1、目 录 第一章 基本资料1第二章 机组台数与单机容量的选择1第三章 水轮机主要参数的选择与计算3第四章 水轮机运转特性曲线的绘制16第五章 蜗壳设计19第六章 尾水管设计23第七章 心得体会26参考文献27第一章 基本资料基本设计资料已知技术条件与参数A水电站的开发任务以发电为主，承担基荷。总装机240MW。厂址水位流量关系曲线水位（m）878.00880.30881.50882.30883.00883.4流量（m3/s）0.0100.0200.0300.0400.0500.0水位（m）883.70883.90884.00884.20884.50流量（m3/s）600700.0800.0900
2、.01000.0水电站特征水头 Hmax=76.00m， Hmin=52.00m， Hav=62.00m第二章 机组台数与单机容量的选择 水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟定可能的机组台数方案，选择机组台数与单机容量时应遵循如下原则：2.1机组台数与工程建设费用的关系在水电站的装机容量基本已经定下来的情况下，机组台数增多，单机容量减小。通常小机组单位千瓦耗材多、造价高，相应的主阀、调速器、附属设备及电气设备的套数增加，投资亦增加，整体设备费用高。另外，机组台数多，厂房所占的平面尺寸也会增大。一般情况下，台数多对成本和投资不利。因此，较少的机组台数有利于
3、降低工程建设费用2.2机组台数与设备制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加一定的难度。然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总希望单机容量制造得大些。2.3机组台数对水电站运行效率的影响水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。机组台数不同，水电站平均效率也不同。机组台数较少，平均效率越低。机组台数多，可以灵活改变机组运行方式，调整机组负荷，避开低效率区运行，以是电站保持较高的平均效率。但机组台数多到一定程度，再增加台数对水电站运行效率增加的效果就不显著。当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，
4、可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率。当水电站担任系统尖峰负荷并且程度调频任务时，由于负荷经常变动，而且幅度较大，为使每台机组都可以在高效率区工作，则需要更多的机组台数。另外，机组类型不同，高效率范围大小也不同，台数对电厂平均效率的影响就不同。对于高效率工作区较窄的，机组台数应适当多一些。轴流转浆式水轮机，由于单机的效率曲线平缓且高效区宽，台数多少对电厂的平均效率影响不明显；而混流式、轴流定浆式水轮机其效率曲线较陡，当出力变化时，效率变化较剧烈，适当增加台数可明显改善电厂运行的平均效率。2.4机组台数与水电站运行维护的关系机组台数多，单机容量小，水电站运行方式较灵活
5、机动，机组发生事故停机产生的影响小，单机轮换检修易于安排，难度也小。但台数多，机组开、停机操作频繁，操作运行次数随之增多，发生事故的几率也随之增高，对全厂检修很麻烦。同时，管理人员多，维护耗材多，运行费用也相应提高。故不能用过多的机组台数。2.5机组台数与其他因素的关系 2.5.1机组台数与电网的关系对于区域电网的单机：装机容量较小15%系统最大负荷（不为主导电站）；装机容量较大10%系统容量(系统事故备用容量)，因而，单机容量与台数选取不受限制。 2.5.2机组台数与保证出力的关系根据设计规范要求，机组单机容量应以水轮机单机运行时其出力在机组的稳定运行区域范围内确定为原则。不同型式的水轮机的
6、稳定运行负荷区域如表1。 表2 不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域型式稳定运行负荷区域（%）型式稳定运行负荷区域（%）混流式40100冲击式25100轴流定浆式70100轴流转浆式30100贯流转浆式25100 2.5.3机组台数与电气主接线的关系对采用扩大单元的电气主接线方式，机组台数为偶数为利。但由于大型机组主变压器受容量限制，采用单元接线方式，机组台数的奇、偶数就无所谓了。上述各种因素互相影响，遵循上述原则，并且该水电站装机容量为24万kW，由于2.2万kW24万kW25万kW，该水电站为中型水电站，并且其主要任务是以发电为主，承担基荷。综上所述，确定机组台数选择的原则：对中小型型水电站
7、，一般选择2-4台；为水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率，则应尽量减少机组台数。保证在水头低于额定水头时，机组受阻容量尽量小；在可能的情况下尽量选用单机容量较大的水轮机，以降低设备造价。第三章 水轮机主要参数的选择与计算根据水头的变化：最小工作水头52.00m到最大工作水头76.00m。由已知加权平均水头为62.00m及水轮机原理与运行关于确定额定水头，对河床式电站：Hr=0.9Hw; 对坝后式电站：Hr=0.95Hw.故取坝后式，所以Hr=0.95Hw=0.95*62=58.9m.所以公式得比转速： 在水轮机系列型谱表查出合适的机型中选取HL120(7600MW),
8、HL110(10420MW)和HL160(7600MW)三种类型水轮机。现将这三种水轮机作为初选方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。3.1计算水轮机基本参数 方案一 HL220 (2120MW)3.1.1计算转轮直径 由水轮机额定功率公式 取=0.96 所以 由水轮机原理与运行附表二取最优单位转速=70r/min 与功率限制线交点的单位流量为额定工况的单位流量（查该型号综合特性曲线图知），则=1.15 ，对应的模型效率。去效率修正值，则额定工况原型水轮机效率=0.925。水轮机转轮直径为 =5.17m附1.水轮机转轮标准直径系列：（单位：mm ）100120140160180200225
9、250275300330380410450500550600650700 按我国规定的转轮直径系列，且转轮直径取小了不能保证在额定水头下发出额定功率，取大了，不经济且无必要。根据单机功率和转轮直径，该水轮机属大型机组，由附1知在标准值5m-5.5m之间，故取非标准值5.2m.。 3.1.2计算水轮机效率 已知：；5 由公式代入数据知=0.948 所以=0.948-0.915=0.033额定工况原型水轮机的效率为 =0.895+0.033=0.9283.1.3水轮机转速的计算与选择由公式 ，代入数据得转速n=107.51r/min式中 ，所以各值代入下式 =0.0180.03 符合，不需修正（1
10、）检验水轮机实际工作范围的校核发电机同步转速的计算公式为 n为发电机同步转速，r/min；p为发电机磁极对数。 磁极对数 3000/107.51=27.9，则磁极对数取26、28。附2.水轮机转轮标准转速系列 （单位： r/min）187.5166.7150136.412510710093.883.37568.257.75350 故由比转速公式分别求出下对应的单位转速，如表3所示：表3 各水头对应单位计算表转速方案=3000/26=115.38 r/min68.8276.2078.1883.20=3000/28=107.14 r/min63.9170.7672.5977.26 检查两方案，在模
11、型综合特性曲线图上，第一种方案包含高效率去，且原则上取相近偏大值。所以确定取第一种方案。即=115.38r/min（2）水轮机计算点出力的校核计算时的出力： = 符合要求3.1.4计算水轮机额定流量Qr =236.58 3.1.5计算最大允许吸出高度 在额定工况下，模型水轮机的空化系数=0.133。根据几个装有HL220转轮的电站调查，认为HL220转轮的电站空化系数应大于0.1为好，查水轮机原理与运行教材54页表3-3得空蚀安全系数取K=1.15。 由 前面已知条件厂址水位流量关系曲线水位（m）878.00880.30881.50882.30883.00883.4流量（m3/s）0.0100
12、.0200.0300.0400.0500.0水位（m）883.70883.90884.00884.20884.50流量（m3/s）600700.0800.0900.01000.0知：当流量为2Qr时，E=883.2m 将数据代入公式得Hs=0.009m，所以取Hs=0.01m3.1.6实际的水轮机额定水头因不同的D1、与水能预算Hr有差异 代入数据得Hr=58.32m3.1.7计算水轮机实际额定流量 代入数据得=235.41式中Hr采用上述实际的水轮机额定水头中的计算结果。3.1.8计算飞逸转速 查水轮机原理与运行教材5,由HL220-46模型水轮机飞逸特性曲线查得，在最大导叶开度下单位飞逸转
13、速=133r/min,代入数据到下式 所以=222.974r/min3.1.9计算轴向水推力查水轮机原理与运行教材5,由HL220-46模型水轮机飞逸特性曲线查得的转轮轴向水推力系数=0.32 代入数据Ft=5064177N3.2.0检验水轮机工作范围设计工况的单位流量： 代入数据得=1.12最大、最小水头对应的单位转速： 代入数据得=68.82r/min 代入数据得=83.21 r/min平均水头对应的单位转速： 代入数据得=76.20 r/min3.2.1机组安装高度的确定混流式水轮机的安装高程：(取最低尾水位)由混流式水轮机系列型谱知HL220导叶的相对高度为0.25,又知D1=5.2
14、m b0=0.25*5.2=1.3则水轮机的安装高程为 = 878+(0.01)+1.3/2=878.66(m)方案二 HL260/D74(2120MW)3.1.1计算转轮直径 由水轮机额定功率公式 取=0.97 所以 由水轮机原理与运行附表7取最优单位转速79r/min 与功率限制线交点的单位流量为额定工况的单位流量（查该型号综合特性曲线图知），则 ，对应的模型效率=0.894。去效率修正值，则额定工况原型水轮机效率 =0.894+0.03=0.924。水轮机转轮直径为=4.92m 按我国规定的转轮直径系列，且转轮直径取小了不能保证在额定水头下发出额定功率，取大了，不经济且无必要。根据单机功
15、率和转轮直径，该水轮机属大型机组，由附1取标准值5m.。 3.1.2计算水轮机效率 已知：=0.35； =0.927 由公式代入数据知=0.957 所以=0.957-0.927=0.0301额定工况原型水轮机的效率为 =0.894+0.0301=0.9243.1.3水轮机转速的计算与选择由公式 ，代入数据得转速n=124.41r/min式中 ，所以各值代入下式 =0.0160.03 符合，不需修正（1）检验水轮机实际工作范围的校核发电机同步转速的计算公式为 n为发电机同步转速，r/min；p为发电机磁极对数。 磁极对数 3000/124.41=24.1138， 则磁极对数取24、26。 故由比
16、转速公式分别求出下对应的单位转速，如表3所示：表3 各水头对应单位计算表转速方案=3000/26=125 r/min71.6979.3881.4486.67=3000/28=115.4 r/min66.1973.2875.1880.02 检查两方案，在模型综合特性曲线图上，第一种方案包含高效率去，且原则上取相近偏大值。所以确定取第一种方案。即=125r/min（2）水轮机计算点出力的校核计算时的出力： 代入数据得P=127738.08kwPr符合要求3.1.4计算水轮机额定流量Qr =239.26 3.1.5计算最大允许吸出高度 在额定工况下，查水轮机原理与运行教材附表7得模型水轮机的空化系数
17、=0.143。根据几个装有HL260/D64转轮的电站调查，认为HL260/D64转轮的电站空化系数应大于0.1为好，查水轮机原理与运行教材54页表3-3得空蚀安全系数取K=1.15。 由 前面已知条件厂址水位流量关系曲线水位（m）878.00880.30881.50882.30883.00883.4流量（m3/s）0.0100.0200.0300.0400.0500.0水位（m）883.70883.90884.00884.20884.50流量（m3/s）600700.0800.0900.01000.0知：当流量为2Qr时，E=883.25m 将数据代入公式得Hs=-0.67m，所以取Hs=-
18、0.7m3.1.6实际的水轮机额定水头因不同的D1、与水能预算Hr有差异 代入数据得Hr=57.66m3.1.7计算水轮机实际额定流量 代入数据得=236.72式中Hr采用上述实际的水轮机额定水头中的计算结果。3.1.8计算飞逸转速 查河海大学水轮机原理教材得由模型HL260/D74水轮机的飞逸转速曲线得，最大单位飞逸转速代入数据到下式 所以=262.23r/min3.1.9计算轴向水推力查河海大学水轮机原理教材得由模型HL260/D74水轮机的飞逸转速曲线查得的转轮轴向水推力系数=0.36 代入数据Ft=5267381.4N 3.2.0检验水轮机工作范围设计工况的单位流量： 代入数据得=1.
19、2077最大、最小水头对应的单位转速： 代入数据得=71.69r/min 代入数据得=86.67 r/min平均水头对应的单位转速： 代入数据得=79.38 r/min 由上述参数可知，水轮机实际运行范围处于高效区范围内，平均水头的单位转速接近优化转速，故所选参数合理。 3.2.1机组安装高度的确定混流式水轮机的安装高程：(取最低尾水位)由混流式水轮机系列型谱知HL260导叶的相对高度为0.28,又知D1=5 m b0=0.28*5=1.4则水轮机的安装高程为H= 878+(-0.7)+1.4/2=878 (m)方案三 HL260/D74(380MW)3.1.1计算转轮直径 由水轮机额定功率公
20、式 取=0.98 所以 由水轮机原理与运行附表7取最优单位转速79r/min 与功率限制线交点的单位流量为额定工况的单位流量（查该型号综合特性曲线图知），则 ，对应的模型效率=0.894。去效率修正值，则额定工况原型水轮机效率 =0.894+0.03=0.924。水轮机转轮直径为=3.997m 按我国规定的转轮直径系列，且转轮直径取小了不能保证在额定水头下发出额定功率，取大了，不经济且无必要。根据单机功率和转轮直径，该水轮机属大型机组，由附1取标准值4.1m.。 3.1.2计算水轮机效率 已知：=0.35m； =0.927 由公式代入数据知=0.955 所以=0.955-0.927=0.028
21、额定工况原型水轮机的效率为 =0.894+0.0301=0.9223.1.3水轮机转速的计算与选择由公式 ，代入数据得转速n=151.72r/min式中 ，所以各值代入下式 =0.0150.03 符合，不需修正（1）检验水轮机实际工作范围的校核发电机同步转速的计算公式为 n为发电机同步转速，r/min；p为发电机磁极对数。 磁极对数 3000/151.72=19.77， 则磁极对数取18、20。 故由比转速公式分别求出下对应的单位转速，如表3所示：表3 各水头对应单位计算表转速方案=3000/18=166.7 (r/min)78.4086.8089.0694.78=3000/20=150( r
22、/min)70.5578.1180.1385.29 检查两方案，在模型综合特性曲线图上，第一种方案包含高效率去，且原则上取相近偏大值。所以确定取第一种方案。即=166.7r/min（2）水轮机计算点出力的校核计算时的出力： 代入数据得P=85705.17kwPr符合要求3.1.4计算水轮机额定流量Qr =160.88 3.1.5计算最大允许吸出高度 在额定工况下，查水轮机原理与运行教材附表7得模型水轮机的空化系数=0.143。根据几个装有HL260/D64转轮的电站调查，认为HL260/D64转轮的电站空化系数应大于0.1为好，查水轮机原理与运行教材54页表3-3得空蚀安全系数取K=1.15。
23、 由 前面已知条件厂址水位流量关系曲线水位（m）878.00880.30881.50882.30883.00883.4流量（m3/s）0.0100.0200.0300.0400.0500.0水位（m）883.70883.90884.00884.20884.50流量（m3/s）600700.0800.0900.01000.0知：当流量为3Qr=482.64时，E=883.2m 将数据代入公式得Hs=-0.67m，所以取Hs=-0.68m3.1.6实际的水轮机额定水头因不同的D1、与水能预算Hr有差异 代入数据得Hr=57.02m3.1.7计算水轮机实际额定流量 代入数据得=158.29式中Hr采
24、用上述实际的水轮机额定水头中的计算结果。3.1.8计算飞逸转速 查河海大学水轮机原理教材得由模型HL260/D74水轮机的飞逸转速曲线得，最大单位飞逸转速代入数据到下式 所以=319.79r/min3.1.9计算轴向水推力查河海大学水轮机原理教材得由模型HL260/D74水轮机的飞逸转速曲线查得的转轮轴向水推力系数=0.36 代入数据Ft=3541787.25N 3.2.0检验水轮机工作范围设计工况的单位流量： 代入数据得=1.1877最大、最小水头对应的单位转速： 代入数据得=78.40r/min 代入数据得=94.78 r/min平均水头对应的单位转速： 代入数据得=86.80r/min
25、由上述参数可知，水轮机实际运行范围处于高效区范围内，平均水头的单位转速接近优化转速，故所选参数合理。 3.2.1机组安装高度的确定混流式水轮机的安装高程：(取最低尾水位)由混流式水轮机系列型谱知HL260导叶的相对高度为0.28,又知D1=4.1 m b0=0.28*4.1=1.148则水轮机的安装高程为H= 878+(-0.68)+1.148/2=877.894 (m) 综上三种方案如下表所示：表5 三种方案数据表格方案方案一方案二方案三水轮机型号（台数单机容量）HL220(2120MW)HL260/D74(2120MW)HL260/D74(380MW)比转速 (r/min)22026026
26、0适用水头范围（m）508550805080额定功率 （kw）125000123711.3481632.65模型最优单位比转速 (r/min)707979模型额定工况单位流量 ()1.151.2471.247转轮直径 (m)5.254.1水轮机效率 0.9280.9240.922转速 n (r/min)115.38125166.7出力 P (N)129540.64127738.0885705.17额定流量 ()236.57239.26160.88吸出高度 (m)0.01-0.7-0.68单位飞逸转速 (r/min)133150.4150.4飞逸转速 (r/min)222.97262.23319
27、.79实际额定水头 (m)58.3257.6657.02实际额定流量 ()235.41236.72158.29轴向水推力 (N)50641775267381.43541787.25水轮机安装高程Z（m）878.66878877.893.1.11确定机组方案 根据上面列举出来的三种方案数据分析，第三种方案出力最小，效率最低，且机组台数最多，不经济故首先排除。第一二种方案中，第二种方案转速比第一种的高，则其发电机尺寸较小，转轮直径为标准值，重量轻，一方面可以减少设备的造价，另一方面有利于减小厂房的平面尺寸，降低厂房的土建投资，且吸出高度比第一种大，利于减少空蚀。综上所述，最佳方案为第二种方案。第四
28、章 水轮机运转特性曲线的绘制4.1等效率曲线的计算与绘制现取水电站5个水头，列表计算，计算结果如表6所示。绘制的等效率线详见设计图纸。表6 HL260/D74型水轮机等效率曲线计算表转轮型号： HL260/D74LJ-500 ；D1= 5.0 m； n= 125 r/min； =0.0301；Hmin= 52 m；Hmax= 76 m；Hw=62m; Hd = 58.9 m；n11= 1.268 r/min； Hi/mH1H2H3 -5258.96286.672 81.437 79.37585.40480.169 78.107工作特性曲线计算mpQ11/m3/sP/kwQ11/m3/sP/kw
29、Q11/m3/sP/kw0.820.850.75559.020.69065.020.68069.200.840.870.83066.420.75060.010.73576.560.860.890.91674.970.82567.520.80585.780880.911.00083.690.92577.410.88095.880.900.931.07591.940.99485.010.970108.010.92.0.95-1.02289.291.035117.720.920.95-1.155100.901.140129.670.900.931.250106.911.235105.621.2251
30、36.400.880.911.300108.791.292108.121.290140.550.860.891.345110.081.342109.841.340142.790.840.871.388111.051.388111.051.385144.270.820.851.425111.391.428111.621.425145.02转轮型号： HL260/D74LJ-500 ；D1= 5.0 m； n= 125 r/min； =0.0301；Hmin= 52 m；Hmax= 76 m；Hw=62m; Hd = 58.9 m；n11= 1.268 r/min； Hi/mH4H5 -70767
31、4.70271.69273.43470.424工作特性曲线计算mpQ11/m3/sP/kwQ11/m3/sP/kw0.820.850.66080.580.66091.160.840.870.72089.970.718101.500.860.890.77799.330.775112.070880.910.842110.060.840124.210.900.930.920122.900.917138.570.92.0.951.000136.46-0.920.951.078147.10-0.900.931.190158.961.150173.780.880.911.265165.351.240183
32、.350.860.891.325169.391.305188.720.840.871.375171.831.360192.260.820.851.415172.761.405194.05转轮型号： HL260/D74LJ-500 ；D1= 5.0 m； n= 125 r/min； =0.0301；Hmin= 52 m；Hmax= 76 m；Hw=62m; Hd = 58.9 m；n11= 1.268 r/min； H1H2H3mQ11/m3/sp（%）P（kw）mQ11/m3/sp（%）P（kw）mQ11/m3/sp（%）P（kw）5%出力限制线上的点0.9051.2300.935105.76
33、0.9001.2380.930127.640.8941.2450.924137.73H4H5mQ11/m3/sp（%）P（kw）mQ11/m3/sp（%）P（kw）5%出力限制线上的点0.8821.2600.912165.050.8751.2550.905184.574.2等吸出高度线的绘制（1）求出各水头下的值，并在相应的模型综合特性曲线上查出水平线与各等气蚀系数线的所有交点坐标，读出、的值，其中值由水轮机原理与运行P53图3-13空化系数修正线查出，并由此计算出、P，填入表7中（2）利用公式计算出相应于上述各的值，填入表7中。计算结果如表7所示，绘制的等吸出高度线详见设计图纸。 表7 HL
34、160型水轮机等吸出高曲线计算表(%)(%)P(kw)(m)7671.70.150.160.170.18-1.1201.2251.290-0.9050.8960.865- 0.9350.9260.895-170.2184.3187.50.168 0.179 0.190 0.20112.77 13.6014.4415.28-3.75 -4.58 -5.42 -6.267074.70.150.160.170.181.2501.2901.3251.3450.8850.8700.8600.8530.9150.9000.8900.883164.3 166.8 169.4 170.60.168 0.179
35、 0.190 0.20111.76 12.53 13.30 14.07-2.74 -3.51 -4.28 -5.056279.40.150.160.170.181.2801.3281.3481.3620.8820.8650.8580.8500.9120.8950.8880.880139.8 142.3 143.3 143.50.168 0.179 0.190 0.20110.42 11.10 11.78 12.46-1.40 -2.08 -2.76 -3.44 58.9 81.40.150.160.170.181.2821.3301.3501.3700.8200.8650.8580.8480.
36、8500.8950.8880.878120.8 132.0 133.0 133.40.168 0.179 0.190 0.2019.90 10.54 11.19 11.84-0.88 -1.52 -2.17 -2.825286.70.150.160.170.181.270 1.322 1.350 1.368 0.8930.8700.8580.8500.9230.9000.8880.880107.8 109.4 110.2 110.70.168 0.179 0.190 0.2018.74 9.31 9.88 10.450.28 -0.29 -0.86 -1.43第五章 蜗壳设计5.1蜗壳型式选择
37、 由于本水电站水头高度范围为5276m，所以采用金属蜗壳。5.2主要参数 蜗壳进口断面的计算金属蜗壳的进口断面型式一般都作成圆形，为钢板制作。(蜗壳是沿座环圆周焊接在上下碟形边上，由于过流量的减小，蜗壳断面也随之减小，为使小断面能和碟形边相接，在某一包角后均采用椭圆断面)蜗壳进口断面平均速度,根据水轮机原理与运行公式（6-5）及查图6-8当=57.66m时=0.92，所以代入数据得=6.98m/s蜗壳的进口流量 代入数据=236.72得=226.86为蜗壳包角，对于金属蜗壳一般取.蜗壳的进口断面面积 代入数据得=32.50 进口断面的半径 代入数据得=3.22m 附：由水电站机电设计手册 水力
38、机械查得(上附表)座环的外径、内径分别为： Da=7750mm Db=6600mm k=150mm R=400mm 蜗壳座环外半径则 =3.870+0.150=4.02m 由水轮机原理与教材知对中小型混流式/D1=0.1+0.00065,所以代入数据得/D1=0.269=0.269=0.269*5=1.345m =0.9*1.345=1.2105m(取0.9)由水轮机原理与教材中式6-14 知 代入数据得=7.0038m将上式代入 得代入数据得c=440.00因为 , 所以S=2.11m L=1.48m由教材式6-24得代入数据得= 176.86 则当 =176.86时，采用圆形断面。 定出各计算断面的角度，按下列公式计算各断面的尺寸： 附为了方便画图，减少计算量取24节，各界角度取15度，计算可按表8的格式进行表8 计算金属蜗壳圆形断面尺寸断面号 13452.98383.227.00410.223823302.88653.136.90610.036533152.78733.0396.8079.846143002.68592.9466.7069.652152852.58232.8526.6029.454262702.47602.7566.4969.252072552.36682.658
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