ES2951389T3 - Dispositivo de amortiguación para turbinas eólicas en tierra y en alta mar - Google Patents

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Abstract

Se divulga un dispositivo de amortiguación 54 para una torre 12 de turbina eólica 10 que tiene al menos un soporte superior 44 que se extiende desde una estructura de torre 12, al menos un soporte inferior 46 que se extiende desde una de la estructura de torre 12 o una base de torre 40, 42, en al menos un dispositivo de amortiguación 54 se extiende sólo en una dirección sustancialmente vertical, teniendo el dispositivo de amortiguación 54 un conector superior 48 acoplado con el soporte superior 44 y un conector inferior 50 acoplado con el soporte inferior 46, y al menos un amortiguador 52 acoplado entre el soporte superior conector 48 y el conector inferior 50. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo de amortiguación para turbinas eólicas en tierra y en alta mar
[0001] La presente materia se refiere, en general, a turbinas eólicas y, más en particular, a un procedimiento y sistema para amortiguar las vibraciones en una turbina eólica.
[0002] Se pueden producir vibraciones no deseadas en una estructura de torre de turbina eólica. Las vibraciones pueden incluir cualquier clase de desplazamiento oscilante o repetitivo en cualquier dirección (transversal, longitudinal o torsional) de cualquier amplitud (grande o pequeña) y de cualquier frecuencia (alta o baja, constante o variable). Estas vibraciones pueden estar causadas por diferentes factores, por ejemplo, el viento que actúa sobre la torre, las palas que pasan a lo largo de la torre y perturban localmente el flujo del viento, las vibraciones transmitidas desde la multiplicadora a la torre, los movimientos del rotor, los desequilibrios de la góndola, las vibraciones del buje transmitidas a la torre, etc. Si una torre se somete a esta clase de vibraciones durante un periodo de tiempo prolongado, pueden resultar daños por fatiga. Los daños por fatiga pueden dar lugar a una vida útil reducida de la torre de turbina eólica y/o de sus componentes. Además, existe el peligro de que cuando las vibraciones provocan resonancia en la torre de turbina eólica, esto puede dar lugar a un incremento potencialmente peligroso de las vibraciones. A medida que las torres se vuelven más grandes y delgadas, también se vuelven más sensibles a las vibraciones inducidas. Incrementar el espesor de la torre de turbina eólica puede vencer estas vibraciones, sin embargo, este incremento de material en la torre incrementa el coste de la turbina eólica y complica además el transporte de la torre a la localización.
[0003] Las turbinas eólicas se están emplazando en alta mar, cerca de la costa y en tierra. Tanto si la torre de turbina eólica está dispuesta de forma flotante o fija (en alta mar), dispuesta en una cimentación en el lecho marino (cerca de la costa) o colocada en una cimentación en suelo (en tierra), las olas del mar y los vientos violentos pueden formar otra fuente de vibraciones en la torre de turbina eólica. Adicionalmente, la velocidad específica de diseño de las turbinas eólicas colocadas en alta mar o cerca de la costa es, en general, mayor que para las turbinas eólicas colocadas en tierra. Por tanto, el buje rotará a mayores velocidades. Por tanto, también se incrementa la frecuencia con la que las palas pasan por la torre. Con ello, se incrementa el peligro de que las vibraciones alcancen una frecuencia de resonancia de la torre de turbina eólica.
[0004] Se encuentran ejemplos de soluciones de la técnica anterior con respecto a la problemática de la vibración en los documentos EP 2696072 A1 y US 2009/142178 A1.
[0005] Diversos aspectos y ventajas de la invención se expondrán en parte en la siguiente descripción, o pueden ser evidentes a partir de la descripción, o se pueden aprender a través de la puesta en práctica de la invención.
[0006] En un aspecto, se divulga un dispositivo de amortiguación para una torre de turbina eólica que tiene al menos un soporte superior que se extiende desde una estructura de torre, al menos un soporte inferior que se extiende desde una de la estructura de torre o de una cimentación de torre, al menos un dispositivo de amortiguación que se extiende solo en una dirección sustancialmente vertical, teniendo el dispositivo de amortiguación un conector superior acoplado con el soporte superior y un conector inferior acoplado con el soporte inferior, y al menos un amortiguador acoplado entre el conector superior y el conector inferior.
[0007] En otro aspecto, la presente materia divulga una turbina eólica que tiene una estructura de torre sustancialmente tubular que se extiende desde una góndola hasta una cimentación de torre, teniendo la estructura de torre una pluralidad de segmentos sustancialmente tubulares que tienen una pared exterior y una pared interior, teniendo la cimentación de torre una parte exterior y una parte interior. La góndola está montada encima de la estructura de torre y un rotor está acoplado a la góndola, teniendo el rotor una o más palas de rotor aseguradas al mismo. Al menos un soporte superior se extiende desde la estructura de torre y al menos un soporte inferior se extiende desde una de la estructura de torre o de la cimentación de torre. Al menos un dispositivo de amortiguación se extiende solo en una dirección sustancialmente vertical, teniendo el dispositivo de amortiguación un conector superior acoplado con el soporte superior, un conector inferior acoplado con el soporte inferior, y teniendo al menos un dispositivo de amortiguación al menos un amortiguador acoplado entre el conector superior y el conector inferior.
[0008] En otro aspecto, la presente materia divulga un procedimiento para amortiguar las vibraciones en una turbina eólica, teniendo las etapas de procedimiento; la instalación de al menos un soporte superior para extenderse desde una de una pared interior o pared exterior de una estructura de torre, y la instalación de al menos un soporte inferior para extenderse desde una de una parte interior o parte exterior de una cimentación de torre, respectivamente; a continuación, el acoplamiento de al menos un dispositivo de amortiguación para extenderse solo en una dirección sustancialmente vertical, teniendo el dispositivo de amortiguación un conector superior acoplado con el al menos un soporte superior, un conector inferior acoplado con el al menos un soporte inferior, y al menos un amortiguador acoplado entre el conector superior y el conector inferior; a continuación, el inicio del dispositivo de amortiguación para proporcionar una fuerza resultante en la dirección opuesta del movimiento en modo de vibración en el soporte superior o soporte inferior.
[0009] Diversos rasgos característicos, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que se incorporan en y constituyen una parte de esta memoria descriptiva, ilustran modos de realización de la invención y, conjuntamente con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención.
[0010] En los dibujos:
la FIG. 1 ilustra una vista lateral de un modo de realización de una turbina eólica de construcción convencional; la FIG. 2 ilustra un modo de realización de "exterior en tierra" de la materia divulgada en el presente documento; la FIG. 3 ilustra un modo de realización de "interior en tierra" de la materia divulgada en el presente documento; la FIG. 4 ilustra un modo de realización de "interior en altura" de la materia divulgada en el presente documento; las FIGS. 5 y 6 ilustran modos de realización de "interior en alta mar" de la materia divulgada en el presente documento;
las FIGS. 7 y 8 ilustran vistas en planta y en sección de una instalación de "exterior en tierra" típica;
las FIGS. 9 y 10 ilustran detalles de las conexiones superior e inferior para la instalación mostrada en las FIGS. 7 y 8;
la FIG. 11 ilustra un modo de realización del dispositivo de amortiguación.
[0011] Se pretende que el uso repetido de caracteres de referencia en la presente memoria descriptiva y dibujos represente idénticos o análogos rasgos característicos o elementos de la presente divulgación.
[0012] Ahora se hará referencia en detalle a modos de realización de la invención, ilustrándose uno o más de sus ejemplos en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no de limitación de la invención. De hecho, resultará evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la invención.
[0013] En general, la presente materia divulga sistemas y procedimientos para amortiguar las vibraciones en estructuras de torre eólica. Debido a las estrechas holguras, las restricciones de masa y peso y otras limitaciones operativas, los dispositivos de amortiguación se deben integrar con la estructura de torre, tanto en localizaciones en tierra como en alta mar, para posibilitar un ensamblaje y mantenimiento eficaces y efectivos de las turbinas eólicas.
[0014] Los amortiguadores usados en los sistemas de amortiguación divulgados en el presente documento pueden variar dentro del alcance de la presente invención. En un aspecto, pueden ser amortiguadores de fluido viscoso. Se puede usar cualquier clase de amortiguador (por ejemplo, amortiguadores hidráulicos, neumáticos, de fricción sólida, inerciales-viscosos en rotación, amortiguadores de fricción en rotación, etc.) dentro del alcance de la presente invención. Los amortiguadores pueden ser pasivos, semiactivos, activos o híbridos.
[0015] Un sistema de amortiguador pasivo tendrá un coeficiente de amortiguación no variable. En un sistema de amortiguador semiactivo, el coeficiente de amortiguación se puede variar con un sistema de control. En un sistema de amortiguador activo, el amortiguador se dirige activamente, por ejemplo, incrementando o disminuyendo la presión en una de las cámaras de fluido. Un sistema de amortiguador semiactivo se puede formar, por ejemplo, por un amortiguador viscoso de orificio variable, un amortiguador de rigidez variable, un amortiguador de fricción variable o un amortiguador de fluido controlable. Un amortiguador híbrido combina un amortiguador pasivo en serie con un amortiguador activo. Un amortiguador de fluido controlable puede ser un amortiguador de fluido magnetorreológico o un amortiguador de fluido electrorreológico. En los amortiguadores de fluido magnetorreológico, el fluido de amortiguador contiene partículas metálicas. El coeficiente de amortiguación del amortiguador se puede controlar por un electroimán. Un sistema de control puede enviar, por tanto, señales de control a un electroimán que puede incrementar o disminuir el coeficiente de amortiguación.
[0016] Los fluidos electrorreológicos son suspensiones de partículas no conductoras finas en un fluido eléctricamente aislante. La viscosidad de estos fluidos se puede cambiar de forma reversible y muy rápida en respuesta a un campo eléctrico. En dicho amortiguador, el coeficiente de fricción se puede variar, por tanto, aplicando un campo eléctrico. Adicionalmente, en el presente documento se hace referencia a una estructura de torre sustancialmente tubular mostrada que tiene una sección transversal cilíndrica. Se debe entender que, dentro del alcance de la presente invención, la estructura sustancialmente tubular también puede tener una sección transversal elíptica o sustancialmente elíptica a lo largo de al menos una parte de la altura de la torre de turbina eólica, una construcción de estructura espacial en al menos una parte de la torre y/o una construcción de hormigón en al menos una parte de la torre. Adicionalmente, se describen diversos componentes por estar dispuestos de forma abisagrada con respecto a otro componente. Esto se debe interpretar como cualquier unión que sujete dos piezas entre sí, pero permita que uno de los componentes rote en relación con el otro alrededor de la bisagra. Por tanto, una bisagra en este sentido se puede referir, por ejemplo, a una disposición de rodamiento esférico o a una simple bisagra pivotante.
[0017] En referencia ahora a los dibujos, la FIG. 1 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una turbina eólica 10 de construcción convencional. Una leyenda direccional establece las direcciones vertical y horizontal usadas en el presente documento. Como se muestra, la turbina eólica 10 incluye una torre 12 que se extiende desde una superficie de soporte 14, una góndola 16 montada en la torre 12 y un rotor 18 acoplado a la góndola 16. El rotor 18 incluye un buje 20 rotatorio y al menos una pala de rotor 22 acoplada a y que se extiende hacia afuera desde el buje 20. Por ejemplo, en el modo de realización ilustrado, el rotor 18 incluye tres palas de rotor 22. Sin embargo, en un modo de realización alternativo, el rotor 18 puede incluir más o menos de tres palas de rotor 22. Cada pala de rotor 22 se puede espaciar alrededor del buje 20 para facilitar la rotación del rotor 18 para posibilitar que la energía cinética se transfiera, a partir del viento, en energía mecánica utilizable y, posteriormente, en energía eléctrica. Por ejemplo, el buje 20 se puede acoplar de forma rotatoria a un generador eléctrico (no mostrado) situado dentro de la góndola 16 para permitir que se produzca energía eléctrica.
[0018] La FIG. 2 ilustra un primer modo de realización de "exterior en tierra" del dispositivo de amortiguación 54 en el que el/los soporte(s) superior(es) 44 se extiende(n) desde una pared exterior 38 de la torre 12 y el/los soporte(s) inferior(es) 46 se extiende(n) desde una parte exterior 42 de la cimentación de torre. El amortiguador 52 es una parte del dispositivo de amortiguación 54 que se extiende solo en una dirección sustancialmente vertical, proporcionando, de este modo, una disposición lineal compacta para el dispositivo de amortiguación 54. La FIG. 3 ilustra un modo de realización de "interior en tierra" del dispositivo de amortiguación 54 que proporciona una mejor protección contra la intemperie y en el que el/los soporte(s) superior(es) 44 se extiende(n) desde una pared interior 36 de la torre 12 y el/los soporte(s) inferior(es) 46 se extiende(n) desde una parte interior 40 de la cimentación de torre. De nuevo, el amortiguador 52 es una parte del dispositivo de amortiguación 54 que se extiende solo en una dirección sustancialmente vertical, proporcionando, de este modo, una disposición lineal compacta para el dispositivo de amortiguación 54. Los soportes inferiores 46 en estos modos de realización pueden tener una extensión de soporte 56 para localizar el nodo 1 del dispositivo de amortiguación más cerca del amortiguador 52 para una ventaja mecánica.
[0019] La FIG. 4 ilustra un modo de realización de "interior en altura" del dispositivo de amortiguación usado para amortiguar las vibraciones entre segmentos 34 de torre contiguos (véase la fig. 1). Este modo de realización también se puede usar dentro del mismo segmento de torre para amortiguar las vibraciones entre segmentos que surgen del paso de las palas de rotor u otras fuentes.
[0020] La FIG. 5 ilustra un modo de realización de "interior en alta mar" del dispositivo de amortiguación 54 localizado en el segmento inferior de la torre en el que el soporte inferior 46 se acopla con la pared interior 36 de la torre que se conecta a una pieza de transición (PT) del monopilote que típicamente consiste en un pilote de acero hueco clavado en el lecho marino. En este modo de realización, se usa una parte de torre cerca de la PT para transmitir fuerzas desde el dispositivo de amortiguación 54 a la PT. Debido a que no se puede garantizar la verticalidad del monopilote, típicamente se coloca una pieza de transición (PT) sobre el pilote de acero que proporciona un mecanismo de nivelación para la turbina y su torre. La cimentación en alta mar también puede incluir una parte flotante y/o semisumergible, por ejemplo, una parte de cubierta/trípode, una parte de boya de espeque, una plataforma flotante eólica con parte de anclas de arrastre, una parte de plataforma de cables en tensión y combinaciones de las mismas. La FIG. 6 ilustra otro modo de realización de "interior en alta mar" en el que las extensiones de soporte inferiores 56 se acoplan con el refuerzo horizontal de soporte inferior 58 para su conexión directa a la PT y para añadir flexibilidad para localizar las extensiones de soporte 56. En este modo de realización de la FIG. 6, el soporte inferior 46 se acopla directamente con la PT, evitando, de este modo, el paso de vibraciones a través de una sección de torre.
[0021] Las FIGS. 7 y 8 ilustran vistas en planta y en sección de una instalación de "exterior en tierra" típica del dispositivo de amortiguación 54. Este modo de realización sitúa tres dispositivos de amortiguación 54 equidistantes, separados en ángulos de 120 grados alrededor del perímetro de una torre para amortiguar las vibraciones de la torre. Los soportes inferiores 46 están empotrados en partes exteriores 42 elevadas de la cimentación de torre. Los conectores superiores 48 y los conectores inferiores 50 se pueden abisagrar a los soportes superior e inferior 44, 46. El dispositivo de amortiguación 54 puede incluir una columna estructural u otra extensión estructural similar a la extensión de soporte 56 (véase la FIG. 6) para extenderse desde el conector superior o inferior 48, 50 hasta los soportes superior o inferior 44, 46. La extensión estructural también puede incluir una parte cilíndrica que encierre el amortiguador 52 para la protección contra la intemperie. Esto puede minimizar la longitud global del propio amortiguador 52 mientras se extienden los puntos de conexión para el dispositivo de amortiguación 54. Las FIGS. 9 y 10 ilustran con más detalle las conexiones superior e inferior para el dispositivo de amortiguación 54 en las FIGS. 7 y 8.
[0022] La FIG. 11 ilustra un modo de realización del dispositivo de amortiguación 54 que tiene un amortiguador 52, un conector superior 48 y un conector inferior 50. Ambos conectores superior e inferior 48, 50 están conectados al amortiguador 52 usando una conexión abisagrada. La bisagra puede incluir una sección de horquilla 60 fijada con pasador a cada respectivo eje de amortiguador. El amortiguador 52 puede tener un coeficiente de amortiguación en el intervalo de 5 a 5000 meganewton-segundos/metro y todos los subintervalos intermedios. Un modo de realización del amortiguador 52 puede tener un coeficiente de amortiguación en el intervalo de 50 a 70 meganewtonsegundos/metro.
[0023] Un modo de realización de una turbina eólica 10, como se muestra en las figuras, puede incluir una estructura de torre sustancialmente tubular 12 que se extiende desde una góndola 16 hasta una cimentación de torre, teniendo la estructura de torre 12 una pluralidad de segmentos sustancialmente tubulares 34 que tienen una pared exterior 38 y una pared interior 36, teniendo la cimentación de torre una parte exterior 42 y una parte interior 40. La góndola 16 se puede montar encima de la estructura de torre 12 y un rotor 18 se puede acoplar a la góndola 16, teniendo el rotor 18 una o más palas de rotor 22 aseguradas al mismo. Al menos un soporte superior 44 se puede extender desde la estructura de torre 12 y al menos un soporte inferior 46 se puede extender desde una de la estructura de torre 12 o de la cimentación de torre. Al menos un dispositivo de amortiguación 54 se extiende solo en una dirección sustancialmente vertical entre un conector superior 48 acoplado con el soporte superior 44 y un conector inferior 50 acoplado con el soporte inferior 46. El al menos un dispositivo de amortiguación 54 puede tener al menos un amortiguador 52 acoplado entre el conector superior 48 y el conector inferior 50. El al menos un amortiguador 52 puede ser un amortiguador viscoso que tenga además al menos uno de un amortiguador pasivo, un amortiguador semiactivo, un amortiguador activo, un amortiguador hidráulico, un amortiguador neumático, un amortiguador de fricción sólida, un amortiguador inercial-viscoso en rotación, un amortiguador de fricción en rotación, un amortiguador viscoso de orificio variable, un amortiguador de rigidez variable, un amortiguador de fricción variable, un amortiguador de fluido controlable y combinaciones de los mismos. El conector superior 48 y el conector inferior 50 pueden tener bisagras.
[0024] El/los soporte(s) inferior(es) 46 se puede(n) extender desde al menos uno de entramados espaciales, vigas, bridas de base de torre, piezas de transición, extensiones de cimentación de torre y combinaciones de los mismos. La cimentación de torre 40, 42 se puede situar en una de en tierra, cerca de la costa y en alta mar. Un procedimiento para amortiguar las vibraciones en una turbina eólica 10 puede incluir las etapas de; instalar al menos un soporte superior 44 para extenderse desde una de una pared interior 36 o de una pared exterior 38 de una estructura de torre 12, e instalar al menos un soporte inferior 46 para extenderse desde una de una parte interior 40 o parte exterior 42 de una cimentación de torre, respectivamente. A continuación, acoplar al menos un dispositivo de amortiguación 54 para extenderse solo en una dirección sustancialmente vertical, teniendo el dispositivo de amortiguación 54 un conector superior 48 acoplado con el al menos un soporte superior 44, un conector inferior 50 acoplado con el al menos un soporte inferior 46, y al menos un amortiguador 52 acoplado entre el conector superior 48 y el conector inferior 50. A continuación, iniciar el dispositivo de amortiguación 54 para proporcionar una fuerza resultante en la dirección opuesta al movimiento en modo de vibración en el soporte superior 44 o soporte inferior 46.
[0025] Esta descripción escrita usa ejemplos para divulgar la invención, incluyendo el modo preferente, y también para posibilitar que cualquier experto en la técnica ponga en práctica la invención, incluyendo la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y realización de cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la invención se define por las reivindicaciones y puede incluir otros ejemplos se les ocurran a los expertos en la técnica.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Una turbina eólica (10), que comprende;
una estructura de torre sustancialmente tubular (12) que se extiende desde una góndola (16) hasta una cimentación de torre (40, 42), comprendiendo la estructura de torre (12) una pluralidad de segmentos sustancialmente tubulares (34) que tienen una pared exterior (38) y un pared interior (36), comprendiendo la cimentación de torre (40, 42) una parte exterior (42) y una parte interior (40);
la góndola (16) montada encima de la estructura de torre (12);
un rotor (18) acoplado a la góndola (16), teniendo el rotor (18) una o más palas de rotor (22) aseguradas al mismo;
al menos un soporte superior (44) que se extiende desde la estructura de torre (12);
al menos un soporte inferior (46) que se extiende desde una de la estructura de torre (12) o de la cimentación de torre (40, 42);
al menos un dispositivo de amortiguación (54) que comprende un conector superior (48) acoplado con el soporte superior (44), un conector inferior (50) acoplado con el soporte inferior (46) y al menos un amortiguador (52) acoplado entre el conector superior (48) y el conector inferior (50); y, caracterizado por que
el al menos un dispositivo de amortiguación (54) se extiende solo en una dirección sustancialmente vertical.
2. La turbina eólica (10) de la reivindicación 1, en la que el soporte superior (44) se extiende desde la pared interior (36) de la estructura de torre y el soporte inferior (46) se extiende desde la parte interior (40) de la cimentación.
3. La turbina eólica (10) de cualquier reivindicación precedente, en la que el soporte superior (44) se extiende desde la pared exterior (38) de la estructura de torre y el soporte inferior (46) se extiende desde la parte exterior (42) de la cimentación.
4. La turbina eólica (10) de cualquier reivindicación precedente, en la que el soporte superior (44) y el soporte inferior (46) se extienden desde la pared interior (36) de la estructura de torre.
5. La turbina eólica (10) de cualquier reivindicación precedente, en la que el soporte superior (44) y el soporte inferior (46) se extienden desde la pared exterior (38) de la estructura de torre.
6. La turbina eólica (10) de cualquier reivindicación precedente, en la que el al menos un amortiguador (52) comprende un amortiguador viscoso que comprende además al menos uno de un amortiguador pasivo, un amortiguador semiactivo, un amortiguador activo, un amortiguador híbrido, un amortiguador hidráulico, un amortiguador neumático, un amortiguador de fricción sólida, un amortiguador inercial-viscoso en rotación, un amortiguador de fricción en rotación, un amortiguador viscoso de orificio variable, un amortiguador de rigidez variable, un amortiguador de fricción variable, un amortiguador de fluido controlable y mezclas de los mismos.
7. La turbina eólica (10) de cualquier reivindicación precedente, en la que el al menos un amortiguador (52) comprende un coeficiente de amortiguación en el intervalo de 5 a 5000 meganewton-segundos/metro.
8. Un dispositivo de amortiguación (54) para una torre de turbina eólica (12), que comprende;
al menos un soporte superior (44) que se extiende desde una estructura de torre (12);
al menos un soporte inferior (46) que se extiende desde una de la estructura de torre (12) o de la cimentación de torre (40, 42); y,
un conector superior (48) acoplado con el soporte superior (44) y un conector inferior (50) acoplado con el soporte inferior (46) y al menos un amortiguador (52) acoplado entre el conector superior (48) y el conector inferior (50); caracterizado por que,
el al menos un dispositivo de amortiguación (54) se extiende solo en una dirección sustancialmente vertical.
9. El dispositivo de amortiguación (54) de la reivindicación 8, en el que el soporte superior (44) se extiende desde una de una pared interior (36) o pared exterior (38) de la estructura de torre (12) y el soporte inferior (46) se extiende desde una de una parte interior (40) o parte exterior (42) de una cimentación de torre, respectivamente.
10. El dispositivo de amortiguación (54) de la reivindicación 8 o reivindicación 9, en el que el al menos un amortiguador (52) comprende un coeficiente de amortiguación en el intervalo de 5 a 5000 meganewtonsegundos/metro.
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