JP2015105766A - ノズル、燃焼器、及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンなどに設けられ、火炎に水を噴射することによって火炎温度を下げる燃焼器において、燃焼振動を有効に抑える燃焼器を提供する。【解決手段】燃焼器は、先端３５ｓの中央に燃料を噴射する燃料噴射口４１が形成されているノズル３５を有している。ノズル３５の先端３５ｓの燃料噴射口４１の周囲には、周方向に間隔をあけて複数の水噴射口４２が形成されており、水噴射口４２は、周方向に不均等に形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、ノズル、燃焼器、及びガスタービンに関する。

ガスタービンの燃焼器として、パイロット燃料ノズルと、パイロット燃料ノズルの周囲に設けられた複数のメイン燃料ノズルと、を備えたものがある。この燃焼器は、パイロット燃料ノズルにて形成される拡散火炎にてメイン予混合火炎の安定化を図っている。

特許文献１には、パイロット燃料ノズルの周方向の一部に、燃料の噴出孔を設けない領域を設け、パイロット燃料ノズルから噴出させる燃料を、周方向で不均一に分布させる構成が開示されている。また、特許文献１には、複数のメイン燃料ノズル間で、燃料の噴出量を異ならせることによって、複数のメイン燃料ノズルからパイロット燃料ノズルの外周側に噴出させる燃料を、周方向で不均一に分布させる構成が開示されている。
これらの構成により、燃料が燃焼することにより形成される火炎の長さを、周方向で異ならせ、発熱率を分散させることで燃焼振動を抑えている。

特許文献２には、複数のメイン燃料ノズルのそれぞれにおいて、燃料噴出孔を軸方向に異なる複数の位置に設ける構成が開示されている。また、特許文献２には、複数のメイン燃料ノズルのそれぞれにおいて、燃料噴出孔を軸方向に異なる複数の位置に設け、さらに燃料噴出孔からの燃料の噴出角度を異ならせる構成が開示されている。これらの構成により、軸方向に互いに位置が異なる複数の燃料噴出孔間で、メイン燃料ノズルから噴出された燃料（予混合気）が火炎に到達する時間を異ならせることにより、燃焼振動を抑えるものとしている。

特開平１１−２９４７７０号公報 特開２００３−１２０９３４号公報

ところで、近年、燃焼器における火炎温度を下げることによってＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量を抑えるため、火炎に水を噴射する方式の燃焼器がある。
このような燃焼器においても、燃焼振動を有効に抑えることが要求されている。
そこでなされた本発明の目的は、火炎に水を噴射する燃焼器においても、燃焼振動を有効に抑えることのできるノズル、燃焼器、及びガスタービンを提供することである。

本発明の第一の態様によれば、ノズルは、先端の中央に燃料を噴射する燃料噴射口が形成されるとともに、先端の該燃料噴射口の周囲に周方向に間隔をあけて複数の水噴射口が形成され、前記水噴射口は、周方向に不均等に形成されていることを特徴とする。
このような構成によれば、燃料噴射口から噴射される燃料により生成される火炎に対し、水噴射口から噴射される水は、周方向において不均等に噴射されることとなる。すると、火炎の軸方向位置が周方向において一様ではなくなる。すると、この火炎自体、あるいはこの火炎によって着火される燃料による火炎の軸方向位置を周方向で異ならせ発熱率を分散させることで、燃焼振動を抑えることができる。

複数の前記水噴射口のうち一部は、前記ノズルの中心軸に対する該ノズルの半径方向への傾斜角度が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されているようにしてもよい。
これにより、周方向の一部の領域と、それ以外の残部の領域とで、水噴射口から噴射される水の噴射角度が、ノズルの半径方向に異なることとなる。これにより、周方向に不均等に水を噴射することができる。

複数の前記水噴射口のうち一部は、前記ノズルの中心軸に対する該ノズルの周方向への傾斜角度が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されているようにしてもよい。
これにより、周方向の一部の領域と、それ以外の残部の領域とで、水噴射口から噴射される水の噴射角度が、ノズルの周方向、つまり水噴射口の位置における接線方向に異なることとなる。これにより、周方向に不均等に水を噴射することができる。

複数の前記水噴射口のうち一部は、その開口径が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されているようにしてもよい。
これにより、周方向の一部の領域と、それ以外の残部の領域とで、水噴射口から噴射される水の噴射量が異なることとなる。これにより、周方向に不均等に水を噴射することができる。

複数の前記水噴射口のうち一部は、前記ノズルの径方向における位置が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されているようにしてもよい。
これにより、周方向の一部の領域と、それ以外の残部の領域とで、水噴射口から噴射される水が、中央部の燃料噴出口から噴出される燃料によって生成される火炎に到達するまでの距離が異なることとなる。これにより、周方向に不均等に水を噴射することができる。

複数の前記水噴射口のうち一部は、前記ノズルの周方向における設置間隔が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されているようにしてもよい。
これにより、周方向の一部の領域と、それ以外の残部の領域とで、水噴射口から噴射される水の噴射量（噴射密度）が異なることとなる。これにより、周方向に不均等に水を噴射することができる。

また、本発明は、燃料を噴射するメインノズルと、前記メインノズルから噴射される燃料に点火するための火炎を生成するパイロットノズルと、を備え、前記パイロットノズルが上記したノズルであるようにしてもよい。
これにより、パイロットノズルで生成する点火用の火炎を周方向に不均等とすることができる。すると、メインノズルから噴射される燃料による火炎も、周方向に不均等となる。
ここで、前記パイロットノズルが中央部に配置され、前記パイロットノズルの外周側に周方向に複数の前記メインノズルが設けられているようにしてもよい。

また、本発明は、上記したような燃焼器と、前記燃焼器により生成された燃焼ガスにより駆動されるタービン本体と、を備えるガスタービンを提供する。
このようなガスタービンによれば、燃焼器における火炎による燃焼振動を抑えることができる。

本発明によれば、火炎に水を噴射する燃焼器においても、燃焼振動を有効に抑えることが可能となる。

本発明の第一実施形態に係るガスタービンの全体構成を示す概略図である。 燃焼器の概略構成を示す側断面図である。 燃焼器の要部の構成を示す側断面図である。 第一実施形態における燃焼器の先端面を示す正面図である。 燃焼器の先端面に形成された燃料噴射口、水噴射口を示す側断面図である。 水噴射口を周方向において不均等とした場合における、軸方向位置と発熱率との関係を示す図である。 第二実施形態における燃焼器の先端面を示す正面図である。 第三実施形態における燃焼器の先端面を示す正面図である。 第四実施形態における燃焼器の先端面を示す正面図である。 第五実施形態における燃焼器の先端面を示す正面図である。

（第一実施形態）
以下、本発明に係る第一実施形態の燃焼器３について図を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態のガスタービン１は、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する圧縮機２と、この圧縮機２にて圧縮された圧縮空気Ａに燃料を混合して燃焼させる燃焼器３と、燃焼器３から導入された燃焼ガスＧの熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン本体４とを備えている。

圧縮機２及びタービン本体４は、それぞれ一体回転するように連結されたロータ５と、ロータ５の外周側を囲うステータ６とを備えている。ロータ５は、回転軸７と、軸線方向に間隔を空けて固定されている複数の環状動翼群８と、を有している。各々の環状動翼群８は、回転軸７の外周に、周方向に互いの間隔を空けて固定されている複数の動翼を有して構成されている。

ステータ６は、それぞれケーシング９と、ケーシング９内において軸線方向に間隔をあけて固定された複数の環状静翼群１０とを備えている。環状静翼群１０は、各々のケーシング９内面に、周方向に互いの間隔をあけて固定されている複数の静翼を有している。
環状静翼群１０は、それぞれ、複数の環状動翼群８と、軸線方向に交互に配置されている。

図２に示すように、本実施形態の燃焼器３は、円筒状の内筒３１と、内筒３１の中心軸方向一端側の外周側に同心円状に設けられた外筒３２と、を備えている。
外筒３２の一端側３２ａは閉塞され、他端側３２ｂは内筒３１の外周側で開口している。外筒３２の他端側３２ｂの内周面と内筒３１の外周面との間から燃焼器３内に流入した圧縮空気Ａは、外筒３２の一端側３２ａで１８０°転回し、内筒３１の内部に供給される。

図２、図３に示すように、内筒３１の内部には、内筒３１の中心部に設けられたパイロットバーナ３３と、パイロットバーナ３３の外周側に周方向に間隔をあけて複数設けられたメインバーナ３４と、が設けられている。

パイロットバーナ３３は、パイロットノズル３５と、パイロットコーン３６と、を備えている。
パイロットノズル３５は、外筒３２の一端側３２ａから内筒３１の中心軸Ｏに沿って設けられている。パイロットノズル３５は、外筒３２の一端側３２ａから不図示の燃料供給経路を介して供給される燃料を先端部３５ａから噴射し、この燃料に着火することで火炎を生成する。
パイロットコーン３６は、筒状で、パイロットノズル３５の先端部３５ａの外周側に設けられている。パイロットコーン３６は、パイロットノズル３５の先端部３５ａ近傍から、火炎の生成方向に向けて、その内径が漸次拡大するテーパコーン部３６ｃを有し、火炎の拡散範囲、方向を規制し、保炎性を高めている。

メインバーナ３４は、メインノズル３７と、メインスワラ３８と、を備えている。パイロットコーン３６の外周側には、筒状の外周コーン３９が設けられている。メインノズル３７は、外周コーン３９の外周面と内筒３１の内周面との間の領域に、周方向に間隔をあけて複数本設けられている。各々のメインノズル３７は、外筒３２の一端側３２ａから内筒３１の中心軸Ｏに平行に設けられている。
メインスワラ３８は、各メインノズル３７の先端部に設けられている。メインスワラ３８の空気流上流側において、メインノズル３７の外周面側に、不図示の燃料ノズルノズルから燃料（メイン燃料）が噴出される。そして、この燃料はメインスワラ３８の働きにより、メインバーナ３４において内筒３１内の圧縮空気Ａと混合し、予混合気を生成する。

本実施形態のパイロットノズル３５は、火炎の温度を下げてＮｏｘを低減するため、火炎に向けて水を噴射する。以下、パイロットノズル３５の構成について詳述する。
図４、図５に示すように、パイロットノズル３５は、先端面（先端）３５ｓの中央に、燃料を噴射する燃料噴射口４１を有している。燃料噴射口４１には、不図示の燃料供給源からパイロットノズル３５内に形成された燃料流路を通して燃料が供給される。
パイロットノズル３５の先端面３５ｓの燃料噴射口４１の周囲には、周方向に間隔をあけて複数の水噴射口４２が形成されている。水噴射口４２には、不図示の水供給源からパイロットノズル３５内に形成された水流路を通して水が供給される。各々の水噴射口４２は、パイロットノズル３５の中心軸Ｏに対し、パイロットノズル半径方向内周側及び周方向に向けて傾斜して形成されている。これにより、各々の水噴射口４２から噴射された水は、これら複数の水噴射口４２の内周側に位置する燃料噴射口４１から噴出する燃料による火炎Ｆ１の外縁部に対し、包絡線が重なるように吹きつけられる。

これら複数の水噴射口４２は、周方向に不均等に形成されている。
本実施形態において、複数の水噴射口４２のうち、周方向の一部の領域の水噴射口４２Ａは、パイロットノズル３５の中心軸Ｏに対するパイロットノズル３５の半径方向内周側への傾斜角度θ１が、残る他の領域にある水噴射口４２Ｂの傾斜角度θ２と異なるよう形成されている。例えば、一部の水噴射口４２Ａの傾斜角度θ１が、残る他の水噴射口４２Ｂ（水噴射口の残部）の傾斜角度θ２よりも、小さくなるよう形成されている。

これにより、各水噴射口４２からパイロットノズル３５の内周側に向けて噴射される水は、周方向の一部の領域にある水噴射口４２Ａでは、それ以外の水噴射口４２Ｂよりも、外周側に向けて噴射される。したがって、中央の燃料噴射口４１から噴射される燃料により生成される火炎Ｆ１に対し、パイロットノズル３５の複数の水噴射口４２から噴射される水は、周方向に不均等に噴射される。水噴射口４２の径方向内周側に向けての傾斜角度が小さいほど、水噴射口４２から噴射される水は、水噴射口４２からの水の噴射方向下流側の遠い位置で火炎Ｆ１の外縁部に到達する。これにより、火炎Ｆ１の軸方向位置が周方向において不均一となる。
すると、周方向において軸方向位置が異なる火炎Ｆ１により、メインバーナ３４から噴出される燃料が着火する位置、つまりメイン火炎の生成位置が、周方向において、中心軸Ｏに沿った方向に異なることとなる。水の噴射角度の傾斜角度θ１が小さいほど、メインバーナ３４から噴出される燃料によるメイン火炎の生成位置が、中心軸Ｏ方向に沿って火炎生成方向下流側に移行する。

このようにして、燃焼器３において生成されるメイン火炎は、周方向において、中心軸Ｏ方向における位置が異なる。すると、図６に示すように、燃焼器３内における発熱率の分散の幅が中心軸Ｏ方向に沿って広がる。
したがって、火炎Ｆ１や、メイン火炎による一つの振動モードによる加振力を抑えることができる。その結果、燃焼振動を有効に抑えることが可能となる。

なお、上記第一実施形態では、パイロットノズル３５の半径方向における水噴射口４２の傾斜角度を異ならせることによって、複数の水噴射口４２は、周方向に不均等にしたが、これに限るものではない。以下、複数の水噴射口４２を、周方向に不均等に形成する複数の実施形態を示す。なお、以下に示す各実施形態において、ガスタービン１や燃焼器３の全体構成は上記第一実施形態と共通する。したがって、以下の説明においては、上記第一実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略し、パイロットノズル３５における水噴射口４２の構成を中心に説明を行う。

（第二実施形態）
図７に示すように、本実施形態における燃焼器３において、パイロットノズル３５は、燃料噴射口４１の周囲に周方向に間隔をあけて形成された複数の水噴射口４２のうち、周方向の一部の領域の水噴射口４２Ｃは、パイロットノズル３５の中心軸Ｏに対するパイロットノズル３５の周方向（水噴射口４２Ｃが設けられた位置における接線方向）への傾斜角度が、残る他の領域にある水噴射口４２Ｄの傾斜角度と異なるよう形成されている。例えば、一部の水噴射口４２Ｃの傾斜角度が、残る他の水噴射口４２Ｄの傾斜角度よりも、大きくなるよう形成されている。

これにより、水噴射口４２から噴射される水は、周方向の一部の領域にある水噴射口４２Ｃでは、それ以外の水噴射口４２Ｄよりも、より火炎Ｆ１の生成方向上流側に向けて噴射される。

したがって、図３に示したように、中央の燃料噴射口４１から噴射される燃料により生成される火炎Ｆ１に対し、その外周側に向けて水噴射口４２から噴射される水は、周方向において不均等に噴射されることとなる。すると、火炎Ｆ１の軸方向位置が周方向において一様ではなくなる。
これによって、メインバーナ３４から噴出される燃料に火炎Ｆ１が伝搬し、燃料が着火する位置が、中心軸Ｏに沿った方向に異なることとなる。すると、図６に示すように、燃焼器３内において、メイン火炎による発熱率が、周方向において、中心軸Ｏ方向に沿って分散する。
その結果、火炎Ｆ１や、メイン火炎による一つの振動モードによる加振力を抑えることができる。その結果、燃焼振動を有効に抑えることが可能となる。

（第三実施形態）
図８に示すように、本実施形態における燃焼器３において、パイロットノズル３５は、燃料噴射口４１の周囲に周方向に間隔をあけて形成された複数の水噴射口４２のうち、周方向の一部の領域の水噴射口４２Ｅは、その開口径Ｄ１が、残る他の領域にある水噴射口４２Ｆの開口径Ｄ２と異なるよう形成されている。例えば、一部の水噴射口４２Ｅの開口径Ｄ１が、残る他の水噴射口４２Ｆの開口径Ｄ２よりも、大きくなるよう形成されている。

これにより、水噴射口４２から噴射される水は、周方向の一部の領域にある水噴射口４２Ｅでは、それ以外の水噴射口４２Ｆよりも、噴射量が多くなる。

したがって、図３に示したように、中央の燃料噴射口４１から噴射される燃料により生成される火炎Ｆ１に対し、その外周側に向けて水噴射口４２から噴射される水は、周方向において不均等に噴射されることとなる。すると、火炎Ｆ１の軸方向位置が周方向において一様ではなくなる。
これによって、メインバーナ３４から噴出される燃料に火炎Ｆ１が伝搬し、燃料が着火する位置が、中心軸Ｏに沿った方向に異なることとなる。すると、図６に示すように、燃焼器３内において、メイン火炎による発熱率が、周方向において、中心軸Ｏ方向に沿って分散する。
その結果、火炎Ｆ１や、メイン火炎による一つの振動モードによる加振力を抑えることができる。その結果、燃焼振動を有効に抑えることが可能となる。

（第四実施形態）
図９に示すように、本実施形態における燃焼器３において、パイロットノズル３５は、燃料噴射口４１の周囲に周方向に間隔をあけて形成された複数の水噴射口４２のうち、周方向の一部の領域の水噴射口４２Ｇは、パイロットノズル３５の径方向における位置が、残る他の領域にある水噴射口４２Ｈの開口径Ｄ２と異なるよう形成されている。例えば、一部の水噴射口４２Ｇの開口径Ｄ１が、残る他の水噴射口４２Ｈの開口径Ｄ２よりも、パイロットノズル３５の径方向外周側に配置されている。

これにより、水噴射口４２から噴射される水は、周方向の一部の領域にある水噴射口４２Ｇでは、それ以外の水噴射口４２Ｈよりも、火炎Ｆ１の生成方向下流側で火炎Ｆ１の外縁部に到達する。

したがって、図３に示したように、中央の燃料噴射口４１から噴射される燃料により生成される火炎Ｆ１に対し、その外周側に向けて水噴射口４２から噴射される水は、周方向において不均等に噴射されることとなる。すると、火炎Ｆ１の軸方向位置が周方向において一様ではなくなる。
これによって、メインバーナ３４から噴出される燃料に火炎Ｆ１が伝搬し、燃料が着火する位置が、中心軸Ｏに沿った方向に異なることとなる。すると、図６に示すように、燃焼器３内において、メイン火炎による発熱率が、周方向において、中心軸Ｏ方向に沿って分散する。
その結果、火炎Ｆ１や、メイン火炎による一つの振動モードによる加振力を抑えることができる。その結果、燃焼振動を有効に抑えることが可能となる。

（第五実施形態）
図１０に示すように、本実施形態における燃焼器３において、パイロットノズル３５は、燃料噴射口４１の周囲に周方向に間隔をあけて形成された複数の水噴射口４２のうち、周方向の一部の領域の水噴射口４２Ｊは、パイロットノズル３５の周方向における設置間隔が、残る他の領域にある水噴射口４２Ｋの設置間隔とは異なるよう形成されている。例えば、一部の領域の水噴射口４２Ｊの周方向における設置間隔Ｐ１が、残る他の領域における水噴射口４２Ｋの設置間隔Ｐ２よりも小さくなるよう形成されている。

これにより、水噴射口４２から噴射される水は、周方向の一部の領域にある水噴射口４２Ｊでは、それ以外の水噴射口４２Ｋよりも、その噴射量（噴射密度）が大きくなる。

したがって、図３に示したように、中央の燃料噴射口４１から噴射される燃料により生成される火炎Ｆ１に対し、その外周側に向けて水噴射口４２から噴射される水は、周方向において不均等に噴射されることとなる。すると、火炎Ｆ１の軸方向位置が周方向において一様ではなくなる。
これによって、メインバーナ３４から噴出される燃料に火炎Ｆ１が伝搬し、燃料が着火する位置が、中心軸Ｏに沿った方向に異なることとなる。すると、図６に示すように、燃焼器３内において、メイン火炎による発熱率が、周方向において、中心軸Ｏ方向に沿って分散する。
その結果、火炎Ｆ１や、メイン火炎による一つの振動モードによる加振力を抑えることができる。その結果、燃焼振動を有効に抑えることが可能となる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の各実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記実施形態では、複数の水噴射口４２は、周方向に不均等に形成する例として、周方向の一部の領域の水噴射口４２Ａ，４２Ｃ，４２Ｅ，４２Ｇ，４２Ｊと、周方向の残る他の領域の水噴射口４２Ｂ，４２Ｄ，４２Ｆ，４２Ｈ，４２Ｋとに分けたが、これに限るものではない。周方向において、より多くの区分に分けて、水噴射口４２を不均等に形成してもよい。
さらに、複数の水噴射口４２の傾斜角度、開口径、径方向の位置、設置間隔を、周方向の一部の領域と残る他の領域とで、２段階に形成したが、３段階以上に形成してもよい。
加えて、上記第一〜第五実施形態を適宜組み合わせて構成することも可能である。

また、上記実施形態では、パイロットノズル３５に燃料噴射口４１とともに複数の水噴射口４２を形成したが、パイロットノズル３５とは別に、その外周側に水噴射口４２を設けてもよい。
さらに、上記実施形態では、燃焼器３が、中央部にパイロットノズル３５を有し、外周側に複数のメインノズル３７を備える構成としたが、燃焼器３を構成するノズルの少なくとも一つに本発明の構成が適用されているのであれば、燃焼器３はいかなる構成であってもよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

１ ガスタービン
３ 燃焼器
４ タービン本体
３１ 内筒
３２ 外筒
３３ パイロットバーナ
３４ メインバーナ
３５ パイロットノズル（ノズル）
３５ｓ 先端面（先端）
３７ メインノズル
４１ 燃料噴射口
４２ 水噴射口
４２Ａ，４２Ｃ，４２Ｅ，４２Ｇ，４２Ｊ 水噴射口
４２Ｂ，４２Ｄ，４２Ｆ，４２Ｈ，４２Ｋ 水噴射口
Ｆ１ 火炎

Claims (9)

1. 先端の中央に燃料を噴射する燃料噴射口が形成されるとともに、前記先端の前記燃料噴射口の周囲に周方向に間隔をあけて複数の水噴射口が形成され、
   前記水噴射口は、周方向に不均等に形成されていることを特徴とするノズル。
2. 複数の前記水噴射口のうち一部は、前記ノズルの中心軸に対する前記ノズルの半径方向への傾斜角度が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されていることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
3. 複数の前記水噴射口のうち一部は、前記ノズルの中心軸に対する前記ノズルの周方向への傾斜角度が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のノズル。
4. 複数の前記水噴射口のうち一部は、その開口径が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のノズル。
5. 複数の前記水噴射口のうち一部は、前記ノズルの径方向における位置が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のノズル。
6. 複数の前記水噴射口のうち一部は、前記ノズルの周方向における設置間隔が、複数の前記水噴射口の残部と異なるよう形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のノズル。
7. 燃料を噴射するメインノズルと、
   前記メインノズルから噴射される燃料に点火するための火炎を生成するパイロットノズルと、を備え、
   前記パイロットノズルが請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のノズルであることを特徴とする燃焼器。
8. 前記パイロットノズルが中央部に配置され、
   前記パイロットノズルの外周側に周方向に複数の前記メインノズルが設けられていることを特徴とする請求項７に記載の燃焼器。
9. 請求項７又は請求項８に記載の燃焼器と、
   前記燃焼器により生成された燃焼ガスにより駆動されるタービン本体と、
   を備えることを特徴とするガスタービン。

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