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Turbine

Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.

L'énergie du fluide, caractérisée par sa vitesse et son enthalpie (L'enthalpie (du préfixe en- et du grec thalpein: chauffer) est une fonction d'état de la thermodynamique, dont la variation permet d'exprimer la quantité de chaleur mise en jeu pendant la transformation isobare...), est partiellement convertie en énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et d'énergie...) pour entraîner un alternateur, une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) ou tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) autre récepteur mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un mouvement, une...) rotatif.

Turbines à vapeur ()

Définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) – Principes généraux de fonctionnement

La turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.) à vapeur est un moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...) à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production d'énergie sous forme de chaleur ).) externe, fonctionnant selon le cycle thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est aussi la première dans...) dit de Clausius-Rankine. Ce cycle se distingue par le changement d’état affectant le fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles....) moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une...) qui est en général de la vapeur d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.).

Ce cycle comprend au moins les étapes suivantes :

  • L’eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) est comprimée par une pompe et envoyée vers la chaudière,
  • L’eau est chauffée, vaporisée et surchauffée,
  • La vapeur se détend dans la turbine en fournissant de l’énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) mécanique,
  • La vapeur détendue est condensée au contact de la source froide sous vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) partiel (Le mot partiel peut être employé comme :).

Le principe est donc le même que celui de la machine à vapeur (La machine à vapeur est une invention,dont les évolutions les plus significatives datent du XVIIIe siècle. C'est un moteur thermique à combustion externe, il transforme l'énergie thermique que possède la vapeur d'eau fournie par...) à pistons. La turbine en constitue une évolution exploitant les principaux avantages des turbomachines à savoir :

  • Puissance massique (La puissance massique est le ratio d'une puissance (en W) par une masse (en kg). La puissance massique s'exprime donc dans le système international en W/kg ; elle...) et puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) volumique élevée,
  • Rendement amélioré par la multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire avec l'addition, la soustraction et la division .) des étages de détente.

Le rendement croît avec la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de la vapeur et avec la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) de surchauffe (La surchauffe est une opération physique qui a lieu dans un moteur à vapeur.). Cependant, l’augmentation de ces caractéristiques est limitée par la teneur en eau de la vapeur en fin de détente. En effet, la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les...) de détente peut atteindre la courbe de saturation avec formation de gouttelettes qui nuisent à l’efficacité des derniers étages de détente. La teneur en eau liquide du mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une...) doit être limitée à 15 ou 20%. In fine, c’est la pression dans le condenseur qui fixe de ce fait les pressions et température limites admissibles.

Ce cycle est intrinsèquement inférieur au cycle théorique idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon...) de Carnot. Des améliorations ont donc été imaginées pour tendre vers celui-ci. Ainsi, le réchauffage de l’eau entre le condenseur et la chaudière par de la vapeur soutirée à différents étages de la turbine permet de faire tendre la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) isobare vers une transformation équivalente sur le plan thermodynamique à une isotherme. L’efficacité du dispositif mais également son coût croissent avec le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d’étages de soutirage et d’échangeurs associés. Ce nombre dépasse rarement sept unités. Le gain de rendement est de l’ordre de 5%. Ce dispositif impose de plus l’installation d’un réchauffeur d’air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de...) sur la chaudière.

D’autre part, afin de permettre d’augmenter la pression et la température malgré le problème de l’humidité en fin de détente, il est possible de renvoyer la vapeur détendue jusqu’à la saturation vers la chaudière pour procéder à une resurchauffe dans un échangeur supplémentaire. Ces étapes peuvent être multipliées pour faire tendre la phase de surchauffe vers une isotherme et donc de s’approcher d’un cycle de Carnot (En thermodynamique, le cycle de Carnot est le processus cyclique réversible de la machine de Carnot. Cette machine produit du travail (c'est un moteur) à partir de deux sources de chaleur de température différentes. Un...). Dans la pratique, les installations comprennent généralement une seule resurchauffe. Le gain de rendement peut atteindre 5%.

Le cycle comprend fondamentalement deux changements d’état (évaporation et condensation). Le diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de...) de phases de l’eau permet d’envisager un cycle à un seul changement d’état par l’utilisation d’une chaudière supercritique. En effet, au delà du point (Graphie) critique (environ 220 bars et 350°C) ne se produit plus de changement d’état et les phases liquides et gazeuses ne peuvent plus être distinguées. Les cycles supercritiques nécessitent généralement une double resurchauffe pour limiter l’humidité en fin de cycle. Le gain de rendement est encore de 2 à 3% et se justifie plus facilement avec le renchérissement des combustibles.

Réalisation pratique

Turbine d'aviation

Une turbine est constituée d’un rotor comprenant un arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en général au delà de sept mètres. Les arbres acquièrent une structure rigide composée d'un tronc...) sur lequel sont fixées des aubes et, d’un stator constitué d’un carter portant des déflecteurs fixes, généralement constitué de deux parties assemblées selon un plan axial. Elle comprend en outre un tore (Le terme tore a essentiellement deux acceptions distinctes, suivant les usages :) d’admission segmenté et un divergent d’échappement dirigé vers le condenseur. La fonction des déflecteurs fixes est d’assurer tout ou partie de la détente en formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque voyelle se caractérise par son timbre...) un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un...) de tuyères et de modifier la direction de l’écoulement sortant de l’étage précédent.

Une turbine à vapeur comprend un ou plusieurs étages assurant chacun deux fonctions :

  • La détente de la vapeur qui correspond à la conversion de l’énergie potentielle en énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement....),
  • La conversion de l’énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) en couple de rotation de la machine par le biais des aubages mobiles.

Les turbines à vapeur se classent deux grandes catégories souvent combinées dans une même machine:

  • Les turbines à action dans lesquelles la détente se fait uniquement dans les aubages fixes. Elles sont bien adaptée aux étages à forte pression et se prêtent mieux à la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) de débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.). Leur construction est plus coûteuse et réserve leur emploi aux premiers étages de la turbine.
  • Les turbines à réaction dans lesquelles la détente est répartie entre les aubages fixes et mobiles. Le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de réaction est défini par la répartition de la détente entre les aubages. Elles se prêtent mieux aux étages à basse pression et leur coût est plus faible.

La réalisation des turbines nécessite le recours à des aciers fortement alliés (Cr-Ni-Va) pour résister aux contraintes thermiques, mécaniques (force centrifuge) et chimique (corrosion par la vapeur). Les deux premières contraintes limitent le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère.) et donc le débit capable des derniers étages. Ainsi des aubes de plus d’un mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la...) de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle...) posent déjà de sérieux problèmes de réalisation. De plus, l’hétérogénéité radiale des vitesses impose une incidence variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un...) de l’aube qui présente alors une forme gauche dont l’usinage est complexe.

En pratique la température est limitée à 550 ou 580°C et le maximum mis en œuvre est de 650°C. La pression est de l’ordre de 180 bars et atteint 250 bars pour les installations supercritiques.

De ce fait, les turbines de forte puissance comprennent généralement sur un même axe (disposition tandem compound) :

  • Une turbine haute pression,
  • Plusieurs (2 ou 3) turbines basse pression avec soutirages.
  • Il est ainsi possible d’atteindre des puissances de plus de 1000 MW avec un rendement dépassant légèrement 40%.

À l’autre extrémité, les plus petites turbines ont des puissances de quelques dizaines de kW. Elles comprennent généralement un seul étage et servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) à l’entraînement de machines dans l’industrie ou sur des navires. Entre les deux, existe toute une palette de turbines plus ou moins complexes et adaptées à des usages industriels spécifiques (à soutirage, à contrepression, etc.).

Limites techniques – Avantages

Le principal avantage des turbines à vapeur est d’être des moteurs à combustion externe. De ce fait, tous les combustibles (gaz, fuel, charbon, déchets, chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) résiduelle) et notamment les moins chers peuvent être utilisés pour l’alimenter en vapeur. Le rendement peut atteindre des valeurs assez élevées d’où des frais de fonctionnement réduits.

Par contre, le coût et la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par...) des installations les réservent le plus souvent à des installations de puissance élevée pour bénéficier d’économies d’échelle. Hormis des cas particuliers, les moteurs et turbines à gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) sont mieux adaptés en dessous d’environ 10 MW.

Le refroidissement du condenseur nécessite de plus un important débit d’eau ou des aéroréfrigérants encombrants ce qui limite d’emblée leur domaine d’emploi aux installations fixes ou navales.

Génération électrique

Du fait de leurs caractéristiques, les turbines à vapeur sont très employées dans les centrales thermiques de moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans changer la...) et forte puissance, y compris nucléaires. Dans la gamme de puissance de 1 à 10 MW environ, elles sont utilisées dans les applications de cogénération (incinérateur de déchets et chauffage urbain, process industriel). Il faut également signaler leur usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) dans les cycles combinés ou elles permettent de valoriser en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de...) la chaleur d’échappement des turbines à gaz.

Les turbines à vapeur sont également employées dans le domaine de la propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force...) navale, notamment pour les plus gros vaisseaux (pétroliers, porte-avions) mais sont de plus en plus souvent remplacées par des moteurs diesel ou des turbines à gaz. La fonction d’entraînement de machines est également en voie de disparition au profit des moteurs électriques.

Elles n’ont à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel....) trouvé aucune application dans la propulsion routière ou ferroviaire hormis quelques tentatives avortées.

Spécificité des cycles nucléaires

Le cycle à vapeur des centrales nucléaires est particulier. En effet, dans les réacteurs à eau sous pression actuellement très répandus, la chaleur issue de la fission est évacuée du cœur par un circuit primaire d’eau surchauffée à environ 150 bars et 300°C. Cette chaleur produit de la vapeur saturée dans le circuit secondaire. En sortie d’étage haute pression, la vapeur subit un séchage (séparation des gouttelettes liquides) et une surchauffe modérée (par de la vapeur en sortie du générateur de vapeur). Du fait de la température limitée de la source chaude, et donc de la vapeur créée, le rendement du cycle reste faible à environ 30%. Les centrales nucléaires ont des groupes turbo-alternateur très puissants pouvant atteindre 1450 MW.

L’amélioration du rendement est au cœur des réflexions sur la conception des réacteurs de 5° génération. Elle a également conduit à la réalisation d’autres types de réacteurs que les REP dans les premiers temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de l’énergie nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) (UNGG, CANDU, etc.) avec d’autres fluides caloporteurs notamment. Cependant, la sûreté et la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.) des REP les rendent actuellement incontournables.

Conclusion

La turbine à vapeur est l’aboutissement d’un type de machines thermiques introduit par les machines à vapeur à piston. Les contraintes inhérentes à leur conception restreignent leur usage aux centrales électriques de forte puissance et à des applications spécifiques tel que l'aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de faire évoluer un aéronef dans l'atmosphère terrestre.).

Turbines hydrauliques

Spécificité des turbines hydrauliques

Turbine Francis
Turbine Francis

Située à la base d'un barrage (Un barrage est un ouvrage d'art construit en travers d'un cours d'eau et destiné à réguler l'écoulement naturel de l'eau pour permettre l'écoulement recherché.) hydroélectrique, cette turbine est actionnée par l'écoulement de l'eau et actionne un alternateur qui produit de l'électricité. Elle peut utiliser principalement la pression de l'eau (type Francis), la vitesse (On distingue :) de l'eau (type Pelton), ou encore un gros débit (type groupe Bulbe (Un bulbe est une pousse souterraine verticale disposant de feuilles modifiées utilisées comme organe de stockage de nourriture par une plante à dormance.) ou Kaplan).

Les turbines hydrauliques:

La turbine Fourneyron: en France, en 1826, l'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la...) Benoît Fourneyron remporta le prix de la Société d'Encouragement pour l'Industrie Nationale pour le meilleur dessin d'une roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les champs d'investigation qu'elle propose regroupent plusieurs...) industrielle. Sa machine, appelée turbine (mot inventé par son concurrent Charles Bourdin, du latin turbo), était faite de deux roues horizontales concentriques: une roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) intérieure fixe et munie d'aubes directrices incurvées dirigeant l'eau contre les aubes de la roue extérieure mobile (rotor). On annonçait un rendement d'au moins 80 %! Néanmoins, à certaines vitesses, des turbulences se produisaient lorsque l'eau quittait les aubes directrices. La première turbine Fourneyron fut installée vers 1835 à Saint-Blaise (Forêt Noire).

La turbine Francis: turbine où la roue intérieure est mobile. Ce système proposé par le Français Jean Poncelet fin des années 1820, fut breveté par le Nord-américain Samuel B. Howd en 1838 et popularisé par James B. Francis. Dans les années 1860, cette turbine commença à supplanter la roue hydraulique.

La turbine Pelton: conçue par l'ingénieur des mines en Californie, Lester A. Pelton, dans les années 1870. Celui-ci avait observé l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est...), jusqu'à l'éclatement, d'une roue hydraulique à aubes incurvées frappée, accidentellement, par un jet d'eau. Pelton vint à la conclusion qu'on pouvait mieux exploiter la puissance d'un jet en en inversant la direction avec l'aube. Il redessina l'aube en y créant deux poches accolées formant une arête médiane (Le terme de médiane, du latin medius, qui est au milieu, possède plusieurs acceptations en mathématiques :) dans l'auge divisant ainsi le jet en deux et le déviant complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à...). Cette turbine convient particulièrement aux hautes chutes à débit modéré ou faible. Sa fabrication industrielle commença dans les années 1880.

La turbine Kaplan: en 1910, l'Autrichien Victor Kaplan propose une turbine répondant au rendement médiocre de la turbine Francis dans le cas de faibles charges. Cette turbine à axe vertical et à rotor en hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.) avait des aubes à pas variable. La première turbine Kaplan fut installée, en 1919, dans une usine textile de Velm (Osterreich). Sa puissance était de 25,8 ch pour une hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de chute de 2,3 m. Jusque 1926, le développement des turbines Kaplan fut arrêté par un phénomène de cavitation (La cavitation décrit la naissance et l'oscillation radiale de bulles de gaz et de vapeur dans un liquide soumis à une dépression. Si cette dépression est suffisamment élevée, la...) (en raison de la rotation rapide de l'hélice dans l'eau, une zone de basse pression se crée sous la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) d'aspiration de l'aube, ce qui peut amener l'eau à ébullition (L’ébullition est la formation de bulles lors d’un changement violent d’un corps de l’état liquide vers l’état vapeur. Ce...), puis la corrosion de la surface des aubes à la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou liquide). On peut expérimenter ce changement...) des bulles de vapeur). En 1926, une société suédoise résout le problème en créant une servo-direction à commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) hydraulique pour la rotation des aubes du rotor. Cette même année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) fut installée, à Lilla Edet (Sverige), une turbine au rotor de 5,8 m de diamètre et dont la puissance atteignait 10 000 ch pour une hauteur de chute de 6,5 m. Les turbines Kaplan conviennent particulièrement aux faibles hauteurs de chute et forts débits.

La turbine à bulbe: variante de la turbine Kaplan où le rotor est placé dans une enveloppe fuselée installée horizontalement dans le tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction...) de la centrale. La première a été conçue en Allemagne dans les années 1940. L'usine marémotrice de la Rance (F) compte 24 groupes-bulbes réversibles de 10 MW.

Turbine à gaz (Une turbine à gaz, appelée aussi turbine à combustion, est une machine tournante thermodynamique appartenant à la famille des moteurs à combustion interne dont le rôle est de produire de l'énergie mécanique (rotation d'un...) combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la...)

Aéronautique

La turbine à gaz est avec le compresseur et la chambre de combustion (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et de température brusques, dans laquelle on déclenche volontairement une combustion entre des éléments chimiques déterminés. Cette enceinte est...) l'un des éléments constitutifs des moteurs à réaction (voir turboréacteur). Sur les hélicoptères conventionnels, la puissance fournie par la turbine sert à entraîner le rotor principal (Le rotor principal est l'élément composé de plusieurs pales qui par sa rotation permet la sustentation, le pilotage et la propulsion d'un hélicoptère.) et le rotor anti-couple (Le rotor anticouple est un rotor auxiliaire de petite taille situé à l'arrière d'un hélicoptère et dont le pas des pales est actionné par les pédales...) ainsi que les équipements fournissant la pression hydraulique et pneumatique (voir le Djinn) et la tension (La tension est une force d'extension.) électrique.

Turbines à air

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