JPH0621571B2 - ガスタ−ビン燃焼器 - Google Patents
ガスタ−ビン燃焼器Info
- Publication number
- JPH0621571B2 JPH0621571B2 JP11081086A JP11081086A JPH0621571B2 JP H0621571 B2 JPH0621571 B2 JP H0621571B2 JP 11081086 A JP11081086 A JP 11081086A JP 11081086 A JP11081086 A JP 11081086A JP H0621571 B2 JPH0621571 B2 JP H0621571B2
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- Japan
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- fuel
- combustion
- stage
- load
- premixed
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明がガスタービン燃焼器に係り、特に、大気汚染物
質である窒素酸化物（ＮＯｘ）及び未燃排出物の一酸化
炭素（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ）等の発生を抑制し得る
予混合多段燃焼器に関する。
質である窒素酸化物（ＮＯｘ）及び未燃排出物の一酸化
炭素（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ）等の発生を抑制し得る
予混合多段燃焼器に関する。
従来のガスタービン燃焼器の予混合燃焼方法である一具
体例（Ｕ．Ｓ．Ｐ．4292801）について記載する。この
燃焼器は頭部に第一段目の燃料ノズルをもち、区分され
た燃焼室を複数個設置し、その下流側中央部に突出して
形成する第二段目の燃料ノズルを設け、その外周側の一
部が絞られた燃焼室で構成されている。作動時は第一段
目ノズルから燃料を導入して着火させ、第二段目の燃料
を導入し、第一段目の燃料を一時的に遮断し、第二段目
の燃料に着火後は、更に、第一段目燃料を導入して燃料
と空気を予混合して第二段目の火炎で燃焼を継続させ
る。しかし、第一段目の燃料を多くするとＮＯｘ生成量
は減少するが、逆火領域があること，予混合の燃料割合
が少ない範囲で極端なＣＯ発生がある。従つて、ガスタ
ービン燃焼作動領域において、燃焼用空気量一定に対し
て燃焼負荷制御を行なう場合、低負荷側は希薄燃焼とな
り、予混合燃焼で低ＮＯｘ化を行なうことは難しい。特
に、従来、燃焼負荷帯に合わせた予混合燃焼の作動領域
の拡大、第一段から第二段目の切換時の制御燃焼等につ
いて考慮されていなかつた。
体例（Ｕ．Ｓ．Ｐ．4292801）について記載する。この
燃焼器は頭部に第一段目の燃料ノズルをもち、区分され
た燃焼室を複数個設置し、その下流側中央部に突出して
形成する第二段目の燃料ノズルを設け、その外周側の一
部が絞られた燃焼室で構成されている。作動時は第一段
目ノズルから燃料を導入して着火させ、第二段目の燃料
を導入し、第一段目の燃料を一時的に遮断し、第二段目
の燃料に着火後は、更に、第一段目燃料を導入して燃料
と空気を予混合して第二段目の火炎で燃焼を継続させ
る。しかし、第一段目の燃料を多くするとＮＯｘ生成量
は減少するが、逆火領域があること，予混合の燃料割合
が少ない範囲で極端なＣＯ発生がある。従つて、ガスタ
ービン燃焼作動領域において、燃焼用空気量一定に対し
て燃焼負荷制御を行なう場合、低負荷側は希薄燃焼とな
り、予混合燃焼で低ＮＯｘ化を行なうことは難しい。特
に、従来、燃焼負荷帯に合わせた予混合燃焼の作動領域
の拡大、第一段から第二段目の切換時の制御燃焼等につ
いて考慮されていなかつた。
ガスタービン燃焼の場合、燃料に対して空気が比較的多
量に流動するため、定格負荷条件で空気と燃料の最適予
混合に設定すると、燃料が少ない低負荷側では、予混合
の度合に関係なく、希薄側の燃焼となる。この燃焼領域
の手段として、従来、第一段目の燃料分散導入による拡
散燃焼を行ない高負荷で第二段目の予混合燃焼方式を採
用している。しかし、予混合燃焼範囲が狭いため、超低
ＮＯｘ化は期待できず、部分負荷時のＣＯ発生の抑制も
構造的にかなり難しい。特に、二段燃焼方式では、拡散
燃焼と予混合燃焼の割合はＮＯｘ，ＣＯ生成量に極めて
重要な因子であり、予混合燃焼領域が狭いと、低ＮＯｘ
化燃焼に不利となり、一段から二段目への切換時の火移
りや不安定燃焼の問題解決が必要である。
量に流動するため、定格負荷条件で空気と燃料の最適予
混合に設定すると、燃料が少ない低負荷側では、予混合
の度合に関係なく、希薄側の燃焼となる。この燃焼領域
の手段として、従来、第一段目の燃料分散導入による拡
散燃焼を行ない高負荷で第二段目の予混合燃焼方式を採
用している。しかし、予混合燃焼範囲が狭いため、超低
ＮＯｘ化は期待できず、部分負荷時のＣＯ発生の抑制も
構造的にかなり難しい。特に、二段燃焼方式では、拡散
燃焼と予混合燃焼の割合はＮＯｘ，ＣＯ生成量に極めて
重要な因子であり、予混合燃焼領域が狭いと、低ＮＯｘ
化燃焼に不利となり、一段から二段目への切換時の火移
りや不安定燃焼の問題解決が必要である。
本発明の目的は、予混合燃焼方式における、予混合の度
合を抑制することにより、燃焼範囲の拡大を図り、燃焼
負荷帯の排ガス特性に合致した低ＮＯｘ燃焼を行なう方
法に関する。
合を抑制することにより、燃焼範囲の拡大を図り、燃焼
負荷帯の排ガス特性に合致した低ＮＯｘ燃焼を行なう方
法に関する。
上記目的は、ガスタービン燃焼作動領域に合致させ、低
負荷時は可燃混合気の混合パターンに濃淡を形成し、高
負荷時は均一混合可能な燃料抑制を自在にすることであ
る。予混合燃焼を達成する手段として、予混合気を燃焼
室軸方向に多段化し、火炎の分散による均一低温度を図
ること。次に燃焼室内への燃料導入機構は、噴口部上流
側の空気流路部を区分し、各流路部に燃料導入孔、噴孔
をもつ燃料導入管を多数配列して、燃焼室内外方向に燃
料濃度変化をつける。また、各段の燃料流量は、調節器
を介して自動制御可能にする。更に、第一段目の燃料導
入領域は、着火から低負荷時を作動させ、第二段目の作
動領域は、部分負荷から定格負時とする。特に、各段の
予混合導入時は噴口部の燃料導入機構を操作して、希薄
側の燃焼では予混合燃料に濃淡を形成させ、高負荷時は
均一化方向の燃料濃度で燃焼を継続させることでNOx,Ｃ
Ｏを同時に抑制する。
負荷時は可燃混合気の混合パターンに濃淡を形成し、高
負荷時は均一混合可能な燃料抑制を自在にすることであ
る。予混合燃焼を達成する手段として、予混合気を燃焼
室軸方向に多段化し、火炎の分散による均一低温度を図
ること。次に燃焼室内への燃料導入機構は、噴口部上流
側の空気流路部を区分し、各流路部に燃料導入孔、噴孔
をもつ燃料導入管を多数配列して、燃焼室内外方向に燃
料濃度変化をつける。また、各段の燃料流量は、調節器
を介して自動制御可能にする。更に、第一段目の燃料導
入領域は、着火から低負荷時を作動させ、第二段目の作
動領域は、部分負荷から定格負時とする。特に、各段の
予混合導入時は噴口部の燃料導入機構を操作して、希薄
側の燃焼では予混合燃料に濃淡を形成させ、高負荷時は
均一化方向の燃料濃度で燃焼を継続させることでNOx,Ｃ
Ｏを同時に抑制する。
燃料と空気の予混合過程で、燃料の濃度場を燃焼負荷帯
に合せて抑制可能にすることは、予混合燃焼領域の拡
大、安定燃料に非常に有利である。例えば、空気量一定
の領域に比較的少量の燃料を導入し、予混合の燃料に濃
淡を形成すると、その濃い領域が可燃範囲にあれば火炎
が発生し、温度が高温となるに従つて、周囲の希薄可燃
混合気の燃焼が促進される。
に合せて抑制可能にすることは、予混合燃焼領域の拡
大、安定燃料に非常に有利である。例えば、空気量一定
の領域に比較的少量の燃料を導入し、予混合の燃料に濃
淡を形成すると、その濃い領域が可燃範囲にあれば火炎
が発生し、温度が高温となるに従つて、周囲の希薄可燃
混合気の燃焼が促進される。
一方、高負荷側では、燃料が大となるので、予混合の強
化を図り、均一低温度燃焼を可能にする。燃料の均一化
混合は、低ＮＯｘ化燃焼に最も有効な方法であり、ＣＯ
抑制にも効果的である。また、燃料濃度場に濃淡を形成
させる場合でも極端な燃料が濃い部分（燃料のみ）、ま
たは、淡い領域（空気のみ）で形成することはさけ、空
気と燃料の予混合気で導入することが必要条件となる。
更に低負荷側では、燃焼負荷特性に見合つた燃料濃度場
を形成してやることが重要である。例えば、低負荷領域
はＮＯｘ，ＣＯ生成量も少ないので、大きな濃淡を形成
し、第二段目燃料の作動時は比較的負荷帯が大となり、
燃料流量が増大するため、第一段目の燃料をステツプ状
に減少させ、その減少量の分だけ、第二段目の燃料を同
時に導入する操作を行ない、且つ、燃料濃度場に濃淡を
形成させる。特に、第一段から第二段目への切換時は、
第二段目噴口部の内周側に濃く外周側に淡い燃料濃度場
に形成して、局部的に理論混合（空気過剰率λ＝１）方
向に近づけ、火移りを良好にする。その後、負荷帯の上
昇に伴つて、外周側の均一化を図り、定格時近傍では、
低ＮＯｘ化燃焼に最も有利となる完全予混合方向の混合
状態で燃焼を継続させる。
化を図り、均一低温度燃焼を可能にする。燃料の均一化
混合は、低ＮＯｘ化燃焼に最も有効な方法であり、ＣＯ
抑制にも効果的である。また、燃料濃度場に濃淡を形成
させる場合でも極端な燃料が濃い部分（燃料のみ）、ま
たは、淡い領域（空気のみ）で形成することはさけ、空
気と燃料の予混合気で導入することが必要条件となる。
更に低負荷側では、燃焼負荷特性に見合つた燃料濃度場
を形成してやることが重要である。例えば、低負荷領域
はＮＯｘ，ＣＯ生成量も少ないので、大きな濃淡を形成
し、第二段目燃料の作動時は比較的負荷帯が大となり、
燃料流量が増大するため、第一段目の燃料をステツプ状
に減少させ、その減少量の分だけ、第二段目の燃料を同
時に導入する操作を行ない、且つ、燃料濃度場に濃淡を
形成させる。特に、第一段から第二段目への切換時は、
第二段目噴口部の内周側に濃く外周側に淡い燃料濃度場
に形成して、局部的に理論混合（空気過剰率λ＝１）方
向に近づけ、火移りを良好にする。その後、負荷帯の上
昇に伴つて、外周側の均一化を図り、定格時近傍では、
低ＮＯｘ化燃焼に最も有利となる完全予混合方向の混合
状態で燃焼を継続させる。
本発明では、前述の手段を燃焼負荷帯に合致させ、燃料
濃度場を抑制して低ＮＯｘ化燃焼が可能となる。
濃度場を抑制して低ＮＯｘ化燃焼が可能となる。
第１図に本発明の具体時な一実施例を示す。燃焼器の内
筒１の頭部に第一段目の予混合燃料噴口部２をもつ副燃
焼室３、後部上流側に第二段目の予混合燃料噴口部４を
具備する主燃焼室５から構成されるガスタービン燃焼器
において、第一段目の燃料噴口部２の上流側に内外方向
へ円環状に区分する空気流路部６，７，８を設け、各々
の流路上流端に噴出孔をもつ燃料導入管９，１０，１１
を円周状に多数配列して、各部の流路内に燃料を分割導
入できるように燃料分配管１２，１３，１４を設置し、
各燃料流量を調節バルブ１５，１６，１７制御装置１８
によつて供給して空気と燃料の予混合を行なう。一方、
主燃料室５の上流部に設置する第二段目の予混合燃料噴
口部４でも、上記と同様に空気流路部１９，２０，２
１、燃料導入管２２，２３，２４、燃料分配管２５，２
６，２７、調節バルブ２８，２９，３０で構成して、予
混合気を形成させる。
筒１の頭部に第一段目の予混合燃料噴口部２をもつ副燃
焼室３、後部上流側に第二段目の予混合燃料噴口部４を
具備する主燃焼室５から構成されるガスタービン燃焼器
において、第一段目の燃料噴口部２の上流側に内外方向
へ円環状に区分する空気流路部６，７，８を設け、各々
の流路上流端に噴出孔をもつ燃料導入管９，１０，１１
を円周状に多数配列して、各部の流路内に燃料を分割導
入できるように燃料分配管１２，１３，１４を設置し、
各燃料流量を調節バルブ１５，１６，１７制御装置１８
によつて供給して空気と燃料の予混合を行なう。一方、
主燃料室５の上流部に設置する第二段目の予混合燃料噴
口部４でも、上記と同様に空気流路部１９，２０，２
１、燃料導入管２２，２３，２４、燃料分配管２５，２
６，２７、調節バルブ２８，２９，３０で構成して、予
混合気を形成させる。
本燃焼器の作動時は、燃焼用空気を各燃焼室に流動さ
せ、各燃料導入機構を後述する燃焼負荷帯に合わせて動
作させる。例えば、予混合燃料噴口部２で、可燃混合気
に濃淡を形成させる場合、空気流路部６，７，８を流動
する空気流に対して調節バルブ１５，１６，１７を制御
装置１８を介して操作し、燃料分配管１２，１３，１４
の燃料流量割合を１２＞１３＞１４に抑制する。また、
燃料濃度を均一化する場合は、燃料分配管１２＝１３＝
１４の割合に燃料を分配供給することで、予混合燃料噴
口部２の出口断面部の燃料濃度の均一化が可能となる。
第二段目の予混合燃料噴口部４の作動時にも同様な手順
で操作することで、自在に任意の燃料濃度場を形成する
ことができる。
せ、各燃料導入機構を後述する燃焼負荷帯に合わせて動
作させる。例えば、予混合燃料噴口部２で、可燃混合気
に濃淡を形成させる場合、空気流路部６，７，８を流動
する空気流に対して調節バルブ１５，１６，１７を制御
装置１８を介して操作し、燃料分配管１２，１３，１４
の燃料流量割合を１２＞１３＞１４に抑制する。また、
燃料濃度を均一化する場合は、燃料分配管１２＝１３＝
１４の割合に燃料を分配供給することで、予混合燃料噴
口部２の出口断面部の燃料濃度の均一化が可能となる。
第二段目の予混合燃料噴口部４の作動時にも同様な手順
で操作することで、自在に任意の燃料濃度場を形成する
ことができる。
第２図にガスタービン作動領域における燃料制御運転法
の一例を示す。第一段目の燃料作動範囲は、着火時から
タービン負荷２５％相当で、全燃料量の５０％までと
し、第二段目の燃料は、タービン負荷２５〜１００％
で、全燃料の２５〜５０％の流量を導入する。特に、タ
ービン負荷２５％では、第二段目の燃料２５％をステツ
プ状に導入すると同時に、第一段目の燃料を５０％から
２５％ステツプ状に減少させ、その後、第一段及び第二
段燃料をタービン負荷帯に見合つた流量の１／２に分割
して定格時で全燃料の５０：５０の割合で運転する。
の一例を示す。第一段目の燃料作動範囲は、着火時から
タービン負荷２５％相当で、全燃料量の５０％までと
し、第二段目の燃料は、タービン負荷２５〜１００％
で、全燃料の２５〜５０％の流量を導入する。特に、タ
ービン負荷２５％では、第二段目の燃料２５％をステツ
プ状に導入すると同時に、第一段目の燃料を５０％から
２５％ステツプ状に減少させ、その後、第一段及び第二
段燃料をタービン負荷帯に見合つた流量の１／２に分割
して定格時で全燃料の５０：５０の割合で運転する。
第３図は本発明の燃料濃度場制御を主体とした燃焼領域
と予混合単独燃焼範囲の一具体例で、第４図に燃料噴口
部出口断面状の燃料濃度分布の形成状態の一例を示し
た。燃料濃度場制御を主体とした燃料領域及び燃料をス
テツプ状に導入する時は、第４図の（ａ）方向の燃料濃
度場を形成させること。また、タービン負荷が大きくな
るにつれて、（ａ）から（ｃ）へ移動させるように燃料
濃度場を制御すること。更に、予混合燃焼領域では
（ｃ）の燃料濃度場により燃焼を継続させる。
と予混合単独燃焼範囲の一具体例で、第４図に燃料噴口
部出口断面状の燃料濃度分布の形成状態の一例を示し
た。燃料濃度場制御を主体とした燃料領域及び燃料をス
テツプ状に導入する時は、第４図の（ａ）方向の燃料濃
度場を形成させること。また、タービン負荷が大きくな
るにつれて、（ａ）から（ｃ）へ移動させるように燃料
濃度場を制御すること。更に、予混合燃焼領域では
（ｃ）の燃料濃度場により燃焼を継続させる。
第５図に燃料濃度場の自動制御法の一具体例を示す。燃
料濃度場制御機構において、更に燃焼器出口近傍に排ガ
スサンプリングプローブ３１を設置し、ガス分析計３２
で、ＮＯｘ，ＣＯ等の排ガス特性を検出して、その信号
を制御装置１８に送り燃焼室への予混合状態を自動操作
可能にする。例えば、ＮＯｘ値が許容値より大となれば
予混合燃焼を強化し、ＣＯ発生を抑制する時は燃料濃度
場に濃淡を形成して燃焼を行なう。
料濃度場制御機構において、更に燃焼器出口近傍に排ガ
スサンプリングプローブ３１を設置し、ガス分析計３２
で、ＮＯｘ，ＣＯ等の排ガス特性を検出して、その信号
を制御装置１８に送り燃焼室への予混合状態を自動操作
可能にする。例えば、ＮＯｘ値が許容値より大となれば
予混合燃焼を強化し、ＣＯ発生を抑制する時は燃料濃度
場に濃淡を形成して燃焼を行なう。
従つて、低負荷から高負荷時までＮＯｘ，ＣＯを同時に
低減する燃焼が実現できる。
低減する燃焼が実現できる。
第６図に本発明の燃焼方式によるＮＯｘ，ＣＯ特性値を
示す。図中、ＮＯｘ，ＣＯ制限値は、規制排出量を示す
もので、タービン負荷によって燃料濃度場を制御しなが
らＣＯ抑制と低ＮＯｘ化を図る。燃料濃度場の基礎実験
によれば、ＣＯ抑制時の混合パターンは燃料噴口部の燃
料濃度が平均混合濃度値に対して濃度変差は０．９〜
１．１程度であり、その場合の燃料流量割合は濃度が高
い方に１０％増を導入すれば良いことが確かめられた。
このように混合が均一化方向のＣＯ対策は容易であり、
ＮＯｘの増加率も１．１倍程度である。更に、低負荷側
では燃料が少ないのでＮＯｘ対策よりもＣＯ抑制燃焼が
主体となるため、制限値内にＣＯの発生を抑えるように
燃料に濃淡を形成させる。これらの燃料濃度場を自動的
に制御できるので、信頼性の高い低ＮＯｘ化燃焼が実現
できる。
示す。図中、ＮＯｘ，ＣＯ制限値は、規制排出量を示す
もので、タービン負荷によって燃料濃度場を制御しなが
らＣＯ抑制と低ＮＯｘ化を図る。燃料濃度場の基礎実験
によれば、ＣＯ抑制時の混合パターンは燃料噴口部の燃
料濃度が平均混合濃度値に対して濃度変差は０．９〜
１．１程度であり、その場合の燃料流量割合は濃度が高
い方に１０％増を導入すれば良いことが確かめられた。
このように混合が均一化方向のＣＯ対策は容易であり、
ＮＯｘの増加率も１．１倍程度である。更に、低負荷側
では燃料が少ないのでＮＯｘ対策よりもＣＯ抑制燃焼が
主体となるため、制限値内にＣＯの発生を抑えるように
燃料に濃淡を形成させる。これらの燃料濃度場を自動的
に制御できるので、信頼性の高い低ＮＯｘ化燃焼が実現
できる。
第１図は本発明の一実施例の燃焼器の系統図、第２図は
ガスタービン作動領域の燃料制御運転法の一例を示す
図、第３図は燃料濃度場燃焼と予混合燃焼範囲の一具体
例図、第４図は予混合燃料濃度分布の形成状態図、第５
図は予混合の度合を制御する一具体例図、第６図に本発
明のＮＯｘ，ＣＯ特性図を示す。 ２……第一段予混合燃料噴口部。
ガスタービン作動領域の燃料制御運転法の一例を示す
図、第３図は燃料濃度場燃焼と予混合燃焼範囲の一具体
例図、第４図は予混合燃料濃度分布の形成状態図、第５
図は予混合の度合を制御する一具体例図、第６図に本発
明のＮＯｘ，ＣＯ特性図を示す。 ２……第一段予混合燃料噴口部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 文雄 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 内山 好弘 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内
Claims (4)
- 【請求項１】空気と燃料とを予混合して燃焼室内に導入
する際、低負荷時は燃料濃度場に濃淡を形成させ、高負
荷時は均一混合した前記燃料濃度場となるように作動負
荷帯に合せて制御して燃焼を行なわせる手段を有するこ
とを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 【請求項２】特許請求の範囲の第１項において、 予混合機構は、燃料噴口部の上流側の内外方向へ円環状
で数段に区分して空気流路部を形成し、各々の空気流入
口近傍に燃料導入管を円周状に多数設置し、各段の空気
流に対して燃料流量の割合を燃料分配管に設けた調節バ
ルブを制御装置の信号によつて自在に制御するようにし
て、予混合燃料濃度場を形成させることを特徴とするガ
スタービン燃焼器。 - 【請求項３】特許請求の範囲第２項において、 前記燃料導入管を燃焼室軸方向に多段化することを特徴
とするガスタービン燃焼器。 - 【請求項４】特許請求の範囲第２項において、 前記燃料導入管の燃焼器出口の排ガス分析値を検出する
手段を有し、その信号によって自動操作することを特徴
とするガスタービン燃焼器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11081086A JPH0621571B2 (ja) | 1986-05-16 | 1986-05-16 | ガスタ−ビン燃焼器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11081086A JPH0621571B2 (ja) | 1986-05-16 | 1986-05-16 | ガスタ−ビン燃焼器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62267529A JPS62267529A (ja) | 1987-11-20 |
| JPH0621571B2 true JPH0621571B2 (ja) | 1994-03-23 |
Family
ID=14545233
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11081086A Expired - Lifetime JPH0621571B2 (ja) | 1986-05-16 | 1986-05-16 | ガスタ−ビン燃焼器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0621571B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2972236B2 (ja) * | 1989-09-14 | 1999-11-08 | 株式会社日立製作所 | ガスタービン燃焼器 |
| JPH0579631A (ja) * | 1991-09-19 | 1993-03-30 | Hitachi Ltd | 燃焼器設備 |
-
1986
- 1986-05-16 JP JP11081086A patent/JPH0621571B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62267529A (ja) | 1987-11-20 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |