(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンリングを形成する複数のリングセクタ、および２つの環状フランジを有するリング支持構造の両方を備えるタービンリングアセンブリであって、各リングセクタは、タービンリングの内側面を画定する内面と、２つのタブがそこから半径方向に延在する外面と、を有する環状基部を形成する第一の部分を有し、各リングセクタのタブはリング支持構造の２つの環状フランジの間に保持され、リング支持構造の２つの環状フランジはリングセクタのタブに対して応力を加え、リング支持構造のフランジのうちの少なくとも１つはタービンリングの軸方向に弾性的に変形可能であり、各リングセクタはセラミックマトリクス複合材料で作られ、リング支持構造の環状フランジのうちの少なくとも１つの中および前記少なくとも１つの環状フランジに対向するリングセクタのタブの中の両方に嵌合した複数のペグをさらに備え、リング支持構造の各弾性変形可能フランジは、前記リング支持構造の別のフランジよりも薄い厚さを呈する、タービンリングアセンブリ。
【請求項２】
リング支持構造の環状フランジのうちの少なくとも１つが、リングセクタのタブに対向する面にリップを含む、請求項１に記載のタービンリングアセンブリ。
【請求項３】
リング支持構造の弾性変形可能フランジが、リングセクタのタブに対向する面と反対の面の上に分布した複数のフックを有する、請求項１に記載のタービンリングアセンブリ。
【請求項４】
タービンリングアセンブリを作製する方法であって、
複数のリングセクタを製造するステップであって、各リングセクタは、タービンリングの内側面を画定する内面と、２つのタブがそこから半径方向に延在する外面と、を有する環状基部を形成する第一の部分を有する、ステップと、
２つの環状フランジを有するリング支持構造を製造するステップと、
リング支持構造の２つの環状フランジの間に各リングセクタを実装するステップであって、リング支持構造の２つのフランジの間の間隔は、各リングセクタのタブの外面の間の距離よりも狭く、リング構造のフランジのうちの少なくとも１つは、タービンリングの軸方向に弾性的に変形可能である、ステップと、
を含み、
各リングセクタはセラミックマトリクス複合材料で作られ、各リングセクタの実装の間、２つのフランジの間の間隔を広げてリング支持構造の２つのフランジの間にリングセクタのタブを嵌合するように、前記弾性変形可能フランジに対してタービンリングの軸方向に牽引力が加えられ、方法は、リング支持構造の環状フランジのうちの少なくとも１つの中および前記少なくとも１つの環状フランジに対向するリングセクタのタブの中の両方に複数のペグを嵌合するステップをさらに含み、リング支持構造の弾性変形可能フランジは、前記リング支持構造の別のフランジよりも薄い厚さを呈する、方法。
【請求項５】
リング支持構造の環状フランジのうちの少なくとも１つが、リングセクタのタブに対向する面にリップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
リング支持構造の弾性変形可能フランジが、リングセクタのタブに対向する面と反対の面の上に分布した複数のフックを含み、１つ以上のフック内に係合した工具によって、前記弾性変形可能フランジに対してリングの軸方向に牽引力が加えられる、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リング支持構造とともにセラミックマトリクス複合材料で作られた複数の一体型リングセクタを備える、タービンエンジン用のタービンリングアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の応用分野は、特にガスタービン航空エンジンに存する。とはいうものの、本発明は、たとえば工業用タービンなど、その他のタービンエンジンにも適用可能である。
【０００３】
セラミックマトリクス複合（ＣＭＣ）材料はその良好な機械特性で知られており、このため構造的要素を構成するのに適しており、また高温においてもその特性を保持する能力でも知られている。
【０００４】
ガスタービン航空エンジンにおいて、効率を改善して汚染排出物を減少することは、さらに高温で動作する試みにつながる。金属のみで作られたタービンリングアセンブリでは、高温ストリームに曝されたアセンブリ、特にタービンリングの要素のすべてを冷却する必要がある。冷却ストリームはエンジンを流れるメインストリームから取られるので、このような冷却はエンジンの性能に著しい影響を及ぼす。加えて、タービンリングに金属を使用することで、航空エンジンの性能を改善できるようになるとしても、タービン内の温度を上昇させる可能性を制限する。
【０００５】
特にＣＭＣは従来使用されていた耐熱金属よりも低い密度を呈するので、このようなエンジンの様々な高温部分へのＣＭＣの使用は既に想定されてきた。
【０００６】
このため、ＣＭＣから一体型タービンリングセクタを作製することが、特に米国特許出願公開第２０１２／００２７５７２号明細書に説明されている。リングセクタは、タービンリングの内側面を画定する内面と、リング支持体の金属構造の筐体内に嵌合する末端を有する２つのタブ形成部分がそこから延在する外面と、を有する環状基部を備える。ＣＭＣリングセクタの使用は、タービンリングを冷却するのに必要とされる換気量を著しく低減するのに役立つ。それでもなお、リングセクタの内側のガス流路とリングセクタの外側との間の封止は問題のままである。詳細には、良好な封止を保証するために、ＣＭＣリングセクタのタブとリング支持構造の金属フランジとの間の良好な接触が保証可能であることが必要である。残念ながら、リング支持構造の金属とリングセクタのＣＭＣとの間の膨張差が、これらの要素間での封止の維持を複雑化させる。このため膨張差がある場合、およびリング支持構造へのリングセクタの実装形状に応じて、リング支持構造のフランジはセクタのタブと接触しなくなるかもしれず、あるいは反対にこれらはセクタのタブに対して強すぎる応力を加えて、これらを損傷する可能性がある。加えて、米国特許出願公開第２０１２／００２７５７２号明細書に説明されるように、リング支持構造上にリングセクタを保持するには、セクタの実装をより複雑化させてアセンブリの費用を増大させる、Ｕ字型断面のクランプの使用を必要とする。
【０００７】
米国特許第４５９６１１６号明細書および米国特許第４０８７１９９号明細書は、リングセクタがリング支持構造のタブの間で軸方向に保持された、タービンリングアセンブリを開示している。とはいうものの、これらの特許文献に開示されたリングセクタを取り付けるための解決法では、リングセクタがリングの半径方向および周方向に移動または摺動するのを防止できるようにはならず、これは特に、回転ブレードの先端と１つ以上のリングセクタの内側表面との間の接触の場合に、問題となり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／００２７５７２号明細書
【特許文献２】米国特許第４５９６１１６号明細書
【特許文献３】米国特許第４０８７１９９号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明はこのような不都合を回避しようとするものであり、この目的のため、リングを形成する複数のリングセクタ、および２つの環状フランジを有するリング支持構造の両方を備えるタービンリングアセンブリであって、各リングセクタは、タービンリングの内側面を画定する内面と、２つのタブがそこから半径方向に延在する外面と、を有する環状基部を形成する第一の部分を有し、各リングセクタのタブはリング支持構造の２つの環状フランジの間に保持され、リング支持構造の２つの環状フランジはリングセクタのタブに対して応力を加え、リング支持構造のフランジのうちの少なくとも１つはリングの軸方向に弾性的に変形可能であり、タービンリングアセンブリは、各リングセクタがセラミックマトリクス複合材料で作られること、ならびにリング支持構造の環状フランジのうちの少なくとも１つの中および前記少なくとも１つの環状フランジに対向するリングセクタのタブの中の両方に嵌合した複数のペグをさらに備えること、を特徴とする、タービンリングアセンブリを提案する。
【００１０】
ペグの存在は、リングセクタがリング支持構造上で半径方向および周方向の所定位置に保持されることを保証できるようにする。詳細には、ペグはリング支持構造の少なくとも１つの環状フランジの中および対象のフランジに対向するリングセクタのタブの中の両方に嵌合するので、回転ブレードの先端と１つ以上のリングセクタとの間の接触の場合であっても、リング支持構造に対するリングの周方向および半径方向のリングセクタのいかなる摺動または潜在的運動も防止することが可能である。
【００１１】
さらに、少なくとも１つの弾性変形可能フランジの存在のため、リング支持構造のフランジとリングセクタのタブとの間の接触は、温度変化と無関係に維持されることが可能である。詳細には、リングセクタは、リングセクタとフランジとの間の接触が温度条件にかかわらず保証されるように、「冷たい」間に予応力でフランジの間に実装されることができる。リング支持構造のフランジのうちの少なくとも１つの可撓性は、リングセクタに対して過剰な応力を加えるのを回避するように、変形することによってリングセクタとフランジとの間の熱膨張差に適合できるようにする。
【００１２】
本発明のタービンリングアセンブリの第一の態様において、リング支持構造の環状フランジのうちの少なくとも１つは、リングセクタのタブに対向する面にリップを含む。フランジ上のリップの存在は、リング支持構造のフランジとこれに対向するリングセクタのタブとの間の接触部分を画定しやすくするのに役立つ。
【００１３】
本発明のタービンリングアセンブリの第二の態様において、リング支持構造の弾性変形可能フランジは、リングセクタのタブに対向する面と反対の面の上に分布した、複数のフックを有する。フックの存在は、フランジ間でタブを強制的に摺動させる必要性を伴わずにフランジ間にリングセクタのタブを挿入するために、弾性変形可能フランジを遠ざけやすくすることができるようにする。
【００１４】
本発明のタービンリングアセンブリの第三の態様において、リング支持構造の各弾性変形可能フランジは、前記リング支持構造の別のフランジよりも薄い厚さを呈する。
【００１５】
本発明はまた、タービンリングアセンブリを作製する方法であって、
複数のリングセクタを製造するステップであって、各リングセクタは、タービンリングの内側面を画定する内面と、２つのタブがそこから半径方向に延在する外面と、を有する環状基部を形成する第一の部分を有する、ステップと、
２つの環状フランジを有するリング支持構造を製造するステップと、
リング支持構造の２つの環状フランジの間に各リングセクタを実装するステップであって、リング支持構造の２つのフランジの間の間隔は、各リングセクタのタブの外面の間の距離よりも狭く、リング支持構造のフランジのうちの少なくとも１つは、リングの軸方向に弾性的に変形可能である、ステップと、
を含み、
方法は、各リングセクタの実装の間、２つのフランジの間の間隔を広げてリング支持構造の２つのフランジの間にリングセクタのタブを嵌合するように、前記弾性変形可能フランジに対してリングの軸方向に牽引力が加えられること、各リングセクタがセラミックマトリクス複合材料で作られること、ならびに方法は、リング支持構造の環状フランジのうちの少なくとも１つの中および前記少なくとも１つの環状フランジに対向するリングセクタのタブの中の両方に複数のペグを嵌合するステップをさらに含むこと、を特徴とする方法も、提供する。
【００１６】
阻害ペグの使用は、リングセクタがリング支持構造上で半径方向および周方向の所定位置に保持されることを保証できるようにする。詳細には、ペグはリング支持構造の少なくとも１つの環状フランジの中および対象のフランジに対向するリングセクタのタブの中の両方に嵌合するので、回転ブレードの先端と１つ以上のリングセクタとの間の接触の場合であっても、リング支持構造に対するリングの周方向および半径方向のリングセクタのいかなる摺動または潜在的運動も防止することが可能である。
【００１７】
加えて、弾性変形可能なタブに加えられる牽引力のため、前記タブに力を加える必要性を伴わずにリング支持構造のフランジ間にリングセクタのタブを挿入することが可能であり、これらのタブは、弾性変形可能フランジに加えられた牽引力の解放後にフランジ間の応力によって軸方向に実質的に保持される。
【００１８】
タービンリングアセンブリを作製する本発明の方法の第一の態様において、リング支持構造の環状フランジのうちの少なくとも１つは、リングセクタのタブに対向する面にリップを含む。
【００１９】
タービンリングアセンブリを作製する本発明の方法の第二の態様において、リング支持構造の弾性変形可能フランジは、リングセクタのタブに対向する面と反対の面の上に分布した複数のフックを含み、１つ以上のフック内に係合した工具によって、前記弾性変形可能フランジに対してリングの軸方向に牽引力が加えられる。
【００２０】
タービンリングアセンブリを作製する本発明の方法の第三の態様において、リング支持構造の弾性変形可能フランジは、前記リング支持構造の別のフランジよりも薄い厚さを呈する。
【００２１】
本発明は、非限定的表示によって提示され、以下の添付図面を参照する、以下の説明を読むことで、より良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のタービンリングアセンブリの一実施形態を示す、半径方向断面図である。
【図２】リングセクタが図１のリングアセンブリのリング支持構造内にどのように実装されるかを示す図である。
【図３】リングセクタが図１のリングアセンブリのリング支持構造内にどのように実装されるかを示す図である。
【図４】リングセクタが図１のリングアセンブリのリング支持構造内にどのように実装されるかを示す図である。
【図５】リング支持構造の弾性変形可能フランジ上に存在するフックの変形実施形態を示す斜視図である。
【図６】リング支持構造の弾性変形可能フランジ上に存在するフックの別の変形実施形態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は高圧タービン用のリングアセンブリを示し、アセンブリは、金属リング支持構造３とともにセラミックマトリクス複合（ＣＭＣ）材料で作られたタービンリング１を備える。タービンリング１は１組の回転ブレード５を包囲する。タービンリング１は複数のリングセクタ１０で作られており、図１は２つの隣接するリングセクタの間を通る平面で見た半径方向断面図である。矢印ＤＡはタービンリング１に対する軸方向を示し、矢印ＤＲはタービンリング１に対する半径方向を示す。
【００２４】
各リングセクタ１０は、実質的に文字πを逆さにした形状の断面を有し、環状基部１２はその内面が、タービンを通るガスストリームの流路を画定する摩耗性材料の層１３および／または熱障壁で皮膜されている。上流および下流タブ１４および１６は、環状基部１２の外面から半径方向ＤＲに延在する。用語「上流」および「下流」は本明細書において、タービンを通るガスストリームの流れ方向（矢印Ｆ）に対して用いられる。
【００２５】
リング支持構造３は、タービンケーシング３０に固定されているが、リングセクタ１０の上流タブ１４に対向する面にリップ３４を有する環状上流半径方向フランジ３６を含み、リップ３４は上流タブ１４の外側面１４ａに当接している。下流側では、リング支持構造はリングセクタ１０の下流タブ１６に対向する面にリップ３８を有する環状下流半径方向フランジ３６を含み、リップ３８は下流タブ１６の外側面１６ａに当接している。
【００２６】
以下に詳細に説明されるように、各リングセクタ１０のタブ１４および１６は、少なくとも「冷たい」、すなわち約２０℃の周囲温度であるとき、しかしタービンのすべての動作温度でも、フランジがタブ１４および１６に応力を加え、こうしてフランジによってセクタの締め付けを行うように、環状フランジ３２および５４の間に予応力で実装されている。この応力は、タービンが動作している間にリングアセンブリが曝されるすべての温度で維持され、上記で説明したように、少なくとも１つの弾性変形可能フランジの存在のため、応力は制御下にあり、すなわちリングセクタに対して過剰な応力は加えられない。
【００２７】
さらに、本例において、リングセクタ１０はまた、阻害ペグによって保持される。より正確には、図１に示されるように、ペグ４０は、リング支持構造３の環状上流半径方向フランジ３２の中、およびリングセクタ１０の上流タブ１４の中の両方に嵌合させられる。この目的のため、各ペグ４０は、環状上流半径方向フランジ３２に形成されたそれぞれのオリフィス３３および上流タブ１４に形成されたそれぞれのオリフィス１５の中を通り、オリフィス３３および１５は、リングセクタ１０をリング支持構造３に実装するときに揃えられる。同様に、ペグ４１はリング支持構造３の環状下流半径方向フランジ３６の中、およびリングセクタ１０の下流タブ１６の中の両方に嵌合させられる。この目的のため、各ペグ４１は、環状下流半径方向フランジ３６に形成されたそれぞれのオリフィス３７のおよび下流タブ１６に形成されたそれぞれのオリフィス１７の中を通り、オリフィス３７および１７は、リングセクタ１０をリング支持構造３に実装するときに揃えられる。ペグの存在は、リングセクタがリング支持構造上で半径方向および周方向で所定位置に保持されることを保証できるようにする。詳細には、ペグはリング支持構造の少なくとも１つの環状フランジの中および対象のフランジに対向するリングセクタのタブの中の両方に嵌合しているので、回転ブレードの先端と１つ以上のリングセクタとの間で接触があっても、リング支持構造に対するリングの周方向および半径方向のリングセクタのいかなる潜在的な摺動または運動も防止することが可能である。
【００２８】
さらに、２つの隣り合うリングセクタの対向する縁において互いに対向する溝内に受容される舌状部を封止することによって、セクタ間の封止が提供される。舌状部２２ａは、その中央部で環状基部１２の全長のほぼすべてにわたって延在する。もう１つの舌状部２２ｂはタブ１４上を、環状基部１２の一部にわたって延在する。もう１つの舌状部２２ｃはタブ１６に沿って延在する。一端において、舌状部２２ｃは舌状部２２ａに、および舌状部２２ｂに当接するようになる。舌状部２２ａ、２２ｂ、および２２ｃはたとえば金属で作られており、これらは動作中に遭遇する温度で封止機能が提供されることを保証するように、その筐体内が冷たいときに間隙を開けずに実装される。
【００２９】
リング支持構造の金属部分に対して間隙を開けずにＣＭＣリングセクタのタブ１４および１６を組み立てることは、以下の理由により熱膨張係数の差にもかかわらず可能となる：
この組立ては、ガスストリームに曝される環状基部１２の高温面から一定距離で実行される；
タブ１４および１６は有利なことに、環状基部１２とタブ１４および１６の末端との間で効率的な熱的分離が得られるように、その平均厚さと比べて比較的長い半径方向断面での長さを呈する；
リング構造のフランジのうちの１つは弾性変形可能であり、これにより、リングセクタのタブに対してフランジによって冷たくされる応力を著しく増加させることなく、ＣＭＣリングセクタのタブと金属リング支持構造のフランジとの間の膨張差を補償できるようにする。
【００３０】
加えて、従来のやり方では、フランジ３２に形成された換気オリフィス３２ａは、タービンリング１０の外側を冷却するために冷却空気が送達されることを可能にする。
【００３１】
続いて、図１に示されるアセンブリに対応するタービンリングアセンブリを作製する方法を説明する。
【００３２】
上述の各リングセクタ１０は、リングセクタの形状に近い形状の繊維プリフォームを形成することによって、およびセラミックマトリクスでリングセクタを緻密化することによって、セラミックマトリクス（ＣＭＣ）複合材料から作られる。
【００３３】
繊維プリフォームを作るために、たとえば日本のメーカーである日本カーボンより「ニカロン」の名前で販売されているものなどのＳｉＣ繊維糸など、セラミック繊維で作られた糸、または炭素繊維で作られた糸を使用することが可能である。
【００３４】
繊維プリフォームは三次元織りまたは多層織りによって有利に作られ、タブ１４および１６に対応するプリフォームの一部をセクタ１０から遠ざけるように、非連結領域が配置されている。
【００３５】
織りは、図示されるようにインターロックタイプであってもよい。たとえば多平織りまたは多サテン織りなど、その他の三次元織りまたは多層織りが使用されてもよい。国際公開第２００６／１３６７５５号パンフレットを参照されたい。
【００３６】
織りの後、固化されてセラミックマトリクスで緻密化されたリングセクタプリフォームを得るために、ブランクが形成されてもよく、詳細には化学気相浸透法（ＣＶＩ）によって、または液体シリコンが毛管現象によって繊維プリフォーム内に導入される溶融含浸（ＭＩ）によって、緻密化を実行することが可能であり、プリフォームはＣＶＩのある段階で予め固化されており、これらの方法はそれ自体周知である。
【００３７】
ＣＭＣリングセクタの製造の詳細な例は、詳細には米国特許出願公開第２０１２／００２７５７２号明細書に説明されている。
【００３８】
リング支持構造３は、インコネル、Ｃ２６３超合金、またはＷａｓｐａｌｏｙ（Ｒ）などの金属材料で作られている。
【００３９】
タービンリングアセンブリの作製は、リング支持構造３にリングセクタ１０を実装することによって継続する。図２に示されるように、「静止」のとき、すなわちフランジ間にリングセクタが実装されていないときの環状上流半径方向フランジ３２と環状下流半径方向フランジ３６との間の間隔Ｅは、リングセクタの上流および下流タブ１４および１６の外面１４ａおよび１６ａの間に存在する距離Ｄよりも小さい。本例において、間隔Ｅは、環状フランジ３２および３６の末端にそれぞれ存在するリップ３４および３８の間で測定される。環状フランジがリップを含まない本発明のタービンリングアセンブリの実施形態では、間隔は、リングセクタのタブの外側表面と接触するようになるフランジの内面の間で測定される。
【００４０】
各リングセクタのタブの外面の間の距離Ｄよりも小さいリング支持構造のフランジ間の間隔Ｅを画定することによって、リング支持構造のフランジ間に予応力でリングセクタを実装することが可能である。それでもなお、実装中にＣＭＣリングセクタのタブの損傷を回避するため、および本発明にしたがって、リング支持構造は、リングの軸方向ＤＡに弾性的に変形可能な少なくとも１つの環状フランジを含む。本例において、弾性的に変形可能であるのは環状下流半径方向フランジ３６である。詳細には、リング支持構造３の環状下流半径方向フランジ３６は、環状上流半径方向フランジ３２と比べて薄い厚さを呈し、このことが弾力を付与する。
【００４１】
リングセクタ１０を実装するとき、フランジ３２および３６の間の間隔を広げて、損傷の危険性を伴わずにフランジ３２および３６の間にタブ１４および１６を挿入できるようにするために、環状下流半径方向フランジ３６は、図３および図４に示されるように、方向ＤＡに引っ張られる。リングセクタ１０のタブ１４および１６がフランジ１４および１６の間に挿入され、オリフィス３３および１５ならびにオリフィス１７および３７を揃えるように位置決めされると、フランジ３６はそれぞれのフランジ３２および３６のリップ３４および３８で関連付けられ、そしてリングセクタのタブ１４および１６に対して保持応力を加える。牽引力を加えることによって環状下流半径方向フランジ３６を遠ざけやすくするために、これはその面３６ａの上に分布した複数のフック３９を含み、この面はリングセクタ１０の下流タブ１６に対向するフランジ３６の面３６ｂの反対側にある（図４）。この例において弾性変形可能フランジ３６に加えられるリングの軸方向ＤＡの牽引力は、フランジ３６の外面３６ａ上に存在するフック３９内に係合したフック５１０を含むその末端を有する少なくとも１つのアーム５１を有する工具５０によって、加えられる。
【００４２】
フランジ３６の面３６ａの上に分布したフック３９の数は、フランジ３６上に有することが望ましい牽引点の数に応じて規定される。この数は主に、フランジの弾性特性に依存する。当然ながら、本発明の範囲内で、リング支持構造のフランジのうちの１つに対して軸方向ＤＡに牽引力を加えられるようにする手段のその他の形状および配置を想定することも、可能である。
【００４３】
リングセクタ１０がフランジ３２および３６の間に挿入および位置決めされると、ペグ４０は、環状上流半径方向フランジ３２および上流タブ１４にそれぞれ形成されて揃えられたオリフィス３３および１５内に嵌合し、ペグ４１は、環状下流半径方向フランジ３６および下流タブ１６にそれぞれ形成されて揃えられたオリフィス３７および１７内に嵌合する。リングセクタの各タブ１４または１６は、阻害ペグを通すための１つ以上のオリフィスを有してもよい。
【００４４】
フックの形状および配向は異なってもよい。図５は、フランジの周方向に開放してその中に牽引具のタブ１５１が挿入される複数のフック１３９を有する環状下流半径方向フランジ１３６を示す。図６は、フランジの底部に向かって半径方向に開放してその中に牽引具のタブ２５１が挿入される複数のフック２３９を有する環状下流半径方向フランジ２３６を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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