DE1601553A1

DE1601553A1 - Tragflaechenfoermige Schaufel fuer ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE1601553A1
Application number: DE19671601553
Authority: DE
Inventors: Kercher David Max
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-03-17
Filing date: 1967-04-12
Publication date: 1970-12-17
Also published as: US3540810A; GB1197232A; DE1601553B2

Description

G-EKBEAL ELiJCiDRIO COMPANY
Schenectady, New York / 7.St.A,

Unser Zeichen: G 10Q5

Tragflächenförmige Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf eine tragfläohenförmige Schaufel und insbesondere auf einen Bauteil, bei welchem eine hohle Schaufel mit einem Einsatz vorgesehen ist, um eine minimale Strömung eines fluiden Mediums für eine ausreichende Kühlung von Strahltriebwerksteilen wie beispielsweise Turbinenschaufelkränzen einzustellen.

Bei den gegenwärtig mit hohen Temperaturen arbeitenden Maschinenteilen, wie beispielsweise bei stationären oder sioh drehenden Turbinenschaufeln in Strahltriebwerken ist es erforderlich, 'Kühleinrichtungen vorzusehen. Es ist mög-

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S-VER

lieh '

ORIGINAL INSPECTED

lieh, die Triebwerke 30 aufzubauen, daß diese wirkungsvoll bei Gastemperaturen arbeiten können, die viel höher sind als die Temperaturen, denen die Materialien widerstehen können. Es müssen also entsprechende Kühlanlagen und Ausbildungen der Bauteile vorgesehen sein, die einen Betrieb bei erhöhten Gastemperaturen oberhalb der Kapazität der Materialien erlauben.

Es wurden zahlreiche Schaufelkranzkonstruktionen geschaffen, um den Umlauf von fluiden Kühlmedien zu ermöglichen und um in entsprechender Weise die Temperaturen herabzusetzen. Bei einigen Konstruktionen werden eingegossene Kühlkanäle verwendet, wobei die fluiden Kühlmedien durch die Kanäle innerhalb der Wandungen des Bauteils umgewälzt werden, wie beispielsweise innerhalb der Wandungen einer Turbinenschaufel oder einer leitschaufel. Die Schwierigkeiten, die bei derartigen Ausbildungen auftreten, Bind darin zu. sehen, daß die Menge an fluidem Medium, die in Bezug auf die Wandungsetärke erforderlich ist, derartig ist, daß sehr geringe Wandungsdicken zwischen den einzelnen Kühlkanälen und den Schaufeloberflächen verbleiben. Dies führt dazu, daß die auftretenden Temperaturgradienten thermische Spannungskonzentrationen erzeugen, die sehr oft zu Brüchen oder Riesen führen und zu einer nicht aus-· reichenden Betriebslebensdauer.

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Es wurde gefunden, daß sich für hohe !Demperaturen eine Ausführungsform "besser eignet, bei der hohle Bauteile verwendet werden, die entweder durch Bearbeitung hergestellt sind oder die gegossen sind. Dünnwandige Bauteile wie beispielsweise Einsätze sind vorgesehen, um das fluide Kühlmedium, zu leiten und zu führen, um in entsprechender Weise die Oberfläche der Schaufel zu kühlen, die den heißen Gasen ausgesetzt ist. Ganz allgemein wirken bei derartigen Konstruktionen diese Einsätze nach Art von Kammern, um die eintretenden fluiden Kühlmedien zusammen und um diese im wesentlichen gleichförmig innerhalb der tragfläc.henförmigen Schaufel abzugeben, damit diese fluiden Kühlmedien längs der Oberflächen zu den hinteren Kanten strömen können, wobei dann die Kü-hlmedien dazu verwendet werden, die hintere Kante zu kühlen, und zwar dadurch, daß diese fluiden Kühlmedien durch diese hintere Kante .hindurchströmen oder über die eine oder andere Seite der hinteren Kante hinwegströmen, wobei dann diese Kühlmedien, um "Verluste zu vermeiden, in den Zyklus zurückgeführt werden. Eine auftretende Schwierigkeit besteht darin, daß die verschiedenen Teile des gekühlten Elementes nicht die gleiche Temperatur haben, und zwar wegen der unterschiedlichen Wärmebelastungen.

Mit anderen Worten kann gesagt werden, daß bei einer

tragflächenförmigen

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, tragflächenförmigen Schaufel die Saugseite oder die konvexe Seite der tragflächenförmigen Schaufel im allgemeinen heißer ist als die Druckseite oder die konkave Seite, und dennoch werden beide Seiten im wesentlichen durch gleiche Kühlmittelströme gekühlt. Dies führt dazu, daß die Druckoberfläche zu stark gekühlt und die Saugoberfläche zu wenig gekühlt wird. Daraus folgt, daß sich Spannungen zwischen den Seiten ausbilden, und ferner wird dadurch bedingt, daß die heiße Saugseite die die Ausbildung bestimmende Seite wird, obwohl die Druckseite eine geringere Kühlung benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leitelement in Form einer tragflächenförmigen Schaufel zu schaffen, wobei jede Schaufel hohl ist und einen Einsatz aufweist, der in der Schaufel angeordnet ist, um das Kühlmedium zu führen, und wobei dieser Einsatz derart geformt ist, daß zwei kammerartige Abschnitte gebildet werden, durch die konstante statische Drucke erzeugt werden, welche ihrerseits eine im wesentlichen konstante Strömung für Kühlungszwecke sicherstellen.

Gemäß der Erfindung ist eine tragflächenförmige Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk vorgesehen, welche aus einem hohlen Bauteil besteht, in den hinein ein Kühlmedium geleitet und. in welchem dieses Kühlmittel derart verteilt

wird

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wird, daß dieses gegen dia xnnere Oberfläche der Vorderkante auftrifft und sich längs der inneren Oberflächen. der Schaufel verteilt, wobei dann das Kühlmittel durch die Hinterkante abgelassen wird, und wobei ein hohler dünnwandiger Einsatz innerhalb der Schaufel und im Abstand von dieser angeordnet ist, um Kanäle zwischen diesen Teilen zu bilden, und wobei sich eine geneigte Trennwand im wesentlichen von einem Ende zum andern innerhalb des Einsatzes erstreckt und eine vordere und hintere Kammer bildet, in denen konstante statische Drucke herrschen, wobei jede Kammer an einander gegenüberliegenden Enden einen breiten Abschnitt aufweist, und wobei der Einsatz Öffnungen aufweist, die derart orientiert sind, daß das Kühlmedium von der vorderen Kammer auf die innere Schaufel-Oberfläche der Vorderkante abgegeben wird, so daß sich das Kühlmedium ausbreitet und durch die Kanäle zur Hinterkante strömt, und wobei zweite Öffnungen am hinteren Ende des Einsatzes vorgesehen sind, um einen gewissen Teil des Kühlmediums aus den Kanälen in die hintere Kammer zu führen.

Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die !Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:

Pig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Schaufel eines Turbinenleitkranzes,

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Pig. 2 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Schaufel und

Pig. 5 eine Schnittansicht genommen längs der Linie 3-3 der Pig. 2.

Der erfindungsgemäße Aufbau einer Schaufel wird als Ausführungsbeispiel bei den Schaufeln eines £urbinenleitkranzes beschrieben. Es sei jedoch bemerkt, daß der spezielle beschriebene Aufbau bei beliebigen Bauteilen verwendet werden kann, wie beispielsweise bei Streben oder anderen Triebwerkskomponenten oder bei anderen tragflächenförmigen Bauteilen, die eine ähnliche Kühlung benötigen.

Es sei zuerst auf Pig. 1 Bezug genommen. Es ist eine einzelne Schaufel eines Turbinenleitkranzes dargestellt, der einen äußeren Ring 10 und einen inneren Ring 12 aufweist, wobei .zwischen diesen Ringen eine Leitschaufel 14 angeordnet ist. Die Schaufel 14 ist ein Leitelement mit Iragflächenpröfil, wie es an sich bekannt ist. Es sei bemerkt, daß sich eine Vielzahl von Schaufeln der in Pig. 1 dargestellten Art la lurbinenleitkranz befinden, und daß sich diese Schaufeln vollständig um einen Ring herum erstrecken können, der stromab einer Verbrennungskammer in einem Strahltriebwerk angeordnet ist, wobei dieser Leitkranz . die heißen Verbrennungsgase aufnimmt. Zusätzlich können

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derartige Leitschaufeln in anderen Stufen eines mehrstufigen Aufbaus verwendet werden. Diese Schaufeln richten in üblicher Weise die heißen Gase auf die nicht dargestellten Rotorschaufeln. Der einfache Zusammenbau und die geringen Herstellungskosten lassen es angezeigt erscheinen, daß der Leitkranzaufbau in üblicher Weise in Segmente unterteilt wird, die aus mehreren Schaufeln oder aus einer einzigen Schaufel bestehen, wie es in Pig. 1 gezeigt ist, und die Segmente können zusammen mit den einzelnen Schaufeln 14 gegossen werden, und eine Vielzahl von Segmenten wird miteinander verbunden, um einen Kranz herzustellen.

Pur eine ausreichende Abkühlung der einzelnen Schaufeln unter die Hauptgastemperatur ist es erforderlich, die Schaufeln mit einem fluiden Medium wie beispielsweise mit Kompressorabzapfluft einer Gasturbine oder anderen geeigneten zur Verfügung stehenden fluiden Medien zu kühlen, die geringere Temperaturen haben als die Austrittsgase. Es sei nun auf Fig. 2 Bezug genommen. Die

Ringe können stromauf gelegene Plansche 16 und stromab gelegene Plansche 1ö aufweisen, die sich in üblicher Weise gegen den benachbarten Triebwerksbauteil abstützen. Entsprechende Plansche können am inneren Ring 12 vorgesehen sein, um in an sich bekannter Weise einen inneren Abdichtungsaufbau zu tragen, um die Kosten gering zu

halten

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halten, und um hohe Wärmeübertragungskoeffizienten für eine ausreichende Kühlung zu erzielen, ist es möglich, den ganzen in Fig. 1 dargestellten Bauteil zu gießen und die einzelnen Segmente wie vorher dargelegt miteinander beispielsweise durch Yerschraubungen zu verbinden.

Es sei nunmehr auf Fig. 3 Bezug genommen, die eine Querschnittsansicht einer hohlen tragflächenförmigen Schaufel 14 darstellt. Beim üblichen Leitkranzaufbau hat die Schaufel 14 die Form einer Tragfläche und weist eine vordere Kante 20 und eine hintere Kante 22 auf. Diese Tragflächenform ergibt eine Saugseite oder tonvexe Oberfläche 24 und eine Druckseite oder konkave Oberfläche 26. Bei normalem Turbinenbetrieb wird die Oberfläche 24 hohereaAußenseitentemperaturen ausgesetzt als die Oberfläche 26, una es ist deshalb eine erhöhte innere Kühlung erforderlich.

Kühlmedien werden von einer geeigneten Quelle, wie beispielsweise von einer Kompressorabsapistelie in üblicher Weise den einzelnen Schaufeln zugeführt. Um nun die Kühlmittel innerhalb der dünnwandigen Schaufel in richtiger Weise zu verteilen, ist ein Dinsatz 28 vorgesehen. Dieser Einsatz hat mehrere Funktionen, wie es noch dargelegt werden soll. Wie Fig. 2 zeigt, wird die eintretende Kühlmittelströmung hauptsächlich in den Einsatz 28 hineingeführt, um eine Kühlung mit höchstem Wirkungsgrad bei einem

minimalen 009851/06Oi "~ "^*"'

minimalen Luftbedarf zu erreichen, wie es noch, erläutert werden soll. Der Einsatz 28 kann in geeigneter Weise geschweißt sein oder kann als einteiliger Bauteil befestigt sein, so daß das gesamte Kühlmittel in das Innere des hohlen Einsatzes hineingedrückt wird, der sich von der Oberseite der Schaufel zur Wurzel der Schaufel hin erstreckt. Das Kühlmittel wird zur Kühlung der Schaufeln dadurch verteilt, daß der Einsatz. 28 von der Saug- und Druckoberfläche 24 und 26 im Abstand gehalten wird, um Kanäle 30 längs der inneren Seite der tragflächenförmigen Oberflächen zwischen der Schaufel und dem Einsatz auszubilden, wie es in J¹Ig. 3 dargestellt ist. TIm den • Einsatz in einem vorbestimmten Abstand zu halten, und um die G-russe der Kanäle 30 zu bestimmen, sind im Abstand zueinander angeordnete Deformationen 32 vorgesehen, die' knopfförmig oder rippenförmig ausgebildet sein können, und diese Deformationen sind aus der Einsatzwandung herausgedrückt.

Da das eintretende Kühlmittel einen höheren Druck aufweist als das Kühlmittel in den Kanälen 3O₁ ist es erforderlich, den Einsatz gegen Verwerfungen zu halten, und die Ausbuchtungen 32 bestimmen nicht nur die Grosse der Kanäle 30, sondern bilden auch diese Halterung. Diese

Ausbuchtungen

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Ausbuchtungen dienen deshalb dem mehrfachen Zweck, die gewünschte Tiefe der Kanäle 3u aufrecht zu erhalten und dazu, dem Einsatz eine gewisse !Festigkeit zu erteilen und den Einsatz 2ö axial in seiner Lage zu halten. Palis Rippen verwendet werden, bilden diese ebenfalls eine .Führung für das Kühlmittel. Es wurde gefunden, daß eine Sboßbeaufschlagungskühlung längs der heißen Torderkante 20 wirksamer ist als eine Kühlung, die durch eine Strömung parallel zu dieser Kante erreicht werden kann, und zu diesem Zweck ist die Vorderkante des Einsatzes 28 mit einer Reihe von Öffnungen 34 versehen, die.derart gerichtet sind, daß das gesamte Kühlmittel aus dem Einsatz herausgeführt wird und auf die innere Oberfläche der Torderkante der Schaufel aufschlägt, so daß sie sich verteilt und nach hinten durch die Kanäle 30 zur Hinterkante hinströmt, wie es in Mg. 3 dargestellt ist.

Bei einer derartigen Kühlung treten Schwierigkeiten auf, wenn man versuchen will, eine im wesentlichen konstante Strömung durch die Öffnung längs der Länge der Torderkante zu erzielen, und zwar wegen des Druckabfalls im Strömungsmittel innerhalb des Einsatzes. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden} ist im Einsatz eine sich von oben bis zum Boden erstreckende geneigte Trennwandung 36 vorgesehen, welche eine einzelne vordere Kammer 38 und eine ähnliche

hintere

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hintere Kammer 4ü bildet. Durch die Neigung dieses Einsatzes ist es möglich, innerhalb der beiden Kammern einen konstanten statischen Druck aufrecht au erhalten. Wie Fig. 2 zeigt, weisen die beiden- Kammern einen breiten Abschnitt an gegenüberliegenden Enden auf. Es ist erwünscht, daß das Kühlmittel an diesen breiten Abschnitten eintritt und austritt, und es sind Leiteinrichtungen 42 und 44 für»den Eintritt und den Austritt vorgesehen. Selbstverständlich können die Leiteinrichtungen 42 und 44 derart gestaltet sein, daß ₍ diese die Strömung auf die gewünschte Menge einstellen oder drosseln bzw. können diese Leiteinrichtungen 42 und 44 so gestaltet sein, daß sie Dichtungszwecke erfüllen.

TJm das Kühlmittel in richtiger Weise zu führen und um dieses aus den Kammern herauszudrücken, weist jede der Kammern Abdichtungen wie Kappen 46 und 48 an den schmalen Enden aux oder an den Enden, die den breiten Enden gegenüberliegen. Innerhalb der vorderen Kammer 3& herrscht im wesentlichen ein konstanter statischer Druck, und zwar wegen der geneigten Trennwandung 36, und die Strömung aus .jeder der Öffnungen 34 in Längsrichtung der Vorderkante ist im wesentlichen konstant.

Wenn die Strömung auf die innere Oberfläche der Vorder kante 20 auftrifft und nach hinten durch die Kanäle 30

hindurehströmt

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hindurchströmt, wird eine gleichförmige Kühlung aller Teile der Schaufel erzielt, und zwar wegen des konstanten statischen Druckes in der Kammer 3b und darsidi daraus ergebenden konstanten Strömung. Der Rest der Schaufei wird durch die Strömung durch die Kanäle zur Hinterkante hin gekühlt. Um Kühlungsmittel in die hintere Kammer 40 einzuführen und um Kühlungsmittel aus dieser Kammer abzulassen, ist eine zweite Reihe von gegenüberliegend angeordneten Öffnungen 50 und 52 vorgesehen. Diese Öffnungen sind derart bemessen, daß die Strömung durch die entsprechenden Kanäle 30 bestimmt wird, und falls mehr Öffnungen 52 oder größere Öffnungen 52 vorgesehen werden, so erhöht sich die Strömung durch die Kanäle 30, und die heißere Saugoberfläche 24 wird durch eine größere Strömungsmenge geküu. -„ Zusätzlich können die Kanäle 30 auf der Saugseite größer gemacht werden, um die Strömung zu erhöhen, falls dieses erwünscht ist. Die Öffnungen 50 und 52 bestimmen die Strömung durch die Kanäle 30, und auf diese Weise kann die Kühlmittelströmung in gewünschter Weise in Abhängigkeit von den gewünschten Temperaturen verteilt werden. Diese Öffnungen sind derart ausgebildet, daß sie einen Teil der Strömung aus den Kanälen 30 aufnehmen, und es wird ermöglicht, daß der Rest der Strömung in die Hinterkantenschlitze 54 eintreten kann, um dieee Hinterkante za kühlen. Der Teil der Strömung aus den Kanälen 30, der in die hintere Kammer eingeführt wird, wird anschließend durch die Auslaßleitvorrichtungen 44 abße-

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führt und dann zu einer weiteren Verwendungsstelle geführt, wie beispielsweise zu einer Dichtung oder an eine andere Stelle. Der Rest der Strömung tritt durch die Kanäle 54 aus. Es sei bemerkt, daß die einzelne geneigte Trennwandung wirksam ist, um einen konstanten statischen Druck in jeder der Kammern auszubilden, woraus sich eine konstante Strömung ergibt, so daß beide Kammern zusammenarbeiten können. Mit anderen Worten ausgedrückt kann gesagt werden, daß die einzelne Trennwandung den weiten Abschnitt der Kammer '5'ό gegenüber dem schmalen Abschnitt der Kammer 40 anordnet und umgekehrt, und dies führt zu einem gleichförmigen Abzapfen des Kühlmittels durch die Öffnungen 50 und 52, so daß mit einem konstanten geringeren statischen Druok in der hinteren Kammer die Einströmung in diese Kammer ebenfalls konstant ist.

Es ist zu erkennen, daß durch die Unterteilung des Einsatzes in eine vordere und eine hintere Kammer durch die geneigte Trennwandung 36 ein im wesentlichen konstanter statischer Druck in den Kammern über die Schaufel hinweg erzeugt wird, woraus sich ergibt, daß - die Strömung aus der vorderen Kammer 3Ö heraus konstant ist, und daß die Strömung in die hintere Kammer 40 hinein konstant ist, was zu einer sehr gleichförmigen Kühlung und zu einer Verminderung von Spanmingen führt. Weiterhin wird das

-VS-

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gesamte

lu

ge samt β zur Verfügung stehende Kühlmittel für Kühlzweeke verwendet, und es ist lediglich eine geringe Kühlmittelmenge erforderlich, weil, wie beschrieben, konstante Drucke aufrecht erhalten werden. Die Kammern haben im wesentlichen gleiche Volumina zur Führung des Kühlmittels, obwohl gleiche Volumina nicht erforderlich sind. Durch eine Vorbestimmung der Strömungsmenge durch die Kanäle 30 kann das Kühlmittel zu der Stelle geleitet werden, an der es am meisten benöUgt wird. Eine entsprechende Kühlung des Mittelabschnittes der Saugoberfläche 24 ergibt einen geringeren Kühlungsbedarf an der Hinterkante, und deshalb können kleinere Hinterkantenkanäle 54 bzw. weniger Hinterkantenkanäle 54 verwendet werden. Durch diese Ausbildung wird maximal die Wärmeübertragungskapazität des Kühlmittels ausgenutzt, ehe es für andere Zwecke verwendet wird. Dies führt zu einem geringstmögiichen Verbrauch des Strömungsmittels für Kühlzwecke und dadurch wird ein besserer Triebwerkswirkungsgrad erzielt, wenn diese Anordnung in einer Gasturbine verwendet wird, da die geringste Strömungsmittelmenge dem Arbeitszyklus entnommen wird.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Tragflächenformige Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk, die einen hohlen Bauteil aufweist, in den hinein ein Kühlmittel geleitet wird, wobei dieses Kühlmittel derart verteilt wird, daß dieses auf die innere Oberfläche der Vorderkante auftrifft und längs der Innenseiten der Schaufel verteilt wird, wobei dieses Kühlmittel durch die Hinterkante abgelassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein hohler dünnwandiger Einsatz (28) innerhalb der Schaufel (14) angeordnet ist und im Abstand von dieser Schaufel gehalten wird, um Kanäle (30) zwischen diesen Teilen zu bilden, daß eine geneigte Trennwandung (36) sich im wesentLchen von einem Ende zum andern Ende innerhalb des Einsatzes (28) erstreckt und eine vordere und hintere Kammer (38, 40) bildet, in denen konstante statische Drucke herrschen, daß jede Kammer einen breiten Abschnitt an gegenüberliegenden Enden aufweist, daß der Einsatz (28) Öffnungen (34) aufweist, die derart ausgerichtet sind, daß diese das Kühlmittel aus der vorderen Kammer(3ö) gegen die innere Schaufeloberflache der Vorderkante (20) abgeben, wo sich das Kühlmittel ausbreitet und durch die Kanäle (30) dann zur Hinterkante (22) strömt, und daß zweite Öffnungen (50, 52) am hinteren Ende des Einsatzes (28) vorgesehen sind, um eine gewisse Menge des Kühlmittels

aus

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aus den Kanälen (3U) in die hintere Kammer (40) zu führen.

2. Schaulei nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Kammer (3b) und die hintere Kammer(4U) im wesentlichen gleiche Volumina haben.

^. Schauxei nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kappen (46, 4ö) Tür jede Kammer (3b» 4ü) am Einsatz (2c) an den schmalen Enden vorgesehen sind, unfein Ende der Kammer abzuschließen.

4· Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (26) im Abstand zueinander angeordnete Ausbuchtungen (32) in seinen Wandungen aufweist, um den Einsatz in einem vorbestimmten Abstand gegenüber der Schaufel (14) zu halten.

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