ЭЛЕКТРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ СО-ЛАЗЕР Российский патент 1996 года по МПК H01S3/953 

Изобретение относится к области лазерной техники, а точнее, к проблеме создания компактных, мобильных, автономных, непрерывно работающих, экологически чистых электрогазодинамических (ЭГД) СО-лазеров, применяемых в отрыве от стационарного источника энергии и с неограниченным объемом рабочей среды.

Известен газодинамический СО₂-лазер (см. А.С. Борейшо, Н.А. Ильин и др. "Технология судостроения", N 5, 1988), содержащий газотурбинную установку, соединенную с камерой сгорания, выполненной в виде углеродной матрицы, к торцам которой подведено средство ее предварительного разогрева. Камера сгорания связана со входом в профилированные сопла донорного газа соплового блока, имеющего также конические сопла излучающего газа, соединенные с системой выхлопа газотурбинной установки, являющейся источником CO₂. На выходе сопловой блок связан с резонатором, после которого установлена система выброса отработанной лазерной смеси при помощи эжектора.

В известном решении в камеру сгорания помещают углеродную матрицу, которую предварительно разогревают от источника постоянного электротока. После разогрева электроток отключается и осуществляется подача сжатого воздуха из газотурбинной установки, подающей воздух из атмосферы во время работы и обеспечивающей нужные для лазера расходы при приемлемых степенях сжатия. Потом продукты газификации поступают в сопловой блок, где к ним подмешивают СО₂, в качестве которого используют выхлопные газы газотурбинной установки. И далее смесь выводят в резонатор.

Увеличение мощности излучения в этом лазере достигается за счет повышения расходов лазерной среды. При этом КПД газодинамического лазера ≈ 1% и он не может быть большим из-за того, что при течении в сопле основная доля энергии нагретого и сжатого газа переходит в кинетическую энергию струи газа, которая затрачивается на ускорение потока газа, а не на излучение.

Кроме того, квантовый КПД молекулы СО₂ мал (≈ 40%). Это приводит к тому, что доля энергии накачки, превращающаяся в тепло в процессе возбуждения, в рабочем диапазоне температур оказывается высокой (80-90%).

Основным недостатком известного лазера является низкий КПД преобразования энергии в излучение из-за его больших тепловых потерь при нарабатывании требуемого количества лазерной смеси.

Известен также электрогазодинамический СО-лазер по заявке на изобретение Российской Федерации N 4912294/25 (014414) с решением о выдаче патента Р.Ф. от 17.02.93 г. "Способ получения активной среды СО-лазера", выбранный автором в качестве прототипа и содержащий состыкованные последовательно устройство конверсии продуктов сгорания в смесь СО, сопловой блок, газоразрядную камеру, систему выхлопа отработанной лазерной смеси и камеру дожигания СО для СО₂ с источником горючего. Причем в сопловой блок включены сверхзвуковые сопла, через устройство конверсии продуктов сгорания в смесь СО соединенные с камерой сгорания, и сверхзвуковые воздушные сопла, связанные с источником воздуха высокого давления, выполненным в виде баллонов со сжатым воздухом, а в газоразрядной камере расположены зеркала резонатора и установлены электроды, связанные со стационарным источником электроэнергии.

В известном решении в камере сгорания получают продукты сгорания, которые пропускают через устройство конверсии продуктов сгорания в смесь СО. А на выходе из сверхзвуковых сопел через сверхзвуковые воздушные сопла к смеси СО для ее охлаждения подмешивают воздух от источника воздуха высокого давления. Подача воздуха осуществляется из баллонов со сжатым воздухом, имеющих ограниченный объем. При этом образуется охлажденная и ионизированная смесь, которая возбуждается электрическим разрядом в газоразрядной камере от стационарного источника тока или аккумуляторных батарей. После этого излучение выводят из газоразрядной камеры при помощи зеркал резонатора, а отработанную газовую смесь в систему выброса отработанной лазерной смеси, где восстанавливают давление газового потока и затем производят дожигание СО до СО₂.

В данном ЭГД СО-лазере-прототипе квантовый КПД порядка 90% а колебательная энергия в процессе генерации остающаяся в рабочей среде из-за отличия КПД от единицы, не переходит практически мгновенно в тепло, а остается запасенной длительное время на колебательных уровнях. Благодаря этому доля энергии накачки, превращающаяся в тепло в процессе возбуждения, оказывается низкой (≈ 10%) по сравнению с аналогичной характеристикой для СО₂-лазерной смеси (80-90% ), как, например, в выше описанном аналоге. Высокая эффективность ЭГД СО-лазера-прототипа достигается тем, что электрический разряд служит для создания инверсной населенности, а сверхзвуковое расширение используется для охлаждения газа и удаления отработанного рабочего тела.

Недостатком прототипа является ограниченное время работы из-за применения в качестве источника воздуха высокого давления, баллонов с ограниченным объемом, а повышение экологичности достигается применением на выходе отработанной газовой смеси камеры дожигания СО до СО₂ с источником горючего, что требует дополнительного расхода горючего и увеличивает материальные затраты. Также прототип не является автономным, мобильным и компактным из-за применения стационарного источника электрического тока и баллонов со сжатым воздухом.

Перед заявляемым изобретением ставится задача создания компактного, мобильного, автономного, непрерывно работающего, более экологически чистого, электрогазодинамического СО-лазера многоцелевого назначения.

Поставленная задача достигается тем, что в ЭГД СО-лазер, включающий газоразрядную камеру, в которой расположены зеркала резонатора и установлены электроды, соединенные с источником электроэнергии, при этом с газоразрядной камерой связан источник СО, выполненный в виде камеры сгорания и устройства конверсии продуктов сгорания в смесь СО, через сверхзвуковые сопла соплового блока, содержащего также сверхзвуковые воздушные сопла, соединенные с источником воздуха высокого давления, и систему вывода отработанной лазерной смеси из газоразрядной камеры, введена турбореактивная установка, которая выполнена в виде состыкованных последовательно турбокомпрессора, камеры сгорания и газовой турбины. При этом вал газовой турбины кинематически связан с валом турбокомпрессора и с валом дополнительно введенного электрогенератора, который подключен через высокочастотный генератор к электродам, установленным в газоразрядной камере. Также между камерой сгорания и газовой турбиной расположен коллектор отбора продуктов сгорания, трубопроводом связанный с устройством конверсии продуктов сгорания в смесь СО, а между турбокомпрессором и камерой сгорания расположен воздухоотборный коллектор, трубопроводом связанный со сверхзвуковыми воздушными соплами. Кроме этого, система вывода отработанной лазерной смеси соединена со входом в турбокомпрессор.

В заявляемом решении турбокомпрессор, приводимый в движение газовой турбиной, подает воздух в камеру сгорания. После камеры сгорания получаемые продукты сгорания попадают на рабочие лопатки турбины и приводят ее в движение. При этом с помощью коллектора отбора продуктов сгорания часть газа (менее 10% ) подается по трубопроводу через устройство конверсии продуктов сгорания в смесь СО в сверхзвуковые сопла соплового блока. На выходе из соплового блока через сверхзвуковые воздушные сопла для охлаждения подмешивают воздух. Причем воздух отбирается из турбокомпрессора воздухоотборным коллектором и подается трубопроводом в сверхзвуковые воздушные сопла. При этом образуется охлажденная и ионизированная смесь, возбуждаемая электрическим разрядом, который возникает между электродами, подключенными через ВЧ-генератор к электрогенератору, связанному с вращающимся валом газовой турбины. После этого излучения выводят из газоразрядной камеры за счет зеркал резонатора, а отработанную лазерную смесь подают через систему вывода на вход в турбокомпрессор.

Таким образом, получен технический результат, заключающийся в том, что заявляемый ЭГД СО-лазер является компактным, мобильным, автономным, непрерывно работающим, более экологически чистым лазером многоцелевого назначения.

Заявляемое изобретение является новым, так как совокупность его признаков не известна из отечественных и зарубежных общедоступных источников информации.

По мнению автора, заявляемое изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно явным образом не следует из источников общедоступной информации, характеризующей уровень техники данной отрасли.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид ЭГД СО-лазера в продольном разрезе.

ЭГД СО-лазер состоит из газоразрядной камеры 1, в которой установлены зеркала 2 резонатора и электроды 3, к которым подключен электрогенератор 4 через высокочастотный генератор 5. С одной стороны к газоразрядной камере 1 пристыкован сопловой блок 6, состоящий из сверхзвуковых сопел 7 для подачи смеси СО и сверхзвуковых воздушных сопел 8 для подачи воздуха высокого давления, а с другой стороны установлена система вывода отработанной лазерной смеси, включающая диффузор 9. При этом ко входу в сверхзвуковые сопла 7 соплового блока 6 пристыковано устройство 10 конверсии продуктов сгорания в смесь СО, представляющее собой углеродную матрицу.

В лазер введена турбореактивная установка, выполненная в виде состыкованных последовательно турбокомпрессора 11, камеры сгорания 12 и газовой турбины 13. Турбореактивная установка имеет также систему запуска, состоящую из электродвигателя 14, питаемого от аккумуляторных батарей 15 и соединенного с валом 16 турбокомпрессора 11. Причем вал 17 газовой турбины 13 кинематически связан с валом 18 электрогенератора 4 через редуктор 19 и с валом 16 турбокомпрессора 11. При этом валы соосны. Между камерой сгорания 12 и газовой турбиной 13 установлен коллектор 20 отбора продуктов сгорания (СО₂, H₂O, O₂, N₂), соединенный трубопроводом 21 при помощи редукционного клапана 22 через устройство 10 конверсии продуктов сгорания в смесь СО со входом в сверхзвуковые сопла 7 соплового блока 6. А между турбокомпрессором 11 и камерой сгорания 12 установлен воздухоотборный коллектор 23, соединенный трубопроводом 24 через редукционный клапан 25 со сверхзвуковыми воздушными соплами 8. Диффузор 9 газоводом 26 соединен со входом в турбокомпрессор 11. Камера сгорания 12 выполнена в виде кольцевой жаровой трубы 27, на выходе имеющей кольцевое сопло 28 для подачи продуктов сгорания в газовую турбину 13, а на входе в жаровую трубу 27 размещены головки 29 для подачи топлива. Кроме этого, в стенках жаровой трубы 27 расположены отверстия 30 подачи воздуха из турбокомпрессора 11 в камеру сгорания 12, а за ними установлены по два воспламенителя 31 для воспламенения рабочей топливно-воздушной смеси. В каждую головку 29 жаровой трубы 27 установлена топливная форсунка 32, соединенная с топливным коллектором 33. При этом топливный коллектор 33 трубопроводом 34 связан с топливной системой. Топливная система представляет собой бак 35 для горючего, например, керосина, фильтр 36 очистки, насос 37 и расходомер 38, который соединен трубопроводом 34 с топливным коллектором 33.

Диффузор 9 соединен газоводом 26 со входом турбокомпрессора 11 через теплообменник. Теплообменник выполнен в виде трубопровода-змеевика 39 с охлаждаемой водой, подаваемой насосом 40 из емкости 41 через холодильник 42. А на входе в турбокомпрессор 11 установлено эжекторное устройство 43.

Воздухоотборный коллектор 23 выполнен в виде ресивера 44 с трубопроводами 45 для равномерного отбора воздуха высокого давления с выхода турбокомпрессора 11. Причем полость трубопроводов 45 соединена с выходом из турбокомпрессора 11 за счет штуцеров 46, а ресивер 44 соединен трубопроводом 24 со сверхзвуковыми воздушными соплами 8 соплового блока 6.

Коллектор 20 отбора продуктов сгорания также выполнен в виде ресивера 47 с трубопроводами 48 для равномерного отбора продуктов сгорания из жаровой трубы 27. При этом полость трубопроводов 48 соединена с выходом из камеры сгорания 12 за счет штуцеров 49, а ресивер 47 соединен трубопроводом 21 через устройство 10 конверсии продуктов сгорания в смесь СО со сверхзвуковыми соплами 7 соплового блока 6. Причем трубопроводы 48, ресивер 47, трубопровод 21 с редукционным клапаном 22 и устройство 10 конверсии продуктов сгорания в смесь СО теплоизолированы для сохранения высокой температуры продуктов сгорания, поступающих в сопловой блок 6.

Высокочастотный генератор 5, предназначенный для преобразования частоты тока и напряжения, получаемых электрогенератором 4, в частоты порядка Мегогерц и напряжения порядка Киловатт, состоит из блока 50 нагрузочного контура и генераторного блока 51, охлаждаемого водой, подаваемой из емкости 41 насосом 40 через холодильник 42.

Лазер работает следующим образом.

При запуске турбореактивной установки электродвигатель 14, питаемый от аккумуляторных батарей 15, начинает вращать вал 16 турбокомпрессора 11. Турбокомпрессор 11 подает через отверстия 30 в жаровую трубу 27 камеры сгорания 12 сжатый воздух, который смешивается c топливом, поступаемым из бака 35. Топливо из бака 55 подается насосом 37, работающим от вращающегося вала 16 турбокомпрессора 11, через фильтр 36 очистки и расходомер 38, который регулирует подачу топлива в камеру сгорания 12, по трубопроводу 34 в топливный коллектор 33, от которого топливо подводится к форсункам 32. Форсунки 32 обеспечивают распыл и распределение топлива по головкам 29 жаровой трубы 27. Рабочая смесь, образованная при смешании топлива и воздуха, воспламеняется воспламенителями 31 за счет постоянного искрения свечей, установленных в них. Полученные при этом продукты сгорания расширяются при прохождении сопла 28 и потом, попадая на рабочие лопатки газовой турбины 13, начинают вращать вал 17 газовой турбины 13, по выходе из которой продукты сгорания уходят в выхлоп. При этом вал 17 газовой турбины 13 начинает вращать вал 18 электрогенератора 4 за счет редуктора 19 и вал 16 турбокомпрессора 11. Поэтому после запуска турбореактивной установки электродвигатель 14 отключается. Кроме того, часть продуктов сгорания (менее 10%) отбирается из камеры сгорания 12 коллектором 20 отбора продуктов сгорания. Отбор газа производится системой трубопроводов 48 равномерно по периметру с выхода жаровой трубы 27 через штуцеры 49. Трубопроводами 48 газ подается в ресивер 47. Откуда по трубопроводу 21 продукты сгорания, регулируемые редукционным клапаном 22, поступают через устройство 10 конверсии продуктов сгорания в сверхзвуковые сопла 7 соплового блока 6. При прохождении продуктов сгорания через устройство 10 конверсии продуктов сгорания в смесь СО происходит коррекция их состава, т. е. из смеси продуктов сгорания (N₂, CO₂, H₂O, O₂) образуется смесь СО (СО; Н₂; N₂).

Чтобы предварительно ионизировать газ, на входе в сверхзвуковые сопла 7 смесь СО должна иметь достаточно высокую температуру (≈ 1700 К), поэтому часть конструкции, за счет которой продукты сгорания поступают в сверхзвуковые сопла 7 соплового блока 6, теплоизолирована. Для получения объемного разряда при высоком давлении (Р ≈ 50 Тор) требуется повышенный уровень начальной электронной плотности в разрядном промежутке путем предварительной ионизации, реализуемой при адиабатическом охлаждении предварительно нагретого газа. Поэтому для понижения температуры смеси на выходе из сверхзвуковых сопел 7 к рабочему газу через сверхзвуковые воздушные сопла 8 подмешивают воздух, охлаждая его также резким расширением в соплах. Воздух отбирается воздухоотборным коллектором 23. Отбор производится с выхода турбокомпрессора 11 трубопроводами 45 через штуцеры 46. Система трубопроводов 45 забирает воздух высокого давления равномерно по периметру с выхода турбокомпрессора 11 и подает его в ресивер 44. Из ресивера 44 трубопроводом 24 воздух, регулируемый редукционным клапаном 25, подается в сверхзвуковые воздушные сопла 8 соплового блока 6. На выходе из соплового блока 6 образуется охлажденная и ионизированная смесь (СО, N₂, H₂), которую возбуждают в газоразрядной камере 1 электрическим разрядом, который возникает при подаче к электродам 3 высокого напряжения, задаваемого электрогенератором 4 при вращении вала 17 газовой турбины 13. Напряжение, получаемое электрогенератором 4, преобразуется высокочастотным генератором 5 и подается на электроды 3 газоразрядной камеры 1.

Излучение, получаемое при помощи зеркал 2 резонатора, выводят из газоразрядной камеры 1. А отработанную газовую смесь подают в диффузор 9, где повышают давление газового потока. При подводе отработанной газовой смеси на вход турбокомпрессора 11 газовую смесь охлаждают при помощи теплообменника, у которого трубопровод-змеевик 39 с водой, постоянно охлаждаемой холодильником 42, расположен поперек потоку газа. Применение теплообменника позволяет снизить температуру отработанной газовой смеси до температуры воздуха, поступающего в турбокомпрессор 11 и далее подаваемого в сверхзвуковые воздушные сопла 8 соплового блока 6 для охлаждения рабочей газовой смеси в газоразрядной камере 1. Также на входе турбокомпрессора 11 установлено эжекторное устройство 40 для понижения давления воздуха, подаваемого в турбокомпрессор 11 из атмосферы. Эжекторное устройство 40 производит забор газа из диффузора 9 на лопатки турбокомпрессора 11.

Заявляемое изобретение благодаря введению турбореактивной установки, служащей в качестве источника смеси СО, воздуха высокого давления и электроэнергии, позволяет сделать компактный, мобильный, автономный, непрерывно работающий, более экологически чистый ЭГД СО-лазер многоцелевого назначения.

У заявляемой конструкции неограниченное время работы из-за применения источника воздуха высокого давления с неограниченным объемом, в качестве которого используется воздух сжатый в турбокомпрессоре. Этот лазер обладает достаточно высокой экологичностью за счет того, что он работает по замкнутому циклу. Конструкция является компактной, автономной, мобильной, а также непрерывно работающей благодаря использованию неограниченных источников воздуха высокого давления, смеси СО и источника электроэнергии. Повышение экологичности достигается в заявляемом ЭГД СО-лазере путем вывода отработанной лазерной смеси в турбокомпрессор, что к тому же не требует дополнительных материальных затрат.

Все эти достоинства позволяют использовать заявляемое изобретение автономно, с неограниченным временем работы, а также работающим по замкнутому циклу, следовательно, более экологичным.

Использование: в лазерной технике. Сущность изобретения: в электрогазодинамический лазер введена турбореактивная установка, выполненная в виде состыкованных последовательно турбокомпрессора, камеры сгорания и газовой турбины. При этом вал газовой турбины кинематически связан с валом турбокомпрессора и с валом дополнительно введенного электрогенератора, между камерой сгорания и газовой турбиной расположен коллектор отбора продуктов сгорания. Между турбокомпрессором и камерой сгорания расположен воздухоотборный коллектор. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электрогазодинамический СО-лазер, содержащий газоразрядную камеру, с которой связан источник СО, выполненный в виде камеры сгорания и устройства конверсии продуктов сгорания в смесь СО через сверхзвуковые сопла соплового блока, включающего также сверхзвуковые воздушные сопла, соединенные с источником воздуха высокого давления, при этом в газоразрядной камере установлены электроды, связанные с источником электроэнергии, и расположены зеркала резонатора, и систему вывода отработанной лазерной смеси из газоразрядной камеры, отличающийся тем, что в лазер введена турбореактивная установка, выполненная в виде состыкованных последовательно турбокомпрессора, камеры сгорания и газовой турбины, вал которой кинематически связан с валом турбокомпрессора и с валом дополнительно введенного электрогенератора, при этом между камерой сгорания и газовой турбиной расположен коллектор отбора продуктов сгорания, трубопроводом связанный с устройством конверсии продуктов сгорания в смесь СО, между турбокомпрессором и камерой сгорания расположен воздухоотборный коллектор, трубопроводом связанный с сверхзвуковыми воздушными соплами, а дополнительно введенный электрогенератор подключен через высокочастотный генератор к электродам, установленным в газоразрядной камере. 2. СО-лазер по п.1, отличающийся тем, что система вывода отработанной лазерной смеси соединена с входом в турбокомпрессор.