JP2012102831A - ラビリンスシール装置、およびそれを用いたターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】シール内の非対称圧力分布の発生を抑制し、回転軸の不安定振動を抑制すると共に、シール性を確保できるラビリンスシール装置を提供する。
【解決手段】シールリング１３と、複数のシールフィン１１とを有し、シールリング１３とシールフィン１１とによって回転軸２の外周に形成されたリング状のチャンバー１２により、回転軸２の外周に沿って流れる漏れ流れＬＳを抑制するラビリンスシール装置において、シールリング１３のチャンバー１２の外周側に、回転軸２の周方向に延伸し、チャンバー１２と周方向に間隔を空けて連通し、チャンバー１２内の漏れ流れを周方向に一時的に逃す空隙部１４を設けたことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は蒸気タービン等の高速，高圧ターボ機械に好適なラビリンスシール装置に関する。

蒸気タービン等のターボ機械では、回転軸を収めたケーシングから作動流体が回転軸に沿って漏れることを防止するために、回転軸とケーシングとの間にラビリンスシールが設けられることが多い。
ラビリンスシールは、一般的に、回転軸の軸方向に複数のシールフィンを有しており、これらのフィンとフィンの間に回転軸の外周に沿うように圧損用空隙が形成されている。ラビリンスシールは、この圧損用空隙により、シール内を流下する漏れ流れに圧力損失を生じさせ、この圧力損失により漏れ流れを抑制することでシール機能を発揮するようになっている。

こうしたラビリンスシールでは、シール内を流下する漏れ流れにより回転軸の不安定振動が発生する可能性がある。具体的には、ラビリンスシール内の漏れ流れは、回転軸の回転によるつれ回り効果により、回転軸の回転と同方向の回転方向流れを伴う。この回転方向流れは、振動変位した回転軸に対して回転方向上流側に高圧部を形成し非対称圧力分布を発生させる。回転軸の回転速度が速いほど回転方向流れの流速が大きくなるが、前記圧力分布は回転軸の振動変位に対して直角方向の流体力を流速に応じた強さで発生させる。このため蒸気タービンなどの高圧ターボ機械では、高速回転時に回転軸の振動変位に対して直角方向に働く流体力が回転軸を回転方向に振れ回らせるように作用する。その結果、回転軸の振動安定性が低下して不安定振動が発生する可能性がある。

このようなラビリンスシールに関する回転軸の不安定振動問題は、回転軸の振動変位により発生する非対称圧力分布を抑えることで解消することができる。非対称圧力分布を解消する技術としては、例えば特許文献１及び２に開示の技術が知られている。

特許文献１のラビリンスシールでは、シールフィン間に圧損用空隙であるチェンバーが形成されており、高圧のチェンバーと低圧のチェンバーとを連通する蒸気通路をシールリングに設けている。蒸気通路を用いて高圧のチェンバー内の漏れ流れの一部を低圧のチェンバーに逃すことで、漏れ流れの旋回流を抑制するとしている。

特許文献２には、ハニカムシールにおける非対称圧力分布を解消する技術が開示されている。このハニカムシールでは、当該シール開口端より離れた部分に周方向へ連通する空間部を設け、圧損用空隙内圧力の周方向非対称分布を均一化して不安定振動に起因する流体力を抑制するとしている。

特開平８−３１９８０４号公報 特開昭５８−１５２９７４号公報

上述した特許文献１に開示されたラビリンスシール構造では、回転軸の軸方向に蒸気通路を設けて高圧のチェンバーと低圧のチェンバーとを連通させているため、下流側への漏れ量が増え、シール性が低下する可能性がある。

さらに上述した特許文献２に開示されたハニカムシール構造では、圧損用空隙であるチャンバーに周方向に連通する空間を設けることにより周方向圧力分布の均一化ができる反面、ラビリンスシールでは既にチャンバーが周方向に連通している構造になっているため、この構造はラビリンスシールには適用できない。

また、特許文献２に記載された従来技術では、特許文献１と同様に回転軸の軸方向にもチャンバーが連通しているため漏れ量が増え、シール性が低下する可能性があるが、この点については、上記従来技術では考慮されていない。

そこで、本発明の目的は、シール内の非対称圧力分布の発生を抑制し、回転軸の不安定振動を抑制すると共に、シール性を確保できるラビリンスシール装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、回転体と該回転体を内包する静止体との間に設けられ、前記静止体に固定されたシールリングと、該シールリングに前記回転体軸方向に複数設けられた前記回転体半径方向に突出するシールフィンとを有し、前記回転体軸方向に複数設けられたシールフィンの間にリング状のチャンバーを形成するラビリンスシール装置において、前記チャンバー内の漏れ流れを、前記チャンバーの外周側、かつ、前記回転軸周方向に一時的に逃す圧力緩和手段を備えたことを特徴とする。

本発明のラビリンスシール装置によれば、チャンバー内の旋回する漏れ流れを、チャンバーの外周側、かつ、回転軸周方向に一時的に逃すことで、チャンバー内の圧力上昇部から圧力を逃がし、圧力上昇によるシール内の非対称圧力分布の発生を抑制し回転軸の不安定振動を抑制できると共に、シール性を確保できる。

蒸気タービンの要部を示す断面図である。 本発明の第１の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。 本発明の第１の実施例に係るラビリンスシールの軸直角断面図である。 図３に示したＸ−Ｘ断面図である。 従来のラビリンスシールのチャンバー内圧力分布を示す模式図である。 本発明の第１の実施例に係るラビリンスシールのチャンバー内圧力分布を示す模式図である。 本発明の第２の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。 本発明の第３の実施例に係るラビリンスシールの軸直角断面図である。

以下に、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施例について図１乃至図６を用いて説明する。本実施例は、本発明を蒸気タービンに用いるラビリンスシール装置に適用した例である。

まず、本発明が適用される蒸気タービンの要部構造について説明する。

図１は、一般的な蒸気タービンの要部構造の一例を示した断面図である。

図１において、２は回転軸、３はロータケーシング、４はノズルダイヤフラム内輪、５はダイヤフラムパッキン、６はチップフィン、７はノズルダイヤフラム外輪、８は動翼、９はノズル、１０はシャフトパッキンを各々示す。

蒸気タービンは主に動翼８と共に回転体を構成する回転軸２と、静止体であり、回転軸２を内包・保持するとともに作動流体である蒸気１８の流路を形成するロータケーシング３とを備える。回転軸２には、周方向に複数枚の動翼８が固定されており、動翼８の蒸気流れ方向上流側に対向するようにノズル９が周方向に複数枚ロータケーシング３に固定されている。ノズル９は、外周側先端をロータケーシング３に固定されたノズルダイヤフラム外輪７に固定され、内周側先端をノズルダイヤフラム内輪４で固定されている。蒸気タービンでは、動翼８と上流側に対向して設置されるノズル９とで段落が形成され、段落が回転軸２の軸方向に複数段設置される。

作動流体である蒸気１８は、ノズル９を通過する際に加速されて動翼８に送られ、動翼８で速度エネルギーから運動エネルギーに変換されて回転軸２が回転する。回転軸２は図示しない発電機と接続されており、電気エネルギーとして出力が取り出される。

回転体である回転軸２と静止体であるロータケーシング３との間には、回転軸２の回転を妨げないように間隙が設けられている。そして、この間隙から蒸気１８の一部が漏れ流れとなって流出するが、この漏れ出た蒸気は、回転軸２の回転運動に有効に活用されないため、蒸気タービン効率低下の一因となる。

そこで、回転体である回転軸２と静止体であるロータケーシング３との間隙部には、蒸気が流出するのを防ぐため、ラビリンスシール等のシール装置が設けられている。

例えば、ノズル９の内周側に設けられたノズルダイヤフラム内輪４と回転軸２との間隙からの蒸気の漏洩を防ぐダイヤフラムパッキン５、動翼８とロータケーシング３との間隙からの蒸気の漏洩を防ぐチップフィン６、回転軸２とロータケーシング３との間隙からの蒸気の漏洩を防ぐシャフトパッキン１０にラビリンスシールが使用されている。

ラビリンスシールは、回転体または静止体の少なくともいずれか一方に、回転軸径方向に突出する複数のシールフィン１１を有しており、これらのシールフィン間に回転軸２の外周に沿うように圧損用空隙（チャンバー１２）が形成されている。ラビリンスシールは、この圧損用空隙により、シール内を流下する漏れ流れに圧力損失を生じさせ、この圧力損失により漏れ流れを抑制することでシール機能を発揮する。

しかしながら、従来のラビリンスシールでは以下のような課題がある。

図５は従来のラビリンスシールのチャンバー内の圧力分布を示す模式図である。

一般的に蒸気タービン等の軸流タービンでは、回転軸２が回転することによるつれ回り効果により、漏れ流れも回転軸２の回転方向Ｒに旋回して、回転方向流れＲＳが生じる。回転軸２が一方向に偏心（振動変位）すると、チャンバー１２が偏心方向で狭まる。回転方向流れＲＳは回転軸２の偏心方向の上流側で流れがせき止められ、高圧部を発生させる。反対に回転軸２の偏心方向の下流側では回転方向流れＲＳにより流体が逃げるため低圧となる。この非対称圧力分布Ｐによって流体力が発生し、回転軸２が回転方向Ｒに押される。これにより、回転軸２が振れ回り不安定振動を起こす。

以上のような従来のラビリンスシールの課題を踏まえて、本実施例のラビリンスシールについて次に説明する。

本実施例は、本発明を蒸気タービンに用いるラビリンスシール装置に適用した例のうちダイヤフラムパッキン５に使用されるラビリンスシール装置に適用した例である。

図２は、第１の実施例に係るラビリンスシール１の軸方向断面図、図３は、第１の実施例に係るラビリンスシール１の軸直角断面図、図４は、図３に示した第１の実施例に係るラビリンスシール１のＸ−Ｘ断面図である。

図２に示すように、ラビリンスシール１は、シールリング１３とシールフィン１１とを備える。シールリング１３は、回転軸２の周方向に沿ってリング状に組み立てられた部材であり、ノズルダイヤフラム内輪４に固定されている。シールリング１３の内周側壁面には、回転軸径方向内周側に向って突出するシールフィン１１が複数枚、軸方向に設置されている。シールフィン１１は、図３に示すように回転軸２の外周に沿うように周方向に向かって延伸する薄板状の部材であり、回転軸２に対して半径方向の間隙を開けて対向するように、シールリング１３に固定されている。

図２，図３に示すように、ラビリンスシール１では、シールリング１３と、シールフィン１１との間に、回転軸２の外周に沿って、リング状の圧損用空隙となるチャンバー１２を形成している。

チャンバー１２は、周方向には区分けされておらず１つの空間である。このチャンバー１２が圧損用空隙となり、漏れ流れがチャンバー１２を通過する際に、漏れ流れに圧力損失を生じさせることで、ラビリンスシール１は漏れ流れＬＳを抑制してシール機能を発揮する。

さらに本実施例では、図２に示すように、シールリング１３のチャンバー１２外周位置に空隙部１４を設けている。空隙部１４は、図３に示すように、チャンバー１２に沿って周方向に延伸した環状の空隙である。空隙部１４は、軸方向に複数形成された各チャンバー１２の外周にそれぞれ形成されており、各空隙部１４は互いに連通しない独立した空間である。

図２，図３に示すように、空隙部１４は、シールリング１３のチャンバー１２の底部位置に相当する内周面に、周方向に延伸して形成された溝と、チャンバー１２の底部位置に設置され、溝の開口部を塞ぐリング状のプレート１５とで構成される。プレート１５は、チャンバー１２と空隙部１４とを半径方向に区分けする。

図４は、図３に示したＸ−Ｘ断面図である。図４において、説明のため、回転軸２は図示を省略している。図４に示したように、シールフィン１１間にはそれぞれチャンバー１２が形成されており、チャンバー１２のそれぞれの底部にプレート１５が設けられている。

各プレート１５には、チャンバー１２と空隙部１４とを連通させる連通手段として貫通孔１６がプレート１５の周方向に複数設けられている。より具体的には、図４に示すように、本実施例では貫通孔１６は、各プレート１５毎に周方向に等間隔に８ヶ所設けられている。また、各プレート１５に設けられた貫通孔１６は、同位相となるように、軸方向に一直線に並んで配置されている。なお、本例は一例であり、貫通孔１６の位置は８個に限定されるものではない。

次に本発明の作用効果について図６を用いて説明する。図６において、破線は従来の周方向圧力分布を示す。

図６に示すように、本実施例では、回転軸２が偏心してチャンバー内を旋回する漏れ流れの一部が、高圧部で堰き止められても、貫通孔１６を介して、チャンバー１２から空隙部１４に流体が流れ込む。従来、高圧部で堰き止められていた漏れ流れを空隙部１４に逃すことができるため、高圧部における圧力を逃して緩和し、圧力上昇を抑制することができる。

空隙部１４内に流入した漏れ流れは、空隙部１４内を周方向低圧部側に流れる。低圧部では貫通孔１６を介して空隙部１４からチャンバー１２に流体が流れ出ることで低圧部の圧力が増加する。この空隙部１４，チャンバー１２間の流体の出入りによって周方向圧力分布が均一化される。そのため、非対称圧力分布に起因する流体力を低減できる。

本実施例では、回転軸２が偏心してチャンバー内を旋回する漏れ流れの一部が、高圧部で堰き止められても、チャンバー１２内の漏れ流れを、空隙部１４を介してチャンバー１２の外周側、かつ、回転軸２の周方向に一時的に逃すことができる。その結果、チャンバー１２内の非対称圧力分布に起因する不安定振動をより良く抑制することができる。

このとき流体の出入り口となる２ヶ所の貫通孔１６の配置位置は、回転軸２の不安定振動は振れ回りであるため、どの方向に偏心する場合でも流体力を低減できるよう、周方向に均等に配置するのが望ましい。流体の出入り口となる貫通孔１６の配置角度は６０゜以上、１８０゜以下に離して設けるのが望ましい。

回転軸２の全長に対してラビリンスシール１は短いので、回転軸２の偏心方向は、各チャンバー１２で同方向である。より効果的に流体力を低減するために、貫通孔１６は各チャンバー１２の周方向に同位相で配置するのが望ましい。

本実施例では、空隙部１４は、軸方向に複数設けられた各チャンバー１２の外周側にそれぞれ独立して設けられ、軸方向には連通しないため、上流側のチャンバー１２から流入した漏れ流れが、空隙部１４を介して下流側のチャンバー１２に流出することはない。よって、漏れ量は増えずシール性の低下を招くことはない。

これらより、本発明のラビリンスシール１は、シール性を確保しつつ、非対称圧力分布を均一化して回転軸２の不安定振動を効果的に解消することができる。

本実施例では貫通孔１６を図４の様に、円形の穴としていたが、四角形や三角形，スリットなどの形状にしてもよい。

また、貫通孔１６の形状は半径方向に平行でなくても良い。チャンバー１２から空隙部１４に向かって末窄まりや、末広がりにしても良い。

また、各チャンバー１２で空隙部１４を配置していたが、空隙部１４はすべてのチャンバー１２に配置しなくてもよい。また、周方向の貫通孔１６の数は２つ以上あれば良い。

また、本実施例は、本発明をダイヤフラムパッキン５に使用されるラビリンスシール装置に適用した例を用いて説明したが、シャフトパッキン１０，チップフィン６にラビリンスシール装置を使用する場合にも同様に適用することができる。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。図７は、本発明の第２の実施例に係るラビリンスシール装置の軸方向断面図の例である。第１の実施例と同等の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

前述した第１の実施例では、各チャンバー１２で空隙部１４の軸方向断面を四角形に形成している。一方、本実施例では、空隙部１４の軸方向断面形状をチャンバー１２側に向かって末窄まりな形状にし、プレート１５を設けていない。空隙部１４の軸方向断面形状を末窄まりな形状にすることで、空隙部１４のチャンバー１２との連通部（末窄まり部）は、周方向に連通するスリット状になる。このスリット１７により十分にチャンバー１２，空隙部１４間で連通部が絞られているので、空隙部１４内は回転方向流れＲＳの影響を受けにくい。本実施例の空隙部１４は、チャンバー１２側から外周方向へザグリ加工することで容易に得られる。

本実施例の構造によっても、チャンバー１２内の漏れ流れを、空隙部１４を介してチャンバー１２の外周側、かつ、回転軸２の周方向に一時的に逃すことができる。したがって、本実施例は、第１の実施例と同様にシール性を確保しつつ、非対称圧力分布を均一化して回転軸２の不安定振動を効果的に解消することができる。

また、加えて、本実施例は、プレート１５を設置する手間を省くことができ、加工容易である。

本実施例では、空隙部１４の軸方向断面形状を三角形にしたものとしていたが、空隙部１４の軸方向断面形状がチャンバー１２側に向かって末窄まりな形状であれば他の形状でも良い。

本発明の第３の実施例について説明する。図８は本発明の第３の実施例に係るラビリンスシール１の軸直角断面図の例である。第１の実施例と同等の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施例では、チャンバー１２深さ（回転軸２外周からシールリング１３内周までの距離）が円周方向に一様でなく、垂直方向で深く、水平方向で浅くなっている。このようなラビリンスシールは回転軸２の上下方向移動量が大きいターボ機械に用いられることがある。チャンバー１２深さが浅い水平方向では、偏心時に高圧部の圧力上昇がより大きくなり、非対称圧力分布が大きくなる。

前述した第１の実施例では、貫通孔１６を周方向に等間隔で設けているのに対し、本実施例では、貫通孔１６を、垂直方向に対してチャンバー１２内で偏心時に圧力上昇が大きい水平方向により多く設けることにより、回転方向流れＲＳの局所的な圧力分布を抑えることができる。したがって、本実施例のラビリンスシール１では、圧力上昇が大きい方向でより効果的に圧力を逃がすことができ、回転方向流れＲＳに起因する回転軸２の不安定振動をより効果的に解消することができる。

なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な形状例が含まれる。また、上記した各実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、上記した各実施例は、蒸気タービンの例で説明したが、これに限られず、その他のターボ機械、例えば遠心圧縮機等にも適用可能である。

１ ラビリンスシール
２ 回転軸
３ ロータケーシング
４ ノズルダイヤフラム内輪
５ ダイヤフラムパッキン
６ チップフィン
７ ノズルダイヤフラム外輪
８ 動翼
９ ノズル
１０ シャフトパッキン
１１ シールフィン
１２ チャンバー
１３ シールリング
１４ 空隙部
１５ プレート
１６ 貫通孔
１７ スリット
ＬＳ 漏れ流れ
ＲＳ 回転方向流れ
Ｒ 回転方向
θ 圧力ピーク−偏心方向間角度
Ｐ 非対称圧力分布

Claims (14)

1. 回転体と該回転体を内包する静止体との間に設けられ、前記静止体に固定されたシールリングと、該シールリングに、前記回転体軸方向に複数設けられた前記回転体半径方向に突出する複数のシールフィンとを有し、前記回転体軸方向に複数設けられたシールフィンの間にリング状のチャンバーを形成するラビリンスシール装置であって、
   前記チャンバー内の漏れ流れを、前記チャンバーの外周側、かつ、前記回転軸の周方向に一時的に逃す圧力緩和構造を備えることを特徴とするラビリンスシール装置。
2. 請求項１記載のラビリンスシール装置であって、
   前記圧力緩和構造は、前記チャンバーの外周側に設けられ、前記回転体周方向に延伸し、前記チャンバーと周方向に間隔を空けて複数箇所で連通する空隙部であることを特徴とするラビリンスシール装置。
3. 請求項２記載のラビリンスシール装置であって、
   前記空隙部は、前記チャンバー底部位置の前記シールリング内周面に設けられた溝と、前記チャンバーの底部に設けられ、前記溝の開口部を塞ぐプレートとで形成され、
   前記プレートは、前記チャンバーと前記空隙部とを連通する連通手段を前記回転体周方向に沿って設けていることを特徴とするラビリンスシール装置。
4. 請求項３記載のラビリンスシール装置であって、
   前記連通手段は、前記回転体周方向に沿って複数設けられた貫通孔であり、
   該貫通孔は、周方向に等間隔で配置されていることを特徴とするラビリンスシール装置。
5. 請求項４記載のラビリンスシール装置であって、
   前記チャンバーは、前記回転体軸方向に複数形成され、
   前記空隙部は、前記回転体軸方向に複数設けられた前記チャンバーの外周側にそれぞれ設けられ、
   前記各チャンバーの前記プレートに設けられた前記貫通孔の位置が周方向に同位相で配置されていることを特徴とするラビリンスシール装置。
6. 請求項３記載のラビリンスシール装置であって、
   前記チャンバーは、前記静止体水平方向のチャンバー深さが、前記静止体垂直方向のチャンバー深さよりも浅く形成されており、
   前記連通手段は、貫通孔であり、前記垂直方向よりも前記水平方向に多く設けられていることを特徴とするラビリンスシール装置。
7. 請求項１記載のラビリンスシール装置であって、
   前記圧力緩和構造は、前記チャンバーの外周側に設けられ、前記回転体周方向に延伸し、前記チャンバーと連通する空隙部であり、
   該空隙部は、前記チャンバー側に向かって末窄まりとなる断面形状を有する溝を前記シールリングに設けてなり、
   前記空隙部と前記チャンバーとは、前記溝の末窄まり部に、前記回転体の周方向に延伸して形成されたスリットを介して連通していることを特徴とするラビリンスシール装置。
8. 回転軸と、該回転軸に固定される動翼とを有する回転体と、
   ロータケーシングと、該ロータケーシングに固定される静翼とを有し、前記回転体を内包する静止体と、
   前記回転体と前記静止体との間に設けられ、前記静止体に固定されたシールリングと、該シールリングに前記回転体軸方向に複数設けられた、前記回転体半径方向に突出するシールフィンとを有し、前記回転体軸方向に複数設けられたシールフィンの間にリング状のチャンバーを形成するラビリンスシール装置と、を備えるターボ機械であって、
   前記ラビリンスシール装置は、前記チャンバー内の漏れ流れを、前記チャンバーの外周側、かつ、前記回転軸の周方向に一時的に逃す圧力緩和構造を備えることを特徴とするターボ機械。
9. 請求項８記載のターボ機械であって、
   前記圧力緩和構造は、前記チャンバーの外周側に、前記回転体周方向に延伸し、前記チャンバーと周方向に間隔を空けて複数箇所で連通する空隙部であることを特徴とするターボ機械。
10. 請求項９記載のターボ機械であって、
    前記空隙部は、前記チャンバー底部位置の前記シールリング内周面に設けられた溝と、前記チャンバーの底部に設けられ、前記溝の開口部を塞ぐプレートとで形成され、
    前記プレートは、前記チャンバーと前記空隙部とを連通する連通手段を前記回転体周方向に沿って設けていることを特徴とするターボ機械。
11. 請求項１０記載のターボ機械であって、
    前記連通手段は、前記回転体周方向に沿って複数設けられた貫通孔であり、
    該貫通孔は、周方向に等間隔で配置されていることを特徴とするターボ機械。
12. 請求項１１記載のターボ機械であって、
    前記チャンバーは、前記回転体軸方向に複数形成され、
    前記空隙部は、前記回転体軸方向に複数設けられた前記チャンバーの外周側にそれぞれ設けられ、
    前記各チャンバーの前記プレートに設けられた前記貫通孔の位置が周方向に同位相で配置されていることを特徴とするターボ機械。
13. 請求項１０記載のターボ機械であって、
    前記チャンバーは、前記静止体水平方向のチャンバー深さが、前記静止体垂直方向のチャンバー深さよりも浅く形成されており、
    前記連通手段は、貫通孔であり、前記垂直方向よりも前記水平方向に多く設けられていることを特徴とするターボ機械。
14. 請求項８記載のターボ機械であって、
    前記圧力緩和構造は、前記チャンバーの外周側に設けられ、前記回転体周方向に延伸し、前記チャンバーと連通する空隙部であり、
    該空隙部は、前記チャンバー側に向かって末窄まりとなる断面形状を有する溝を前記シールリングに設けてなり、
    前記空隙部と前記チャンバーとは、前記溝の末窄まり部に、前記回転体の周方向に延伸して形成されたスリットを介して連通していることを特徴とするターボ機械。

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