JP4178545B2 - Rotating machine blade - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転機械の動翼にかかり、より詳しくはターボ機械を構成するタービン、圧縮機、送風機等の回転機械の動翼に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3はターボジェットエンジンの模式的構成図であり、空気取入口31、ファン32、圧縮機33、燃焼器34、ガスタービン35、ジェットノズル36、等を備えている。かかるターボジェットエンジンでは、空気を空気取入口31からファン32によりエンジン内部に導入し、圧縮機33でこの空気を圧縮し、燃焼器34内で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させ、発生した燃焼ガスでガスタービン35を駆動し、このガスタービン35の動力でファン32および圧縮機33を駆動し、燃焼排ガスをジェットノズル36から後方に噴出することにより推進力を発生するようになっている。
【0003】
図4に高圧縮比のターボファンエンジンのタービン部分の拡大図を示した。このエンジンのタービンは、図示しない圧縮機を駆動するための高圧タービンとファンを駆動するための低圧タービンの2軸式構造を有している。
図に示したように動翼4の先端部(チップ部6)とケーシング2の内周面との間には間隙(チップクリアランスΔ)があり、動翼とケーシングとはそれぞれ熱膨張率が異なるため、このチップクリアランスΔの大きさはエンジンの運転状態によって変化することになる。なお、5は高圧タービン用の静翼である。
【0004】
ここで主流ガスがチップクリアランスを抜けて正圧面側(腹側)から負圧面側(背側)へ漏れることによる損失を防ぐため、低圧タービンの動翼にはシュラウド3が形成されることが多い。このシュラウドとは動翼先端に付けられた小さなセグメントであり、全動翼をタービンディスクに組み付けて隣接するシュラウドをつなぎ合わせると動翼の外周端において環をなすし、これによりチップクリアランスからの主流ガス(燃焼ガス)の漏れを抑制することができる。しかしながら低圧タービンの動翼(5,000rpm程度で回転)に比べ、非常に高速で回転し(20,000rpm程度で回転)、また高温・高圧の状況下で使用される高圧タービンの動翼においては、大きな遠心力が作用することによるクリープの影響等を考慮して一般的にシュラウドが形成されることはない。
【0005】
そこで高圧タービンの動翼4では、チップクリアランスΔからの主流ガスの漏れを抑制するためにアクティブ・クリアランス・コントロール法(ACC法)が採用されている。ACC法とは、コンプレッサから空気を取り出しこれを動翼の内部やケーシングに送り込んでその冷却を行い、熱膨張をコントロールすることによってチップクリアランスΔを狭小化して主流ガスの漏れを抑制する手法である。
【0006】
また近年では、エンジンの軽量化を目的としてタービンの高負荷化が進められている。すなわち、エンジンを軽量化するために翼の枚数を減少させる一方、1枚の翼にさせる仕事量を増加させる取り組みがなされている。
【0007】
【特許文献1】
特開平11−201092号公報
【特許文献2】
特開昭58−113504号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようにシュラウドを形成することができない高圧タービンの動翼では、ACC法によりチップクリアランスを可能な限り狭小化することでチップクリアランスを抜けて翼の正圧面側から負圧面側に流れる主流ガスの渦(「漏れ渦」という。)の影響を抑える努力が行われているが、これには構造的な限界があるため、タービンの高負荷化が進むにつれて漏れ渦によるタービン性能への影響(劣化)が重大な問題となってきている。すなわち、タービンの高負荷化に伴い翼の正圧面側(腹側)と負圧面側(背側)との圧力差が大きくなった結果、チップシュラウドのない高圧タービンの動翼では、ACC法によってもチップ部付近での漏れ渦の影響が大きく、これがタービン性能を著しく劣化させている実情があった。
【0009】
より具体的に説明するために高負荷化されたタービンの動翼の主流ガスの流れを解析した結果を図5にベクトルを用いて示した。この図に示したように、主流ガスは、隣接する動翼4の間を翼面に沿って流れる1次流れの他に、▲1▼ルート部15(翼の根元部分)の隅部に生じる剥離流れA、▲2▼翼面に沿って径方向に流れる径方向流れB、▲3▼チップ部6とケーシング2の内周面とのチップクリアランスを正圧面側(腹側4a)から負圧面側(背側4b)に流れる漏れ流れCなどがあり、これらの影響により動翼4の近傍には主流ガスの1次流れを乱す2次流れが発生していた。
【0010】
かかる2次流れのうち1次流れに与える損失が最も大きいのは漏れ流れCによるものであり、従来の動翼では、チップクリアランスを通過する漏れ流れと高速の1次流れとの干渉(漏れ渦)による損失がガスタービンの性能を劣化させる最大の要因となっていた。
【0011】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、チップクリアランスを通過する漏れ流れを抑制し、漏れ渦によるエネルギ損失を低減することができ、ガスタービンや圧縮機等の高性能化を達成可能とする回転機械の動翼を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、ケーシング(2)の内周面と動翼(4)のチップ部(6)との間に形成されるチップクリアランス(Δ)を通り抜けて腹側(4a)から背側(4b)に流れる主流ガスの漏れ流れを阻害するために、チップ部から腹側に庇状に突起するチップクリアランス渦低減用プレート(8)を形成し、
前記チップクリアランス渦低減用プレートは、第1位置から第2位置まで延びており、
前記第1位置は、前記動翼における最上流位置から所定距離だけ下流側の位置であり、前記第2位置は、前記動翼における最下流位置から所定距離だけ上流側の位置であり、
前記チップクリアランス渦低減用プレート(8)が前記チップ部から腹側に庇状に突起する高さは、前記第1位置と前記第2位置の付近では相対的に小さく、前記第1位置と前記第2位置との間の中央付近では相対的に大きい、ことを特徴とする回転機械の動翼の動翼を提供する。前記第1位置は、前記最上流位置に近い位置であり、前記第2位置は、前記最下流位置に近い位置であってよい。前記最上流位置はチップ部における腹側端部の上流端であり、前記最下流位置はチップ部における腹側端部の下流端であってよい。
【0013】
本発明によれば、チップクリアランスから正圧面側から負圧面側に漏れる主流ガスの漏れ流れを、動翼の腹側(正圧面側)に庇状に突起して形成したチップクリアランス渦低減用プレートにより阻害することにより減少させ、発生する漏れ渦によるエネルギ損失を低減してタービンや圧縮機等の回転機械の性能を向上させることができる。
特に本発明によれば、翼の正圧面側(腹側)と負圧面側(背側)との圧力差が大きく、ACC法によっても未だ十分に抑制することができなかった高圧タービンや高圧圧縮機での漏れ流れを簡易な形状の動翼によって効果的に減少させることができる。
【0014】
ここで、前記チップクリアランス渦低減用プレート(8)は湾曲する腹側(4a)の翼面に弦をなすように形成される、ことが好ましい。
【0015】
正圧面と負圧面との圧力差が大きく、従来多くの漏れが発生していた曲率が大きなチップ部の1次流れ方向中央付近での突起を大きく、曲率が小さく漏れ流れも少ないチップ部での突起を小さく形成することによって、漏れ流れを効果的に減少させることができると同時に、動翼の重量増加および重量増加に伴う遠心力の影響を最小限に抑えることができる。
【0016】
なお、本発明では動翼の腹側にチップクリアランス渦低減用プレートを形成することとしているが、腹側に加え背側にチップクリアランス渦低減用プレートを形成することを禁止することを意図したものではない。
【0017】
また好ましい実施例によれば、前記チップクリアランス渦低減用プレート(8)は径方向外側に向かい突起する高さを漸増するテーパー形状を有している。
【0018】
チップクリアランス渦低減用プレートの突起する高さを翼端に向かい漸増するテーパー形状とすることにより、後述するように、翼面に沿って径方向に流れる径方向流れによりチップクリアランスを抜けようとする漏れ流れを効果的に阻害し、1次流れに損失を最も大きく与える漏れ流れを減少させて回転機械の性能を向上させることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を用いて説明する。なお、各図において従来例と共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【0020】
本実施例のタービンは軸流タービンであり、路断面積を徐々に広げる気体流路を内部に有するケーシングと、燃焼器出口近傍の気体流路に設けられた高速回転する高圧タービン用の静翼列5および動翼列4と、その下流側の比較的低速回転する低圧タービン用の複数段の静翼列7および動翼列9と、動翼4、9が取り付けられたローター11等を備えている(図4参照)。このタービンはエンジンの軽量化を目的として、翼の枚数を減少させる一方、1枚の翼にさせる仕事量を増加させた高負荷化されたタービンである。
【0021】
図1にこの高圧タービン動翼の本実施例の動翼の下流側から見た斜視図(a)および(a)のZ−Z断面図(b)を示した。動翼は、ハブ13に周方向に等間隔に複数枚取り付けられており、また、軸心に対してチップ部では捩れ角が大きく、ルート部15では捩れ角が小さくなった形状を有している。更に、(b)に示すように、動翼の回転方向上流側(図で左側)が正圧面側4a(腹側)、回転方向下流側(図で右側)が負圧面側4b(背側)であり、動翼の回転により、正圧面側の静圧が高く、負圧面側の静圧が低くなっている。またこの高圧タービンは通常の高圧タービンに比べ特に正圧面側と負圧面側との圧力差が大きく高負荷化されたタービンである。
【0022】
この動翼4は図2(a)に示すように中空構造を有しており、図示しないコンプレッサから取り出した圧縮空気をここに送り込んで動翼4の内部から冷却を行うとともに、圧縮空気を動翼4に形成した細孔17から噴出して動翼外周面をフィルム冷却することにより燃焼室を出た直後の高温の燃焼ガスから動翼を保護している。またケーシングも同様に圧縮空気により冷却されてその熱膨張が制御され、ケーシングの内周面と動翼のチップ部との間に形成されるチップクリアランスが狭小となるようにコントロールされおり、チップクリアランスからの燃焼ガス(主流ガス)の漏れを可能な限り少なくする工夫がなされている(アクティブ・クリアランス・コントロール法)。
【0023】
また図1及び図2(a)に示すように、この動翼4のチップ部には、湾曲した腹側4aの翼面に弦をなすように庇状に突起するチップクリアランス渦低減用プレート8が形成されている。
【0024】
高負荷化されたタービン動翼においては、図5に示したように動翼の正圧面側4a(腹側)から負圧面側4b(背側)にチップクリアランスを通り抜けて流れる漏れ流れの抑制がACC法によっても未だ十分に達成できないため、正圧面側からチップクリアランスに流れ込む漏れ流れをこのチップクリアランス渦低減用プレート8により阻害するようになっている。この動翼によれば、低廉に形成可能なチップクリアランス渦低減用プレート8を用いて効果的に漏れ流れを減少させることができ、特に高負荷化された高圧タービンの運転効率を飛躍的に向上させることができる。
【0025】
なおチップクリアランス渦低減用プレート8を動翼4の腹側4aの翼面に弦をなすように突起する形状としたのは、横軸を無次元コード(X/XB)、縦軸を無次元圧力(P/PT)として表したタービン動翼の翼面静圧分布図である図2(b)からも分かるように、曲率が大きくそのため正圧面側と負圧面側との圧力差が大きくなる部分、すなわち動翼の1次流れ方向中央付近(X/XBが0.5付近)の突起を大きく、曲率が小さくそのため正圧面側と負圧面側との圧力差が小さな部分、すなわち動翼の1次流れ方向上流側及び下流側の突起を小さく形成することにより、正圧面を径方向外側に進行しチップクリアランスを抜けて負圧面側に流れ込もうとする漏れ流れを効果的に減少させることができると同時に、動翼の重量増加を最小限に抑えるためである。
【0026】
ここで本実施例のチップクリアランス渦低減用プレート8は図1(b)に示したように、その突起する高さを翼端に向かい漸増するテーパー形状を有している。動翼4の腹側4a翼面に沿って径方向外側に流れる径方向流れBは、チップ部6近傍でチップクリアランス渦低減用プレート8の傾斜に沿ってタービンの回転方向と反対側にその進行方向を変え、ケーシング2内周面に沿ってチップクリアランスに向かう漏れ流れCと衝突しその進入を阻害する。
【0027】
上述したように本実施例の動翼4によれば、従来、径方向流れBおよび漏れ流れCのいずれもがチップクリアランスに進入して漏れ渦を発生させ、タービンの性能を劣化させていたところを、径方向流れBを漏れ流れCの阻害に利用することで両流れを相殺し、チップクリアランスを抜け2次流れを形成する漏れ流れを減少させて回転機械の性能を向上させることができる。
【0028】
なお、上述した実施例は高負荷化された高圧タービンについてのものであるが本発明はこれに限定されず、回転機械の動翼であればガスタービンの他に圧縮機や送風機等にも適用可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその適用範囲等を種々変更できることは勿論である。
【0029】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の回転機械の動翼によれば、チップクリアランスを通過する漏れ流れを抑制し、漏れ渦によるエネルギ損失を低減することで、ガスタービンや圧縮機等の高性能化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例の高圧タービンの動翼を表した図である。
【図2】冷却翼断面図(a)および翼面静圧分布図(b)である。
【図3】ターボジェットエンジンの模式的構成図である。
【図4】ターボファンエンジンのタービン部分の拡大図である。
【図5】高負荷化されたタービンの動翼の主流ガスの流れをベクトルを用いて示した図である。
【符号の説明】
2 ケーシング
4 動翼
4a 腹側(正圧面側)
4b 背側(負圧面側)
5 高圧タービン用の静翼
6 チップ部
7 低圧タービン用静翼列
8 チップクリアランス渦低減用プレート
9 低圧タービン用動翼列
11 タービンディスク
13 ハブ
15 ルート部
17 細孔
31 空気取入口
32 ファン
33 圧縮機
34 燃焼器
35 ガスタービン
36 ジェットノズル
A 剥離流れ
B 径方向流れ
C 漏れ流れ
Δ チップクリアランス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotating blade of a rotating machine, and more particularly to a rotating blade of a rotating machine such as a turbine, a compressor, or a blower that constitutes a turbomachine.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a turbojet engine, which includes an air inlet 31, a
[0003]
FIG. 4 shows an enlarged view of the turbine portion of a turbofan engine with a high compression ratio. The engine turbine has a two-shaft structure of a high-pressure turbine for driving a compressor (not shown) and a low-pressure turbine for driving a fan.
As shown in the figure, there is a gap (tip clearance Δ) between the tip portion (tip portion 6) of the
[0004]
Here, a shroud 3 is often formed on the moving blade of the low-pressure turbine in order to prevent loss due to mainstream gas leaking from the pressure clearance side (abdominal side) to the negative pressure surface side (back side) through the tip clearance. . This shroud is a small segment attached to the tip of the rotor blade. When all the rotor blades are assembled to the turbine disk and adjacent shrouds are joined together, they form a ring at the outer peripheral edge of the rotor blade. Gas (combustion gas) leakage can be suppressed. However, in comparison with low-pressure turbine blades (rotating at about 5,000 rpm), they rotate at a very high speed (rotating at about 20,000 rpm), and in high-pressure turbine blades used under high-temperature and high-pressure conditions. In general, a shroud is not formed in consideration of the effect of creep caused by the action of a large centrifugal force.
[0005]
Accordingly, the active clearance control method (ACC method) is employed in the moving
[0006]
In recent years, the load of the turbine has been increased for the purpose of reducing the weight of the engine. That is, in order to reduce the weight of the engine, efforts are being made to reduce the number of blades while increasing the amount of work to be performed on one blade.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-11-201092 [Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-113504
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in a moving blade of a high-pressure turbine that cannot form a shroud, the mainstream gas that flows from the pressure surface side to the suction surface side of the blade through the tip clearance by narrowing the tip clearance as much as possible by the ACC method. Efforts to reduce the effects of vortices (called “leakage vortices”) are being made, but due to structural limitations, the impact of leakage vortices on turbine performance as turbines increase in load ( Deterioration) has become a serious problem. That is, as the turbine load increases, the pressure difference between the pressure surface side (abdominal side) and the suction surface side (back side) of the blade increases. As a result, the ACC method is used for moving blades of high-pressure turbines without tip shrouds. However, the influence of leakage vortices in the vicinity of the tip part was large, and there was a situation in which this significantly deteriorated the turbine performance.
[0009]
In order to explain more concretely, the result of analyzing the flow of the mainstream gas of the rotor blade of the turbine subjected to a high load is shown in FIG. 5 using vectors. As shown in this figure, the mainstream gas is generated at the corner of the root portion 15 (the root portion of the blade) in addition to the primary flow flowing along the blade surface between the
[0010]
Of the secondary flows, the loss given to the primary flow is the largest due to the leakage flow C. In the conventional rotor blade, the interference between the leakage flow passing through the tip clearance and the high-speed primary flow (leakage vortex) ) Was the biggest factor that deteriorated the performance of the gas turbine.
[0011]
The present invention has been made to solve such problems. That is, it is an object of the present invention to suppress the flow of leakage through the chip clearance, reduce energy loss due to leakage vortices, and achieve the performance of a rotating machine that can achieve high performance such as a gas turbine or a compressor. To provide wings.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention that achieves the above object passes through the tip clearance (Δ) formed between the inner peripheral surface of the casing (2) and the tip portion (6) of the rotor blade (4) from the ventral side (4a). In order to inhibit the leakage flow of the mainstream gas flowing to the back side (4b), the tip clearance vortex reduction plate (8) protruding in a bowl shape from the tip portion to the ventral side is formed ,
The tip clearance vortex reduction plate extends from a first position to a second position;
The first position is a position downstream by a predetermined distance from the most upstream position in the moving blade, and the second position is a position upstream by a predetermined distance from the most downstream position in the moving blade,
The height at which the tip clearance vortex reduction plate (8) protrudes from the tip portion to the ventral side is relatively small in the vicinity of the first position and the second position, and the first position and the Provided is a rotor blade for a rotating machine blade characterized by being relatively large near the center between the second position . The first position may be a position close to the most upstream position, and the second position may be a position close to the most downstream position. The most upstream position may be an upstream end of the ventral end portion in the tip portion, and the most downstream position may be a downstream end of the ventral end portion in the tip portion.
[0013]
According to the present invention, a chip clearance vortex reduction plate formed by projecting a mainstream gas leakage flow leaking from the pressure clearance side to the suction pressure side from the tip clearance in a bowl shape on the ventral side (positive pressure surface side) of the moving blade. It is possible to improve the performance of a rotating machine such as a turbine or a compressor by reducing the energy loss due to the leaked vortex generated.
In particular, according to the present invention, the pressure difference between the pressure surface side (abdominal side) and the suction surface side (back side) of the blade is large, and the high pressure turbine and the high pressure compression that have not been sufficiently suppressed even by the ACC method. Leakage flow in the machine can be effectively reduced by a moving blade having a simple shape.
[0014]
Here, it is preferable that the tip clearance vortex reducing plate (8) is formed so as to form a string on the curved blade surface (4a).
[0015]
The pressure difference between the positive pressure surface and the negative pressure surface is large, and there is a large protrusion at the center of the primary flow direction of the tip portion with a large curvature, where a large amount of leakage has occurred in the past. By making the protrusions small, the leakage flow can be effectively reduced, and at the same time, the weight of the moving blade and the influence of the centrifugal force accompanying the weight increase can be minimized.
[0016]
In the present invention, the tip clearance vortex reduction plate is formed on the ventral side of the rotor blade, but it is intended to prohibit the formation of the tip clearance vortex reduction plate on the dorsal side in addition to the ventral side. is not.
[0017]
According to a preferred embodiment, the chip clearance vortex reducing plate (8) has a tapered shape that gradually increases the height of the protrusion protruding outward in the radial direction.
[0018]
By making the protruding height of the tip clearance vortex reducing plate gradually increase toward the blade tip, as will be described later, it tries to escape the tip clearance by the radial flow flowing in the radial direction along the blade surface. The performance of the rotating machine can be improved by effectively inhibiting the leakage flow and reducing the leakage flow that causes the largest loss to the primary flow.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected and used for the part which is common in a prior art example.
[0020]
The turbine of the present embodiment is an axial turbine, and has a casing having a gas flow passage that gradually widens the cross-sectional area of the inside, and a stationary blade for a high-pressure turbine that rotates at a high speed provided in the gas flow passage near the combustor outlet. A row 5 and a moving
[0021]
FIG. 1 shows a perspective view (a) of the high-pressure turbine rotor blade as viewed from the downstream side of the rotor blade of this embodiment and a ZZ cross-sectional view (b) of FIG. A plurality of blades are attached to the
[0022]
The moving
[0023]
As shown in FIGS. 1 and 2A, the tip portion of the moving
[0024]
In the turbine blade having a high load, as shown in FIG. 5, the leakage flow flowing through the tip clearance from the
[0025]
The tip clearance vortex reduction plate 8 is shaped so as to form a chord on the blade surface on the
[0026]
Here, as shown in FIG. 1B, the tip clearance vortex reduction plate 8 of the present embodiment has a tapered shape in which the protruding height gradually increases toward the blade tip. The radial flow B flowing radially outward along the
[0027]
As described above, according to the moving
[0028]
In addition, although the Example mentioned above is a thing about the high pressure turbine made high load, this invention is not limited to this, If it is a moving blade of a rotary machine, it is applied also to a compressor, an air blower, etc. besides a gas turbine. Needless to say, the scope of application and the like can be variously changed without departing from the gist of the present invention.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the rotor blade of the rotating machine of the present invention, the leakage flow passing through the tip clearance is suppressed, and the energy loss due to the leakage vortex is reduced, thereby improving the performance of the gas turbine, the compressor, and the like. Can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a moving blade of a high-pressure turbine according to the present embodiment.
FIG. 2 is a sectional view of a cooling blade (a) and a blade surface static pressure distribution diagram (b).
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a turbojet engine.
FIG. 4 is an enlarged view of a turbine portion of a turbofan engine.
FIG. 5 is a diagram showing the flow of mainstream gas in a moving blade of a turbine subjected to high load using vectors.
[Explanation of symbols]
2
4b Back side (negative pressure side)
5 High pressure turbine
Claims (5)
前記チップクリアランス渦低減用プレートは、第1位置から第2位置まで延びており、
前記第1位置は、前記動翼における最上流位置から所定距離だけ下流側の位置であり、前記第2位置は、前記動翼における最下流位置から所定距離だけ上流側の位置であり、
前記チップクリアランス渦低減用プレート(8)が前記チップ部から腹側に庇状に突起する高さは、前記第1位置と前記第2位置の付近では相対的に小さく、前記第1位置と前記第2位置との間の中央付近では相対的に大きい、ことを特徴とする回転機械の動翼。Mainstream gas flowing from the ventral side (4a) to the back side (4b) through the tip clearance (Δ) formed between the inner peripheral surface of the casing (2) and the tip portion (6) of the rotor blade (4). In order to inhibit the leakage flow of the tip, a tip clearance vortex reduction plate (8) projecting in a bowl shape from the tip part to the ventral side is formed ,
The tip clearance vortex reduction plate extends from a first position to a second position;
The first position is a position downstream by a predetermined distance from the most upstream position in the moving blade, and the second position is a position upstream by a predetermined distance from the most downstream position in the moving blade,
The height at which the tip clearance vortex reduction plate (8) protrudes from the tip portion to the ventral side is relatively small in the vicinity of the first position and the second position, and the first position and the A rotating blade of a rotating machine, characterized in that it is relatively large near the center between the second position .
Priority Applications (1)
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