部材１２の周方向（静翼並び方向）に間隔を置いて並べて設けられている。この整流体２２は短冊形をなすもので、ロータ１３の中心軸線と平行でロータ１３の直径方向線に対して角度θをもって傾いてケーシング１１の内周と外周を結ぶ方向に沿って配置されている。
【００３２】
例えば、図３においてＢ方向から見た場合、図４に示すように各整流体２２が揃ってケーシング１１の直径方向に対して時計方向へ向けて角度θで傾いて配置されている。例えば整流体２２が傾く角度は３０度である。この整流体２２の角度は洩れ流れを静翼１の出口における主流の流れ方向に向けるためのものである。各整流体２２は部材１２の側面に一体に形成される、または独立して製作されて部材１２の側面に適宜な手段により固定されて設けられる。
【００３３】
なお、ロータ周方向に沿う整流体２２の配置間隔、整流体２２の傾き角度θ、整流体２２のケーシング１１の面からの高さなどの条件は、整流体２に要求される機能を効果的に発揮できるように設定する。特に整流体２２の傾き角度θは、洩れ流れを静翼１の出口における主流の流れ方向に向ける上で重要な条件である。
【００３４】
この構成における作用について述べる。ケーシング１１の内部における流体の主流と、動翼２の先端部を流れる洩れ流れは前述した第１の実施の形態における場合と同じである。図では主流は実線で示し、洩れ流れは破線で示している。
【００３５】
静翼２の先端部における洩れ流れについて述べる。動翼翼列における各動翼２の出口から流出する流体の一部は主流から分かれて、静翼１の先端部に取付けた部材１２とこの部材１２を囲むロータ１３における溝部との間の隙間をケーシング１１およびロータ１３の軸方向に沿って流れ、主流の流れ方向下流側に位置する動翼翼列における各動翼２の入口で再び主流と合流する。この流体の流れは洩れ流れである。
【００３６】
説明を加える。洩れ流れの流体は、静翼１の入口側から、静翼１の先端部に取付けた部材１２とこの部材１２を囲むロータ１３における溝部との間の隙間に流入して静翼１の出口に向けて流れる。ここで、静翼１の先端部の部材１２の外周部に設けたシール１５は部材１２とロータ１３の溝部との間の隙間を流れる洩れ流れである流体の流れを阻止する。このため、部材１２とロータ１３との間の隙間へ流入する洩れ流れがある程度抑制されて流量がある程度減少する。シール１５を乗り越えた洩れ流れの流体は、さらに部材１２とロータ１３の溝部との間の隙間を流れて静翼１の出口において、静翼１に先端部に設けられた部材１２の下流側側面とロータ１３の溝部の下流側側面とで挟まれた部分、すなわち静翼１に対して洩れ流れ下流側の部分に達する。
【００３７】
この箇所には複数の整流体２２がロータ１３の周方向に並べて設けられている。この箇所に整流体２２が設けられていない場合には、洩れ流れの流体は図７に示すように周方向において主流とは異なる角度を持った（傾斜した）方向で流れて主流の流体に合流する。これに対して各整流体２２は、静翼１に対して洩れ流れ下流側の部分に達した洩れ流れの流体を、静翼１の出口における主流の流れ方向へ向けて案内する。
【００３８】
これにより静翼１の先端部である部材１２とロータ１３の溝部との間の隙間における静翼１の出口において、ロータ１３（ケーシング１１）の周方向全体にわたり洩れ流れの流体が主流の流れ方向と同じ方向、または主流の流れ方向に寄った方向に沿って流れて主流と合流する。
【００３９】
すなわち、洩れ流れの流体はロータ１３（ケーシング１１）の周方向において主流に対して角度を持っことなく（傾斜することなく）、またはロータ１３（ケーシング１１）の周方向に対して殆ど角度を持っことなく（殆ど傾斜することなく）流れて主流の流体に合流する。このため、洩れ流れの流体が主流の流体に合流する際に、両者のミキシングにより発生する損失を大変小さく抑えることができる。
【００４０】
また、整流体２２を、静翼１の先端部に対して洩れ流れの下流側に設けることにより、整流体２２が洩れ流れを主流の流れ方向に向ける作用を効果的に行わせることができる。
【００４１】
第３の実施の形態について図５および図６を参照して説明する。この実施の形態は動翼２に対して洩れ流れ下流側に整流体を設けたものである。図５はこの軸流型タービンにおいて静翼および動翼を設けた部分（直径方向半分の部分）を模式的に示す断面図、図６は整流体を図５のＣ矢視方向から見て模式的に示す図である。この実施の形態は、第１の実施の形態とは整流体を設ける構成が異なるのみで、この点を除いた他の部分は同じである。このため、図５および図６において図１および図２と同じ部分は同じ符号を付して示している。
【００４２】
図中２３は整流体で、この整流体２３は動翼２の先端部とケーシング１１の溝部との間を流れる洩れ流れの方向（角度）を静翼１の出口における主流の流れ方向に向けるものである。
【００４３】
動翼翼列において並ぶ動翼２の先端部に対して洩れ流れの下流側に位置して整流体２３が設けられている。すなわち、ケーシング１１の溝部において、動翼翼列において並ぶ動翼２の先端部に対して洩れ流れの下流側に位置する箇所には、動翼２の周囲を囲む同一円周上に多数の整流体２３がロータ１３の周方向（動翼並び方向）に間隔を置いて並べて設けられている。各整流体２３はケーシング１１に一体に形成されている、または独立して製作されて適宜な手段によりケーシング１１に取付けられている。
【００４４】
各整流体２３は短冊形をなすもので、ロータ２の中心軸線を通る垂直面上ではこの中心軸線と平行で、且つこの垂直面と直交する面上で中心軸線に対して所定角度θをもって傾いて配置されている。例えば、図５においてＣ方向から見た場合、図６に示すように各整流体２３が揃ってロータ中心軸線に対して反時計方向へ向けて一定角度θで傾いて配置されている。例えば整流体２１が傾く角度は３０度である。この整流体２１の角度は洩れ流れの流体を案内してその方向を動翼２の出口における主流の流れ方向に向けるためのものである。なお、各整流体２３は動翼２の先端部に設けた覆い体１４に面する位置から下流側へ延びるように配置されている。
【００４５】
この構成における作用について述べる。静翼翼列における各静翼１の出口から流出する流体の一部は主流から分かれて，洩れ流れとして静翼１の先端部に取付けた覆い体１４と、この覆い体１４を囲むケーシング１１における環状の溝部との間の隙間をロータ１３の軸方向に沿って流れ、主流の流れ方向下流側にある静翼翼列における各静翼１の入口で再び主流と合流する。
【００４６】
各整流体２３は、動翼２に対して洩れ流れ下流側の部分に達した洩れ流れの流体を、動翼２の出口における主流の流れ方向へ向けて案内する。これにより動翼２の先端部である覆い体１４とケーシング１１の溝部との間の隙間における動翼２の出口において、洩れ流れの流体がケーシング１１およびロータ１３の周方向全体にわたり主流の流れ方向と同じ方向、または主流の流れ方向に寄った方向に沿って流出して主流の流体に合流する。すなわち、洩れ流れの流体はケーシング１１（ロータ１３）の周方向において主流に対して角度を持っことなく（傾斜することなく）、または殆ど角度を持っことなく（殆ど傾斜することなく）流れて主流の流体に合流する。
【００４７】
このため、洩れ流れの流体が主流の流体に合流する際に両者のミキシングによる流体の流れの乱れが大変少なく、両者のミキシングによる損失を大変小さく抑えることができる。
【００４８】
また、整流体２３を、動翼２の先端部に対して洩れ流れの下流側に設けることにより、整流体２３が洩れ流れを主流の流れ方向に向ける作用を効果的に行わせることができる。
【００４９】
前述した第１、第２および第３の各実施の形態の整流体は、軸流タービンに夫々単独で設けても良いが、動翼用の整流体である第１または第３の実施の形態の整流体と、静翼用の整流体である第２の実施の形態の整流体とを組合せると、より効果高めることができる。
【００５０】
また、整流体は軸流タービンの流体入口から流体出口までの前段に亘って設けると効果が大きいが、一部に設ける場合には相対的に低圧となる部分、具体的には軸流タービンの出口部における静翼および動翼に設けると、洩れ流れの方向を制御する効果が高い。
【００５１】
本発明は軸流タービンに限定されず、軸流圧縮機などの軸流型ターボ機械に広く適用することができる。軸流圧縮機において一部に設ける場合には相対的に低圧となる部分、例えば軸流圧縮機の入口部の各段に設けると洩れ流れの方向を制御する効果が高い。
【００５２】
なお、本発明は前述した実施の形態に限定されず、種々変形して実施することができる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、静翼と動翼とを具備する軸流型ターボ機械において、流体の一部が主流から別れて翼の先端部を回り込んで流れる洩れ流れが再び主流に入り込む時に、整流体により流体の洩れ流れが流体の主流に入る時の方向を主流の方向に向けるので、洩れ流れの流体が主流の流体に入り込む時に生じるミキシングによる損失を小さく抑えて、軸流型ターボ機械の性能の低下を抑えることができる。
【００５４】
また、本発明によれば、整流体を、動翼および静翼の先端部に対して洩れ流れの下流側に設けることにより、整流体が洩れ流れを主流の方向に向ける作用を効果的に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態における軸流タービンの翼部を模式的に示す断面図。
【図２】同実施の形態における軸流タービンの翼部を模式的に示す図。
【図３】第２の実施の形態における軸流タービンの翼部を模式的に示す断面図。
【図４】同実施の形態における軸流タービンの翼部を模式的に示す図。
【図５】第３の実施の形態における軸流タービンの翼部を模式的に示す断面図。
【図６】同実施の形態における軸流タービンの翼部を模式的に示す図。
【図７】軸流タービンの翼部における流体の主流および洩れ流れを示す図。
【図８】従来の形態における軸流型ターボ機械の翼部を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１…静翼
２…動翼
１１…ケーシング
１２…部材
１３…ロータ
１４…覆い体
２１…整流体
２２…整流体
２３…整流体

Claims (3)

1. ケーシングに設けられた静翼と、ロータに設けられた動翼とを具備する軸流型ターボ機械において、流体の洩れ流れが流体の主流に入る時の方向を主流の方向に向ける整流体を備えていることを特徴とする軸流型ターボ機械。
2. 前記整流体は、前記動翼の先端部に対して前記洩れ流れの下流側に設けられ、前記動翼から流出する洩れ流れを前記動翼から流出する主流の方向に向けるものである請求項１に記載の軸流型ターボ機械。
3. 前記整流体は、前記静翼の先端部に対して前記洩れ流れの下流側に設けられ、前記静翼から流出する洩れ流れを前記静翼から流出する主流の方向に向けるものである請求項１に記載の軸流型ターボ機械。

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