СОПЛОВОЙ БЛОК НЕПРЕРЫВНОГО СВЕРХЗВУКОВОГО ХИМИЧЕСКОГО HF/DF-ЛАЗЕРА Российский патент 1995 года по МПК H01S3/953 

Изобретение относится к лазерной технике и связано с разработкой конструкций сопловых блоков, предназначенных для использования в непрерывных химических НF/DF-лазерах.

Сопловый блок непрерывного химического НF/DF-лазера является ключевым элементом его газодинамического тракта, предназначенным для смешения струй окислительного газа, содержащего атомы фтора, и вторичного горючего (водорода или дейтерия) с последующим инициированием химической реакции накачки H+F₂->HF(ν)+F, либо D+F₂->DF(ν)+F (где НF(ν) и DF (ν) - молекулы продуктов реакции в колебательном возбужденном состоянии) с полости оптического резонатора.

Известны различные варианты конструкторского исполнения сопловых блоков. Сопловой блок традиционного (двухструйного) типа представляет собой набор так называемых лопаток. В теле каждой лопатки выполнено сверхзвуковое сопло для подачи вторичного горючего, а боковые стенки соседних лопаток образуют сверхзвуковые сопла для подачи окислительного газа. Такая решетка формирует в полости оптического резонатора сверхзвуковой поток, состоящий из чередующихся струй с шагом смешения (расстояние между осями одноименных сопел) 3-5 мм, обеспечивающим достаточно быстрое смешение реагентов и соответственно высокие энергетические характеристики лазера. Следствием быстрого смешения реагентов, достигаемого при использовании соплового блока двухструйной конструкции, является малая протяженность зоны генерации излучения Х_лаз.и неравномерное распределение тепловой нагрузки на зеркала оптического резонатора. Это обстоятельство не только затрудняет решение задачи по выводу генерируемого лазером излучения (особенно при высоких уровнях мощности), но и поднимает дифракционный предел расходимости излучения (θдифр. " "λ/X_лаз., где λ- длина волны), то есть ухудшает параметр, который в значительной степени определяет практический интерес к лазерам данного типа [1] .

Другой подход к конструированию сопловых блоков основан на разбавлении окислительного потока инертным газом и реализован в устройствах, описанных в [2-4].

Конструкция соплового блока, описанная в [2], включает сверхзвуковое сопло для подачи вторичного горючего и сверхзвуковое сопло для подачи окислительного газа, в сверхзвуковой части которого через отверстия, выполненные в его стенках, в окислительный поток инжектируется инертный газ (гелий). Поскольку при такой подаче инертного разбавителя происходит интенсификация процесса смешения струй, длина активной зоны существенно сокращается.

Сопловой блок, приведенный в [3], состоит из моносопла и расположенной в районе его критического сечения периодической системы подводящих каналов (смесительной решетки), через которую вводятся струи окислительного газа и вторичного горючего, разделенные слоем химическим инертного газа. Главный недостаток такой конструкции - трудность предотвращения инициирования химической реакции внутри моносопла в его сверхзвуковой части, которое крайне отрицательно сказывается на энергетических характеристиках лазера (вследствие наработки неравновесных молекул, ухудшения свойств активной среды и т.п.).

Вариант соплового блока, выбранный за прототип и описанный в [4], построен на принципе трехструйного смешения. Конструкция этого блока включает три основных элемента: первичные щелевые сверхзвуковые сопла для подачи окислительного газа, размещенные с шагом 10,2 мм, третичные щелевые сверхзвуковые сопла для подачи вторичного горючего (водорода), выполненные в виде вкладышей, размещенных в клиновых нишах сопловых лопаток, расположенных между первичными соплами, и вторичные щелевые сопла для инжекции разбавителя (гелия), образованные зазорами между телом вкладыша и стенкой клиновой ниши и размещенные между первичными и третичными соплами для создания прослойки инертного газа. Выходные сечения всех сопловых элементов расположения в одной плоскости - плоскости среза соплового блока.

К недостаткам этой конструкции следует отнести, во-первых, сложности технологического плана, связанные с изготовлением третичных сопел во вкладышах и креплением последних в нишах в теле сопловой лопатки с обеспечением необходимого зазора между вкладышами и стеками клиновых ниш. Во-вторых, ограничения на минимальную величину шага сопел, ввиду наличия дополнительных вторичных сопел для впрыска инертного газа. Это в свою очередь ограничивает масштаб смешения струй (не позволяя сделать его ниже 10 мм), что непосредственно отражается на качестве смешения и энергетических характеристиках лазера (которые, как правило, ниже, чем при использовании двухструйных сопловых блоков).

Сущность изобретения заключается в том, что в сопловом блоке, содержащем сверхзвуковые щелевые сопла для подачи окислительного газа, сверхзвуковые щелевые сопла для подачи инертного разбавителя и инжектирующее устройство для подачи вторичного горючего, последнее выполнено в виде набора перфорированных трубок, соединенных с опорными клиновидными элементами, которые расположены в плоскостях симметрии сопел для подачи разбавителя так, что расстояние от плоскости ввода вторичного горючего до плоскости среза сопел составляет не более 10-ти калибров сопла для подачи окислительного газа (где под калибром сопла понимается его ширина).

На фиг.1 изображен общий вид предлагаемого трехструйного соплового блока; на фиг.2 - один из вариантов его конструктивного оформления.

Согласно этому варианту сопловой блок состоит из профилированного щелевого сверхзвукового сопла 1 для подачи окислительного газа, клинового щелевого сверхзвукового сопла 2 для подачи инертного разбавителя и инжектора для подачи вторичного горючего, выполненного в виде набора трубок 3. Трубки перфорированы отверстиями, оси которых ориентированы по нормали к плоскости среза соплового блока. Трубки собраны в коллектор 4, который смонтирован на сопловом блоке. Каждая трубка соединена с узким клиновидным элементом 5, который располагается в сопле 2 в плоскости его симметрии. Для предотвращения прилипания клиновидного элемента к стенке сопла 2 в районе критического сечения, он выполнен гофрированным. Передняя (размещенная в сопле 2) кромка клиновидного элемента 5 может располагаться в любом сечении сопла разбавителя 2, а закрепленный на элементе 5 трубчатый инжектор вторичного горючего 3 может быть перфорирован каналами любой конфигурации: в виде щели, щелевого сопла, отверстий (как в описанном варианте) и т.п. Расстояние от поверхности ввода вторичного горючего (от плоскости, в которой лежат отверстия) до плоскости среза сопел составляет не более 10-ти калибров сопла для подачи окислительного газа h. Размер инжектора 3 определяется, исходя из конструктивных соображений, а также с учетом обеспечения минимальных газодинамических возмущений при его обтекании потоком инертного газа из сопла 2.

Работа предлагаемого соплового блока осуществляется следующим образом. Через сопло 1 в полость оптического резонатора лазера подается поток окислительного газа, содержащий атомы фтора, а через инжектирующее устройство 3 - поток вторичного горючего (водорода или дейтерия). Эти потоки пространственно разделены прослойками инертного газа (гелия), которые формируются путем размещения в плоскостях симметрии сопел для подачи разбавителя 2 клиновидных элементов 5. Наличие прослоек гелия препятствует инициированию реакции накачки между атомами фтора и молекулами водорода (дейтерия) и позволяет осуществить контролируемый (соответствующим выбором параметров инертного слоя) сдвиг начала зоны горения от среза соплового блока вниз по потоку, что в конечном счете приводит к увеличению протяженности зоны генерации, более равномерному распределению мощности излучения по ее длине и тепловой нагрузки на зеркала оптического резонатора. За счет выноса инжектора вторичного горючего из плоскости среза соплового блока удается снизить шаг сопел примерно в 1,5-2,0 раза, то есть сохранить масштаб смещения, характерный для двухструйного соплового блока. Кроме того, использование накладного коллектора позволяет довольно легко трансформировать двухструйный блок в трехструйный, изменив порядок подачи рабочих реагентов (в двухструйном блоке через сопло 2 подается вторичное горючее, а в трехструйном - инертный разбавитель), то есть унифицировать конструкцию.

Экспериментальная проверка предполагаемого изобретения проводилась на стендовой установке, включающей в свой состав модель НF-лазера, системы подачи рабочих компонентов топлива, регистрации режимных параметров и оптический измерительный комплекс. Модель НF-лазера состояла из генератора атомарного фтора и соплового блока предложенной конструкции с шагом сопловой решетки 7,5 мм. Инжектор для подачи вторичного горючего выполнен в виде трубок диаметром 1 мм, расположенных на расстоянии 0,6 калибра сопла для подачи окислительного газа (3 мм) от среза соплового блока, перфорированных отверстиями диаметром 0,3 мм с шагом 2 мм.

На фиг.3 приведены распределения мощности излучения лазера, снимаемой с единицы объема активной среды, по длине активной зоны для двухструйного (кривая 1) и трехструйного (кривая 2) сопловых блоков, из которых видно, что использование предлагаемой конструкции соплового блока приводит к увеличению протяженности зоны генерации в 1,7 раза с одновременным улучшением равномерности распределения мощности излучения по ее длине, то есть обеспечивает реализацию всех преимуществ режима работы с дополнительным разбавлением. При этом за счет сохранения масштаба смешения, характерного для двухструйного соплового блока, достигается максимальное значение мощности.

Таким образом, использование трехструйного соплового блока предлагаемой конструкции позволяет, сохранив все преимущества блоков такого типа, существенно упростить технологию изготовления и сборки, легко трансформировать его как в двухструйный, так и в трехструйный варианты (то есть унифицировать конструкцию), снизить в 1,5-2,0 раза масштаб смешения при сохранении величины мощности генерируемого лазерного излучения.

Использование: изобретение относится к лазерной технике, в частности к конструкциям сопловых блоков для проточных газовых лазеров. Сущность: в сопловом блоке, состоящем из щелевых сверхзвуковых сопел для подачи окислительного газа, щелевых сверхзвуковых сопел для подачи инертного разбавителя и инжектирующего устройства для подачи вторичного горючего, последнее выполнено в виде набора перфорированных трубок, соединенных с опорными клиновидными элементами, которые расположены в плоскости симметрии сопел для подачи инертного разбавителя так, что расстояние от плоскости ввода вторичного горючего до плоскости среза сопел составляет не более 10-ти калибров сопла для подачи окислительного газа, при этом стенки клиновидных элементов выполнены гофрированными, что позволяет упростить технологию изготовления и сборки соплового блока, снизить маштаб смещения струй и обеспечит унификацию конструкции. 3 ил.

СОПЛОВОЙ БЛОК НЕПРЕРЫВНОГО СВЕРХЗВУКОВОГО ХИМИЧЕСКОГО HF/DF-ЛАЗЕРА, состоящий из щелевых сверхзвуковых сопл для подачи окислительного газа, щелевых сверхзвуковых сопл для подачи инертного разбавителя и инжектирующего устройства для подачи вторичного горючего, отличающийся тем, что инжектирующее устройство для подачи вторичного горючего выполнено в виде набора перфорированных трубок, соединенных с опорными клиновидными элементами, которые расположены в плоскости симметрии сопл для подачи инертного разбавителя так, что расстояние от плоскости ввода вторичного горючего до плоскости среза сопл составляет не более 10 калибров сопла для подачи окислительного газа, при этом стенки клиновидных элементов выполнены гофрированными.