JP5351941B2 - 遠心圧縮機とその羽根車およびその運転方法、羽根車の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機とその羽根車およびその運転方法、羽根車の設計方法に係り、詳しくはその羽根車部分の羽根形状に関する。

回転する羽根車によって流体を圧縮する遠心圧縮機は、従来から様々なプラントに広く用いられている。最近では、エネルギ問題や環境問題のため、そのライフサイクルコストがより重要視されるようになり、羽根車を安定して運転できる作動範囲の拡大が要求されるようになった。

羽根車を安定して運転できる作動範囲は、小流量側ではそれ以上流量を減少させると流れの剥離から発達した逆流領域の拡大に起因して圧力や流量の周期変動が発生するサージと、大流量側ではそれ以上流量が増加しなくなるチョークとで定められる。

作動範囲に大きく影響を及ぼす遠心圧縮機の羽根車の羽根形状は、例えば特許文献１に記載されているように羽根車における流路入口から出口にかけての羽根角度分布をもとに創成されている。そして、この羽根角度分布は、製作性と空力性能を両立させるよう考慮されて決定されている。

特開２００２−２１７８４号公報

前記した羽根角度分布は、一般的に流れ解析や設計ツールを駆使して、その都度、効率、圧力比および作動範囲といった目標仕様を満足するよう決定される。しかし、決定に当たって適正な作動範囲と羽根角度分布との相関は示されていなかった。このため、羽根角度分布を調整することによる作動範囲の拡大を実現できる余地があるか否かの判断は困難であった。

前記したように作動範囲との相関に基づいた羽根角度分布が示されていないことから、目標仕様に対し作動範囲が不足した場合には、軸方向長さや羽根車入口径などの主要寸法を調整することや、小流量側の作動範囲を拡大するためのケーシングトリートメントを適用することによって作動範囲を拡大し、不足を補うよう対処していた。

しかし、軸方向長さや羽根車入口径などの主要寸法は羽根角度分布と比較してロータ振動に及ぼす影響が大きく、これらの主要寸法の調整を行うことはロータ振動の設計をも見直す必要を生じさせていた。その結果として、検討項目の増加は、設計業務効率の低下につながっていた。また、小流量側の作動範囲を拡大するためにケーシングトリートメントを適用する追加工を行うことは、加工コスト増加につながるうえ、性能上の効率が低下することも懸念されていた。

本発明は、前記した問題を解決し、比較的広い作動範囲を実現できる羽根角度分布を有した羽根車を備えた遠心圧縮機を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、回転軸と、この回転軸に軸支された円盤と、この円盤上に略放射状に立設された複数の羽根と、を備え、前記羽根間に流体の流路が形成され、前記円盤が前記回転軸とともに回転することで流体を軸方向前方から吸入し、この流体が前記流路を通って昇圧しながら遠心方向へ送出される遠心圧縮機において、前記羽根の厚さの中心曲線を前記回転軸方向から前記円盤に投影した投影曲線における接線と、前記投影曲線と前記接線との接点と前記回転軸の回転軸心を結ぶ直線に対して直交する想像直線とがなす角度のうち、前記回転軸の回転方向後側かつ外周側に形成される角を羽根角度として、前記羽根の前記円盤と対向する側にあって、前記流体の流れ方向に沿って延伸する羽根先端側輪郭の前記羽根角度を第１の角度と、前記円盤側にあって、前記流体の流れ方向に沿って延伸する羽根根元側輪郭の前記羽根角度を第２の角度と、したとき、前記羽根先端側輪郭は、前記軸方向前方から前記遠心方向に向かって、前記流路に沿った中間部分を越えた後で前記第１の角度が極小点となる角度分布を有することで前記極小点にて流路面積が前記流体の流れ方向に沿って縮小から拡大に転じる曲線状としたことを特徴としている。

前記構成によれば、遠心圧縮機の羽根車に備えられた羽根の形状（羽根先端側輪郭）を所定の羽根角度分布にすることで、流路面積を変化させ、作動流体の増速を生じさせることができる。

このような遠心圧縮機の構成によれば、前記した問題を解決し、比較的広い作動範囲を実現できる羽根角度分布を有した羽根車を備えた遠心圧縮機を提供することができる。

（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機の構造を示す断面図であり、（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機の羽根車が有する羽根角度分布図である。 羽根車の羽根各部位の羽根角度分布の定義を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る実施例と、従来技術に係る比較例について、作動範囲を比較した結果を示す図である。 従来技術の遠心圧縮機羽根車が有する羽根角度分布図である。 羽根車のレイク角度の定義を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る遠心圧縮機の羽根車が有する羽根角度分布図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は、本実施形態に係る遠心圧縮機の構造を示す断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した羽根車が有する羽根角度分布である。図２は，羽根車の羽根各部位の羽根角度分布の定義を示す説明図である。

図１（ａ）に示すように、第１実施形態に係る遠心圧縮機１００は、上流側（図１（ａ）の左側）から下流側に向けて羽根車１、ディフューザ２、リターンチャネル３およびリターンベーン４が配置される構成になっている。
次に、作動流体１１の流れに従い、構成部品およびその動作について説明する。

作動流体１１は、羽根車１の回転により遠心圧縮機１００内部へ吸込まれ、羽根車１の円盤６上に放射状に立設された複数の羽根７，７間に形成された流路Ａを通過する（図２参照）。次に、作動流体１１は、ディフューザ２方向へ進む過程で遠心力により昇圧される。そして、ディフューザ２を通過する過程で流速を減速することで静圧を回復する。その後、リターンチャネル３およびリターンベーン４を通過して流出する。

ここで、ディフューザ２には、作動流体１１の流路を形成する複数の羽根を取り付けることができる。こうすることによって、作動流体１１の静圧回復がさらに促進され、また、リターンチャネル３へ流出する流速が低減するためにリターンチャネル３での損失を小さくすることができ、効率向上が図られる。
なお、回転軸５と同心円をなして羽根７の先端ａ１〜ａ２を全周にわたって覆うように設けられたシュラウド８は、羽根７によって支えられており、羽根の設計仕様によっては強度が許容しない場合などもあるため必ずしも必要では無い。リターンベーン４を通過して流出した作動流体１１は、多段の遠心圧縮機の場合には後段の遠心圧縮機へ、またはスクロールやコレクタなどに導かれる（図示せず）。

図１（ａ）に示した羽根車１は、回転軸５と、回転軸５に一体に取り付けられた円盤６と、円盤６上に放射状に立設されている複数の羽根７とで構成されている。ここで、羽根７は、作動流体１１の入口から出口にかけて特定の羽根角度分布を形成している。

なお、羽根角度分布とは、図２に示す羽根７が羽根車１の接線方向となす角度β（羽根角度）の分布を、羽根７の上流側（軸方向前方）から下流側（遠心方向）にかけてとったものである。なお、図２では、シュラウド８を省略している。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した羽根車１が有する羽根角度分布である。羽根７の円盤６と対向する側にある羽根先端側輪郭の羽根角度βを第１の角度Ｄ１と、円盤側にある羽根根元側輪郭の羽根角度βを第２の角度Ｄ２としたとき、作動流体１１の上流側から下流側にかけての羽根７の先端側ａ１〜ａ２の輪郭（羽根先端側輪郭）は、中間点と上流側との間で第１の角度Ｄ１が極大点を有する凸状の曲線となる羽根角度分布を有し、かつ中間点と下流側との間で第１の角度Ｄ１が極小点を有する凹状の曲線となる羽根角度分布を有している。そして、羽根７の根元側ｂ１〜ｂ２の輪郭（羽根根元側輪郭）は、中間点より上流側に第２の角度Ｄ２が極大点を有する凸状の曲線となる羽根角度分布を有している。なお、前記した中間点における羽根角度βは、出口羽根角度との相関を規定しておらず、出口羽根角度以上である必要は無い。

第１実施形態における図１（ｂ）に示すような羽根角度分布を有する羽根７の先端側ａ１〜ａ２の輪郭（羽根先端側輪郭）及び羽根７の根元側ｂ１〜ｂ２の輪郭（羽根根元側輪郭）は、図２に示すような略Ｓ字状となっている。
このような羽根形状は、前記した羽根の略中間において羽根角度分布が変わる曲線状の輪郭同士を、直線要素または曲線要素で滑らかに結ぶことで、羽根７の先端側ａ１〜ａ２の輪郭（羽根先端側輪郭）及び羽根の根元側ｂ１〜ｂ２の輪郭（羽根根元側輪郭）を形成している。なお、羽根形状は、先端側と根元側の間に流路入口から出口にかけて、羽根角度定義位置を複数設ける構成とすることで、羽根角度βと流れ角の偏差を減少させて流速の一様化が図られる。

図２において、羽根角度βは完全に半径方向を向いたβ=９０度の場合に流路面積が最
大となる。すなわち、極大点を有する曲線状の羽根角度分布は、流路面積を拡大し、減速流れを促進する。一方、極小点を有する曲線状の羽根角度分布は、流路面積を縮小させ、増速流れを促進する。したがって、図１（ｂ）に示した羽根角度分布を有する羽根車１の内部流れは、上流側から中間点にかけての流路前半では、極大点を有する曲線状の羽根角度分布により減速流れを促進し、中間点から下流側にかけての流路後半では、極小点を有する曲線状の羽根角度分布により増速流れを促進する。

図２に示す遠心圧縮機は、流路入口は円盤６の径方向中心側、流路出口は径方向外側に配置されている。この径方向の位置差のため、羽根７，７間の距離は流路入口側より流路出口側の方が大きくなる。そのため流路面積は入口側が出口側より狭くなるとともに、入口付近に流路幅が最小となるスロートが形成される傾向がある。したがって、もともと流路面積が狭くなる傾向にある入口付近の面積を拡大してこの領域の減速流れを促進するためには、羽根角度βを９０度に近づける必要がある。この場合、流路の前半領域の羽角度分布は極大点を有する曲線状とするのが望ましい。また、もともと流路面積が広くなる傾向にある出口付近の面積を縮小して増速流れを促進するためには、羽根角度βを０度に近づける必要がある。この場合、流路の後半領域の羽根角度分布は極小点を有する曲線状とするのが望ましい。

羽根７，７間に形成された流路Ａの断面積は、設計流量に適するものであり、設計流量よりも小流量側の運転時には、流量に対して面積が過大な状態になる。この場合、円盤６の遠心力によるポンプ作用によって円盤６側である羽根７の根元側の流量が比較的多くなり、根元側を通って出口へ排出される流量の割合が設計流量より増加する。すなわち作動流体１１の主流は羽根７の根元側に偏る。

小流量側の運転時には、羽根７の根元側の流量が比較的多くなり先端側の流量は比較的少なくなる傾向にある。この場合にサージの発生を抑制するためには、羽根７の先端側の出口付近の面積を縮小して増速流れを促進するのが効果的である。そのため本実施形態では、流路面積縮小を意図して羽根７の先端側ａ１〜ａ２において流路の後半領域の羽根角度分布を、極小点を有する曲線状としている。なお、本実施形態の遠心圧縮機の羽根角度分布は、入口付近の流路面積拡大を意図した領域と、出口付近の流路面積縮小を意図した領域の間で変曲点を有する。

小流量側の運転作動範囲の領域では、流量に対して羽根７，７間に形成された流路Ａの断面積が過大な状態となるので、作動流体１１の主流は羽根７の根元側に偏ってくる。本実施形態における羽根角度分布では、羽根７の先端側ａ１〜ａ２の中間点から下流側にかけての極小点を有する曲線状分布により流路断面積を縮小させている。このため、流路後半では主流は増速流れとなり、作動流体１１は羽根車１をスムーズに通過し易くなる。結果として、サージ発生の原因となる流れの剥離が発生し始める作動点がより小流量側へ移動するため、本実施形態の羽根角度分布を有する羽根車１は、従来技術の羽根車と比較して、サージが発生しにくくなる。

一方、大流量側の運転作動範囲の領域では、流量に対して羽根７，７間に形成された流路Ａの面積が過小な状態となり、吸い込み流量が増加するにつれて主流の流速も増加し、遂には音速を超える（マッハ数≧１）領域が発生する。流路Ａの一断面がマッハ数≧１の流れで占められるようになるとチョーク状態が発生する。なお、マッハ数≧１の流れが流路Ａの一断面を占める個所は、流路Ａの前半に形成される流路幅が最小となるスロート位置におけるスロート断面部分で発生することが多い。

しかし、本実施形態における羽根角度分布においては、羽根７の先端側ａ１〜ａ２および根元側ｂ１〜ｂ２の上流側から中間点にかけての極大点を有する曲線状分布により羽根７が半径方向に向いてくるので、流路前半に形成されるスロート面積が拡大されている。この結果、チョークする作動点がより大流量側へ移動するため、本実施形態の羽根角度分布を有する羽根車１は、従来技術の羽根車と比較して、チョークが発生しにくくなる。

次に、本実施形態に係る実施例と従来技術に係る比較例について数値解析を行った結果を示す。図３は、吸い込み温度および圧力を同一として、作動範囲の比較をした数値流体解析の結果である。ここで実施例は本実施形態に係る羽根角度分布（図１（ｂ）参照）を有した羽根車１を備えた遠心圧縮機１００であり、比較例は図４に示す羽根角度分布を有した羽根車を備えた従来の遠心圧縮機である。主要な諸元である径寸法、入口羽根角度および出口羽根角度は、実施例と比較例において、同一としている。数値流体解析は、羽根車と羽根無しディフューザの構成に対し実施した。

図３は、横軸に設計流量で規格化した吸い込み流量を表し、縦軸に従来の設計圧力比で規格化した圧力比を表している。小流量側の作動範囲の限界はサージとなる流量とし、大流量側の作動範囲の限界はチョークとなる流量とすると、図３に示すように、本実施形態に係る羽根角度分布（図１（ｂ）参照）を適用した実施例は、比較例に対して小流量側で約２０％、大流量側で約１０％作動範囲を拡大させている。すなわち、本実施形態に係る羽根角度分布を有した羽根車を備えた遠心圧縮機１００は、従来技術と比べ比較的広い作動範囲を実現している。

［第２実施形態］
次に、本発明に係る遠心圧縮機の第２実施形態について説明する。本実施形態における遠心圧縮機１０１において、前記した第１実施形態（図１参照）と同一構成の部分に関する説明は割愛し、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。図５は、流体送出口ａ２〜ｂ２の羽根先端ａ２と羽根根元ｂ２とを結んだ直線と回転軸５の軸心と直交する前記円盤６の周縁となす角である「レイク角度」の説明図である。図５（ｂ）は羽根を流体送出口ａ２〜ｂ２から回転軸５方向にみたときの出口部分の羽根であり、レイク角度とはこの羽根の角度θをいう。

本実施形態における羽根車の羽根角度分布を説明する。本実施形態は、第１実施形態と同様に、羽根７の上流側から下流側にかけて、羽根７の先端側ａ１〜ａ２の輪郭（羽根先端側輪郭）は、中間点と上流側との間で第１の角度Ｄ１が極大点を有する凸状の曲線となる羽根角度分布を有し、かつ中間点と下流側との間で第１の角度Ｄ１が極小点を有する凹状の曲線となる羽根角度分布を有している。そして、羽根７の根元側ｂ１〜ｂ２の輪郭（羽根根元側輪郭）は、中間点より上流側に第２の角度Ｄ２が極大点を有する凸状の曲線となる羽根角度分布を有している。
前記した第１実施形態の技術的特徴に加え、レイク角度θが６０度以上９０度以下になるようにしている。

レイク角度θを６０度以上９０度以下にすることで、羽根７を円盤６またはシュラウド８へ溶接する時に羽根７の変形を抑えることができ、かつ接合面のビード形状を応力集中が発生しにくい円弧状に保つことを容易としている。

［第３実施形態］
次に、本発明に係る遠心圧縮機の第３実施形態について説明する。図６は、図１（ａ）に示した羽根車１が有する羽根角度分布である。
本実施形態における羽根車の羽根角度分布を説明する。本実施形態は、第１実施形態とは異なり、作動流体１１の流体吸入口から流体送出口にかけて、羽根７の先端側ａ１〜ａ２の輪郭（羽根先端側輪郭）は、第１の角度Ｄ１が、極大点を有する凸状の曲線となる角度分布と、極小点を有する凹状の曲線なる角度分布とを、交互に複数有している。図６に示した実施例では、極大点、極小点、極大点、極小点と、交互にそれぞれ２点ずつ、合計４点の極大点、極小点を有している。そして、羽根７の根元側ｂ１〜ｂ２の輪郭（羽根根元側輪郭）については、第１実施形態と同様に、中間点より上流側に第２の角度Ｄ２が極大点を有する凸状の曲線となる羽根角度分布を有している。

遠心圧縮機は、吸入される作動流体の種類（物理特性）・流速（流量）・温度等の条件、ディフューザのベーンの有無やシュラウドの有無等の周辺の機器の違い、要求される作動条件等によって、設計に係る諸元を調整する必要がある。例えば、境界層の発達は、作動流体１１（図１参照）の粘性に依存する。境界層が発達すると、作動流体の主流が流路の壁面から遠ざかることとなり、流れの剥離が発生し始める。したがって、粘性が高く境界層が発達しやすい作動流体の場合には、極端な減速流れは、流れの剥離を招来し、損失を生じさせることになりかねない。

第１実施形態の圧縮機では、流路前半の流路断面積を増加させチョークマージンの拡大を図っている。ところが、抑制すべき境界層の発達は作動流体の粘性に依存する部分があるため、作動流体の種類等、条件によっては極端な減速流れが形成される可能性がある。
そのような場合には、本実施形態のように、羽根先端側輪郭を、軸方向前方から遠心方向に向かって、第１の角度Ｄ１が、極大点となる角度分布と、極小点となる角度分布とを、交互に複数有する曲線状とすることにより、作動流体の減速流れに対し増速流れを適度に導入し、局所的な境界層の発達を抑制することができる。
なお、本実施形態においても、前記した第２実施形態の構成である図５に示したレイク角度θを６０度以上９０度以下にすることは有効となる。
以上、本発明について好適な実施形態を説明した。本発明は、図面に記載したものに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で設計変更が可能である。

１ 羽根車
２ ディフューザ
３ リターンチャネル
４ リターンベーン
５ 回転軸
６ 円盤
７ 羽根
８ シュラウド
１０ 遠心圧縮機
１１ 作動流体
Ａ 流路
θ レイク角度
β 羽根角度
Ｄ１ 第１の角度（羽根先端側輪郭におけるβ）
Ｄ２ 第２の角度（羽根根元側輪郭におけるβ）

Claims (5)

1. 回転軸と、この回転軸に軸支された円盤と、この円盤上に略放射状に立設された複数の羽根と、を備え、前記羽根間に流体の流路が形成され、前記円盤が前記回転軸とともに回転することで流体を軸方向前方から吸入し、この流体が前記流路を通って昇圧しながら遠心方向へ送出される遠心圧縮機において、
   前記羽根の厚さの中心曲線を前記回転軸方向から前記円盤に投影した投影曲線における接線と、前記投影曲線と前記接線との接点と前記回転軸の回転軸心を結ぶ直線に対して直交する想像直線とがなす角度のうち、前記回転軸の回転方向後側かつ外周側に形成される角を羽根角度として、
   前記羽根の前記円盤と対向する側にあって、前記流体の流れ方向に沿って延伸する羽根先端側輪郭の前記羽根角度を第１の角度と、前記円盤側にあって、前記流体の流れ方向に沿って延伸する羽根根元側輪郭の前記羽根角度を第２の角度と、したとき、
   前記羽根先端側輪郭は、前記軸方向前方から前記遠心方向に向かって、前記流路に沿った中間部分を越えた後で前記第１の角度が極小点となる角度分布を有することで前記極小点にて流路面積が前記流体の流れ方向に沿って縮小から拡大に転じる曲線状としたことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記羽根先端側輪郭は、前記軸方向前方から前記遠心方向に向かって、前記第１の角度が、極大点となる角度分布と、極小点となる角度分布とを、交互に複数有する曲線状としたことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 回転軸と、この回転軸に軸支された円盤上に複数の羽根が略放射状に立設された羽根車と、を備え、前記羽根間に流体の流路が形成され、前記円盤が前記回転軸とともに回転することで流体を軸方向前方から吸入し、この流体が前記流路を通って昇圧しながら遠心方向へ送出される遠心圧縮機の羽根車において、
   前記羽根の厚さの中心曲線を前記回転軸方向から前記円盤に投影した投影曲線における接線と、前記投影曲線と前記接線との接点と前記回転軸の回転軸心を結ぶ直線に対して直交する想像直線とがなす角度のうち、前記回転軸の回転方向後側かつ外周側に形成される角を羽根角度として、
   前記羽根の前記円盤と対向する側にあって、前記流体の流れ方向に沿って延伸する羽根先端側輪郭の前記羽根角度を第１の角度と、前記円盤側にあって、前記流体の流れ方向に沿って延伸する羽根根元側輪郭の前記羽根角度を第２の角度と、したとき、
   前記羽根先端側輪郭は、前記軸方向前方から前記遠心方向に向かって、前記流路に沿った中間部分を越えた後で前記第１の角度が極小点となる角度分布を有することで前記極小点にて流路面積が前記流体の流れ方向に沿って縮小から拡大に転じる曲線状としたことを特徴とする遠心圧縮機の羽根車。
4. 回転軸と、この回転軸に軸支された円盤上に複数の羽根が略放射状に立設された羽根車と、を備え、前記羽根間に流体の流路が形成され、前記円盤が前記回転軸とともに回転することで流体を軸方向前方から吸入し、この流体が前記流路を通って昇圧しながら遠心方向へ送出される遠心圧縮機の運転方法において、
   前記羽根の厚さの中心曲線を前記回転軸方向から前記円盤に投影した投影曲線における接線と、前記投影曲線と前記接線との接点と前記回転軸の回転軸心を結ぶ直線に対して直交する想像直線とがなす角度のうち、前記回転軸の回転方向後側かつ外周側に形成される角を羽根角度として、
   前記羽根の前記円盤と対向する側にあって、前記流体の流れ方向に沿って延伸する羽根先端側輪郭の前記羽根角度を第１の角度と、前記円盤側にあって、前記流体の流れ方向に沿って延伸する羽根根元側輪郭の前記羽根角度を第２の角度と、したとき、
   前記羽根先端側輪郭は、前記軸方向前方から前記遠心方向に向かって、前記流路に沿った中間部分を越えた後で前記第１の角度が極小点となる角度分布を有することで前記極小点にて流路面積が前記流体の流れ方向に沿って縮小から拡大に転じる曲線状とした羽根車を用いることで、前記流路の前半領域の減速流れを促進し、前記流路の後半領域の増速流れを促進することを特徴とする遠心圧縮機の運転方法。
5. 回転軸と、この回転軸に軸支された円盤上に複数の羽根が略放射状に立設された羽根車と、を備え、前記羽根間に流体の流路が形成され、前記円盤が前記回転軸とともに回転することで流体を軸方向前方から吸入し、この流体が前記流路を通って昇圧しながら遠心方向へ送出される遠心圧縮機の羽根車の設計方法において、
   前記羽根の厚さの中心曲線を前記回転軸方向から前記円盤に投影した投影曲線における接線と、前記投影曲線と前記接線との接点と前記回転軸の回転軸心を結ぶ直線に対して直交する想像直線とがなす角度のうち、前記回転軸の回転方向後側かつ外周側に形成される角を羽根角度として、
   前記羽根の前記円盤と対向する側にあって、前記流体の流れ方向に沿って延伸する羽根先端側輪郭の前記羽根角度を第１の角度と、前記円盤側にあって、前記流体の流れ方向に沿って延伸する羽根根元側輪郭の前記羽根角度を第２の角度と、したとき、
   前記羽根先端側輪郭において、前記軸方向前方から前記遠心方向に向かって、前記流路に沿った中間部分を越えた後で前記第１の角度が極小点となるように角度分布を決定し、
   さらに、前記羽根先端側輪郭を、前記中間部分から前記極小点に向かって流路面積が縮小し、前記極小点にて前記流路面積が前記流体の流れ方向に沿って縮小から拡大に転じるような曲線状にすることを特徴とする遠心圧縮機の羽根車の設計方法。

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