CN102477874A - 用于与涡轮机一起使用的传感器组件及其组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于与涡轮机(100)一起使用的传感器组件(270)及其组装方法。所述传感器组件包括:传感装置(302),所述传感装置(302)被构造成测量所述涡轮机的部件的至少一个变量;以及罩(280),所述罩(280)被构造成将所述传感装置固定至所述涡轮机部件。所述罩包括:第一部分(306),所述第一部分(306)包括界定于其中的腔(308),所述腔具有能够将所述传感装置收容于其中的尺寸;以及第二部分(311),所述第二部分(311)自所述第一部分延伸并且被构造成可移除地联接至所述涡轮机部件的一个表面(272)。
Description
技术领域
本发明的领域总体涉及涡轮机,并且更具体地,涉及能够与涡轮机一起使用的传感器组件。
背景技术
例如涡轮发动机的至少一些已知的涡轮机使用高温流体进行操作。例如,至少一些已知的涡轮发动机包括诸如引导高温流体经过其中的涡轮轮叶的部件。持续暴露于高温可能会造成一些部件的损伤,例如在部件的表面上引起腐蚀或导致其它部件的与热相关的破裂。对磨损的或损坏的部件持续地进行操作可能会对其它部件造成进一步损伤,或者可能会导致系统其它部件的故障。总体而言,就这一点而论,对涡轮发动机及其相关部件的操作温度进行监控,以保证涡轮发动机的安全操作并且保证发动机部件的期望使用寿命。
已经有多种已知的方法和传感器系统被用于确定涡轮发动机及其相关部件的温度。例如,通常使用例如热电偶和/或高温测定法的若干技术和仪器实现从例如旋转部件的部件获取温度数据。晶体温度传感器也可以用于确定旋转部件的温度。至少一些已知的晶体温度传感器可提供一个与晶体所暴露于的最高温度的近似值相对应的单个数据点。在实施晶体温度传感器时,通常将传感器联接至涡轮发动机部件。例如,晶体温度传感器可以联接至例如转子叶片、轮或垫圈的旋转部件。晶体温度传感器还可以联接至例如喷嘴、定子叶片、保护罩、燃烧硬件、罩壳的静止部件。实际上,晶体温度传感器可以用在涡轮机的所有三个“主要”分段上,包括压缩机、燃烧室和/或涡轮。
但是,从例如旋转部件的一些涡轮发动机部件获取数据可能是成本较高、效率较低并且/或者需要大量劳动力的。例如,至少一些已知的晶体温度传感器通过改变涡轮部件的形状和/或组成来联接至涡轮部件。例如,为了将晶体温度传感器联接至涡轮轮叶,需要对涡轮轮叶进行加工,以便在涡轮轮叶内形成具有能够将晶体收容于其中的尺寸的凹槽。这样一来,在各项测试之前,为了将晶体温度传感器联接至轮叶,必须将涡轮轮叶从发动机移除,以便使传感器能够联接至轮叶内。而且,在测试完成之后,必须将轮叶从涡轮发动机移除,以便对传感器进行分析。
发明内容
在一个实施例中,提供一种对用于与涡轮机一起使用的传感器组件进行组装的方法。该方法包括提供罩的步骤,罩包括第一部分和自第一部分延伸的第二部分。第一部分内界定了一个腔。而且,将传感装置插入腔内,传感装置被构造成测量涡轮机的部件的至少一个变量。将第二部分可移除地联接(即,连接)至涡轮机部件的表面,使得罩将传感装置牢固地联接至涡轮机部件。
所述方法进一步包括将所述传感装置设置在穿过管基本轴向延伸的孔内的步骤,及将包括设置在其中的所述传感装置的所述管插入所述腔内的步骤。所述的联接所述第二部分的步骤进一步包括将所述第二部分可移除地联接至一个基部,以使得所述基部和所述罩至少部分地包住所述传感装置的步骤。所述的提供罩的步骤进一步包括提供包括第一部分的罩的步骤,所述第一部分包括顶部和联接至所述顶部的侧壁。所述第二部分联接至所述侧壁。所述的插入传感装置的步骤进一步包括将晶体温度传感器插入所述腔内的步骤。
在另一个实施例中,提供一种用于与涡轮机一起使用的传感器组件。该传感器组件包括传感装置,传感装置被构造成测量涡轮机的部件的至少一个变量。而且,该传感器组件包括一个罩,所述罩被构造成将传感装置固定至涡轮机部件。罩包括第一部分,第一部分包括限定于其中的腔,腔具有能够将传感装置收容于其中的尺寸。而且,罩包括自第一部分延伸的第二部分。第二部分被构造成可移除地联接至涡轮机部件的表面。
所述传感器组件进一步包括一个管,所述管包括穿过其中基本轴向延伸的孔,所述罩被构造成将所述管牢固地联接至所述涡轮机部件;和一个基部,所述基部联接至所述第二部分,所述基部被构造成可移除地联接至所述涡轮机部件。所述第一部分包括顶部和自所述顶部延伸的侧壁,所述第二部分联接至所述侧壁;且所述第一部分与所述第二部分一体地形成。所述传感装置是晶体温度传感器。所述罩由金属合金材料和金属材料中的至少一种制成。所述罩由镍铬合金箔材料制成。
在又一种实施例中,提供一种涡轮机。该涡轮机包括静止和/或可旋转的至少一个部件。而且,该涡轮机包括至少一个传感器组件,该至少一个传感器组件联接至该部件。传感器组件包括传感装置,传感装置被构造成测量部件的至少一个变量。而且,传感器组件包括一个罩,所述罩被构造成将传感装置固定至该部件。罩包括第一部分,第一部分包括限定于其中的腔并且该腔具有能够将传感装置收容于其中的尺寸。而且,罩包括自第一部分延伸的第二部分。第二部分被构造成可移除地联接至部件的表面。
所述至少一个传感器组件进一步包括一个管,所述管包括穿过其中基本轴向延伸的孔,所述罩被构造成将所述管牢固地联接至所述至少一个部件;及联接至所述第二部分的基部,所述基部被构造成可移除地联接至所述至少一个部件。所述传感装置是晶体温度传感器。所述罩由镍铬合金箔材料制成。
附图说明
图1是示例性涡轮发动机的横截面示意图;
图2是可以与图1所示的涡轮发动机一起使用并且沿区域2截取的示例性转子组件的横截面示意图;
图3是可以与图2所示的转子组件一起使用并且沿线3-3截取的示例性传感器组件的一部分的放大横截面示意图;
图4是图3所示的传感器组件的分解示意图;以及
图5是可以用于对图3所示的传感器组件进行组装的示例性方法。
附图标记列表:
具体实施方式
本说明书所述的示例性方法、设备以及系统克服了用于从涡轮机部件获取数据的至少一些已知的传感器系统的至少一些已知的缺点。此处所述的实施例包括这样的传感器组件:该传感器组件包括传感装置和将传感装置牢固地联接(即,连接)至涡轮机部件表面的罩。更具体地,罩的一部分可以可移除地联接至涡轮机部件的表面,使得传感器组件可以易于联接至部件表面并且易于从部件表面移除。由于传感器组件可移除地联接至涡轮机部件的表面,因此不需要对部件进行任何加工和/或改变以使传感装置能够联接至部件或者从部件移除。这样一来,进行测试时不需要将机器部件从系统移除。
图1是示例性涡轮发动机100的示意横截面图。更具体地,涡轮发动机100是燃气涡轮发动机。尽管示例性实施例包括燃气涡轮发动机,但是本发明并不限于任何一种特定的涡轮发动机或涡轮机,并且本领域技术人员应当理解,本发明可以用于具有静止部件和/或旋转部件的其它的涡轮发动机或涡轮机。而且,本领域技术人员应当理解,本发明还可以与例如汽车工业的多种不同技术中的其它机器一起使用,并且不限于涡轮发动机或涡轮机。
而且,在示例性实施例中,涡轮发动机100包括进气分段112、自进气分段112的下游联接的压缩机分段114、自压缩机分段114的下游联接的燃烧室分段116、自燃烧室分段116的下游联接的涡轮分段118以及排气分段120。涡轮分段118通过转子轴122联接至压缩机分段114。在示例性实施例中,燃烧室分段116包括多个燃烧室124。燃烧室分段116联接于压缩机分段114,使得每个燃烧室124都设置成可与压缩机分段114进行流连通。燃料喷嘴组件126联接至各个燃烧室124。涡轮分段118联接至压缩机分段114以及例如发电机和/或机械驱动应用的负载128,但是负载128并不限于发电机和/或机械驱动应用。在示例性实施例中,每个压缩机分段114和涡轮分段118都包括至少一个转子盘组件130,转子盘组件130联接至转子轴122从而形成转子组件132。
在操作过程中,进气分段112将空气导向压缩机分段114。在朝向燃烧室分段116排放空气之前,空气在压缩机分段114中被压缩从而具有较高的压力和温度。压缩空气与燃料进行混合并且被点燃从而产生燃烧气体,将该燃烧气体导向涡轮分段118。更具体地,在燃烧室124中,例如天然气和/或燃油的燃料被注入空气流中,将燃料-空气混合物点燃以产生高温燃烧气体,将所产生的高温燃烧气体导向涡轮分段118。随着燃烧气体将旋转能量施加至涡轮分段118及转子组件132,涡轮分段118将来自气流的热能转化为机械旋转能量。
图2是转子组件132的横截面示意图。在示例性实施例中,涡轮分段118包括多个级234,每个级234都包括旋转的转子盘组件235和静止的定子叶片236排。在示例性实施例中,每个转子盘组件235都包括联接至转子盘240的多个涡轮轮叶238。每个转子盘240都联接至转子轴122。涡轮罩壳242围绕涡轮轮叶238和定子叶片236沿周向延伸,使得每个定子叶片236都由罩壳242支承。
在示例性实施例中,每个转子盘240都是环形的,并且包括限定于其中且穿过其中基本沿轴向延伸的中心孔244。更具体地,每个盘体246都自中心孔244径向向外延伸。而且,中心孔244具有能够收容穿过其中的转子轴122的尺寸。盘体246在径向内边缘248与径向外边缘250之间径向延伸,并且自上游表面252轴向延伸至相对的下游表面254。每个上游表面252和下游表面254都在内边缘248与外边缘250之间延伸。轴向支承臂256联接至相邻的转子盘240之间以形成转子组件132。
而且,在示例性实施例中,每个涡轮轮叶238都联接至盘体246并且自盘体246径向向外延伸。在示例性实施例中,涡轮轮叶238围绕转子盘240沿周向隔开。相邻的转子盘240隔开,使得在周向隔开的涡轮轮叶238的每排259之间形成间隙258。间隙258具有能够收容每个都自涡轮罩壳242朝向转子轴122向内延伸、且周向隔开的定子叶片236排260的尺寸。更具体地,在示例性实施例中,定子叶片236围绕转子轴122沿周向隔开、并且取向为朝向涡轮轮叶238向下游引导燃烧气体。
在示例性实施例中,热气路径261被限定于涡轮罩壳242与各个转子盘240之间。涡轮轮叶238的各排259以及定子叶片236的各排260至少部分地穿过热气路径261的一部分延伸。而且,在示例性实施例中,包括传感装置(未示于图2中)的至少一个传感器组件270可移除地联接至至少一个涡轮轮叶238的外部表面272。备选地,传感器组件270可以联接至能够使传感器组件270如此处所述地运行的涡轮发动机100的任何部件的表面。例如,传感器组件可以联接至压缩机分段114(示于图1中)、燃烧室分段124(示于图1中)、排气120(示于图1中)中和/或转子轴122上的表面。
而且,在示例性实施例中,传感器组件270包括将传感装置固定至各个轮叶外部表面272的罩280。在示例性实施例中,罩280基本是圆形的。备选地,罩280可以具有能够使传感器组件270如此处所述地运行的任何形状或尺寸。而且,在示例性实施例中,传感装置测量涡轮桨叶轮叶238的表面272的近似最高温度。备选地,传感装置可以被构造成测量任何变量,例如涡轮轮叶238内的操作压力。
在操作过程中,压缩机分段114(示于图1中)对空气进行压缩并且通过燃烧室分段116(示于图1中)向涡轮分段118排放经过压缩的空气。更具体地,将从压缩机分段114排出的大部分空气导向燃烧室分段116,并且将从压缩机分段114排出的小部分空气向下游导向涡轮分段118,以用于冷却转子组件132。更具体地,加压压缩的空气被引导至燃烧室124(示于图1中),空气在燃烧室124中与燃料混合并且被点燃,从而产生高温燃烧气体。接着,朝向热气路径261对燃烧气体进行引导,燃烧气体在热气路径261中对涡轮轮叶238进行冲击,以促进在转子组件132上施加旋转力。随着燃烧气体对涡轮轮叶238进行冲击,传送至涡轮轮叶238的热量使得表面272的操作温度大大增加。在涡轮轮叶238旋转的同时,传感器组件270将传感装置固定至涡轮轮叶238的表面272,从而使得传感装置能够测量表面272的最高温度的近似值。
图3是传感器组件270的放大横截面图。图4是传感器组件270的分解图。图3中所示的同样的部件用图2中使用的相同的附图标记进行标注。传感器组件270包括传感装置302。在示例性实施例中,传感装置302一个是被构造成测量涡轮轮叶238的表面272的最高温度的近似值的碳化硅(SiC)晶体温度传感器。备选地,传感装置302可以用于测量涡轮发动机100(示于图1中)的任何部件的最高温度的近似值。
传感器组件270还包括基本包住传感装置302的管303。更具体地,在示例性实施例中,管303包括穿过管303基本轴向延伸的孔304。在示例性实施例中,管303是由硬质材料制成的薄壁管,使得管303能够被切割并且能够通过在管303上施加力而使其端部形成卷边(crimped)。备选地,管303可以由能够使传感器组件270如此处所述地运行的任何材料制成。
在示例性实施例中,传感装置302位于孔304内,使得管303基本封装传感装置302。更具体地,在示例性实施例中,孔304中包括填充材料(未示出)用于在将传感装置302限制在孔304内的过程中使用。在示例性实施方式中,传感装置302在填充材料处于液体状态时浸入到填充材料内。而且,在示例性实施方式中,在填充材料干燥后,管303的端部(未示出)是开口的并且没有一起形成卷边。备选地,管303的端部可以一起形成卷边。在示例性实施例中,填充材料是高温灌封材料。备选地,填充材料可以是能够使传感器组件270如此处所述地运行的任何材料。
而且,在示例性实施例中,传感器组件罩280将传感装置302固定至涡轮轮叶238。在示例性实施例中,罩280由镍铬合金箔材料制成。备选地,罩280可以由任何金属合金材料和/或金属材料制成。备选地,罩280可以由能够使传感器组件270如此处所述地运行的任何其它的材料。
在示例性实施例中,罩280包括第一部分306,第一部分306包括界定于其中的腔308。腔308具有收容传感装置302的尺寸和取向。更具体地,在示例性实施例中,管303以及位于其中的传感装置302都位于腔308内。备选地,传感装置302可以在没有管303的情况下位于腔308中。例如,传感装置302可以在填充材料处于液体状态时浸入到腔308中的填充材料内。一旦填充材料干燥,传感装置302基本封装到腔308中,使得罩280和传感装置302可以可移除地联接至涡轮轮叶238。
而且,在示例性实施例中,第一部分306包括基本成圆形的顶部309和自顶部309向外向外延伸的侧壁310,使得腔308限定于其中。备选地,顶部309和侧壁310可以具有能够使传感器组件270如此处所述地运行的任何形状。
而且,在示例性实施例中,顶部309可移除地联接至侧壁310,使得可以选择性地移除顶部309从而在腔308内设置传感装置302。备选地,顶部309和侧壁310可以一体地形成在一起,使得可以将罩280反转从而在腔308内设置传感装置302。
在示例性实施例中,罩280还包括自第一部分306横向延伸的第二部分311。更具体地,第二部分311自侧壁310延伸。在示例性实施例中,第二部分311与第一部分306一体地形成。更具体地,第二部分311与侧壁310一体地形成。备选地,第二部分311可以可移除地联接至第一部分306。
而且,在示例性实施例中,顶部309与第二部分311间隔距离314。在示例性实施例中,距离314自第二部分311至少为0.024毫米以保证封闭传感装置302和/或管303。备选地,距离314可以是任何使得能够封闭传感装置302和/或管303并且能够使传感器组件270如此处所述地运行的长度。
罩第二部分可移除地联接至涡轮轮叶238的表面272(示于图2中),使得罩280基本将传感装置302固定至表面272。更具体地,第二部分311通过点焊工艺(tag welding process)联接至表面272。备选地,可以使用能够使罩280可移除地联接至涡轮轮叶238并且能够使传感器组件270如此处所述地运行的任何其它的紧固方法将第二部分311联接至表面272。而且,在示例性实施例中,第二部分311通过例如轮叶的工具(未示出)移除,便于自涡轮轮叶238移除传感器组件270。
在示例性实施例中,传感器组件270包括具有第一表面404和第二表面406的基部402。在示例性实施例中,基部402由镍铬合金箔材料制成。备选地,基部402可以由任何金属合金材料和/或金属材料制成。备选地,基部402可以由能够使传感器组件270如此处所述地运行的任何材料制成。而且,在示例性实施例中,基部402基本是圆形的。备选地,基部402可以具有能够使传感器组件270如此处所述地运行的任何形状。
而且,在示例性实施例中,基部402联接至罩280。更具体地,在传感装置302被管303包住从而使得管303和传感装置302都位于腔308(示于图3中)内之后,接着将罩280联接至基部402。在示例性实施例中,罩280联接至基部402,使得罩280和基部402至少部分地包住传感装置302和管303。而且,在示例性实施例中,第二部分311通过点焊工艺联接至基部402的第一表面404。备选地,可以使用能够使罩280可移除地联接至基部402的任何其它的紧固方法将第二部分311联接至基部402的第一表面404。
基部402可移除地联接至涡轮轮叶238。更具体地,在示例性实施例中,基部402的第二表面406通过点焊工艺联接至涡轮轮叶238的表面272。备选地,可以使用能够使传感器组件270可移除地联接至涡轮轮叶238并且能够使传感器组件270如此处所述地运行的任何其它的紧固方法将基部402联接至表面272。而且,在示例性实施例中,一旦完成测试,基部402通过例如轮叶的能够将传感器组件270从涡轮轮叶238移除的工具(未示出)进行移除。而且,通过机械地移除填充物将传感装置302从填充物中取出。备选地,可以使用领域内已知的能够使传感器组件270如此处所述地运行的任何方法将传感装置302从填充物中取出。
图5示出了可以用于对例如用于与涡轮发动机100(示于图1中)一起使用的传感器组件270(示于图2、图3和图4中)的传感器组件进行组装的示例性方法500。在示例性实施例中,步骤502提供了具有第一部分306(示于图3和图4中)和自第一部分306横向延伸的第二部分311(示于图3和图4中)的罩280(示于图2、图3和图4中)。步骤504将腔308(示于图3中)限定在第一部分306内。接着,在步骤506中,将被构造成测量涡轮发动机100的部件的至少一个变量的传感装置302(示于图3和图4中)插入到腔308内。接着,在步骤508中,第二部分311可移除地联接至涡轮轮叶238的表面272(示于图2、图3和图4中),使得罩280基本将传感装置302固定至涡轮轮叶238。
在步骤510中,在步骤506将传感装置302插入腔内之前,将传感装置302插入穿过管303(示于图3和图4中)基本轴向延伸的孔304(示于图3和图4中)内。在步骤512中,管303与传感装置302一起插入腔308内。接着,在步骤514中,第二部分311可移除地联接至轮叶表面272,使得罩280基本将其中设置有传感装置302的管303固定至涡轮轮叶238。
当第二部分311在步骤508中可移除地联接至表面272时,第二部分311在步骤516中联接至基部402(示于图4中),在这一过程中,基部402可移除地联接至涡轮轮叶238的表面272,使得基部402和罩280至少部分地包住传感装置302。
上述的传感器组件提供了监控以及测试涡轮机的部件的成本有效并且高效的方式。更具体地,此处所述的实施例提供了这样一种传感器组件:该传感器组件包括传感装置和将该传感装置固定至涡轮机部件的外表面的罩。更具体地,罩包括其中限定有腔的第一部分。腔具有能够收容传感装置的尺寸和形状,并且罩包括自第一部分横向延伸的第二部分。第二部分被构造成可移除地联接至涡轮机部件的另一个表面,使得传感器组件可以易于联接至该表面并且自该表面移除。由于传感器组件可移除地联接至涡轮机部件的表面,因此该部件不需要进行任何加工和/或改变以使传感装置联接至该部件或自该部件移除。这样一来,不需要在进行测试之前和/或之后移除整个机器部件。
上文对一种传感器组件及其组装方法的示例性实施例进行了详细描述。该传感器组件及其组装方法并不限于此处所述的具体实施方式,相反,可以与此处所述的其它部件和/或步骤独立地和单独地利用该传感器组件的部件和/或传感器组装的步骤。例如,该传感器组件还可以结合其它的机器和方法使用,并且并不限于仅与如此处所述的涡轮发动机一起实施。相反,可以结合许多其它的系统实施和利用这些示例性的实施例。
尽管本发明的各个实施例的具体特征可能会示于一些附图中而未示于其他附图中,但这仅仅是为了方便起见。根据本发明的原理,一个附图中的任何特征都可以结合任何其它附图的任何特征进行参考以及/或者要求保护。
本说明书使用示例对本发明进行了公开,其中包括最佳模式,并且还使本领域技术人员能够实施本发明,其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法。本发明的专利范围通过权利要求进行限定,并且可以包括本领域技术人员能够想到的其他示例。如果这些其它的示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件,或者如果这些其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件,则期望这些其它的示例落入权利要求的范围中。
Claims (10)
1.一种用于与涡轮机(100)一起使用的传感器组件(270),所述传感器组件包括:
一个传感装置(302),所述传感装置(302)被构造成测量所述涡轮机的部件的至少一个变量;以及
一个罩(280),所述罩(280)被构造成将所述传感装置固定至所述涡轮机部件,所述罩包括:
第一部分(306),所述第一部分(306)包括一个界定于其中的腔(308),所述腔具有能够将所述传感装置收容于其中的尺寸;以及
第二部分(311),所述第二部分(311)自所述第一部分延伸,所述第二部分被构造成可移除地联接至所述涡轮机部件的一个表面(272)。
2.根据权利要求1所述的传感器组件(270),其特征在于,所述传感器组件(270)进一步包括一个管(303),所述管(303)包括一个穿过其中基本轴向延伸的孔(304),所述罩(280)被构造成将所述管牢固地联接至所述涡轮机部件。
3.根据权利要求1所述的传感器组件(270),其特征在于,所述传感器组件(270)进一步包括一个基部(402),所述基部(402)联接至所述第二部分(311),所述基部被构造成可移除地联接至所述涡轮机部件。
4.根据权利要求1所述的传感器组件(270),其特征在于,所述第一部分(306)包括顶部(309)和自所述顶部延伸的侧壁(310),所述第二部分(311)联接至所述侧壁。
5.根据权利要求1所述的传感器组件(270),其特征在于,所述第一部分(306)与所述第二部分(311)一体地形成。
6.根据权利要求1所述的传感器组件(270),其特征在于,所述传感装置(302)是晶体温度传感器。
7.根据权利要求1所述的传感器组件(270),其特征在于,所述罩(280)由金属合金材料和金属材料中的至少一种制成。
8.根据权利要求1所述的传感器组件(270),其特征在于,所述罩(280)由镍铬合金箔材料制成。
9.一种涡轮机(100),包括:
至少一个部件,所述部件是静止部件和可旋转部件中的至少一种;
至少一个传感器组件(270),所述至少一个传感器组件(270)联接至所述至少一个部件,所述所述至少一个传感器组件包括:
一个传感装置(302),所述传感装置(302)被构造成测量所述至少一个部件的至少一个变量;以及
一个罩(280),所述罩(280)被构造成将所述传感装置固定至所述至少一个部件,所述罩包括第一部分(306),所述第一部分(306)包括一个界定于其中的腔(308),所述腔(308)具有能够将所述传感装置收容于其中的尺寸,所述罩进一步包括自所述第一部分延伸的第二部分(311),所述第二部分被构造成可移除地联接至所述至少一个部件的一个表面(272)。
10.根据权利要求9所述的涡轮机(100),其特征在于,所述至少一个传感器组件(270)进一步包括一个管(303),所述管(303)包括一个穿过其中基本轴向延伸的孔(304),所述罩(280)被构造成将所述管牢固地联接至所述至少一个部件。
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