BRPI0904054A2 - método para unir um anel de lámina de metal fundido, e, rotor de turbina - Google Patents
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Abstract
METODO PARA UNIR UM ANEL DE LáMINA DE METAL FUNDIDO, E, ROTOR DE TURBINA. Método para unir um anel provido de lâmina de material metálico fundido e uma estrutura de cubo de material metálico cm um rotor de turbina. Um do anel provido de lâmina e da estrutura de cubo é fixado em um suporte e o outro é fixado em um suporte de rotação para ser girado. Pelo menos um destes engastes é aquecido e em seguida são comprimidos entre si com uma força selecionada, enquanto girando para soldar a parede interna de anel e o lado de disco, para formar a estrutura montada.
Description
"MÉTODO PARA UNIR UM ANEL DE LÂMINA DE METAL FUNDIDO,E, ROTOR DE TURBINA"
REFERÊNCIA A PEDIDO(S) RELACIONADOS
Este pedido é uma continuação parcial do Pedido No. de Série11/973.560, depositado em 9 de outubro de 2007, intitulado "METHOD OFMANUFACTURING A TURBINE ROTOR".
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a motores de turbina a gás e,mais particularmente, a rotores de turbina usados neles.
Os motores de turbina a gás são comumente usados parapropulsão de avião e para motorizar vários dispositivos localizados em aviãoou em veículos terrestres ou uma variedade de instalações terrestres (pelageração de energia elétrica ou ar comprimido). Tais motores, em essência,têm, começando da entrada de ar atmosférico do motor, um arranjo decompressor tendo rotores compressores rotativos, seguido de um arranjo decombustor para receber o ar comprimido gerado para adicionar combustívelnele e ignizá-lo. O ar remanescente e os produtos de combustão são gasesquentes, caracterizados por temperaturas e pressões elevadas, que deixam omotor através de um arranjo de turbina tendo rotores de turbina rotativos e emseguida através do bico de saída para a atmosfera. Ao assim proceder, osrotores de turbina são forçados a girar e, em razão de serem mecanicamenteacoplados aos rotores compressores, estes últimos são também forçados agirar, como são quaisquer dispositivos que sejam também mecanicamenteacoplados aos rotores de turbina. Em aplicações de motor de avião, os gasesquentes escapando proveem empuxo para propulsão.
A turbina, além dos rotores com uma seqüência de lâminasconformadas estendendo-se radialmente em torno de sua periferia, temcorrespondentes seqüências de palhetas circularmente formadas, com cada talseqüência provida em uma estrutura de palheta estacionária, localizada entresucessivos rotores. Estas palhetas estabilizam e direcionam os fluxos de gasesquentes de um rotor para o seguinte, de uma maneira procurando otimizar otrabalho extraído daqueles gases na rotação dos rotores de turbina.Temperaturas e pressões mais elevadas dos gases quentes passando atravésdas palhetas e lâminas de rotor permitem extrair maior energia deles ao giraras lâminas de rotor, para desse modo aumentar a eficiência do motor.
Entretanto, a operação em tais temperaturas e pressõesaumentadas requer que os materiais das estruturas de turbina submetidas a taisgases mais quentes sejam capazes de operar em tais temperaturas e pressõesnas velocidades operacionais de rotação encontradas. Isto inclui que aslâminas de rotor mantenham sua resistência mecânica às tensões sobre elasdevidas a tais gases quentes pressurizados colidindo, resistindo a distorção,estiramento, alongamento e outras formas de distorção metálica, e resistindo adesgaste e corrosão devidos àqueles gases ou outras substâncias penetrandono fluxo de ar de entrada do motor. Uma classe de materiais constatadosadequados para tais lâminas tem sido formá-los arranjados em torno daperiferia externa de um anel de uma estrutura unitária feita de superligasbaseadas em níquel fundidas e às vezes direcionalmente solidificadas. Estesanéis em forma de lâmina são unidos no interior do anel na abertura de anelpara um disco, ou cubo, de núcleo de rotor, adequado para ser engastado emum eixo ou tubo rotativo e são tipicamente formados de superligas forjadas dealta resistência, que podem, repetindo, ser superligas baseadas em níquel. Omaterial usado deve também ter boas propriedades de fadiga em baixo eelevado ciclo, boa resistência à corrosão e boa ductilidade em temperaturasambiente e elevadas. Esta união do anel em forma de lâminas em umcorrespondente disco de núcleo de rotor é tipicamente provida através deligação por difusão de um com o outro em um forno a vácuo para ligação dedifusão. Entretanto, tais fornos e sua operação são dispendiosos. Assim, háum desejo de outro método para unir entre si tais componentes de rotor deturbina e o rotor assim formado.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção provê um método para unir um anel delâmina de material de metal fundido e uma estrutura de cubo de materialmetálico. O anel de lâmina tem lâminas arranjadas em torno da periferiaexterna de um anel e uma passagem de anel interna inicial em uma periferiainterna do anel formado por uma parede interna do anel formado por umaparede interna de anel nas imediações, que se estende entre aberturas depassagem inicial concêntricas de diferentes diâmetros em extremidadesopostas desta passagem. A estrutura de cubo de material metálico tem umasua parte de disco com um lado de disco configurado de modo que pelomenos uma parte de um lado de disco é posicionável contra uma parte daparede interna de anel através de uma das aberturas de passagem iniciais, afim de ser fixável dentro de uma estrutura montada para um rotor de turbinaatravés da fixação de um de anel de lâmina e estrutura de cubo de um suporte,para apresentá-la para união à outra e também fixar o restante de um anel delâmina e estrutura de cubo em um suporte de rotação para ser girado por umaparte rotativa daquele suporte de rotação para apresentá-lo para união com ooutro.
A aplicação de calor a uma ou ambas as superfícies, tal comopor aquecedor de indução, leiser ou outros meios de aplicar calor, reduzsubstancialmente a quantidade de inércia requerida na etapa seguinte.Superfícies muito maiores podem ser tratadas neste método.
Estas montagens são seguidas pressionando-se pelo menos aparte da parede interna de anel do anel de lâmina e a parte do lado de disco daparte de disco de estrutura de cubo juntas com uma força selecionada,enquanto a parte rotativa do suporte de rotação está girando por um temposuficiente para unir por soldagem a parede interna de anel e o lado de disco,para desse modo formar a estrutura montada.BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A Fig. IA mostra vistas laterais de seção transversal demembros individuais a serem unidos entre si para prover um rotor de turbina.
A Fig. IB mostra uma vista lateral de seção transversal dosmembros da Fig. IA, como subseqüentemente unidos entre si.
A Fig. 2 mostra uma vista lateral de seção transversal de umrotor de turbina completado, em seguida a processamento adequado dosmembros unidos da Fig. 1B.
A Fig. 3 mostra uma máquina de soldagem por inércia do tipousado para produzir o rotor da Fig. 2.
DESCRIÇÃO DETALHADA
A Fig. IA mostra uma vista lateral em seção transversal de umexemplo de um anel provido de lâmina 10 com lâminas 11 arranjadas emtorno da periferia externa de um anel 12, tipicamente formado em umaestrutura unitária, talvez direcionalmente solidificada, fundida, feita de ummaterial adequado como uma superliga de base de níquel, tal comocomercialmente disponível INCO 792 da INCO Limited. O anel provido delâmina 10 é formado em torno de uma passagem interna inicial 13,estendendo-se em três seções através do anel 12 ao longo de um eixogeométrico de sua simetria 14. A passagem interna inicial 13 tem uma menorseção de abertura lateral rebaixada, com uma parede circular nas imediações,15, em uma sua extremidade e uma seção de abertura lateral rebaixada maiorcom uma parede circular nas imediações, 16, nas imediações da outra suaextremidade.
Entre estas duas aberturas laterais, a passagem interna inicial13 tem uma seção central com uma parede circular, 17, provendo umasuperfície extrema interna, 18, na periferia da menor das duas seções deabertura lateral de passagem rebaixadas, a uma tendo parede circular 15 nasimediações. A superfície extrema 18 é formada fora de uma abertura circular,-19, que é provida ali como acesso para a seção central da passagem internainicial 13 daquela seção de abertura lateral rebaixada menor da passagem. Aabertura 19 para a seção central tem um diâmetro menor do que aquele daparede circular 15.
Dali, a parede circular de seção central 17, na ligação da seçãocentral da passagem interna inicial 13, tem um diâmetro que aumenta,mostrado linearmente aumentando, ao longo do eixo geométrico 14, atéalcançar a maior das seções de abertura lateral rebaixadas, a tendo a parececircular 16 nas imediações. Ali, a parede circular de seção central 17novamente provê uma superfície extrema interna, 20, fora de uma outraabertura circular, 21, que é provida ali para acesso à seção central dapassagem interna inicial 13 desta seção maior de abertura lateral rebaixada.Isto é, a parede circular de seção central 17 estende-se ao longo do eixogeométrico 14 e concentricamente nas imediações, com um diâmetro demudança entre as duas aberturas circulares 19 e 21, também providoconcentricamente em torno daquele eixo geométrico. A abertura 21 tem umdiâmetro maior do que aquele da abertura 19, porém menor do que aquele daparede circular 16, para desse modo prover a superfície extrema 20. A paredecircular de seção central 17 é usinada para ter extensões de superfície, isto é,elementos de linha, que se projetam sobre aquele eixo geométrico em umângulo desejado, denominado ângulo de superfície de parede limite de anel, epara ter uma desejada área de superfície total.
É também mostrado em uma vista lateral de seção transversalna Figura IA um exemplo de uma preforma de cubo metálico de rotor forjadoou batido ou, possivelmente fundido, 30, tipicamente formado de um materialadequado como uma superliga de base de níquel, tal como INCO 718comercialmente disponível da INCO Limited. A superfície externa dapreforma de cubo 30 pode ser conformada para prover as características deformato de superfície necessárias, que são aceitáveis para uso em seguida semdemasiada precisão em sua localização ou formato, ou ambos, através de seuprovimento durante o processo de forja ou fundição usado em prover apreforma 30. Tal característica de formato é mostrada, por exemplo, comouma parede de superfície elevada, 31, simetricamente provida em torno doeixo geométrico 14, que foi estendido na Figura IA da passagem internainicial 13 do anel provido de lâmina 10, através da preforma 30, como seueixo geométrico de simetria também.
Essas características de formato de superfície, que devem serprovidas com precisão quanto à localização ou formato, tipicamente terão queser providas por usinagem ou, alternativamente, providas primeiro como umacaracterística de partida através de forja ou fundição, mais tarde ajustadas porusinagem, para alcançar um formato final aceitável. Uma tal característicarequerendo um formato de precisão é uma parte de disco 32, que é aquelaparte da preforma de cubo 30, tendo a maior extensão lateral com respeito aoeixo geométrico 14 ao ser provida nas imediações de uma parte deacoplamento de eixo, 33, da preforma de cubo 30. Ali, uma superfície lateralde disco, 34, deve ser usinada para ter extensões de superfície que se projetamsobre aquele eixo geométrico em um ângulo desejado, denominado o ângulode superfície lateral de disco. O ângulo que é desejado para o ângulo desuperfície lateral de disco é aquele ângulo que substancialmente correspondeao ângulo de superfície lateral limite de anel da parede circular de seçãocentral 17 próximo da passagem interna 13 do anel provido de lâmina 10selecionado acima. Também a área de superfície total da superfície lateral dedisco 34 é desejada para substancialmente corresponder àquela da paredecircular de seção central 17.
Antes da formação de uma solda de inércia ou de fricção entrea superfície lateral de disco 34 e a parede circular 17, uma ou ambas destassuperfícies é aquecida a uma temperatura abaixo do ponto de fusão do metal.Por exemplo, mas não como limitação, o alumínio seria aquecido a menos doque cerca de 212 0F (100 0C), enquanto que uma superliga de titânio ou níquelseria aquecida a menos do que cerca de 1800 0F (982 0C). A temperatura reala que as superfícies são aquecidas dependerá de numerosos fatores, incluindomas não limitado a: o tamanho da superfície sendo soldada, os materiaissendo soldados, a velocidade rotacional do dispositivo de soldagem da partesendo girada e o peso que o dispositivo de soldagem pode adicionar paraaumentar a inércia da parte sendo girada. Uma ou ambas as superfícies podeser aquecida a dentro de 1000 0F (538 0C) de seu ponto de fusão epreferivelmente, dentro de 700 0F (371 0C) de seu ponto de fusão. Umatemperatura mínima que pode ser usada não foi determinada, uma vez queestas máquinas têm operado em temperatura ambiente e é desejável obter-se obenefício máximo da aplicação de calor nas superfícies.
O aquecimento pode ser realizado usando-se qualquerdispositivo de aquecimento convencional, que possa aplicar suficiente calor àsuperfície ou superfícies sendo aquecidas, sem contaminação por produtos decombustão ou similares. O aquecimento por indução foi constatado ser muitoeficaz. O aquecimento por leiser é também limpo e eficaz. Outro exemplo deum aquecedor é um maçarico.
Assim providos, preparados e aquecidos, o anel de lâmina IOea preforma de cubo 30 são unidas entre si, após posicionar o ângulo desuperfície de parede limite de anel da parede circular de seção central 17contra a superfície lateral de disco 34, e soldadas entre si para formar umaligação sobre as áreas daquelas duas superfícies, o que provê a área de ligaçãoresultante. Tal soldagem é um processo de união que permite evitar o uso deum forno a vácuo caro, como anteriormente usado na ligação por difusãodestas partes, e os tempos de aquecimento e esfriamento correspondentesrelativamente longos. Preaquecimento das partes pode ser usado paraaumentar o processo de soldagem, tal como através do controle da velocidadede esfriamento da solda.Esta soldagem é tipicamente realizada mantendo-se um anel delâmina 10 e cubo de preforma 30 estacionários, com os outros deles sendogirados enquanto aplicando uma força ao longo do eixo geométrico 14, emtorno do qual ambos são concentricamente posicionados, a fim de forçá-losentre si, onde eles encontram uma parede circular de seção central 17 esuperfície lateral de disco 34. Tipicamente, o anel provido de lâmina 10 éposicionado em um suporte estático, que o mantém estacionário durante oprocesso de soldagem, com o eixo geométrico 14 estendendo-se de suapassagem interna inicial 13 através da preforma de cubo 30 coincidindo como eixo geométrico de rotação de um fuso rotativo sobre o qual a preforma decubo 30 é fixada em um suporte de rotação. Os dois suportes permitem trazero anel provido de lâmina estacionário IOe preforma de cubo rotativa 30 emcontato entre si na parede circular de seção central 17 e superfície lateral dedisco 34, com uma força de compressão selecionada, e girar a preforma decubo 30 naquela arranjo pelo menos inicialmente em uma velocidade derotação selecionada. O grau de força de compressão e a velocidade de rotaçãodependem do tamanho escolhido para a área ligada, da natureza do materialescolhido na formação de cada anel provido de lâmina 10 e cubo 30 e dovalor escolhido para tanto o ângulo de superfície de parede limite de anelcomo para o ângulo da superfície lateral de disco.
Uma forma preferida de soldagem é soldagem inercial, queutiliza energia cinética armazenada. Esta invenção substancialmente melhoraa soldagem inercial, porém é também eficaz em outras formas de soldagempor fricção. Este processo de soldagem permite selecionar a entrada deenergia empregada na formação da solda através do cubo girando 30 até umavelocidade selecionada, antes de forçá-lo contra o anel provido de lâmina 30com uma força linear selecionada, para desse modo obter uma junta soldadade boa qualidade. Este processo auxilia na obtenção de resultados repetitivospara cada tal junta soldada realizada. O aquecimento pela força friccionalentre estas duas partes, após serem trazidas entre si em seguida o giro do cubo30, resulta em uma deformação plástica na interface entre as partes e aformação de ligações atômicas na interface para unir estas partes entre si, tudosem derreter os metais da parede circular de seção central 17 e superfícielateral de disco 34 da interface de soldagem. O resultado é uma montagem derotor intermediária, 40, mostrada na Figura IB com uma ligação de soldagem41, sobre a área de ligação em que foram previamente expostas as superfícies,isto é, parede circular de seção central 17 e superfície lateral de disco 34 daFigura IA.
Foi constatado que a inclusão de uma etapa de aquecimentocomo descrito acima provê resultados significativos e surpreendentes.Especificamente, foi constatado que partes muito maiores podem sercombinadas desta maneira, do que aquelas soldadas por inércia emtemperatura ambiente. Por exemplo, os diâmetros de cubo anteriores de 3,5polegadas (8,9 cm e aproximadamente 12 polegadas quadradas ou 77,5 cm2)foram soldados por inércia com sucesso. Também estas peças maiores sãosoldadas usando-se o método desta invenção com máquinas que são limitadasna velocidade de rotação, tal como 5000 rpm. O peso que pode ser adicionadonos discos carregados (para aumentar a inércia da parte girando) é limitadotambém, tal como cerca de 400 a 500 libras (180 a 227 kg).
A unidade de rotor intermediária 40 é em seguida submetida avários processos de acabamento, incluindo uma quantidade substancial deusinagem, para prover um rotor acabado. Tal rotor acabado 50 é mostrado naFigura 2. Ali, a parte de acoplamento de eixo 33 das Figuras IA e IB foiredesignada 33' visto que a usinagem alterou seu formato externo pela adiçãode paredes mais elevadas 51. Os orifícios de lubrificação 52 foram perfuradosali para prover acesso a uma passagem de acomodação de eixo 53, furadaatravés da parte de acoplamento de eixo 33' neste exemplo de um rotoracabado.A Figura 3 ilustra uma máquina de soldagem por fricçãoinercial de um tipo descrito em detalhes na Patente U.S. No. 7.080.770,cedida a Manufacturing Technology, Inc. of South Bend, Indiana, cujadescrição é incorporada aqui em sua totalidade. A máquina, genericamente100, é um soldador por fricção 112 e inclui uma parte de cabeçote fixo 114 euma parte de cabeçote móvel 116. A parte de cabeçote fixo inclui um eixo118 tendo um mandril rotativo 120 para encaixar em uma primeira parte oucomponente de trabalho 122. Um acionamento 124, tal como um motor, éconfigurado para aplicar um torque ao eixo 118, para girar o eixo viacomandos de um controlador de movimento, não mostrado. O eixo 118 podeser equipado com massa adicional, tal como um volante, para aumentar omomento de inércia da parte rotativa.
A parte de cabeçote móvel 116 inclui um mandril não rotativo126 para encaixar uma segunda parte de trabalho 128. A parte de cabeçotemóvel 116 fixa-se a uma corrediça 130 em que um atuador de deslizamento132 desliza o mandril não rotativo 126 para o mandril rotativo 120. Uma vezque o mandril rotativo 120 e o mandril não rotativo 126 encaixam no primeirocomponente 122 e no segundo componente 128, respectivamente, o primeirocomponente 122 e o segundo componente 128 contatam-se como descritoacima com respeito ao rotor. Os primeiro e segundo componentes 122 e 128representam a parede circular de seção central 17 e a superfície lateral dedisco 34 das Figuras IA, IB e 2, e são aquecidos empregando-se o aquecedor140. Como examinado acima, o aquecedor 140 pode ser qualquer aquecedorque aplique calor diretamente à superfície, tal como um aquecedor deindução, aquecedor a leiser, maçarico e similar.
Embora a presente invenção tenha sido descrita com referênciaa formas de realização preferidas, os trabalhadores hábeis na artereconhecerão que podem ser feitas mudanças na forma e detalhe sem desviodo espírito e escopo da invenção.
Claims (19)
1. Método para unir um anel de lâmina de metal fundido, tendolâminas arranjadas em torno de sua periferia externa e um perímetro internotroncocônico e um cubo metálico, tendo uma parte de disco com um lado dedisco configurado para corresponder a pelo menos uma parte do anel internoda lâmina, dito método caracterizado pelo fato de compreender:montar um do anel de lâmina e do cubo em um suporte;montar o restante do anel de lâmina e do cubo em um suporterotativo;aquecimento de pelo menos uma da parede interna de anel doanel de lâmina e da parte de disco de cubo a uma temperatura de cerca de(1000 0F) 538 0C menor do que o ponto de fusão da superfície; ecompressão de pelo menos a parte da parede interna de anel doanel de lâmina e da parte do lado de disco da parte de disco de cubo entre sicom uma força selecionada, enquanto a parte rotativa do suporte de rotaçãoestá girando para soldar entre si a parede interna de anel e o lado de disco.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, dito métodocaracterizado pelo fato de tanto a parede interna de anel do anel de lâmina eda parte de disco de cubo serem aquecidas a cerca de (1000 0F) 538 0C menordo que o ponto de fusão da superfície.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de pelo menos uma da parede interna de anel do anel de lâmina e da partede disco de cubo ser aquecida a uma temperatura de cerca de (700 0F) 371 0Cmenor do que o ponto de fusão da superfície.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de a parte rotativa do suporte de rotação ser girada até uma velocidadeselecionada de rotação antes de comprimir a parte da parede interna de aneldo anel de lâmina e da parte do lado de disco da parte de disco do cubo entresi.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de a parte da parede interna de anel e a parte de lado de disco seremcomprimidas entre si após terem sido anteriormente preparadas e aquecidas, afim de ficarem substancialmente em contato sobre a inteira área de cada umaapós tal compressão entre si.
6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de o anel de lâmina ser fundido como um único cristal direcionalmentesolidificado ou fundido convencional.
7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelofato de o anel de lâmina ser feito de uma superliga a base de níquel.
8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de a estrutura de cubo ser provida como uma preforma tendo a parte dedisco em torno de uma parte de acoplamento de eixo e a compressão da parteda parede interna de parede do anel de lâmina e a parte do lado de disco daparte de disco do cubo juntas, para formar um rotor de turbina com um cuboacabado.
9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelofato de a preforma de cubo ser formada de metal forjado ou fundido.
10. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de a preforma de cubo ser produzida de uma superliga a base deníquel.
11. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de a preforma de cubo incluir uma passagem através de sua parte deacoplamento de eixo, substancialmente perpendicular a um plano estendidoatravés dos correspondentes pontos de cada uma das lâminas.
12. Rotor de turbina formado de um anel de lâmina de metalfundido, caracterizado pelo fato de ter as lâminas arranjadas em torno de suaperiferia externa e uma periferia interna troncocônica e um cubo metálicotendo uma parte de disco com um lado de disco configurado, de modo quepelo menos uma parte do lado de disco seja posicionada contra uma parte daperiferia interna e soldada nela, após aquecer pelo menos uma da parte dolado de disco e da parte da parede de periferia interna a uma temperatura decerca de (1000 0F) 538 0C menor do que o ponto de fusão da parte.
13. Rotor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelofato de tanto a parede interna de anel do anel de lâmina e da parte de disco decubo serem aquecidas a uma temperatura de cerca de (1000 0F) 538 0C menordo que o ponto de fusão da superfície.
14. Rotor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelofato de pelo menos uma da parede interna de anel do anel de lâmina como aparte de disco de cubo ser aquecida a uma temperatura de cerca de (700 0F) 371 0C menor do que o ponto de fusão da superfície.
15. Rotor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelofato de o anel de lâmina ser fundido como uma fundição direcionalmentesolidificada ou convencional.
16. Rotor de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelofato de o anel de lâmina ser produzido de uma superliga a base de níquel.
17. Rotor de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelofato de a estrutura de cubo ser formada de metal forjado ou fundido.
18. Rotor de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelofato de a estrutura de cubo ser produzida de uma superliga a base de níquel.
19. Rotor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelofato de o cubo incluir uma passagem através de uma sua parte de acoplamentode eixo, em torno da qual a parte de disco é provida com a passagemestendendo-se substancialmente perpendicular a um plano estendido atravésde pontos correspondentes de cada uma das lâminas.
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