JP2852110B2 - 燃焼装置及びガスタービン装置 - Google Patents

燃焼装置及びガスタービン装置

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JP2852110B2
JP2852110B2 JP2217015A JP21701590A JP2852110B2 JP 2852110 B2 JP2852110 B2 JP 2852110B2 JP 2217015 A JP2217015 A JP 2217015A JP 21701590 A JP21701590 A JP 21701590A JP 2852110 B2 JP2852110 B2 JP 2852110B2
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/343—Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
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    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、たとえばガスタービン等に採用されている
燃焼装置の改良に係り、特に予混合燃焼を行う燃焼装置
の改良に関するものである。
〔従来の技術〕
周知の如く一般に採用されているこの種燃焼装置は、
低NOx化の観点から２段燃焼となし、そして定格出力燃
焼時は予混合燃焼を行うようにしているのが普通であ
る。
たとえば特開昭64−54122号公報には拡散燃焼と予混
合燃焼を用いた２段燃焼の燃焼装置が開示されている。
この場合は２段目の燃焼が予混合燃焼となつており、
混合器内に設けられている予混合スワラーにより、空気
と燃料とが充分混合し、予混合気となつて、燃焼室の中
に供給され、燃焼することになる。
予混合燃焼装置においては燃料と空気をできるだけ均
一に混合させ、しかも稀薄な混合気にして燃焼させるこ
とが低NOx化に対して効果的である。このことから、予
混合器においては空気と燃料が混合するに十分な空間が
とられ、又予混合器内にスワラーが設けられて混合促進
をはかつているのが普通である。
〔発明が解決しようとする課題〕
このような構成の燃焼装置であると、たしかに燃焼温
度が低く、低NOx燃焼が実現されるが、しかしこのよう
な燃焼装置においても、次のような問題点を有している
ことが今後の綿密な実験の結果明らかとなつたのであ
る。
すなわち予混合器の下流側端には渦流発生装置、すな
わち保炎器が設けられ、又予混合器内には上流から下流
側へのびてスワラーが設けられていることから、保炎器
でつくられる渦流気にて充分な保炎燃焼が行なわれるも
のの、スワラーの下流側端面にもある程度の渦流ができ
るため、この渦流があるときには小さな保炎の役目をな
して該部で燃焼し、又あるときにはこれが混合気の流れ
にて吹き消され、すなわちスワラー下流側端部で、保炎
器からの火移りによる燃焼・吹消がくり返され、これに
より燃焼室に振動が生じ、安定な燃焼ができないという
ことである。
本発明はこれにかんがみなされたもので、その目的と
するところは、このような振動がなく安定で、かつ低NO
xの燃焼を行うようになした燃焼装置を提供するにあ
る。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明の燃焼装置は、燃
料と空気を混合させ、内部に混合促進のためのスワラー
を備えた予混合器を配置し、該予混合器は自身の下流側
にスワラーを経た予混合気流に渦流を生じさせる渦流発
生装置を備えた燃焼装置において、前記渦流発生装置の
渦流を発生させる部分を前記スワラーの下流側端面より
所定距離はなして設けたことを特徴とする。
又、スワラーと、該スワラーの下流側に該スワラーを
経た混合気流に火炎保持のための渦流を生じさせる保炎
器を備えた、燃料と空気とを混合する予混合器を配置し
た燃焼装置において、前記保炎器の渦流開始点と前記ス
ワラーの下流側端面との間に空間を設けたことを特徴と
する。
又、燃焼室の上流側に配置され、内部にスワラーを備
えるとともに、該スワラーの下流側に配置され該スワラ
ーを経た予混合気流に渦流を生じさせる保炎器を備えた
予混合器を配置した燃焼装置において、前記保炎器の保
炎が、前記スワラーの下流側端面に生じる渦流に移火し
ないように、保炎器をスワラーの下流側端面より離して
配置したことを特徴とする。
又、内部にスワラーを備え、該スワラーの下流側に保
持され、該スワラーをから流出する予混合気流に渦流を
生じさせる保炎器を備えた、燃料と空気を混合する予混
合器を配置した燃焼装置において、前記スワラーの下流
側端部が、前記保炎器の渦流開始点より所定距離はなれ
た上流側に配置されるように構成したことを特徴とす
る。
又、燃焼室の上流側に配置され、内部にスワラーを備
えるとともに、該スワラーの下流側に配置され、該スワ
ラーから流出した予混合気流に渦流を生じさせる保炎器
を備えた予混合器を配置した燃焼装置において、前記保
炎器を径方向に複数段設けるとともに、各段における保
炎器の渦流開始点と前記スワラーの下流側端面との間に
それぞれ隙間を設けたことを特徴とする。
又、前記複数の保炎器のうち、最外周側に配置されて
いる保炎器が最も大きな渦流を生じるように形成したこ
とを特徴とする。
又、前記それぞれの保炎器を、それぞれの渦流の大き
さが異なるように形成したことを特徴とする。
又、内部にスワラーを備えるとともに、該スワラーの
下流側に配置され、該スワラーを経た予混合気に火炎を
保持するための渦流を生じさせる保炎器を備えた予混合
器を配置した燃焼装置において、前記保炎器を前記予混
合器の下流側端に固定保持させるとともに、該保炎器の
渦流開始点を、前記スワラーの下流側端部より所定距離
はなして設けるようにしたことを特徴とする。
又、前記保炎器を、前記予混合器の外周側に保持さ
せ、かつ保炎器の外周側端面に冷媒通路を設けたことを
特徴とする。
又、前記保炎器は、前記予混合器の外周側に設けたこ
とを特徴とする。
又、予混合燃焼装置と、該予混合燃焼装置の排出高温
ガスにて駆動されるタービンとを備え、前記予混合燃焼
装置が燃焼器内に燃料と空気の混合を促進するスワラー
および保炎用の渦流を発生させる渦流発生装置を備えた
ガスタービン装置において、前記予混合燃焼装置はスワ
ラー及び自身の下流側端部に渦流発生装置を備え、前記
渦流発生装置の渦流を発生させる部分を前記スワラーの
下流側端面より所定距離はなして設けたことを特徴とす
る。
又、中央部分に第１段燃料を噴出するノズルを、その
周囲に予混合燃焼させるための第２段燃料と空気とを予
混合し、旋回器を具備するとともに、後端が前記旋回器
の下流側端よりも下流側に配置し、前記予混合気流の流
路を狭めるような部材を有する予混合器を配置したこと
を特徴とする。
又、中央部分に第１段燃料を噴出するノズルを、その
周囲に予混合燃焼させるための第２段燃料を噴出する予
混合ノズルを配置し、前記予混合ノズルは、前記予混合
気流が旋回流であって、前記予混合気流の流路を狭める
ような部材を有することを特徴とする。
〔作用〕
すなわちこのような燃焼装置であると、保炎器の渦流
開始点が、スワラーの下流側端面より所定距離はなれて
いるので、渦流開始点にて保炎燃焼している火炎が、ス
ワラー下流端面に生じている小さな渦流に移火されるこ
となく、燃焼室における保炎燃焼は保炎器の一律な保炎
燃焼となり、火移りによる燃焼室の振動や又火移りによ
る局部的な不安定燃焼は無くなり安定で低NOxの燃焼と
なるのである。
〔実施例〕
以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明す
る。
第３図にはガスタービンに用いられる燃焼装置及びそ
の周辺が断面で示されている。燃焼装置は主として主燃
焼室R1,副燃焼室R2,燃料ノズル（3a,3b,3c）及び予混合
器４から構成され、そして主燃料室R1の下流側にガスタ
ービン翼６が配置され、又その上流側には圧縮機１が配
置されている。
このように主燃焼室R1の上流側で、かつ外周部には予
混合器４が配置されているわけであるが、この予混合器
及びその周囲は詳しくは次のように形成されている。
すなわち第１図及び第２図に示されているように、予
混合器４の内部には燃料と空気の混合を促進させるため
のスワラー５が設けられており、又予混合器の下流側に
は保炎器（渦流発生装置）６が設けられている。
保炎器６は、予混合器４の端部外周に支持され、傾斜
部6aとその下流側に急拡大部面6bを有している。
混合気は矢印AFで示すように上流側から保炎器６側へ
向つて流れ、この保炎器の急拡大部6bから渦流となり、
下流側へなびく。すなわちこの急拡大部が渦流開始点
（渦流を発生させる部分（６））で保炎の働きをする。
又保炎器６の外周側には冷媒溝6dが設けられており、
この冷媒溝には冷却空気CAが流れる。この冷却空気によ
り保炎器の冷却が行なわれるとともに、燃焼室への空気
供給が行なわれる。
保炎器６は以上のように形成され、そして予混合器の
下流側に設けられているわけであるが、ここで重要なこ
とは、保炎器６の渦流開始点6cがスワラー５の下流側端
面5aより所定の距離ｌだけはなれて設けられているとい
うことである。換言すればスワラー５の端面5aと保炎器
６の渦流開始点との間に間隙が設けられるということで
ある。
次にこのように構成された燃焼装置の動作について述
べる。まず全体的な燃焼動作は次の通りである。
すなわち第３図において、圧縮機１から下流側へ向つ
て流入した高圧空気は、Ｕ字形に逆流して上昇したあと
燃焼室を形成しているライナ２内に入る。この燃焼装置
は燃料を３段にわけて供給し、燃焼させる多段燃焼装置
である。すなわち燃料の供給は第１段燃料3a,第２段燃
料3b,起動補助燃料3cの３系統にわけて供給される。燃
料3aは副燃焼室R2で主に燃焼し、燃料3bは予混合器４の
中の第２段用燃料ノズル4bにより噴出され、外周から流
入する燃焼用空気と混合され、主燃焼室R1の中で燃焼さ
れる。燃料3cは起動時にのみ使用される補助燃料であ
る。ライナ２内、すなわち燃焼室R1が燃焼した燃焼ガス
は、尾筒７を通り、ガスタービンの初段翼６に流入し、
ガスタービンを回転させる。
第１段燃料3aに拡散燃焼で燃焼し、NOxは高いが安定
な燃焼を行ない。第２段燃料3bは予混合燃焼でNOxが低
い燃焼が行なわれる。起動からある一定の負荷までは第
１段の燃焼およびその一部に起動用燃料3cを使用して行
なう。その後、定格負荷までは第１段，第２段の燃焼を
行う。燃焼装置におけるNOxの発生を抑えるためには、
勿論第２段の予混合燃焼をさせる燃料3bの全体燃料に占
める比率を多くすると同時に、燃空比（燃料流量／空気
流量）を小さくすることが必要である。
全体的にはこのような燃焼が行なわれるわけである
が、本燃焼装置は特に次のような燃焼動作が行なわれ
る。
すなわち第１図及び第２図において、予混合器５から
燃料と空気の混合気AFが流出し、燃焼室R1で燃焼する場
合、この混合気は保炎器６（渦流発生装置）の下流側で
渦流となり、この渦流により保炎された形で火炎が発生
する。
この場合この保炎器の渦流を発生させる部分、すなわ
ち保炎器突端はスワラー５の下流側端面より或る距離は
なれて形成されている。このため、前述したスワラー端
面に形成される小さな渦流には移火することがなく、燃
焼器R1内の火炎は安定する。
尚この場合、保炎器６は混合気の流れに対して内向き
の傾斜角をもつているが、この方向、角度は常に定めら
れたものではなく、方向については内外いずれの方向で
もよいし、又角度は燃焼室の大きさによつて種々の値が
選ばれる。ただ本実施例のように２段燃焼の場合には第
１段の燃焼ガス側へ向くようにすると、第１段燃焼から
第２段燃焼への切換えの際、スムーズな火移りができ有
効である。尚この傾斜は特に設けなければならないもの
ではなくその、下流側に渦流８が発生するより 形であ
ればよいことは勿論である。
次にこのように形成された保炎器６の冷却について述
べる。
予混合器４に設置されるフラシール９の取付け部に、
冷却空気通路10が設けられ、冷却空気をフラシール９の
上流側から流入させ保炎器６の裏面を冷却する。冷却の
作用をしたあとの空気は渦８の強さを減少させないよう
に渦８をよけてライナ2bの中に噴射する。これによつて
渦８の効果をできるだけ損なわずに冷却空気を燃焼器内
に流すことができる。隔壁11は冷却空気を案内し、効果
的に冷却を行なわせるための案内板としての役目をもた
せたものである。
第４図及び第５図には本発明の他の実施例が示されて
いる。すなわちこの場合は保炎器６の一部を予混合器４
の内部に設置した例である。勿論この場合であつてもス
ワラの下流側面と保炎器６の渦流開始点には間隙ｌが設
けられる。この実施例の場合には混合気をできるだけ内
側に向けて噴射することを目標にしたものである。まだ
燃焼室に出る前の予混合器４の内部で混合気の流速の高
い条件で方向変換することにより、内側に向ける保炎器
４の案内効果が大きく作用する。
この場合の冷却構造は予混合器４の壁面に冷却空気入
口部13があり、ここから冷却空気を導き入れ、保炎器６
を冷却する。この冷却には対流冷却の効果を大きくする
ため、保炎器の裏壁面に狭い間隙12を設け、これを通る
冷却空気の流速を上昇させている。
尚以上の説明では、予混合器４に保炎器６が一つ付い
ている場合について説明してきたが、この保炎器６の数
は常に一つでなければならないわけではなく、効果をあ
げるためにさらに下流に複数列設けたり、径方向に複数
段設けてもよい。
第６図及び第７図にはその径方向に２段の保炎器を有
する場合が示されている。すなわち保炎器の役目をする
環状板14を混合気の流れの中に設置したものである。
予混合器４から噴出される混合気は、保炎器６とこの
環状板14の後流に生ずる火炎A,Bで燃焼することにな
る。火炎A,Bを適正な位置に、かつ適正な強さで発生さ
せることにより、よりNOxが低く、しかも燃焼振動の低
い安定した予混合燃焼がなされる。
尚この場合、勿論環状板14の渦流開始点とスワラ５の
端面との間には所定の間隙が設けられ、又環状板14と保
炎器６の位置関係は機種により実験的に最適化がはから
れる。
またこの環状板14の数は１個の列を図示したが予混合
器の大きさによつて複数個設けたり、またその形状も薄
板状に限らず、Ｖガツタのようなじやま部材であつても
よい。
第８図にはもう一つの側が示されている。この実施例
においては、予混合器５の内部に保炎器６が一体的に設
けられている場合である。
勿論この場合スワラは短長に形成され、スワラ５の下
流側端部5aと保炎器６の渦流開始点との間には所定の間
隙ｌが設けられることは云うまでもない。
特にこのように形成すると、予混合器４と保炎器６の
一体化製造が可能であること、又保炎器が予混合の強度
メンバーとなり、熱変形に対しても堅牢なものとなる。
以上種々の実施例をあげてきたが、この他にも保炎器
が特殊な形状をなしている場合や予混合器が円筒状（環
状でなく）の場合などにも適用が考えられよう。
次に第９図に基づき従来の燃焼装置と本発明の燃焼装
置とをその効果より比較してみる。
この図はスワラー下流側端面と保炎部（保炎器の渦流
発生部）間の距離に対するNOxの関係及び同距離に対す
る燃焼振動の関係を表わしたもので、供試燃焼器として
は、外径（ライナの）が350mmφ、スワラの高さが22mm
のものである。
この図の曲線ＡはNOx比を、又曲線Ｂは燃焼振動を表
わしており、夫々従来の燃焼装置に対する比率で表わさ
れている。すなわち保炎部位置が０の場合が従来のもの
である。この図から明らかなように、保炎部（渦流発生
部）がスワラー端より離れるにしたがいNOxも燃焼振動
も低下していることが確認でき、実験の結果ではこの距
離は10〜15mmの場合が燃焼器を大型化することなく最も
安定した燃焼が行なわれる。
〔発明の効果〕
以上種々述べてくたように、本発明の燃焼装置によれ
ば、保炎器の渦流開始点を、スワラーの端面より下流側
へ所定の距離はなすようになしたから、保炎器の渦流開
始点にて燃焼している火炎が、スワラーの下流側面に火
移りすることはなく、燃焼室における保炎燃焼は保炎器
の一律な保炎及び燃焼となり、したがつて火移りによる
燃焼室の振動や、局部的な高温燃焼はなくなり安定で、
かつ低NOxの燃焼を行う燃焼装置を得ることができる。
又さらに前述した燃焼装置を備えたガスタービン装置
であると、燃焼振動が少ないことから回転子の翼に与え
られる振動も少なく、すなわちスラストシヨツクが小さ
くなりタービン全体の振動低減をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の燃焼装置の一実施例を示す要部縦断側
面図、第２図はその一部破断斜視図、第３図は本発明の
燃焼装置及びその周囲を示す縦断側面図、第４図は本発
明の燃焼装置の他の実施例を示す要部縦断側面図、第５
図は同じくその一部破断斜視図、第６図は本発明の燃焼
装置のさらに他の実施例を示す要部縦断側面図、第７図
は同じくその一部破断斜視図、第８図は本発明の燃焼装
置のさらに他の実施例を示す要部縦断側面図、第９図は
スワラと保炎部間の距離に対するNOx比、及び燃焼振動
の関係を表わす曲線図である。 ４……予混合器、５……スワラ、６……保炎器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 熊田 和彦 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 佐藤 勲 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 笹田 哲男 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 鳥谷 初 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 森友 嘉一 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 石橋 洋二 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 大森 隆司 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 小豆畑 茂 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 平２−40418（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−150518（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−107015（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F23R 3/12 F23R 3/28 F23R 3/30 F23R 3/34 F02C 9/34

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料と空気を混合させ、内部に混合促進の
    ためのスワラーを備えた予混合器を配置し、該予混合器
    は自身の下流側にスワラーを経た予混合気流に渦流を生
    じさせる渦流発生装置を備えた燃焼装置において、前記
    渦流発生装置の渦流を発生させる部分を前記スワラーの
    下流側端面より所定距離はなして設けたことを特徴とす
    る燃焼装置。
  2. 【請求項２】スワラーと、該スワラーの下流側に該スワ
    ラーを経た混合気流に火炎の保持のための渦流を生じさ
    せる保炎器を備えた、燃料と空気とを混合する予混合器
    を配置した燃焼装置において、前記保炎器の渦流開始点
    と前記スワラーの下流側端面との間に空間を設けたこと
    を特徴とする燃焼装置。
  3. 【請求項３】燃焼室の上流側に配置され、内部にスワラ
    ーを備えるとともに、該スワラーの下流側に配置され該
    スワラーを経た予混合気流に渦流を生じさせる保炎器を
    備えた予混合器を配置した燃焼装置において、前記保炎
    器の保炎が、前記スワラーの下流側端面に生じる渦流に
    移火しないように、保炎器をスワラーの下流側端面より
    離して配置したことを特徴とする燃焼装置。
  4. 【請求項４】内部にスワラーを備え、該スワラーの下流
    側に保持され、該スワラーをから流出する予混合気流に
    渦流を生じさせる保炎器を備えた、燃料と空気を混合す
    る予混合器を配置した燃焼装置において、前記スワラー
    の下流側端部が、前記保炎器の渦流開始点より所定距離
    はなれた上流側に配置されるように構成したことを特徴
    とする燃焼装置。
  5. 【請求項５】燃焼室の上流側に配置され、内部にスワラ
    ーを備えるとともに、該スワラーの下流側に配置され、
    該スワラーから流出した予混合気流に渦流を生じさせる
    保炎器を備えた予混合器を配置した燃焼装置において、
    前記保炎器を径方向に複数段設けるとともに、各段にお
    ける保炎器の渦流開始点と前記スワラーの下流側端面と
    の間にそれぞれ隙間を設けたことを特徴とする燃焼装
    置。
  6. 【請求項６】前記複数の保炎器のうち、最外周側に配置
    されている保炎器が最も大きな渦流を生じるように形成
    したことを特徴とする請求項５に記載の燃焼装置。
  7. 【請求項７】前記それぞれの保炎器を、それぞれの渦流
    の大きさが異なるように形成したことを特徴とする請求
    項５に記載の燃焼装置。
  8. 【請求項８】内部にスワラーを備えるとともに、該スワ
    ラーの下流側に配置され、該スワラーを経た予混合気に
    火炎を保持するための渦流を生じさせる保炎器を備えた
    予混合器を配置した燃焼装置において、前記保炎器を前
    記予混合器の下流側端に固定保持させるとともに、該保
    炎器の渦流開始点を、前記スワラーの下流側端部より所
    定距離はなして設けるようにしたことを特徴とする燃焼
    装置。
  9. 【請求項９】予混合燃焼装置と、該予混合燃焼装置の排
    出高温ガスにて駆動されるタービンとを備え、前記予混
    合燃焼装置が燃焼器内に燃料と空気の混合を促進するス
    ワラーおよび保炎用の渦流を発生させる渦流発生装置を
    備えたガスタービン装置において、前記予混合燃焼装置
    はスワラー及び自身の下流側端部に渦流発生装置を備
    え、前記渦流発生装置の渦流を発生させる部分を前記ス
    ワラーの下流側端面より所定距離はなして設けたことを
    特徴とするガスタービン装置。
  10. 【請求項１０】燃料と空気を混合させ、内部にスワラー
    を備えた流路を有する予混合器と、 該予混合器の下流側端に固定保持され、前記スワラーの
    下流側端面より所定距離離して自身の下流端面が構成さ
    れ、前記スワラーを経た予混合気流に渦流を生じさせる
    渦流発生装置と、を有する予混合気供給装置と、 前記予混合気供給装置の下流側に、該予混合気供給装置
    とシールを介して連絡し、前記予混合気供給装置から供
    給される予混合気が燃焼する燃焼室を自身の内側に形成
    するライナと、 を有することを特徴とする燃焼装置。
  11. 【請求項１１】第１段燃料を噴出する第１段燃料供給装
    置と、 その周囲に配置され、 燃料と空気を予混合させ、内部に旋回器を備えた流路を
    有する予混合器と、 該予混合器の下流側端に固定保持され、前記スワラーの
    下流側端面より所定距離離して自身の下流端面が構成さ
    れ、前記旋回器を経た予混合気流の流れる流路を狭める
    保炎器と、を有する第２段燃料供給装置と、 前記第２燃料供給装置の下流側に、該予混合気供給装置
    とシールを介して接触し、前記第１燃料供給装置及び第
    ２燃料供給装置から供給される燃料が燃焼する燃焼室を
    内側に形成するライナと、 を有することを特徴とするガスタービン燃焼装置。
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