JP5579011B2

JP5579011B2 - ガスタービン燃焼器

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Publication number: JP5579011B2
Application number: JP2010225391A
Authority: JP
Inventors: 武雄齋藤; 泰行渡辺; 正平吉田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2030-10-05
Also published as: EP2439452B1; CN102563699A; CN102563699B; JP2012077709A; US20120079828A1; EP2439452A3; EP2439452A2; CN104100998A; US20140318136A1; EP2860353A1; US8955332B2; US8839626B2; EP2860353B1; CN104100998B

Description

本発明はガスタービン燃焼器に係り、ガスタービン燃焼器の燃焼室で発生した燃焼ガスをタービン翼まで導く尾筒の信頼性向上および冷却特性向上を図ったガスタービン燃焼器の構造に関する。

ガスタービン燃焼器を構成する尾筒とは、ガスタービン燃焼器の燃焼室内で燃料と空気の酸化反応によって生成された高温高圧の燃焼ガスをタービン翼まで導く流路である。

このガスタービン燃焼器の尾筒は、燃焼室側の入口部が円形の形状、タービン翼側の出口部が扇形の形状をしたダクトであり、その内部には１３００℃以上の高温の燃焼ガスが高速で流れているため、何らかの冷却を施して尾筒を構成する部材の温度を許容温度以下まで下げる必要がある。

ガスタービン燃焼器の尾筒を冷却する手段の１つとしては、特開２００１−２８９０６１号公報に開示されている様に、ガスタービン燃焼器の尾筒全面を被覆筒体（尾筒フロースリーブ）で覆い、尾筒フロースリーブに設けた多数の空気孔から噴出する空気流を尾筒に衝突させて尾筒を冷却する衝突噴流冷却（インピンジ冷却）がある。

また、ガスタービン燃焼器の尾筒を冷却する手段の他の１つとしては、特公平７−５２０１４号公報に開示されている様に、ガスタービン燃焼器の尾筒を尾筒フロースリーブで覆い、尾筒の下流側はインピンジ冷却、尾筒の上流側は対流冷却孔による対流冷却を行ない、且つ尾筒フロースリーブのタービン側端部に冷却空気を流してガスタービン燃焼器の尾筒端部を冷却する方法がある。

特開２００１−２８９０６１号公報特公平７−５２０１４号公報

前記特開２００１−２８９０６１号公報に開示されたガスタービン燃焼器の尾筒の冷却構造では、尾筒を取囲む尾筒フロースリーブ全面に渡って多数の空気孔を設けている。また、前記特公平７−５２０１４号公報に記載されたガスタービン燃焼器の尾筒の冷却構造においても、尾筒フロースリーブの下流部全面に多数の空気孔を設けている。

ここで、空気孔を設けた尾筒フロースリーブの一般的な製作方法について以下に説明する。尾筒フロースリーブは素材である平板に多数の空気孔を穴あけ加工した後にプレス曲げ成型して製作する。

しかしながら、尾筒フロースリーブ出口部断面は扇形状であることから、尾筒フロースリーブ出口部の角部は９０゜以上に曲げ加工されることになる。このためプレス曲げ加工時に尾筒フロースリーブ角部に設けられた空気孔が引き伸ばされて変形するという課題がある。そして空気孔の変形量が大きい場合には、空気孔の周囲にクラック（ひび割れ）が発生する可能性もある。

またガスタービン運転時には、尾筒フロースリーブの外側は内側よりも空気圧力が高いため、その内外圧力差によって外側から内側に向かって尾筒フロースリーブを圧縮する方向に力が作用している。この時、特に尾筒フロースリーブの角部に応力が集中している。このため尾筒フロースリーブ角部に空気孔を設けると、この尾筒フロースリーブ角部の周囲の部材強度が低下し、運転時の応力によって尾筒フロースリーブ本体が変形する可能性がある。

更に、尾筒は尾筒フロースリーブの空気孔から噴射される空気により衝突噴流冷却（インピンジ冷却）されているが、尾筒フロースリーブ角部に空気孔がある場合、角部の空気孔から尾筒に向かって噴出された冷却空気は、尾筒角部に沿って両脇に流れることになる。この空気流れはクロスフローと呼ばれており、角部に隣接する空気孔から噴射される噴流を尾筒に衝突させる効果を弱めて、インピンジ冷却性能を低下させることが考えられる。

本発明の目的は、ガスタービン燃焼器の尾筒フロースリーブに変形やクラックが発生することを抑制して尾筒フロースリーブの信頼性向上を図ると共に、尾筒の冷却特性向上を図ったガスタービン燃焼器を提供することにある。

本発明のガスタービン燃焼器は、燃料と空気の混合気を噴出する燃料ノズルと、燃料と空気の混合気を燃焼室で燃焼反応させる円筒状のライナと、前記ライナ内で発生した燃焼ガスをタービン翼に導く流路となる尾筒と、前記尾筒の外面を包み込む尾筒フロースリーブとを設けたガスタービン燃焼器において、前記尾筒フロースリーブの断面方向の角部となる領域を除いた尾筒フロースリーブの領域に、空気を尾筒フロースリーブの内部に導入する空気導入孔を複数個設け、前記空気導入孔が設けられる前記角部となる領域を除いた尾筒フロースリーブの領域とは、尾筒フロースリーブの最大横幅Ｗを基準にして前記尾筒フロースリーブの背側では尾筒フロースリーブの最大横幅Ｗに対して８０％以上の領域Ｘ１、尾筒フロースリーブの腹側では最大横幅Ｗに対して６０％以上の領域Ｘ３、尾筒フロースリーブの両側の側面では直線部の領域Ｘ２のそれぞれの領域であり、前記空気導入孔がこれらの領域Ｘ１、領域Ｘ２、及び領域Ｘ３にそれぞれ設けられていることを特徴とする。

また本発明のガスタービン燃焼器は、燃料と空気の混合気を噴出する燃料ノズルと、燃料と空気の混合気を燃焼室で燃焼反応させる円筒状のライナと、前記ライナ内で発生した燃焼ガスをタービン翼に導く流路となる尾筒と、前記尾筒の外面を包み込む尾筒フロースリーブとを設けたガスタービン燃焼器において、前記尾筒フロースリーブの断面方向の角部となる領域に第１の空気導入孔を複数個設け、この尾筒フロースリーブの前記角部となる領域を除いた尾筒フロースリーブの領域に第２の空気導入孔を複数個設け、尾筒フロースリーブ断面の角部の領域に設けた前記第１の空気導入孔の直径を、前記角部となる領域を除いた尾筒フロースリーブの領域に設けた前記第２の空気導入孔の直径よりも小径となるように形成したことを特徴とする。

本発明によれば、ガスタービン燃焼器の尾筒フロースリーブに変形やクラックが発生することを抑制して尾筒フロースリーブの信頼性向上を図ると共に、尾筒の冷却特性向上を図ったガスタービン燃焼器
が実現できる。

本発明のガスタービン燃焼器が適用されるガスタービンの構成を示す概略図。本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器の尾筒の構造を示す部分断面図。図２に示した第１実施例のガスタービン燃焼器における尾筒のＡ−Ａ方向断面図。図２に示した本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器における尾筒フロースリーブ単品を示す部分図。中空の直方体形状の物体に外側から圧力が働いた際の変形の概要を示す模式図。ガスタービン燃焼器の尾筒フロースリーブに外側から圧力が働いた際の変形の概要を示す模式図。本発明の実施例であるガスタービン燃焼器の尾筒フロースリーブの形状を示したものであり、尾筒フロースリーブ外面部の曲率を規定した尾筒フロースリーブの模式図。本発明の実施例であるガスタービン燃焼器の尾筒フロースリーブの形状を示したものであり、尾筒フロースリーブの横幅寸法を規定した尾筒フロースリーブの模式図。ガスタービン燃焼器の尾筒フロースリーブの部分断面図を示したものであり、角部に空気孔を設けた場合の尾筒外面における空気流れを示す模式図。本発明の第１実施例及び第２実施例であるガスタービン燃焼器の尾筒フロースリーブの部分断面図を示したものであり、角部に空気孔を設けていない場合の尾筒外面における空気流れを示す模式図。本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器の尾筒の構造を示す部分断面図。図１１に示した第２実施例のガスタービン燃焼器における尾筒のＢ−Ｂ方向断面図。図１１に示した第２実施例のガスタービン燃焼器における尾筒フロースリーブ単品を示す部分図。

本発明の実施例であるガスタービン燃焼器について図面を引用して以下に説明する。

本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器について図１乃至図４を用いて説明する。

図１は本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器１が適用されるガスタービン装置の構成を示す概略図である。図１に示したように、空気圧縮機１１０で圧縮されて導入された高圧空気１２０は、ディフューザ１３０を経由して車室１４０に導入され、ガスタービン燃焼器１を構成する尾筒フロースリーブ１０に設けられた空気導入孔２０から、尾筒３０と尾筒フロースリーブ１０との間隙に流入する。

尾筒３０と尾筒フロースリーブ１０との間隙に流入した高圧空気１２０は、ライナ４０とライナ外周の同心円上に配置されたライナフロースリーブ５０との間隙を流れた後に流れを反転させ、燃料ノズル６０から噴射される燃料と混合されて燃焼室７０に噴出され、ライナ４０の内部に形成された前記燃焼室７０内で燃焼して火炎を形成して高温高圧の燃焼ガス８０となる。

ガスタービン燃焼器１の燃焼室７０内で生成された燃焼ガス８０は、尾筒３０を流下してタービン１６０に導入される。ガスタービン装置では、高温高圧の燃焼ガス８０が断熱膨張する際に発生する仕事量をタービン１６０で軸回転力に転換することにより、タービン１６０に連結された発電機１７０から出力を得ている。

空気圧縮機１１０と発電機１７０は、タービン１６０と一つの軸で連結されている。但し、空気圧縮機１１０、タービン１６０、及び発電機１７０とは２軸以上の軸で連結した構成であってもよい。また、一般に火力発電所等で広く使用されているガスタービン装置は、タービン回転軸に対してガスタービン燃焼器１が放射状に複数缶配列された構成を採用している。

本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器１について図２乃至図４を用いて更に詳細に説明する。

図２乃至図４に示した本実施例のガスタービン燃焼器１の構造は、ガスタービン燃焼器１の燃焼室７０を内側に形成する円筒状のライナ４０と、このライナ４０の外周側で該ライナと同心円上に配置された円筒状のライナフロースリーブ５０と、ライナ４０の下流側に設置される尾筒３０と、尾筒３０と所定の流路間隙を設けて該尾筒３０を覆っている尾筒フロースリーブ１０と、尾筒フロースリーブ１０に設けた複数の空気孔２０構成されている。

空気圧縮機１１０から吐出された空気は、尾筒フロースリーブ１０に設けた空気孔２０から導入され、その噴流が尾筒３０に衝突することでガスタービン燃焼器１の燃焼室７０で生成された高温の燃焼ガス８０に曝された尾筒３０の下流部をインピンジ冷却している。尾筒３０の下流部をインピンジ冷却した空気は、その後、尾筒３０の周囲を高速で流れることにより、尾筒３０の本体部を対流冷却している。

本実施例のガスタービン燃焼器１の構造の特徴は、図２乃至図４に示す様に、尾筒フロースリーブ１０に設けた空気孔２０は、尾筒フロースリーブ１０の角部１１、１２を除いた尾筒フロースリーブ１０の全領域に設けたことにある。

図４に本実施例のガスタービン燃焼器１である尾筒フロースリーブ１０の単品状態の出口部外観図を示すものであり、前記空気孔２０は尾筒フロースリーブ１０の角部１１、１２を除いた尾筒フロースリーブ１０の全領域に亘って複数個設けた状態を示している。

ところで、ガスタービン燃焼器１の尾筒フロースリーブ１０を製造する場合、一般的に尾筒フロースリーブ１０は素材の平板をプレス加工して成型し製造しているが、尾筒フロースリーブ１０に空気孔２０を設ける際には、素材平板の段階で穴あけ加工する方式が良いとされている。

方法論としては尾筒フロースリーブ１０をプレス成型した後に空気孔２０の穴あけ加工をする方策もあるが、そのためには３次元的に動作する穴あけ加工機械が必要となり、穴加工のための位置や角度設定の段取りに時間を要するため加工時間が長くなるだけではなく、加工コスト的にも高くなる。更に空気孔２０の穴あけ加工する際に、３次元形状の尾筒フロースリーブ１０が変形しないように、尾筒フロースリーブ１０に補強部材等を設置する必要性も考えられる。

以上の理由により、低コストで加工時間の短期化を図るためには、尾筒フロースリーブ１０の素材平板の段階で空気孔２０の穴あけ加工を実施してプレス成型する方策が良いとされている。

しかしながら、尾筒３０および尾筒フロースリーブ１０は、入口部が円形状で出口部が扇形状であり、出口部の四隅の角部では９０度近い角度で曲げ加工される。板をプレスにより成型する際、曲げ加工部では素材板を引っ張る方向に力が働くため、穴加工された平板をプレスする際に尾筒フロースリーブ１０の角部に設けられた空気孔２０が引き伸ばされて変形する課題がある。この時、変形量が大きい場合には空気孔周囲にクラック（ひび割れ）が発生する可能性もある。

更にガスタービン装置を運転時に、尾筒フロースリーブ１０の外側は内側よりも空気圧力が高いため、その内外圧力差により外側から内側に向かって尾筒フロースリーブ１０を圧縮する方向に力が作用している。この時、特に尾筒フロースリーブ１０の角部１１、１２に応力が集中する。

尾筒フロースリーブ１０の角部１１、１２に応力が集中する理由について図５及び図６の模式図を用いて説明する。図５に示す様に、一般的に直方体形状の物体１６が周囲から圧力１５がかかると線１７に示す様に変形する。この時、４つの頂点部（角部）の変形量が大きいことから、角部には大きな応力がかかることになる。

ガスタービン燃焼器１の尾筒フロースリーブ１０に関しても同様であり、図６に示す様に尾筒フロースリーブ１０の外側から圧力１５がかかると、尾筒フロースリーブ１０の実線で示す外表面線１３が破線で示す外表面線１４のように変形し、尾筒フロースリーブ１０の角部１１、１２に曲げ方向の大きな応力がかかることになる。

このため尾筒フロースリーブ１０の角部１１、１２に空気孔を設けた場合には、角部１１、１２の周囲の部材強度が低下し、ガスタービン装置の運転時の内外圧力差に起因する応力により尾筒フロースリーブ１０本体が大きく塑性変形する可能性がある。

そこで、本実施例のガスタービン燃焼器１の尾筒フロースリーブ１０においては、尾筒フロースリーブ１０に設ける空気孔２０を、尾筒フロースリーブ１０の角部１１、１２の領域を除いた尾筒フロースリーブ１０の全領域に亘って複数個配置することで、尾筒フロースリーブ１０の製作時に空気孔２０の変形やひび割れの発生を回避し、またガスタービン装置の運転時における尾筒フロースリーブ１０の変形を防止することが可能である。

本実施例のガスタービン燃焼器１の尾筒フロースリーブ１０に設ける空気孔２０の設置領域を図７及び図８を用いて説明する。図７及び図８には尾筒フロースリーブ１０の出口部断面に於ける外表面線１３を表している。

図７に示す様に尾筒フロースリーブ１０は、尾筒フロースリーブ１０の外形形状を規定するそれぞれ曲率半径が異なる複数の曲率半径の領域によって形成されている。図７に示した尾筒フロースリーブ１０では、尾筒フロースリーブ１０の上側となる背側（以降では背側と表記）のＬ１の範囲では曲率半径がＲ１、尾筒フロースリーブ１０の下側となる腹側（以降では腹側と表記）のＬ５の範囲では曲率半径がＲ３、尾筒フロースリーブ１０の背側と側面との間となる背側角部のＬ２の範囲では曲率半径がＲ２、尾筒フロースリーブ１０の腹側と側面との間となる腹側角部のＬ４の範囲では曲率半径がＲ２として、それぞれ形成されている。

本実施例のガスタービン燃焼器１に示す尾筒フロースリーブ１０に空気孔２０を設ける範囲としては、尾筒フロースリーブ１０の外面部の形状を異なる値の曲率半径によって規定する複数の領域うち、曲率半径の値が他の領域の曲率半径よりも小さい値となる領域を除いた領域に設けることが望ましい。

図７用いて尾筒フロースリーブ１０の外面部の形状を規定している異なる値の曲率半径について説明すると、曲率半径（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）を比較するとＲ２がＲ１、Ｒ３よりも小さいため、Ｒ２の領域であるＬ２、Ｌ４を除いたＬ１、Ｌ３、Ｌ５の尾筒フロースリーブ１０の領域に複数の空気孔２０を設けることになる。

上記した曲率半径の違いによる方法以外に、図８に示す様に、尾筒フロースリーブ１０の最大横幅Ｗを基準にして空気孔２０の設置領域を定めても良い。例えば尾筒フロースリーブ１０の背側は尾筒フロースリーブ１０の最大横幅Ｗに対して８０％以上の領域Ｘ１に、尾筒フロースリーブ１０の腹側では最大横幅Ｗに対して６０％以上の領域Ｘ３に、尾筒フロースリーブ１０の両側の側面では、直線部である領域Ｘ２のそれぞれの領域に亘って、複数の空気孔２０を設けるようにしても良い。

また本実施例のガスタービン燃焼器１では、尾筒フロースリーブ１０の変形やひび割れを抑制するだけでなく、尾筒３０の冷却特性向上を図ることも可能となる。

本実施例のガスタービン燃焼器１の尾筒３０の外面における空気流れの模式図を図９及び図１０に示す。図９及び図１０は図３に示した尾筒フロースリーブ１０の角部１１付近を拡大した図である。

図９はガスタービン燃焼器１の尾筒フロースリーブ１０の角部に空気孔２２を設けた構造である。この構造では角部に設けた空気孔２２から噴出された空気１が直角形状の尾筒３０に衝突した後に、尾筒３０の表面に沿って隣接する噴流２の方向に向かう流れとなり、噴流２の尾筒３０表面に衝突する流れを阻害することになる。

ここで尾筒３０は複数設けた空気孔２０からの空気噴流３によりインピンジ冷却しているので、空気噴流が尾筒３０の外表面に衝突しない場合にはインピンジ冷却性能が悪化することになる。このような噴流の流れを阻害する流れを一般にクロスフローと称しており、インピンジ冷却の性能悪化の一因となっている。

このため、図９に示した尾筒フロースリーブ１０の構造では、尾筒３０の角部周辺で噴流２が尾筒３０の表面に衝突され難いためインピンジ冷却性能の悪化が懸念される。

そこで、本実施例のガスタービン燃焼器１の尾筒フロースリーブ１０においては、図１０に示すように尾筒フロースリーブ１０の角部には空気孔を設けず、この尾筒フロースリーブ１０の角部を除いた尾筒フロースリーブ１０の領域に複数の空気孔２０を設けるように構成したことから、尾筒フロースリーブ１０の角部周辺に於けるクロスフローの発生を回避させることが可能であり、そのため尾筒３０角部周辺の冷却性能の悪化を抑制することができる。

また尾筒３０の角部においても角部両脇に設けた空気孔２０から流入してくる大量の高速空気により対流冷却されるので、尾筒３０部材が高温になることは無い。

また、尾筒フロースリーブ１０の角部に空気孔を設けず、角部以外の尾筒フロースリーブ１０の全領域に複数の空気孔２０を設けることによって、角部以外の尾筒フロースリーブ１０に多くの冷却空気を配分することが可能となるため、尾筒３０全体の冷却性能が向上することになる。

本実施例によれば、ガスタービン燃焼器の尾筒フロースリーブに変形やクラックが発生することを抑制して尾筒フロースリーブの信頼性向上を図ると共に、尾筒の冷却特性向上を図ったガスタービン燃焼器が実現できる。

次に本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器１について図１１乃至図１３を用いて説明する。本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器１は、図１乃至図４に示した第１実施例のガスタービン燃焼器１と基本的な構成は同じであるので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する部分について説明する。

図１１乃至図１３に示したように、本実施例のガスタービン燃焼器１においては、尾筒フロースリーブ１０の角部１１，１２に、この角部１１、１２以外の他の領域の空気孔２０よりも直径の小さい空気孔２１を設けたことにある。

図１３には尾筒フロースリーブ１０の角部１１に、この角部１１以外の他の領域の空気孔２０よりも直径の小さい空気孔２１を設けた尾筒フロースリーブ１０の単品状態の出口部外観図を示す。

図１１乃至図１３に示した本実施例のガスタービン燃焼器１は、燃焼ガス温度の上昇等により尾筒３０の角部の冷却性能を更に向上させる必要のある場合に適用する方策である。

尾筒フロースリーブ１０の角部１１、１２に空気孔を設けると、プレス曲げ加工時の空気孔の変形や、ガスタービン運転時の部材強度低下による尾筒フロースリーブ１０の変形が懸念されるが、空気孔２１の直径を他の空気孔２０よりも小さくすることで、上記変形を極力低減させている。

本発明は燃焼器の尾筒に尾筒フロースリーブを備えたガスタービン燃焼器に適用可能である。

１：ガスタービン燃焼器、１０：尾筒フロースリーブ、１１，１２：尾筒フロースリーブ角部、１３：尾筒フロースリーブ外表面線、２０：空気導入孔、２１：小径空気導入孔、３０：尾筒、４０：ライナ、５０：ライナフロースリーブ、６０：燃料ノズル、７０：燃焼室、８０：高温燃焼ガス流、１１０：空気圧縮機、１２０：高圧空気、１３０：ディフューザ、１４０：車室、１５０：ケーシング、１６０：タービン、１７０：発電機、１８０：燃料系統、Ｌ１〜Ｌ５，Ｘ１〜Ｘ３，Ｗ：尾筒フロースリーブの領域、Ｒ１〜Ｒ３：尾筒フロースリーブの曲率半径。

Claims

燃料と空気の混合気を噴出する燃料ノズルと、燃料と空気の混合気を燃焼室で燃焼反応させる円筒状のライナと、前記ライナ内で発生した燃焼ガスをタービン翼に導く流路となる尾筒と、前記尾筒の外面を包み込む尾筒フロースリーブとを設けたガスタービン燃焼器において、
前記尾筒フロースリーブの断面方向の角部となる領域を除いた尾筒フロースリーブの領域に、空気を尾筒フロースリーブの内部に導入する空気導入孔を複数個設け、
前記空気導入孔が設けられる前記角部となる領域を除いた尾筒フロースリーブの領域とは、尾筒フロースリーブの最大横幅Ｗを基準にして前記尾筒フロースリーブの背側では尾筒フロースリーブの最大横幅Ｗに対して８０％以上の領域Ｘ１、尾筒フロースリーブの腹側では最大横幅Ｗに対して６０％以上の領域Ｘ３、尾筒フロースリーブの両側の側面では直線部の領域Ｘ２のそれぞれの領域であり、前記空気導入孔がこれらの領域Ｘ１、領域Ｘ２、及び領域Ｘ３にそれぞれ設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
燃料と空気の混合気を噴出する燃料ノズルと、燃料と空気の混合気を燃焼室で燃焼反応させる円筒状のライナと、前記ライナ内で発生した燃焼ガスをタービン翼に導く流路となる尾筒と、前記尾筒の外面を包み込む尾筒フロースリーブとを設けたガスタービン燃焼器において、
前記尾筒フロースリーブの断面方向の角部となる領域に第１の空気導入孔を複数個設け、この尾筒フロースリーブの前記角部となる領域を除いた尾筒フロースリーブの領域に第２の空気導入孔を複数個設け、
尾筒フロースリーブ断面の角部の領域に設けた前記第１の空気導入孔の直径を、前記角部となる領域を除いた尾筒フロースリーブの領域に設けた前記第２の空気導入孔の直径よりも小径となるように形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１又は請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、
尾筒フロースリーブ断面の角部とは、前記尾筒フロースリーブの外面部を構成し、異なる曲率半径によってその形状が規定される複数の領域のうち、尾筒フロースリーブの背側及び腹側の形状をそれぞれ規定する曲率半径よりも小さい曲率半径によって、その形状が規定される領域であることを特徴とするガスタービン燃焼器。