KR20100097571A - 선박 추진에 필요한 파워 요구를 감소시키기 위한 장치 - Google Patents

선박 추진에 필요한 파워 요구를 감소시키기 위한 장치 Download PDF

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KR20100097571A
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Abstract

선박, 광역 선박, 비광역 선박, 또는 매우 빠르지 않은 선박을 추진하는데 필요한 파워 요구를 감소시키는 장치(10)에 있어서, 프로펠러의 상류로부터 짧은 거리를 두고 선체(100)에 부착된 장치(10)는 전방 노즐(20)을 포함하며; 이러한 전방 노즐내에는 수평타 또는 수중익(30; 30a, 30b, 30c, 30d)이 배치되고, 상부에서의 전방 노즐은 전방 노즐의 중앙을 통해 신장되는 수평 횡단축선에서 8°까지 전방으로 경사질 수 있다.
프로펠러, 전방 노즐, 입사각, 각위치

Description

선박 추진에 필요한 파워 요구를 감소시키기 위한 장치{DEVICE FOR REDUCING THE POWER DEMAND FOR THE PROPULSION OF A SHIP}
본 발명은 단일 프로펠러 또는 복수 플로펠러 선박, 특히 매우 빠르지 않은 광역 선박(broad-built ship) 또는 비광역 선박(non-broad-built ship)을 추진하는데 필요한 파워 요구를 감소시키기 위한 장치에 관한 것이다.
DE 42 23 570 C1호에는 피치제어가능한 프로펠러를 위한 흐름 안내면이 개시되어 있다. 이러한 흐름 안내면은 확산기 방식으로 흐름에 영향을 끼치기 위해 상류에 배치되는 링형 노즐을 제공한다. 이를 위해, 외측 영역에서의 흐름 가속과 근처 영역에서의 흐름 감속이 실행된다. 확산기 직경은 프로펠러 직경 보다 65% 작다. 이러한 노즐은 외측으로 굴곡된 링형 노즐을 갖는 감속 노즐 또는 확산기로서 설계된다. 상기 확산기는 그 영역에서의 흐름을 감속시켜, 피치제어가능한 프로펠러처럼 매우 두꺼운 허브가 사용될 경우, 추진 효율의 개선을 추진할 수도 있다. 따라서, 상기 노즐은 내측으로 굴곡된 링형 노즐을 갖는 가속 노즐로서는 설계되지 않는다. 따라서, 상술한 바와 같은 문헌에 개시된 노즐은 그 영역에서 흐름을 가속시키지 않으므로 모든 프로펠러 형태에 적합하지 않으며, 특히 고정형 프 로펠러에는 더욱 적합하지 않다. DE 42 23 570 C1호는 전방 노즐의 효과적인 원리에 대해 서술하고 있지 않으며, 이러한 원리는 주-스트림이 매우 빠른 영역에서 프로펠러 흐름 속도를 증가시키는 단계로 구성되어 있다.
JP 07 267189A 호에는 링형 노즐과 별 형태로 배치된 수평타(fin)를 포함하는 또 다른 프로펠러 장치가 개시되어 있다. 프로펠러 직경은 노즐의 링 직경에 거의 대응한다.
JP 58 00492A 호에는 추진에 필요한 파워 요구의 감소와 효율의 개선으로 나타나는 또 다른 프로펠러 장치가 개시되어 있다. 이러한 장치는 벌집 방식으로 배치된 6개의 요소를 포함하는 구조체 뿐만 아니라, 수평타도 포함한다.
본 발명의 목적은 선박 추진에 필요한 파워 요구를 감소시키는 장치를 제공하는 것이다. 또한, 효율의 개선과, 흐름에 대한 수평타 또는 수중익(hydrofoil)의 조화의 달성을 목적으로 한다. 또한, 프로펠러에 대한 흐름의 개선을 목적으로 한다.
이러한 목적들은 청구범위 제1항의 특징을 갖는 장치에 의해 달성된다.
상술한 바에 따르면 프로펠러로부터 짧은 거리에서 선체에 부착된 본 발명에 따른 장치는 수평타 또는 수중익이 내부에 배치되는 전방 노즐을 포함하는 방식으로 설계되며, 상부에 있는 전방 노즐은 전방 노즐의 중앙을 통해 신장되는 수평 횡단축선에서 전방을 향해 양호하기로는 8°까지 경사진다.
이러한 방식으로 설계된 장치에 의해, 선박 추진에 필요한 파워 요구를 감소시킬 수 있다. 프로펠러상의 트러스트 부하의 정도가 증가함에 따라 얻을 수 있는 이익도 증가된다. 상기 장치는 탱커, 벌크 수송선, 예인선 등과 같은 저속의 광역 선박과 매우 빠르지 않은 선박에 특히 적합하다. 상기 장치 자체는 선체에 고정되므로, 선박의 프로펠러 상류에 배치되며, 상기 장치는 전방 노즐 및 수평타 또는 수중익이라는 2가지 기능적 요소를 포함한다.
이러한 장치에 있어서, 전방 노즐의 효과적인 원리는 주-스트림이 매우 빠른 영역에서 프로펠러에 대한 흐름 속도의 증가와, 주-스트림이 느린 영역에서 프로펠 러에 대한 흐름의 감소로 구성되어 있으며; 노즐 자체는 트러스트를 발생하며, 전방 노즐의 내부에 배치된 수평타 또는 수중익의 효과적인 원리는 전류(前流)의 발생으로 구성되어 있으며; 상기 두가지 기능적 요소는 상이한 손실 소스를 목표로 하고 있으며, 즉 전방 노즐은 효과적인 트러스트 부하의 감소를 목표로 하며, 수평타 또는 수중익은 프로펠러 스트림에서 와류 손실의 감소를 목표로 하고 있다. 이러한 두가지 효과는 추진 시스템의 효율 증가로 나타난다.
프로펠러의 상류에 가능한한 가까이 부착된 장치로 인해, 부하가 상이한 경우라도 최상의 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 함께, 본 발명에 따른 장치는 광역 선박에 적합할 뿐만 아니라, 예를 들어 V ≤ 25 kn 등과 같은 매우 빠르지 않은 모든 선박의 경우에도 동일한 효과를 위해 사용될 수 있다. 매우 대형인 컨테이너선에 상기 장치를 사용할 수도 있다.
또 다른 양호한 실시예는 종속항의 일부를 형성한다.
최상의 효과를 달성하기 위해, 상기 장치 또는 전방 노즐의 후연부는 프로펠러 평면의 상류에서 프로펠러 직경의 0.3배 이상으로 고정되지 않는다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전방 노즐은 전방 노즐의 중앙을 통해 신장되는 수직 축선상에서 측방향으로 회전하므로, 상기 전방 노즐은 프로펠러의 상향 타격측(upwards-beating side)에서 전방으로 경사진다.
본 발명은 3°(양호하기로는 1°)까지 측방향으로 회전하는 전방 노즐을 부가로 제공하므로, 전방 노즐은 프로펠러의 상향 타격측에서 전방으로 회전할 수 있 으며, 상기 회전은 0°일 수도 있지만 다른 방향에서는 그렇지 않다.
또한, 본 발명은 그 길이의 12% 이하인 전방 노즐의 프로필 형태를 제공한다. 상기 전방 노즐의 프로필 형태의 두께는 그 길이의 7.5% 또는 9% 일 수도 있다.
또 다른 실시예는 가변형 입사각을 포함하는 방사방향으로 수평타 또는 수중익을 제공하며, 상기 수평타 또는 수중익은 선박의 내측에서 수평타 또는 수중익이 상향으로 지향되도록 비틀리며, 입사각은 전방 노즐을 향해 외측으로 감소된다.
따라서, 전방 노즐은 프로펠러 축선 위로 배치되는 상향이동된 축선에 대해 회전대칭형으로 배치되며, 상기 전방 노즐의 내경은 프로펠러 직경의 90% 정도 가 최대가 된다.
4개의 수평타 또는 수중익은 프로펠러 축선에 대해 방사방향으로 전방 노즐내에 비대칭으로 배치되며; 상기 수평타 또는 수중익은 선체를 전방 노즐에 연결하고, 전방 노즐의 후방 단부에 배치되며; 수평타 또는 수중익의 수중익 형태 또는 렌즈형 단면의 프로필의 굴곡된 쪽은 프로펠러의 상향 타격측에서 상향으로 지향되고, 프로펠러의 하향 타격측에서 하방으로 지향된다. 그러나, 전방 노즐의 내부 공간에서 4개의 수평타 또는 수중익의 배치는 한정적으로 해석되지는 않으며, 더 많거나 적은 수의 수평타 또는 수중익이 제공될 수도 있다.
도면은 상부에서의 프로펠러가 우현을 향해 회전하고 있는, 본 발명에 따른 장치의 프로펠러를 갖는 선박의 실시예를 도시하고 있다.
본 발명에 따른 장치(1)를 도시한 도1에 있어서, 원통형 또는 기타 다른 형태나 단면을 갖는 전방 노즐(20)[선체에 부착될 경우의 전방 노즐(20)]은 선체(100)의 프로펠러(도시않음)의 바로 상류에 제공된다. 전방 노즐(20)의 내부 공간(20a)에는 수평타 또는 수중익(30)이 배치된다. 상기 전방 노즐(20)은 상향으로 이동한 축선(21)에 대해 회전대칭될 수 있도록 선체에 배치된다.
도2에 도시된 예시적인 실시예에서는 수평타 또는 수중익의 길이가 상이한 4개의 수평타 또는 수중익(30a, 30b, 30c, 30d)이 전방 노즐(20)의 내부 공간(20a)에 배치된다. 이러한 4개의 수평타 또는 수중익은 전방 노즐의 내부에 비대칭으로 배치되고, 프로펠러 축선(PA)에 대해 방사방향으로 배치된다. 이러한 배치에 있어서, 수평타 또는 수중익(30a, 30b, 30c, 30d)은 전방 노즐(20)을 선체(100)에 연결하며, 상기 수평타 또는 수중익은 전방 노즐(20)의 후방 단부에 배치되며, 상기 후방 단부는 프로펠러와 대면하고; 수평타 또는 수중익(30, 30a, 30b, 30c, 30d)의 수중익 형태 또는 렌즈형 단면 프로필(31)의 굴곡된 쪽은 선박의 좌현측 또는 프로펠러의 상향 타격측에서 상향으로 지향되고, 선박의 우현측 또는 프로펠러의 하향 타격측에서 하방으로 지향된다. 또한, 수평타 또는 수중익(30a, 30b, 30c, 30d)은 좌현측의 전방에서 상향으로 지향되고, 우현측의 전방에서 하방으로 지향된다(도2 및 도3). 프로펠러의 회전 방향은 화살표(X)의 방향으로 표시된다(도1). 전방 노즐(20)의 내부공간(20a)에 배치된 수평타 또는 수중익(30, 30a, 30b, 30c, 30d)의 각위치는 조정가능하며, 그 설정된 각위치는 고정될 수 있다.
우현에 대해 상향으로 회전하는 프로펠러를 갖는 예시적인 실시예에 따르면, 수평타 또는 수중익(30a, 30b, 30c, 30d)은 하기와 같은 양호한 방사방향 각위치 및 초기 각위치를 가정한다.
수평타 각도 입사각
좌현(BB) 바닥 수평타(30a) 247.5° 14°
좌현(BB) 중간 수평타(30b) 292.5° 12°
좌현(BB) 상부 수평타(30a) 337.5° 8° 우현(SB) 수평타(30d) 90.0° 10°
즉, 후방에서 관찰한 수평타 각도(12시 = 0°, 시계방향으로 증가)에 있어서, 수평타 각도 및 입사각은 서술한 값으로부터 일탈될 수 있다.
도1과 도3 및 도6에 도시된 실시예에 따르면, 수평타 또는 수중익은 굴곡된 측벽(32) 및 직선형 기저 영역(33)이 구비된 렌즈형 단면 프로필(31)을 포함한다. 이러한 설정에 있어서, 예를 들어 프로펠러 축선(PA)에 대한 두개의 수평타(30)의 배열 및 위치는 상부 수평타의 기저 영역(33)이 프로펠러 축선(PA)에 거의 평행하게 신장되어야 하며, 하부 수평타는 그 기저 영역(33)이 프로펠러 축선(PA)에 대해 적어도 5°, 양호하기로는 10°의 각도(α)로 신장되어야 한다. 수평타의 기타 다른 각 위치도 가능하다. 전체적으로, 수평타(30a, 30b, 30c, 30d)는 도2에 도시된 위치에 있다.
도1 및 도6에 따른 전방 노즐(20)은 단면 프로필(26)을 갖는 형상을 갖춘 본체(25)를 포함하며; 상기 단면 프로필은 외측에 배치되고 프로펠러 축선(PA)에 대해 각도를 이루면서 경사지도록 신장되는 벽 부분(26a)과, 내측에 배치되고 프로펠러 축선(PA)에 평행하고 직선 형태로 신장되는 벽 부분(26b)을 포함하며; 프로펠러로부터 멀리 대면하는 영역에서 상기 벽 부분(26b)은 외측 벽 부분(26a)으로의 천이부를 형성하는 굴곡된 벽 부분(26c)을 포함한다. 외측에 배치되는 상기 벽 부분(26a)은 굴곡될 수 있다. 프로펠러 측부는 도6에 PS로 도시되었다.
도7에 도시된 바와 같이, 장치(10)는 프로펠러(101)의 상류에 약간의 거리를 두고 선체(100)에 부착된다. 이러한 배치에 있어서, 장치(10)는 프로펠러(101)의 상류에 가능한한 가깝게 배치된다. 이러한 배치에서, 전방 노즐(20)은 전방 노즐의 중앙을 통해 신장되는 수평 횡단축선에 배치되므로, 상부에서는 8°까지 전방으로 회전한다. 도7에 있어서, 전방 노즐(20)의 상부는 전방으로 4°경사져 있다. 이러한 배치에 있어서, 전방 노즐(20)의 후연부는 프로펠러 평면의 상류에서 프로펠러 직경의 0.3배 이상으로 고정되지 않는다.
또한, 전방 노즐(20)은 예를 들어 3°까지 전방 노즐의 중앙을 통해 신장되는 수직 축선에서 측방향으로 회전가능하므로, 전방 노즐은 프로펠러(101)의 상향 타격측에서 전방으로 회전할 수 있다. 이러한 배치에서는 1°까지의 회전이 적절한 것으로 여겨진다. 0°의 회전도 적용될 수 있지만, 다른 방향에서는 적용될 수 없다.
전방 노즐(20)의 프로필의 두께는 그 길이의 12% 이하이다. 전방 노즐(20) 의 프로필의 두께는 그 길이의 7.5% 또는 9% 가 바람직하다.
방사방향에서의 수평타 또는 수중익(30, 30a, 30b, 30c, 30d)은 가변형 입사각을 포함할 수 있으며, 상기 수평타 또는 수중익은 선박 내측에서의 수평타 또는 수중익이 상향으로 지향되도록 비틀릴 수 있으며, 상기 입사각은 전방 노즐(20)을 향해 외측에서 감소된다(도8).
전방 노즐(20)의 프로필의 두께 디자인과, 방사방향에서의 수평타 또는 수중익(30, 30a, 30b, 30c, 30d)이 가변형 입사각을 포함함에 따른 디자인은 광역 선박에 대해서는 필수적인 사항이며; 이러한 디자인은 빠른 선박에서도 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치(10)의 디자인은 도9의 다이아그램에서 명백한 바와 같이 상당한 파워 절감으로 나타나며, 상기 도9는 3개의 선박[이중 2개의 선박은 상이한 드래프트(X = 디자인 속도)를 갖는다]에 대해 장치(10)를 사용한 경우의 파워 절감을 도시하고 있다.
도10에 따른 다이아그램은 장치(10)를 갖거나 또는 장치(10)를 갖지 않는, 118,000 DWT의 사중량 용량(deadweight capacity)의 벌크 수송선의 파워 요구를 나타내고 있다.
예를 들어 12,000 DWT의 선박에 있어서는 피치제어가능한 프로펠러인 경우 특히 높은 이득이 두꺼운 허브에 기여하며, 그 손실은 장치(10)에 의해 감소된다.
트러스트 부하의 정도는 매우 대형인 저속 선박인 경우 특히 상당하다. 도 11의 다이아그램은 CTh - 값에 의존하는 장치(10)를 사용하였을 경우에 가능한 파워 절감을 도시하고 있다. 도11의 하부는 선박 형태에 대한 할당을 제공한다.
본 발명에 따른 장치는 도1 내지 도11에 도시된 실시예와 발명의 상세한 설명 및 청구범위에 서술된 사항을 특징으로 한다.
장치(10)로 인해 연료가 절감되거나 선박이 더욱 빨라지기 때문에 광역 저속 선박의 추진을 개선시키는 신규한 장치가 개발되었다. 장치는 선박에 고정가능하게 장착되는 두개의 요소, 즉 프로펠러의 바로 전방에 배치되는 노즐과, 이와 일체로 형성되는 수평타 시스템을 포함한다. 노즐은 불리한 항적(航跡)의 영역에서 프로펠러 유입을 개선시키며, 자체 트러스트를 생성하며; 수평타 시스템은 전류 생성으로 인해 프로펠러 제트 및 프로펠러 보스에서의 손실을 감소시키므로, 동일한 구동 파워에 대해 프로펠러 트러스트가 증가될 수 있다.
장치에 의해 달성될 수 있는 파워 절감은 프로펠러 부하에 의존하며, 이러한 파워 절감은 소형 다목적 선박에 대해서는 3%, 대형 탱커 및 화물선에 대해서는 9%가 된다. 파워 절감은 선박의 흘수(draught) 및 속도와는 거의 독립적이다. 상기 장치는 새로운 선박 및 일련의 설비에 대해서도 사용하기 적합하다.
도1은 장치의 내부 공간에 수평타 또는 수중익이 배치된 전방 노즐을 포함하는, 본 발명에 따른 장치를 우현에서 투시한 측면도.
도2는 수평타 또는 수중익이 입사각이 없는 상태로 도시된, 상기 장치를 후방에서 투시한 도면.
도3은 수평타 또는 수중익의 프로필의 확대단면도.
도4는 선미 형상의 측면도.
도5는 후부 선체의 정면 선도(線圖).
도6은 수평타의 위치 배열을 나타내며 내부 공간에 본 발명에 따른 수평타 또는 수중익이 배치된 전방 노즐을 도시한 도면.
도7은 상부에서의 전방 노즐이 4°경사진, 장치의 측면도.
도8은 선박 내부의 수평타가 상향으로 지향되어 비틀린, 전방 노즐을 도시한 도면.
도9는 본 발명에 따른 장치의 사용시, 파워 절감을 도시한 다이아그램.
도10은 본 발명에 따른 장치를 갖거나 또는 본 발명에 따른 장치를 갖지 않았을 때의 파워 요구를 도시한 다이아그램.
도11은 다양한 형태의 선박에서 본 발명에 따른 장치의 사용시 파워 절감을 도시한 다이아그램.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
10: 장치 10: 전방 노즐
20a: 내부 공간 21: 전방 노즐의 축선
25: 형상을 갖춘 본체 26: 단면 프로필
26a-26c: 벽 부분 30: 수평타/수중익
30a-30d: 수평타/수중익 31: 단면 프로필
32: 굴곡된 측벽 33: 기저 영역
100: 선체 101: 프로펠러
BB: 좌현 SB: 우현
PA: 프로펠러 축선 PS: 프로펠러 측부
X: 프로펠러의 회전 방향 α: 각도

Claims (13)

  1. 단일 프로펠러 또는 복수 플로펠러 선박, 특히 매우 빠르지 않은 광역 선박 또는 비광역 선박의 추진에 필요한 파워 요구를 감소시키는 장치에 있어서,
    프로펠러(101)로부터 짧은 거리를 두고 선체(100)에 부착되는 장치(10)는 수평타 또는 수중익(30; 30a, 30b, 30c, 30d)이 내부에 배치되는 전방 노즐(20)을 포함하며, 상부에서의 전방 노즐은 전방 노즐의 중앙을 통해 신장되는 수평 횡단축선에서 전방으로 8°까지 경사지는 것을 특징으로 하는 파워 요구 감소 장치.
  2. 제1항에 있어서, 장치 또는 전방 노즐(20)의 후연부는 프로펠러 평면의 상류에서 프로펠러 직경의 0.3배 이상으로 고정되지 않는 것을 특징으로 하는 파워 요구 감소 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상부에서의 전방 노즐은 전방으로 약 4°경사지는 것을 특징으로 하는 파워 요구 감소 장치.
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 전방 노즐은 프로펠러(101)의 상향 타격측에서 전방으로 이동되도록, 전방 노즐의 중앙을 통해 신장되는 수직 축선상에서 측방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 파워 요구 감소 장치.
  5. 제4항에 있어서, 전방 노즐(20)은 프로펠러(101)의 상향 타격측에서 전방으로 회전하도록, 전방 노즐의 중앙을 통해 신장되는 수직 축선상에서 3°까지(양호하기로는, 1°) 측방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 파워 요구 감소 장치.
  6. 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 전방 노즐(20)의 프로필의 두께는 그 길이의 12% 이하인 것을 특징으로 하는 파워 요구 감소 장치.
  7. 제6항에 있어서, 전방 노즐의 프로필의 두께는 그 길이의 7.5% 또는 9% 인 것을 특징으로 하는 파워 요구 감소 장치.
  8. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 방사방향에서의 수평타 또는 수중익(30, 30a, 30b, 30c, 30d)은 가변형 입사각을 포함하며, 상기 수평타 또는 수중익은 선박 내측에서의 수평타 또는 수중익이 상향으로 지향되도록 비틀릴 수 있으며, 상기 입사각은 전방 노즐(20)을 향해 외측에서 감소되는 것을 특징으로 하는 파워 요구 감소 장치.
  9. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서, 전방 노즐(20)은 프로펠러 축선 (PA) 위로 배치되는 상향이동된 축선(21)에 대해 회전대칭형으로 배치되며, 상기 전방 노즐의 내경은 프로펠러 직경의 90% 이하인 것을 특징으로 하는 파워 요구 감 소 장치.
  10. 제1항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서, 4개의 수평타 또는 수중익(30: 30a, 30b, 30c, 30d)은 프로펠러 축선(PA)에 방사방향으로 전방 노즐(20)의 내부 공간(20a)에 비대칭으로 배치되고, 상기 수평타 또는 수중익은 선체를 전방 노즐(20)에 연결하고, 전방 노즐(20)의 후방 단부에 배치되며; 수평타 또는 수중익의 수중익(30: 30a, 30b, 30c, 30d)의 렌즈형 단면 프로필(31)의 굴곡된 쪽(32)은 프로펠러의 상향 타격측에서 상향으로 지향되고, 프로펠러의 하향 타격측에서 하방으로 지향되는 것을 특징으로 하는 파워 요구 감소 장치.
  11. 제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 수평타 또는 수중익(30: 30a, 30b, 30c, 30d)은 하기와 같은 양호한 방사방향 각위치 및 초기 각위치를 가정하는 것을 특징으로 하는 파워 요구 감소 장치.
    수평타 각도 입사각
    좌현(BB) 바닥 수평타(30a) 247.5° 14°
    좌현(BB) 중간 수평타(30b) 292.5° 12°
    좌현(BB) 상부 수평타(30a) 337.5° 8° 우현(SB) 수평타(30d) 90.0° 10°
  12. 제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 전방 노즐(20)의 내부 공간(20a)에 배치된 수평타 또는 수중익(30)의 각위치는 변화될 수 있거나 조정가능한 것을 특징으로 하는 파워 요구 감소 장치.
  13. 탱커, 벌크 수송선, 예인선 등과 같은 저속의 광역 선박 및 비광역 선박과 매우 빠르지 않은 선박의 추진에 필요한 파워 요구를 감소시키기 위해, 또한 전류의 발생뿐만 아니라 프로펠러에 대한 흐름을 개선시키기 위한 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제12항에 따른 장치(10)의 사용.
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