水电站课程设计计算书

水电站厂房课程设计计算书

1．蜗壳单线图的绘制 1.1 蜗壳的型式

根据给定的基本资料和设计依据，电站设计水头Hp=46.2m，水轮机型号 ：HL220-LJ-225。可知采用金属蜗壳。又Hp=46.2m>40m，满足《水电站》（第4版）P32页对于蜗壳型式选择的要求。

1.2 蜗壳主要参数的选择

金属蜗壳的断面形状为圆形，根据《水电站》（第4版）P35页可知：为了获得良好的水力性能及考虑到其结构和加工工艺条件的限制，一般取蜗壳的包角为?0?345。

通过计算得出最大引用流量Qmax值，计算如下： 1水轮机额定出力：N○

Nf?r?Nf?f?15000?15625KW 式中：0.9660000KW?15000KW，?f?0.96。 4'1max2Q○

?Nr9.81D12Hp2?3?156259.81?2.252?46.22?0.9043?1.11?1.15m3s（水轮

机在该工况下单位流量Q1'?Q1'M?1.15m3s由表3-6查得）。

3Q○

max?Q1'maxD12Hr?1.11?2.252?46.2?38.2m3s。

Qmax345?0，得Qc??38.2?36.61m3/s。 360360由蜗壳进口断面流量Qc?蜗壳进口断面平均流速Vc由《水电站》（第4版）P36页图2-8（a）查得，

Vc?5.6m/s。

由《水力机械》第二版，水利水电出版社）附录二表5查得：

Db?3250mm,Da?3850mm，则rb?1625mm?1.625m,ra?1925mm?1.925m。其中：Db—座环内径；Da—座环外径；rb—座环内半径；ra—座环外半径。 座环示意图如下图所示：

图1 座环示意图（单位：mm）

1.3 蜗壳的水力计算

（1）对于蜗壳进口断面（断面0）： 断面面积 Fc?Qc36.61??6.5375m3 Vc5.6Fc?6.537?1.443m

断面的半径 ?c???从轴中心到蜗壳外缘的半径：Rc?ra?2?c?1.925?2?1.443?4.811m 即断面0：?0?1.443m，r0?ra?1.925m，R0?Rc?4.811m。 （2）对于中间任一断面：

蜗壳半径常数为：

C??0ra??0?ra(ra?2?0)?345?1062.25

1.925?1.443?1.925?(1.925?2?1.443)设?i为从蜗壳鼻端起算至断面i处的包角，则该断面处的： 断面半径：?i??iC?2r0?i C断面外半径：Ri?ra?2?i 各段计算结果如下表所示： 表1 蜗壳水力计算表 断面 0 1 345 330 0.325 0.311 1.250 1.196 1.118 1.094 1.443 1.404 4.811 4.734 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 315 300 285 270 255 240 225 210 195 180 165 150 135 120 105 90 75 60 45 30 15 0 0.297 0.282 0.268 0.254 0.240 0.226 0.212 0.198 0.184 0.169 0.155 0.141 0.127 0.113 0.099 0.085 0.071 0.056 0.042 0.028 0.014 0.000 1.142 1.087 1.033 0.979 0.924 0.870 0.815 0.761 0.707 0.652 0.598 0.544 0.489 0.435 0.381 0.326 0.272 0.217 0.163 0.109 0.054 0.000 1.068 1.043 1.016 0.989 0.961 0.933 0.903 0.872 0.841 0.808 0.773 0.737 0.699 0.659 0.617 0.571 0.521 0.466 0.404 0.330 0.233 0.000 1.365 1.325 1.285 1.243 1.201 1.159 1.115 1.070 1.024 0.977 0.929 0.879 0.827 0.772 0.716 0.656 0.592 0.523 0.446 0.358 0.247 0.000 4.655 4.575 4.494 4.412 4.328 4.242 4.155 4.065 3.974 3.879 3.782 3.682 3.578 3.470 3.356 3.237 3.109 2.971 2.817 2.641 2.420 1.925 根据表1的计算结果可以画出蜗壳单线图，如下图所示：

图2 金属蜗壳的平面单线图（单位：m）

2 .绘制尾水管单线图

选用的水轮机型号为HL220-LJ-225，即水轮机的标称直径D1=225cm=2.25m。根据已知的资料，得此水电站尾水管对应的尺寸如下：

表2 尾水管尺寸 型式 参1 2.93 2.78 2.5 1.525 0.795 1.29 1.114 1.384 1.405 2.685 4.09 2.53 3.55 10.4 D1 h H1 H2 H3 H4 H5 ?1 ?2 L1 L2 L B4 B5 ? 数 尺2.25 6.593 6.255 5.625 3.431 1.789 2.903 2.507 3.114 3.161 6.041 9.203 5.693 7.988 10.4 寸 1HH 1H2 H3 2-3.1710.5。H5-6.00HLL1L尾水管单位参数示意图（5-1）

为了减少尾水管的开挖深度，采用弯肘形尾水管，由进口直锥段、肘管和出

口扩散段三部分组成。

(1)进口直锥管

进口直锥管是一垂直的圆锥形扩散管，D3是直锥管的进口直径：对于混流式水轮机由于和基础环相连接，可取D3等于转轮出口直径D2，即

D3??1?2.50m7,D4??2?3.114m。h3为直圆锥管的高度，

h3?H2?H3?5.625?3.431?2.194m。

（2）肘管

肘管是一90变截面弯管,其进口为圆断面，出口为矩形断面。水流在肘管中由于转弯受到离心力的作用，使得压力和流速的分布很不均匀，而在转弯后流向水平段时又形成了扩散，因而在肘管中产生了较大的水力损失。根据《水力机械》第二版，水利水电出版社）P103页，曲率半径越小则产生的离心力越大，一般推荐使用的合理半径R?(0.6~1.0)D4，外壁R6用上限，内壁R7用下限。故

R6?1.0?D4?3.114m,R7?0.6?D4?0.6?3.114?1.868m。

(3)出口扩散段??10.4,L1?3.161m,L2?6.041m,L?L1?L2?9.202m (4)尾水管的高度

总高度h是由导叶底环平面到尾水管之间的垂直高度。由于

D1?D2?D3?2.507m，故属于高比转速的混流式水轮机。增大尾水管的高度h，对减小水力损失和提高

??是有利的，特别是对大流量的轴流式水轮机更为显著。

但对混流式水轮机尾水管中产生的真空涡带在严重的情况下不仅影响机组的运行而且还会延伸到尾水管地板引起机组和厂房的振动。为了改善这一情况，常采取增大尾水管高度h的办法，但将会增大开挖量，经过试验，一般对于高比速取

h?2.6D1。h?6.593m?2.6D1?5.85m,故满足要求。

绘制尾水管单线图如下：（单位m）

图3 尾水管单线图（单位：m）

3 .拟定转轮流道尺寸

根据《水电站动力设备设计手册》P26页表1-12，已知D1'?1.0m时HL220型的尺寸，可以求得D1?2.25m时的HL220转轮流道尺寸，如下表：

表3 HL220-LJ-225转轮流道尺寸

D1 1 2.25 D2 D3 D4 D5 D6 b0 h1 h2 h3 h4 1.082 0.928 0.870 0.478 0.116 0.250 0.054 0.165 0.482 0.309 2.435 2.088 1.958 1.076 0.261 0.563 0.122 0.371 1.085 0.695 绘制的转轮流道尺寸如下：

图4 水轮机转轮流道尺寸（单位：m）

4. 厂房起重设备的设计

水电站厂房内桥式起重机的容量大小通常取决于起吊最重件(发电机转子带轴重)的重量，其跨度决定于桥式起重机标准系列尺寸，起重机台数取决于机组台数的多少，大小和机组安装检修方式。本水电站吊运构件中最重的为发电机转子带轴重为82.6t?100t，且机组台数n?4。故选1台单小车桥式起重机，型号为100t/20t。其具体数据如下：

取跨度：L?16m； 起重机最大轮压：35.9t；

起重机总重：77.3t； 小车轨距：LT?4400mm； 小车轮距：KT?2900mm； 大车轮距；K?6250mm；

大梁底面至轨道面距离：F?130mm； 起重机最大宽度：B?8616mm； 轨道中心至起重机外端距离：B1?400mm； 轨道中心至起重机顶端距离：H?3692mm； 主钩至轨面距离：h?1474mm；

吊钩至轨道中心距离（主）：L1?2655mm,L2?1900mm； 副吊钩至轨道中心距离：L3?1300mm,L4?2355mm； 轨道型号：QU100。

5 .确定主厂房的轮廓尺寸

5.1 主厂房总长度的确定

厂房长度取决于机组段长度、机组台数和装配场长度。于是主厂房的总长度L可由下式求得：L?(n?1)L1?L2?L3

式中n为机组台数，L1为机组段长度，L2为端机组段长度，L3为装配场长

度。

(1)机组段长度的确定

机组段长度L1也就是机组的中心距离。它随水电站类型和机型而不同，主要由蜗壳、尾水管、发电机风罩在x方向（厂房纵向）的尺寸来定，并考虑机组附属设备及主要交通道、吊运通道、闸孔的布置等所需的尺寸。

机组段长度L1可按下式计算： L1?L?x?L?x

L?x为机组段+x方向的最大长度，L?x为机组段-x方向的最大长度。 L1应为蜗壳层、尾水管层和发电机层的最大值。 1) 蜗壳层：

R1?4.811m,?1?1.4m,R2?3.782m

L?x?R1??1?4.811?1.3?6.111m L?x?R1??1?3.782?1.3?5.082m 则L1?L?x?L?x?6.111?5.082?11.193m。

0R??3451其中:为i时的Ri，即R1=4.811m 0R??1652i 为时的Ri，即R2=3.782m

?1为蜗壳外包混凝土的厚度，初步设计时取1.2-1.5m，这里取1.3m。

2) 尾水管层：（对称尾水管）

B?B5?7.988m,实际取B?8m(见表2),?2?2m

L?x?L?x?B8??2??2?6m 22则L1?L?x?L?x?6?6?12m。 其中:B——尾水管宽度；

?2——尾水管边墩混凝土厚度，一般取1.5~2.0m，此处取2.0m； 3) 发电机层：

?3?8.4m,?3?0.3m,b?3m

b8.43??3???0.3?6m 2222?b8.43L?x?3???3???0.3?6m

2222L?x???3则L1?L?x?L?x?6?6?12m。

其中:?3——发电机风道直径（见所给资料）；

?3——发电机风罩壁厚，一般取0.3~0.4m，此处取0.3m；

b——两台机组之间风罩外壁静距，一般取1.5~2.0m，因在两台机组

之间设楼梯时取3～4m，此处取3m。

由以上计算，取其中最大值为L1?12m。

（2）端机组段长度的确定 端机组段又称边机组段，是指在与装配场不同一端的机组段。端机组段长度

L2的确定除需考虑上机组段的因素外，还与装配场的位置，场内是否布置进水

阀，起重机吊运设备的要求等因素有关。

附加长度?L?(0.1～1.0)D1，取?L?0.2D1?0.25?2.25?0.563m，为方便实际施工，取?L?0.6m。又当采用一台起重设备吊装发电机转子或进水阀时，应保证机组中心线或进水阀中心线在吊钩的极限位置以内，并留0.2～0.3m的裕量。故

L2?L1??L?12?0.6?12.6m

（3）装配场尺寸的确定

装配场的宽度与主机室的宽度相等，以便利用起重机沿主厂房纵向运行。确定装配场尺寸关键在于确定长度，一般约为机组段长度L1的1～1.5倍。对于混流式水轮机和悬式水轮发电机采用偏小值，因此取1.2。故

L3?1.2L1?1.2?12?14.4m 故，主厂房的总长度

L?(n?1)L1?L2?L3?(4?1)?12?12.6?14.4?63m。

5.2 主厂房宽度的确定

(1) 以机组中心线为界，厂房宽度B可分为上游侧宽度Bs和下游侧宽度Bx，即：B?Bx?Bs

Bs??32??3?A

式中：A——风罩外壁至上游侧内墙的净距，取4m；

?3——发电机风罩壁厚，一般取0.3～0.4m，本设计取0.3m； ?3——发电机风罩内径，为8.4m。 故 Bs?8.4?0.3?4?8.5m。 2主厂房下游侧的宽度Bx除需满足上式外，还需满足蜗壳在-y方向的尺寸和蜗壳外混凝土厚度的要求。如果下游侧需要布置附属设备、电气设备或以下游侧作吊运通道，尚需满足上述要求。

2距，主要用于主通道取2m。

所以，Bx?对于发电机层：Bx??3??3?A。其中，A——风罩外壁至下游墙内侧的静

?32??3?A?8.4?0.3?2?6.5m。 2对于蜗壳层?y方向为：Bx?L?y??3?4.328?1.5?5.828m?6.5m。其中：

L?x?4.328m,?3?1.5m。

故取Bx?6.5m。

最后，厂房的总宽度为B?Bs?Bx?8.5?6.5?15m。 (2) 由厂房的辅助设备，根据桥机跨度确定主厂房的宽度： 根据起重机设备可知桥机的跨度为16m。如下图所示：

桥机b1b2hbehb

牛腿以上：B?lk?2(b1?b2?h'b) 牛腿以下：B?lk?2(e?hb)

其中：b1—桥机端与轨道中心线的距离，查桥机的有关规定取0.4m； b2—桥机端部与上柱内面间距，一般取0.3—0.6m，取0.4m；

h'b—牛腿上部立柱截面高度，一般取0.6—1.2m，取0.7m；

hb—牛腿下部立柱截面高度，一般取1.0—2.5m，取1.2m；

e—偏心距，一般取0～0.25m，取0.25m。

所以，牛腿以上：B?lk?2(b1?b2?h'b)?16?2?(0.4?0.4?0.7)?19m。

牛腿以下：B?lk?2(e?hb)?16?2(0.25?1.2)?18.9m。

综合（1）（2），取主厂房的宽度B为19m。

5.3 厂房各层高程的确定

（1）水轮机安装高程?T：

水轮机安装高程是一个控制性的高程，它取决于水轮机的机型、允许吸出高度和电站建成后厂房的下游最低水位。

对于立轴混流式水轮机：ZS????Hs?其中：

??b0 2——为设计尾水位，根据《水电站》（第4版）P54页表2-5，按

一台水轮机的额定流量从下游水位与流量关系曲线中查取，这里根据已给资料，

即取单机满负荷出力时尾水位：91.84m；

??(????)H，由 Hs——水轮机允许吸出高度（m），Hs?10.0?09已知资料，??0.165,???0.027，??93.5m(取正常尾水位),H?46.2m，故

Hs?10.0?(0.165?0.027)?46.2?93.5?1.03m。 900 b0——导水叶高度，b0?0.25D1?0.25?2.25?0.56m。 所以，ZS????Hs?b00.56?91.84?1.03??93.15m。 22(2)主厂房基础开挖高程?F：

?F?ZS?(h1?h2?h3)

其中：h1——尾水管底板混凝土厚度，取1.5m； h2——尾水管出口断面高度；

h3——水轮机安装高程Zs向下到尾水管出口顶面的垂直距离。

H?h2?h3?6.593m

故 ?F?93.15?1.5?6.593?85.057m。 尾水管底板高程即为85.057?1.5?86.557m。 （3）水轮机层地面高程?1：

?1?ZS?h4

其中：h4——蜗壳进口半径与蜗壳顶混凝土层厚，其中蜗壳进水段半径为1.443m,蜗壳顶混凝土层厚取1.0m, 故h4=2.443m。

故?1?93.15?2.443?95.593m，因水轮机层地面高程一般取100mm的整数倍，所以取?1?95.6m。

（4）发电机装置高程?G：

?G??1?h5?h6

其中：h5——发电机机墩进人孔高度，一般取1.8～2.0m，这里取2.0m； h6——机墩进人孔顶部厚度，一般为1.0m左右，取1.0m。 则：?G?95.6?2?1.0?98.6m。 （5）发电机层楼板高程?2：

?2??G?h'

h'——风罩高度，根据发电机型号查得h'?2.12m，故 ?2?98.6?2.12?100.72m。

并且?2??1?100.72?95.6?5.12m?4m，满足水轮机层净高要求，最高尾水位94.6m<100.72m，不会淹没厂房，故满足要求。

（6）起重机（吊车）的安装高程?C：

?C??2?h7?h8?h9?h10?h11

式中：h7——发电机定子高度与上机架高度之和，发电机上机架高度为

0.9m，定子机座高为1.8m，发电机定子为埋入式，故h7?0.9m；

h8——吊运部件与固定物之间的垂直净距离，应为0.6～1.0m，取

h8?0.6m；

h9——最大吊运部件高度，由发电机型号查得发电机主轴高度，即取

h9?5.02m；

h10——吊运部件与吊钩之间的距离，一般在1.0~1.5m左右，取

h10?1.3m；

h11——主钩最高位置至轨顶面距离h11?1.474m。 则，?C?100.72?0.9?0.6?5.02?1.3?1.474?110.014m。

（7）屋顶高程?R：

?R??C?H?h13

式中，H为轨道面至起重机顶部距离H?3.692m；h13为检修吊车在车上留有0.5m高度，h13?0.5m。

所以，?R?110.014?3.692?0.5?114.206m。 （8）进水阀地面高程?4：

?4??3?r1?h2

其中：?3为钢管中心线高程，?3?ZS?93.15m

r1为阀门外半径，即引水钢管半径，蝶阀尺寸Ф3400mm，则r1=1700mm=1.7m h2为钢管底部至主阀室地面的高度，钢管底部作通道为人检时用，h2一般为1.8—2.0m，此处取h2?2.0m。

则：?2＝?3?r1?h2?93.15?1.7?2.0?89.45m。

5.4 装配场位置选择及设计

因为进厂的公路在主厂房的右侧，为了运输方便，把装配场布置在厂房的右侧。由前面已知装配场的长度14.4m，宽与主厂房同宽为19m。同时，为了满足主变能推入装配场进行维修，在安装配场下游侧设置了尺寸为4m?6m的变压器坑；在安装内设有5m?5m的发电机转子检修坑，方便发电机转子检修。

厂房的大门尺寸取决于运入厂房内最大部件的尺寸。因为转子直径为4.9m，因此选用门宽为6m，高4.5m。装配场地面高程为100.72m与发电机层同高，这样可以利用紧邻的机组段场地进行安装、检修。为安全起见，门向外开。

6 .进行厂区布置

由于密云电站是河岸地面厂房，其布置如下图所示。故其布置可根据已建成的河岸地面厂房——式子滩水电站厂区布置的方案（一）；根据拓溪水电站厂区布置的方案（二）。其布置图如下。

对于方案（一），由于地质条件的限制，高压管道从回岔管以后采用明管，这样造价也低，在厂房与后山坡之间形成一个很宽的地带，刚好用来布置副厂房，并且使主变尽量靠近机组端，以使引出线最短，因此让主变场与安装间紧靠，由于开关站占地面积很大，不易在主厂房附近找到理想的场地，所以主变和开关站分开布置。

对于方案（二）,由于主变在主厂房的上游侧，它离主机组最近，因此线路最短，最方便，电能损失小，但是高压管道必须采用埋管，这样造价高，并且地质条件也不允许，而且主厂房上游有一个很宽的地带，用于布置主变场有点浪费，故而适应布置占地面积大的副厂房。

经过对方案（一）、方案（二）的比较，采用方案（一）。

170180190200210220230240250240230220210200190180170160150140130120主变场主厂房尾水渠路公100厂进间装110安副厂房开关站98.5方案（一）

170180190200210220230240250240230220210200190180170160150140130主控室中主厂房房厂副间装变120场100公厂进尾水110安渠98.5开关站路方案（二）

7.副厂房设计

副厂房由辅助生产车间，某些辅助设备的房间和必要的技术所组成，它是各种辅助设备布置和运行人员工作的场所。它的布置原则是运行管理方便和最大限度地利用一切可以利用的空间，尽量减少不必要的间室面积，以减少投资。

中央控制室布置在发电机层，且位于发电机层的中部，尽量窗户朝南开，以及加强通风或空调，室内净高一般为4.0—4.5m取4m。

继电保护室布置在中控室，在靠近主机组的副厂房内，配电装置长度在7m以内时，只布置一个出口，门应向外开。

集缆室位于中控室和继电保护室的下面，净高在2m～3m之间，取2m。 母线廊道连接水电站发电机和主变压器，道内布母线，母线距楼板底的净距离不小于0.8m。

厂用变压器，尽可能靠近发电机电压配电装置。厂变压间高度按卢蕊高度再加上700mm，两侧宽度至少加800mm，门高为变压器的高至少加300mm，门宽至少加400mm。

厂用动力室分散布置在负荷点附近（安装间、水轮机层、水泵室、机修间，油处理室等处）。

为辅助设备系统配置的一些房间：空气压缩室，绝缘油库、透平油库，水泵室；应注意，控制温度、防止潮湿、防止火源。

电气试验室，电气高压实验室，油化实验室，水处理室，都顺序布置在副厂房上游侧，向下游侧开门。 8.主厂房内部布置

蜗壳之间布置蝴蝶阀，在事故停机或检修时，关断水流，在尾水管出口处备有检修闸门，当尾水管或水轮机检修时，用来挡住尾水进入。

当发电层上游侧，布置每台机组的调速器和机旁盘，各布置油压装置一台，每个机组段(对应蝴蝶阀中心)均留有蝴蝶阀吊孔。1、3号机组段上，布置水轮机层的楼盖，在4号机组上游侧布置去副厂房的楼梯。

水轮机层4号机组段上布置着去蝴蝶阀层的楼梯。作用筒布置在机座的上游侧，调速器恢复机构（杠杆）在右侧作用筒上，并与位于发电机层的调压器的有关机构相对应。

两台高压空气压缩机布置在3号机组作用筒的右侧，为油压装置充气之用。每一机组段上都布置着励磁室。

低压配电装置室和离子励磁室布置在水轮机层的左端。

为了避免地基不均匀沉降，在主副厂房之间用沉降伸缩缝分开，缝宽2cm。 场内交通：主厂房下游侧有宽2.0m的通道，发电机层与水轮机层设有两个楼梯。安装厂与门厅间亦有通向副厂房第二层的走廊楼梯各一个。此外在安装厂上游设有上吊车用的专用梯子。通道楼梯与副厂房走廊相配合，使场内交通比较方便，为运行管理创造了良好的条件。

9.结构布置

主厂房水轮机层以上部分,除了机座之外，主要为梁板，柱的结构。

发电机层楼板厚度为0.30m，支承在通风罩和上下游混凝土墙的牛腿上，由于分期施工要求，在机组间加设了刚架柱，不仅用来支承发电机层楼板的荷载，

而且具有加强构架的作用，刚架大梁的断面为50cm×80cm,立柱的断面是50cm×50cm。

构架柱的下断面为1.0m×1.50m的矩形断面，上断面则为1. 0cm×0.50cm，牛腿高为1.20m，倾角为45度，直角边长为0.50米，构架的间距为6.00米。

副厂房选用的结构形式是钢筋混凝土钢架。副厂房的一部分荷载传递到主厂房构架上，因而其分缝与主厂房分缝相一致。构架立柱断面为0.5m×0.5m。中央控制室主梁断面为0.5m×1.0 m。其余各层的主梁断面为0.40m×0.60m。次梁断面为0.20m×0.4m、0.20m×0.5m和0.25m×0.50m三种。楼板厚度为20cm。

10.厂房混凝土的浇筑分期和止水

厂房混凝土由于机组安装的要求，一般分成两期浇筑，其中尾水管、上下游墙、排架柱、吊车梁以及部分楼板层梁，在施工中先行浇筑混凝土，称为一期混凝土，而为了机组的安装和埋件需要预留空位，要等到机组部分设备到货，尾水管圆锥段钢板内衬和金属蜗壳安装好后再行浇筑，称为二期混凝土。

在厂房下部结构，凡是施工冷缝，尤其是垂直的冷缝，都应设置止水。常采用木片止水或铜片止水。

11.成果

把设计成果绘制成两张A1的图纸，其中厂房横剖面图一张，包括主要设备技术指标表，比例1：100。厂房各层平面图一张，比例1：200，包括发电机层、水轮机层、蜗壳层和尾水管层。

参考文献：

[1].刘启钊、胡明(河海大学)、马吉明（清华大学）. 水电站(第4版). 出版地:北京. 出版社: 中国水利水电出版社. 2010年.

[2].金钟元(西安理工大学).水力机械(第二版).出版地:北京.出版社:中国水利水电出版社. 1992年.

[3]. 马善定(河海大学)、汪如泽(浙江大学).水电站建筑物(第二版).出版地:北京.出版社:中国水利水电出版社. 1996年.

[4]. 骆如蕴（河海大学）.水电站动力设备设计手册.出版地:北京.出版社: 水利电力出版社. 1990年.

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