Leiser Flugverkehr Arbeitspaket „Triebwerkslärm“ · Rotor-Stator-Interaktion durch Nachläufe...

Abschlusspräsentation Projekt “Leiser Flugverkehr” – Köln-Porz, 16. März 2004

Minderung des Triebwerkslärms Seite 1

Leiser Flugverkehr

Arbeitspaket „Triebwerkslärm“

Ulf Michel

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)Institut für Antriebstechnik

Köln/Berlin

Projekt „Leiser Flugverkehr“, Abschlusspräsentation16. März 2004 / Köln-Porz

Ansprechpartner:Dr. Ulf MichelDLR Institut für AntriebstechnikAbt. TurbulenzforschungMüller-Breslau-Str. 810623 BerlinTel. 030 310 006 26 Fax. 030 310 006 39E-Mail: [email protected]



Leiser Flugverkehr

Triebwerksgeräuschquellen

Fan: • Töne (alle Frequenzen)

- Rotor-Stator- Rotor-allein- Kreissägengeräusch

• Breitbandgeräusch

Verdichter:• Töne (hohe Frequenzen)• Breitbandgeräusch

Brennkammer:• Töne (tiefe Frequenzen)• Breitbandgeräusch

Turbine:• Töne (hohe Frequenzen)• Breitbandgeräusch (hohe Frequenzen)

Freistrahl:• Breitbandgeräusch

(tiefe Frequenzen)

Ziel: Reduktion der Triebwerksgeräusche um 10 dB

Hier sind die wichtigsten Geräuschquellen von Flugtriebwerken erläutert.Der Fan erzeugt Töne, dazu gehören die besonders lästigen Kreissägentöne, sowie Breitbandgeräusche.Der Verdichter erzeugt sehr hochfrequente Töne und Breitbandgeräusche.Die Brennkammer emittiert tieffrequente Breitbandgeräusche, mitunter auch ein tonales Brummen.Die Turbine strahlt hohe Töne und Breitbandgeräusche ab.Alle bisher genannten Schallquellen liegen im Innern des Triebwerks, ihre Schallemission kann daher mit Schalldämpfern reduziert werden.Im Gegensatz dazu entsteht das tieffrequente Geräusch des Freistrahls hinter dem Triebwerk. Ziel des Projektes ist es, die Voraussetzungen für eine Reduktion der Triebwerksgeräusche um 10 dB zu schaffen.



Leiser Flugverkehr

AP 2A: Lärmminderungspotential

Freistrahl ist einzige externe Schallquelle, erhebliche Lärmminderung geht nur über Verringerung der Strahlgeschwindigkeit.

10 dB Lärmminderung durch Erhöhung des Nebenstromverhältnisses von 6 auf 12.

Erfordert neue Flugzeuge wegen der großen Triebwerksdurchmesser.

Eine erhebliche Minderung des Freistrahllärms ist nur über eine Verringerung der Strahlgeschwindigkeit erreichbar. Das Ziel einer Lärmminderung um 10 dB ist nur mit einer Erhöhung des Nebenstromverhältnisses erreichbar, etwa von heute typisch 6 auf zukünftig 12. Wegen der damit verbundenen großen Triebwerksdurchmesser werden auch die Flugzeuge erheblich verändert werden müssen. Hier muss Überzeugungsarbeit geleistet werden, da die Hersteller fürchten, dass solche Flugzeuge wegen höherer Betriebskosten nicht verkäuflich sind.



Leiser Flugverkehr


Es gibt auch Maßnahmen mit begrenzter WirkungBeispiel: Gezahnte Düse zur Strahllärmminderung.

Als mögliche Nachrüstmaßnahme in Zusammenarbeit mit Lufthansa entwickelt und getestet.1 dB Minderung des Strahllärms 3 dB erreichbar, wenn auch Nebenstromdüse gezackt.

Es gibt allerdings auch Maßnahmen mit begrenzter Wirkung. Besonders aussichtsreich, da mit nur geringen Schubverlusten verbunden, ist der Ersatz der vorhandenen Düsen durch gezackte Düsen (Chevron-Düsen). Im Rahmen des Projektes „Leiser Flugverkehr“ ergab sich die Möglichkeit, eine solche Düse an einem Airbus A319 der Lufthansa auszuprobieren. Die Düse wurde vom DLR in Zusammenarbeit mit Lufthansa Technik entworfen und von Lufthansa Technik gebaut. Die Düse ist hier gezeigt. Bei Frequenzen bis zu 1000 Hz wurde im Flugversuch eine Lärmminderung von bis zu 1 dB ermittelt.Mit gezackten Düsen an beiden Düsen sind Geräuschminderungen bis etwa 3 dB zu erreichen.



Leiser Flugverkehr


Fan ist bei heutigen Triebwerken wichtigste interne Schallquelle.

Bedeutung des Fangeräusches wird mit zunehmendem Nebenstromverhältnis steigen.

Leise Triebwerke mit hohem Nebenstrom wird es nur geben, wenn es gelingt, auch die Fangeräusche erheblich zu reduzieren.

Deshalb intensive Beschäftigung mit Minderung der Fangeräusche.

Fan-Geräuschminderung durch Entwurf

Minderung der Fan-Tonpegel durch Gegenschall

Der Fan ist bereits bei heutigen Triebwerken die wichtigste interne Schallquelle, seine relative Bedeutung wird noch steigen, wenn das Nebenstromverhältnis erhöht wird. Wenn der Strahllärm um 10 dB verringert wird, muss das Fangeräusch um einen vergleichbaren Betrag reduziert werden. Andernfalls wird es keine leisen Triebwerke mit hohem Nebenstrom geben.Im Rahmen des Projektes haben wir uns mit allen Teilschallquellen des Triebwerks beschäftigt. Im folgenden wird aber nur über die Arbeiten zum Fanlärm berichtet. Das DLR hat zwei Strategien zur Fangeräuschminderung verfolgt, durch lärmarmen Entwurf und durch Gegenschall.



Leiser Flugverkehr

Fanlärmminderung durch Entwurf:Bereitstellung eines Verfahrens für den lärmoptimalen Fan-Entwurf.

AP 2A: Wissenschaftliche Ziele

Der lärmarme Entwurf erfordert ein zuverlässiges Berechnungsverfahren für die Schallemission des Fans. Ein Verfahren für die Berechnung der Fan-Töne wurde im Projekt entwickelt und zur Entwicklung leiserer Konstruktionen eingesetzt.Zur Fanlärmminderung durch Entwurf wurde zunächst ein vorhandenes Verfahren für die Zwecke der Berechnung der Schallquellen weiterentwickelt und mit Messungen validiert.



Leiser Flugverkehr

10 struts

10 struts

casing acoustic lineror hardwall

24 kulites inrotating ring

6 instrumented BOGV’sNew RMA to intake casing. 100 unequallyspaced kulites

RMA

Ref dia936,8

11 bypass exit kulitesin a linear array

©Rolly Royce 2003

Leiser Fan, Verfahrensentwicklung

Berechnung des instationären Strömungsfeldes in der TurbomaschineKopplung des Strömungsfeldes an die Schallfelder stromauf und stromabErmittlung der emittierten Schallleistung

Für die Berechnung des Fanlärms muss zunächst die dreidimensionale sehr komplizierte instationäre Strömung in Rotor und Stator in dem im Bild gezeigten rot umrahmten Gebiet berechnet werden. Das Schallfeld in den anschließenden Strömungskanälen ergibt sich aus der Lösung des Strömungsfeldes in den Kopplungsebenen stromauf und stromab.Auch die gesamte emittierte Schallleistung kann aus der Lösung in den Kopplungsebenen berechnet werden.



Leiser FlugverkehrWichtige Quelle tonalen Fangeräusches

Rotor-Stator-Interaktion durch Nachläufe der Rotorschaufeln

In diesem Bild sind die Nachläufe hinter den Rotorschaufeln dargestellt, die bei ihrem Aufprall auf den Stator den Rotor-Stator Wechselwirkungslärm erzeugen, ein bei Flugtriebwerken vor allem nach hinten abgestrahltes Geräusch.



Leiser Flugverkehr

Validierungstestfall RR LNR2-Fan

Validierung des Verfahrens mit Rolls-Royce Fan-Rotor, 26 BlätterStator mit Kreisbogenprofilen, 58 BlätterDrehzahl 8670/min (85%)

Zur Validierung des Verfahrens wurde das instationäre Strömungsfeld in der gezeigten Fanstufe berechnet und mit experimentellen Daten verglichen. Fangeometrie und experimentelle Daten wurden von Rolls-Royce zur Verfügung gestellt.



Leiser FlugverkehrSchall durch Rotor-Stator-Interaktion

Druckfeld zwischen Rotor und Stator

Hier sehen Sie das komplizierte Schallfeld zwischen Rotor und Stator für die zweifache Blattfolgefrequenz. Man erkennt deutlich zwei in verschiedene Richtungen laufende Schallfelder.



Leiser Flugverkehr

Kopplung an akustische Verfahren

CFD Region Akustisches Feld im Nebenstrom

p [Pa]^

2*BPF, m=-6

Kopplungsebene,KopplungsverfahrenTU Eindhoven

Hier ist das Schallfeld im Nebenstromkanal dargestellt, das mit einem analytischen Näherungsverfahren der TU Eindhoven auf der Basis der numerischen Ergebnisse von TRACE in der Kopplungsebene berechnet wurde.Gezeigt ist das Ergebnis für die Azimutalmode -6 und die zweifache Blattfolgefrequenz bei einer Triebwerksdrehzahl von 85%. Rot kennzeichnet einen hohen Druck, blau einen niedrigen.



Leiser Flugverkehr

Vergleich mit experimentellen Daten

Schalldruckpegel entlang der Gehäusewand im Nebenstromkanal Rechenwerte = Summe zweier Umfangsmoden m = -6 und m = +52, Messwerte durch Reflexionen kontaminiert.

110

115

120

125

130

135

140

145

150

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1downstream duct axial Position [m]

casi

ng S

PL [d

B]

2BPF calculation, SPL sum2BPF, experiment2BPF, average (calc.)2BPF, average (exp.)

∆(calcav-expav)=1.1 dB

∆=5 dB

Hier ist der berechnete Druckverlauf an der Außenwand des Nebenstromkanals mit Messwerten verglichen. Die Übereinstimmung ist erstaunlich gut. Das Rechenergebnis basiert auf einer Überlagerung der beiden wichtigsten Azimutalmoden m=-6 und m=52.



Leiser Flugverkehr

Fanlärmminderung durch Entwurf:Bereitstellung eines Verfahrens für den lärmoptimalen Fan-Entwurf.

Erarbeitung von Konstruktionsvorschlägen zur Senkung des Fanlärms.


In einem zweiten Schritt wurde das Programm zur Erarbeitung von Konstruktionsvorschlägen zur Senkung des Fanlärms eingesetzt.



Leiser Flugverkehr

Konturen: u‘ (2 BPF)Druckseite Statorblatt

Neigung der Statorblätter

Strömung

gerade geneigt

Untersuchung der Wirksamkeit dieser Methode zur Minderung des Tonpegels

Es ist bekannt, dass sich mit geneigten Statorblättern die tonale Schallemission eines Fans reduzieren lässt. Das Programm wurde benutzt, um einen experimentell untersuchten Fall nachzurechnen.Hier sehen Sie einen Vergleich der berechneten momentanen Geschwindigkeitsschwankungen auf der normalen und der geneigten Schaufel.



Leiser Flugverkehr

Vergleich zweier Statoren

110

115

120

125

130

135

140

Soun

d Po

wer

Lev

el [d

B]

SWEPT OGV

STRAIGHT OGV

m = -6 m = +52 SPL ∑

Schallleistungspegel beider Konfigurationen, Anteile der dominierendenUmfangsmoden m = -6 und m = 52 bei 2xBPF und Summe beider Anteile

Hier sehen Sie einen Vergleich der Schallleistung der beiden Konfigurationen bei der zweifachen Blattfolgefrequenz.Die Schallleistung der Mode m=-6 sinkt um 5 dB, dagegen steigt die sehr viel geringere Schallleistung der Mode m=52 um 5 dB.Als Resultat bleibt eine Geräuschminderung um 3 dB, für die abgestrahlte Schallleistung, was den experimentellen Ergebnissen entspricht.Wir betrachten mit diesem Ergebnis das Verfahren als validiert, um neue, lärmarme Fans zu entwerfen.



Leiser Flugverkehr

Konstruktionsvorschlag für leisen Fan

Fan mit ultrahohem Nebenstromverhältnis 12

Eigenschaften:Blattspitzen subsonischGroße Schaufelzahl des Stators

Entwurf des DLR für europäisches Projekt SILENCE(R)

Mit dem validierten System wurde vom DLR in Zusammenarbeit mit der Firma Snecma für das europäische Projekt SILENCE(R) ein Fan mit einem Nebenstromverhältnis von 12 und sehr geringen Umfangsgeschwindigkeiten entworfen, dessen tonale Schallemission zur Zeit berechnet wird, um das Lärmminderungspotential dieses Entwurfs abzuschätzen. Mit diesen Arbeiten hat sich das DLR zu einem gefragten Partner der europäischen Triebwerksindustrie entwickelt.



Leiser Flugverkehr

Fanlärmminderung durch Gegenschall:


Strömung

Regler

Gegenschall

Triggersignal

Schall

FanLautsprecherMikrofone

Der Einsatz von Gegenschall ist ein weiteres verfolgtes Konzept zur Lärmminderung. Das Verfahren der aktiven Lärmminderung durch Gegenschall ist nicht neu, die Anwendung auf das Flugtriebwerk mit seinen hoch komplizierten Schallfeldern ist aber besonders schwierig. Bei der aktiven Lärmminderung bei Strömungsmaschinen geht es um die Erzeugung eines gegenphasigen Schallfeldes in den Strömungskanälen, um das von der Turbomaschine erzeugte primäre Schallfeld möglichst weitgehend auszulöschen. Das sich aus der Überlagerung von Schall und Gegenschall ergebende Schallfeld wird mit einem Satz Mikrofonen („Fehlermikrofone“) vermessen. Ein Regler berechnet in Echtzeit die erforderlichen Lautsprechersignale.Je komplizierter das auszulöschende primäre Schallfeld ist, desto mehr Fehlermikrofone und Lautsprecher werden benötigt, und desto höher werden die Ansprüche an die Leistungsfähigkeit des Reglers .



Leiser Flugverkehr

Fanlärmminderung durch Gegenschall:Erarbeitung von Konstruktionsvorschlägen zur Verminderung des Turbomaschinenlärms durch aktive Lärmminderung.

Gegenschall mit Lautsprechern

Gegenschall mit Lautsprechern nur für einzelne Moden

Gegenschall durch Strömungsbeeinflussung


Es wurden im Rahmen des Projektes drei verschiedene Strategien verfolgt, den Gegenschall zu erzeugen.

1. Konventionelles Regelungsverfahren mit Minimierung der Schalldrücke an allen Fehlermikrofonen

2. Modales Regelungsverfahren zur Unterdrückung nur von einzelnen dominierenden Moden

3. Ersatz der Lautsprecher durch strömungserregten Gegenschall.



Leiser Flugverkehr

Demonstration im Prinzipexperiment

CRISP (gegenläufiger Fan)

Förderung durch AG Turbo

Ein Prinzipexperiment zur aktiven Lärmminderung in einem Flugtriebwerk wurde gemeinsam mit MTU und EADS Corporate Research Center Germany im Zuströmkanal des CRISP-1m-Modells durchgeführt. Der Versuchsaufbau mit 32 Lautsprechern (4 Ringe á 8), 32 wandbündigen "Fehlermikrofonen“ und 96 wandbündigen Messpositionen zur Schallfeldanalyse ist in diesem Bild gezeigt. Man erkennt an der großen Zahl der Lautsprecher und Fehlermikrofone, dass der Aufwand zur Erzeugung von Gegenschall in einem Flugtriebwerk erheblich ist, weil das Schallfeld sehr kompliziert ist.



Leiser Flugverkehr

Schallfeld in Einlauf

ANC on

ANC off

Partner MTU, EADS-CRC

Töne im Einlauf um 24 dB und 18 dB gesenkt

Der Test war ein voller Erfolg.Auf der rechten Bildseite erkennt man im Frequenzspektrum, dass der Tonpegel bei der Blattfolgefrequenz von 340 Hz um 24 dB, bei der ersten Harmonischen von 680 Hz um 18 dB gesenkt werden konnte.Auf der linken Seite ist das momentane Schalldruckfeld in einem Strömungsquerschnitt stromauf des Rotors dargestellt, oben ohne und unten mit aktiver Lärmminderung. Man erkennt, das die Schalldruckamplituden über dem Querschnitt mit eingeschalteter Regelungsehr stark reduziert sind.



Leiser Flugverkehr

Fanlärmminderung durch Gegenschall:Erarbeitung von Konstruktionsvorschlägen zur Verminderung des Turbomaschinenlärms durch aktive Lärmminderung um 5 dB.



Gegenschall durch Strömung


Das DLR hat im Rahmen des Projektes ein neues Regelungsverfahren entwickelt, mit dem Ziel, den technischen Aufwand für die aktive Lärmminderung erheblich zur reduzieren.Dies wird dadurch erreicht, dass der Gegenschall nur für eine begrenzte Zahl von so genannten akustischen Moden erzeugt wird.



Leiser Flugverkehr

Herkömmliche aktive Lärmminderung für Flugtriebwerke:

Viele Sensoren,viele Lautsprecher,aufwändige echtzeitfähige Regler,

Neues modales Regelungsverfahren:Nur dominierende akustischen Radialmoden reduziert.Wenig Sensoren,wenig Lautsprecher,einfache Regler-Hardware,robuste Regelung.

Aktive Lärmminderung

Herkömmliche Regelungsverfahren minimieren den Schalldruck an den Positionen der Fehlermikrofone, wobei bei praxisrelevanten Frequenzen wegen der Komplexität des Schallfeldes viele Ein- und Ausgangssignale (Fehlermikrofone und Lautsprecher) und ein aufwändiger, echtzeitfähiger Regler notwendig sind. Das DLR hat ein neues Verfahren entwickelt, bei dem die Zahl der Reglervariablen reduziert werden kann, indem nur die dominierenden Schallmoden aktiv unterdrückt werden. Es werden deutlich weniger Sensoren und Lautsprecher benötigt und die erforderliche Regelung kann mit relativ einfacher Regler-Hardware erreicht werden. Dieses sehr robuste Verfahren wurde an einem Axialventilatorprüfstand des DLR realisiert.



Leiser Flugverkehr

Versuchsstand – Axial-Ventilator

24 Lautsprecher 64 FehlermikrofoneAxialventilator

Modenanalyse-Sektion

Der Versuchsstand ist hier vorgestellt. Man erkennt links den Verdichter, rechts davon drei Ringe mit je 8 Lautsprechern. Es folgen 4 Ringe mit je 16 Mikrofonen und eine Modenanalyse-Sektion, mit der der Erfolg der aktiven Lärmminderung überprüft werden kann.Der technische Aufwand ist erheblich geringer als bei einer herkömmlichen Regelung. Nicht nur die Zahl der Mikrofone und Lautsprecher ist verringert, sondern auch der Regler, der aus einfacher PC-Hardware besteht und damit eine Größenordnung billiger als ein herkömmlicher Regler ist.



Leiser Flugverkehr

Erste Ergebnisse: 12 dB Tonpegelminderung

Modales Regelungsverfahren

Ein erstes, noch ganz frisches Ergebnis mit modaler Regelung wird hier präsentiert. Das Bild zeigt zwei Frequenz-Spektren, das blaue Spektrum ist ohne und das rote mit aktiver Lärmminderung gemessen worden. Die Mittelung der Spektren erfolgte jeweils über 30 Sekunden Messzeit und 16 Mikrofonpositionen, wobei die Mikrofone unabhängig von der Regelung sind. Geregelt wurde ein Ton bei der Blattfolgefrequenz von 960 Hz. Man erkennt eine Minderung des Tonpegels um 12 dB.



Leiser Flugverkehr

Fanlärmminderung durch Gegenschall:Erarbeitung von Konstruktionsvorschlägen zur Verminderung des Turbomaschinenlärms durch aktive Lärmminderung



Gegenschall durch Strömungsbeeinflussung


Ich habe demonstriert, dass die aktive Lärmminderung mit Gegenschall durch Lautsprecher funktioniert und zwar mit einer aufwändigen konventionellen Methode ebenso wie mit einem neuen, im Rahmen des Projektes entwickelten einfacheren Verfahren.Ich möchte nun auf die dritte Methode der aktiven Lärmminderung kommen, die von Mitarbeitern des DLR entwickelt wurde. Es handelt sich um die Erzeugung von Gegenschall an den Rotor- und Stator-Schaufeln durch aktive Beeinflussung der Strömung um die Schaufelspitzen. Wenn dieses Verfahren erfolgreich ist, dann kann man auf den Einbau von Lautsprechern in Flugtriebwerken verzichten und dafür sehr viel robustere und leichtere Bauteile verwenden.



Leiser Flugverkehr

Gegenschall durch Strömung

Gegenschallquellen durch Beeinflussung der Strömung im Blattspitzenbereich

Mögliche Methode: Luftstrahlen am Gehäuse

Ziel: Energie für Gegenschall aus der Strömung

Ziel der Untersuchung war festzustellen, ob es möglich ist, die für aktive Maßnahmen erforderliche Schallleistung der Strömung zu entziehen. Dies wurde am Beispiel des Geräusches eines Axialventilators demonstriert.Die Umströmung der Schaufelspitzen wurde durch Luftstrahlen am Gehäuse gezielt verändert.Der Versuchsventilator ist in Bild dargestellt.Ein wichtiger Beitrag zur Finanzierung dieses Vorhabens kam von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 557.



Leiser Flugverkehr

0 1000 2000 3000 4000 500050

6070

8090

100

110120

MJets/MFan = 0.9% cµ = 0.0015

BPF

Outlet

Control off Lp,BPF = 119.5dB Control on Lp,BPF = 98.9dB

SP

L [d

B]

Frequency [Hz]

Stationäre Luftstrahlen: B/V = 18/16, 16 Düsen, n = 3000/min

Stationäre Lufteinblasung mit Schlitzdüsen

Reduktion des Drehklang-Pegels um über 20 dB

Ein Ergebnis dieser Methode ist hier zu sehen. Man erkennt, dass die Blattfolgefrequenz bei 900 Hz um über 20 dB reduziert werden konnte.Allerdings erhöht sich in diesem Fall der hochfrequente Breitbandpegel etwas. Der benötigte Luftmassenstrom beträgt nur 0.9% des Hauptmassenstroms. Der Wirkungsgrad des Ventilators unter Berücksichtigung des eingedüsten Luftmassenstroms verbessert sich sogar.



Leiser Flugverkehr

Weitere TätigkeitenEntwicklung von Messtechniken zur Modalanalyse des Schallfeldes in Strömungskanälen

Leiseste Turbine experimentell ermittelt1500 Radialmoden berechnet

Trennung der verschiedenen Schallquellen von Flugtriebwerken auf Freifeldprüfständen.Einsatz von jeweils optimierten Mikrofonarrays

Von den weiteren Arbeiten im Rahmen des Projektes soll auf besondere Beiträge des DLR hingewiesen werden, mit denen die Entwicklung leiser Triebwerke bei der Industrie unterstützt wird.Neue Triebwerkskomponenten wie Fans, Verdichter, und Turbinen werden stets auf Prüfständen untersucht. Das DLR hat im Rahmen des Projektes Verfahren zur Analyse des Schallfeldes in den Strömungs-kanälen weiterentwickelt, mit denen die Schallemission der neuen Komponenten bereits auf dem Prüfstand ermittelt werden kann.So konnte in Zusammenarbeit mit der MTU die leiseste Turbine einer Reihe von Varianten ermittelt werden. Dazu wurde das Schallfeld hinter der Turbine in bis zu 1500 Radialmoden entwickelt.Bei Freifeldprüfständen ist es mit neuer Technik des DLR möglich, den vom Triebwerkseinlauf, den beiden Triebwerksdüsen und dem Freistrahl herrührenden Lärm zu trennen. Es werden für die Aufgabe jeweils optimierte Mikrofonarrays entworfen..



Leiser Flugverkehr

Verfahren zur numerische Prognose der tonalen Schallemission eines Triebwerks entwickelt

Leiser Fan entworfen

Aktive Lärmminderung mit Lautsprechern demonstriert

Aktive Lärmminderung mit modaler Regelung erprobt

Aktive Lärmminderung durch Strömungsbeeinflussung entwickelt

Schallquellanalyse an Triebwerksprüfständen verbessert

AP 2A: Zusammenfassung

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