СПОСОБ ЗАПУСКА ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ЛАЗЕРА Российский патент 1997 года по МПК H01S3/959 

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для использования при эксплуатации мощной газодинамической лазерной установки, работающей на продуктах сгорания.

В настоящее время газовые лазеры на продуктах сгорания широко используются в качестве источников мощного излучения в непрерывном режиме. Среди известных типов лазеров для практических приложений наиболее интересен газодинамический лазер на двуокиси углерода, в котором для получения рабочей смеси газов обычно подают в газогенератор компоненты топлива, в том числе горючее (газообразный оксид углерода CO или жидкий толуол C₇H₈) и окислитель (воздух), сжигают топливо в газогенераторе, а продукты сгорания смешивают с балластным компонентом (азотом), что позволяет получить температуру торможения T_o≅1500 K при составе продуктов сгорания (молярные доли) 0,15-0,10, 0,001-0,05, остальное азот.

Однако состав рабочего тела при использовании известного способа не оптимален (в продуктах сгорания велика доля углекислого газа и воды), вследствие чего удельный энергосъем не превышает 10-12 кДж/кг [1] Малая величина удельного энергосъема приводит к необходимости увеличивать расход рабочего тела для получения требуемого уровня мощности.

Известен способ запуска газодинамического лазера, включающий подачу и сжигание вспомогательного топлива, в том числе горючего и окислителя, разогрев теплоаккумулирующей насадки регенеративных теплообменников балластного компонента и окислителя с помощью продуктов сгорания вспомогательного топлива, подачу компонентов рабочего тела в газогенератор с предварительным нагревом балластного компонента и окислителя в регенеративных теплообменниках, причем подачу горючего в газогенератор с предварительным нагревом балластного компонента и окислителя в регенеративных теплообменниках, причем подачу горючего в газогенератор осуществляют с задержкой относительно подачи как балластного компонента, так и окислителя [2]
Известный способ позволяет повысить эффективность преобразования тепловой энергии в энергию лазерного излучения и надежность лазера, однако ему присущи и определенные недостатки. Так, например, из-за остывания насадки теплообменника при прокачке рабочего газа возможно уменьшение его температуры на 20% что приведет к изменению удельного энергосъема на 10-20% в зависимости от выбранного режима работы лазера. Кроме того, изменение температуры рабочего газа приведет к плавному изменению собственной частоты газодинамического тракта лазера (примерно на 10%), что может вызвать переход через резонансную частоту лопаток блока сопл и либо их разрушение, либо резкое снижение мощности излучения вследствие нарушения однородности газового потока в зоне резонатора.

Задачей изобретения является повышение стабильности параметров и эксплуатационной надежности.

Поставленная задача достигается тем, что в способе запуска газодинамического лазера, включающем подачу и сжигание вспомогательного топлива, в том числе горючего и окислителя, разогрев теплоаккумулирующей насадки регенеративных теплообменников балластного компонента и окислителя с помощью продуктов сгорания вспомогательного топлива, подачу компонентов рабочего тела в газогенератор с предварительным нагревом балластного компонента и окислителя в регенеративных теплообменниках, по окончании разогрева насадки теплообменников отключают подачу вспомогательного горючего, а подачу вспомогательного окислителя отключают с задержкой относительно отключения вспомогательного горючего, при этом время задержки t задают из условия
0,15τ<t<0,30τ,
где τ время прихода тепловой волны при разогреве насадки к удаленному от газогенератора слою насадки.

На фиг.1 проиллюстрировано распределение температуры насадки теплообменника по высоте для различных времен разогрева; на фиг.2 то же, для различных времен захолаживания при прокачке вспомогательного окислителя; на фиг.3 даны зависимости от времени температуры рабочего газа на выходе насадки теплообменника в процессе запуска лазера при различных временах ее захолаживания; фиг. 4 демонстрирует влияние времени захолаживания насадки на относительную неравномерность температуры рабочего газа на выходе теплообменника; на фиг.5 изображена схема газодинамического лазера, предназначенного для использования предлагаемого способа.

Газодинамический лазер (фиг.5) содержит систему управления 1, газодинамический тракт 2 для прокачки рабочего тела, источники основных расходуемых компонентов рабочего тела окислителя 3 (воздуха), балластного компонента 4 (азота), источник горючего 5, дистанционно управляемые запорные устройства (например, отсечные клапаны) окислителя 6, балластного компонента 7, горючего 8.

Газодинамический тракт содержит входные стабилизирующие патрубки окислителя 9, балластного компонента 10, основной газогенератор 11, ресивер 12, цилиндрический блок сопл 13, рабочую часть 14 с резонаторными зеркалами 15, 16 и выхлопной коллектор 17.

Основной газогенератор 11 состоит из камеры сгорания 18 и форсуночного блока 19, выполненного в виде соосной с камерой сгорания трубы 20, к которой с помощью трубопровода 21 пристыкованы трубопроводы основных расходуемых компонентов: окислителя 22 и балластного компонента 23. Трубопровод горючего 24 снабжен выходным стабилизирующим патрубком 25, расположенным на его конце соосно трубопроводу балластного компонента 23.

Источники окислителя 3 и балластного компонента 4 соединены со стабилизирующими патрубками 9, 10 через расходные трубопроводы окислителя 26, балластного компонента 27 и регенеративные теплообменники окислителя 28 и балластного компонента 29.

Теплообменники снабжены индивидуальными системами разогрева 30, 31, содержащими камеры сгорания 32, выхлопные тракты 33, 34 и запорные устройства 35, 36 с дистанционным управлением.

Камеры сгорания 32 систем разогрева соединены через отсечные клапаны 3, 38 и трубопроводы 39, 40 с источником вспомогательного горючего 41 (например, природного газа). Для подачи окислителя (воздуха) к камерам 32 системы разогрева 30, 31 снабжены турбовоздуходувными машинами 42, 43, трубопроводами 44, 45 и отсечными клапанами 46, 47, размещенными в верхних частях корпусов теплообменников 28, 29.

Выхлопные тракты 33, 34 систем разогрева 30, 31 совмещены с расходными трубопроводами окислителя 26 и балластного компонента 27 на участках между входами в теплообменники 28, 29 и запорными устройствами 35, 36 и снабжены системами охлаждения 48, 49, содержащими источник хладагента (воды) 50, трубопроводы 51, 52 с отсечными клапанами 53, 54, распылительные устройства (форсунки 55, 56 и блоки автоматики 57, 58 с датчиками температуры 59, 60 и усилителями-преобразователями 61, 62, снабженными сигнализаторами минимальной 63, 64 и максимальной температуры 65, 66. Сигнализаторы минимальной температуры 63, 64 функционально связаны с цепями включения 67, 68 отсечных клапанов 37, 38 (то есть с цепями выключения камер сгорания 32 систем разогрева 30, 31) и цепями закрытия 73, 74 (включения) запорных устройств 35, 36 выхлопных трактов 33, 34 систем разогрева 30, 31, при этом в цепи закрытия 73, 74 введены реле времени 75, 76.

На выходе теплообменников 28, 29 установлены отсечные клапаны 77, 78, а на выходе камер сгорания 32 выравнивающие решетки 79 и гребенки термопар 80, 81, а внутри теплообменников 28, 29 размещена теплоаккумулирующая насадка 82.

Трубопроводы сброса продуктов сгорания после запорных устройств 35, 36, стандартная автоматика безопасности и арматура не показаны на фиг.5.

К основному газогенератору 11 подключены вспомогательный газогенератор 83 с камерой сгорания 84, форсуночным блоком 85, состыкованным с трубопроводами 86, 87 окислителя и горючего соответственно, а также стабилизирующими патрубками 88, установленными в коллекторе 89 балластного компонента. Трубопровод окислителя 86 снабжен сверхзвуковым стабилизирующим патрубком 90 и подсоединен к регенеративному теплообменнику 28 окислителя, а коллектор 89 балластного компонента подсоединен к регенеративному теплообменнику 29 балластного компонента трубопроводом 91 со сверхзвуковым стабилизирующим патрубком 92.

Вспомогательный газогенератор снабжен подвигающими устройствами 93 - малоразмерными камерами сгорания, соединенными трубопроводами 94, 95 со стабилизирующими патрубками 96, 97 с источником поджигающего горючего 98 и окислителя 3. Отсечные клапаны вспомогательного газогенератора и поджигающих устройств, а также цепи управления ими и датчики не показаны на фиг.5, чтобы не загромождать чертеж, по этой же причине показано подключение к источникам горючего и окислителя лишь одного из поджигающих устройств 93.

Запуск газодинамического лазера осуществляют следующим образом. Сначала осуществляют подачу и сжигание вспомогательного топлива для разогрева теплоаккумулирующей насадки 82 регенеративных теплообменников балластного компонента 29 и окислителя 28.

Для этого закрывают отсечные клапаны 77, 78, открывают запорные устройства 35, 36, отсечные клапаны 46, 47 и включают трубовоздуходувные машины 42, 43. После продувки теплообменников 28, 29 воздухом включают зажигание и открывают отсечные клапаны 37, 38 подачи природного газа от источника 41 в трубопроводы.

Природный газ смешивают с воздухом, образуя вспомогательное топливо, которое сжигают в камерах 32, и пропускают продукты сгорания через насадку 82. Контроль параметров продуктов сгорания и проверку работоспособности всех камер сгорания 32 осуществляют с помощью гребенок термопар 80, 81. При необходимости осуществляют коррекцию режимов подачи природного газа.

Разогрев насадки 82 осуществляют по типу "тепловой волны". Сначала прогревают ближайшие к камерам 32 слои насадки, а затем за счет продолжения разогрева обеспечивают распространение тепловой волны и ее подход к удаленному от газогенератора 11 слою насадки.

Регулируя подачу вспомогательного горючего, обеспечивают максимальную эффективную температуру ближайшего к газогенератору слоя насадки в пределах от температуры кипения горючего до стандартной температуры самовоспламенения (по ГОСТ 13920-68). Продукты сгорания выпускают через выхлопные тракты 33, 34, запорные устройства 35, 36 и выбрасывают в атмосферу.

Максимальное время разогрева насадки теплообменников задают из условия подхода "тепловой волны" к удаленному от газогенератора слою насадки. Подход "тепловой волны" контролируют с помощью блоков автоматики 57, 58: сигналы с датчиков температуры 59, 60 подают на входы усилителей преобразователей 61, 62. В качестве меры прихода "тепловой волны" берут, например, диапазон температур от температуры кипения хладагента (воды) до избыточной температуры, составляющей 20% от избыточной температуры продуктов сгорания на выходе камер сгорания 32 (под избыточной температурой понимается разность температуры продуктов сгорания вспомогательного топлива и начальной температуры насадки).

По достижении минимальной заданной температуры, свидетельствующей о начале подхода "тепловой волны", с помощью сигнализаторов 63, 64 через систему управления 1 подают команды на открытие отсечных клапанов 53, 54 систем охлаждения 48, 49.

Открытием клапанов 53, 54 подают хладагент (воду) из источника 50 по трубопроводам 51, 52 к форсункам 55, 56 и распыляют с их помощью в потоке продуктов сгорания. Испарением хладагента обеспечивают охлаждение продуктов сгорания и тем самым защищают от перегрева выхлопные тракты 33, 34 и запорные устройства 35, 36.

Продолжая подачу и сжигание вспомогательного топлива, обеспечивают дальнейший прогрев насадки. По приходе "тепловой волны" к удаленному от газогенератора слою насадки, прекращают подачу и сжигание вспомогательного горючего. Для этого с помощью сигнализаторов максимальной температуры через систему управления 1 подают команды на цепи выключения 71, 72 отсечных клапанов 37, 38 подачи вспомогательного горючего. Подачу вспомогательного окислителя (воздуха) продолжают в течение времени t после отключения подачи вспомогательного горючего, удовлетворяющего условию
0,15τ<t<0,30τ
где t время прихода "тепловой волны" к удаленному от газогенератора слою насадки. По истечении времени t через систему управления 1 подают команды на цепи выключения 69, 70 отсечных клапанов 53, 54 системы охлаждения и через реле времени 75, 76 на цепи включения (закрытия) 73, 74 запорных устройств 35, 36 выхлопных трактов 33, 34. По истечении интервалов времени, которые задают посредством реле времени 75, 76, при помощи системы управления 1 осуществляют закрытие запорных устройств 35, 36 систем разогрева 30, 31, останавливают воздуходувные машины 42, 43 и открывают клапаны 77, 78.

Затем производят подачу компонентов рабочего тела, в том числе и горючего, в газогенератор 11 с предварительным нагревом балластного компонента и окислителя в регенеративных теплообменниках и сжигание рабочего тела.

Для этого подают окислитель и горючее к поджигающим устройствам 93 и включают зажигание (электрические свечи или иные устройства). Затем открывают отсечные клапаны 6 и 7 и подают рабочие компоненты к регенеративным теплообменникам 28, 29. При прокачке через насадку 82 теплообменников 28, 29 окислитель (воздух) и балластный компонент (азот) прогревают и по трубопроводам 22, 23, 86, 91 подают в основной 11 и вспомогательный 83 газогенераторы.

Горючее из источника 5 (жидкий толуол) по трубопроводу 87 подают в форсуночный блок 85 и перемешивают с окислителем (подогретым воздухом), который подают по трубопроводу 86. Образовавшуюся топливную смесь воспламеняют дежурными факелами, которые создают поджигающими устройствами 93. Продукты сгорания смешивают на выходе газогенератора 83 с балластным газом (азотом), который подают к стабилизирующим патрубкам 88 по трубопроводу 91 со стабилизирующим патрубком 92 и далее через коллектор 89. Открытием отсечного клапана 8 горючее из источника 5 подают по трубопроводу 24 к выходному стабилизирующему патрубку 25, смешивают с подогретым азотом в процессе течения по трубопроводу 23, а затем к образовавшейся смеси добавляют подогретый воздух, подаваемый по трубопроводу 22. Компоненты рабочего тела перемешивают при течении по трубопроводам 21 и 20, образуя топливную смесь, которую подают в камеру сгорания 18 основного газогенератора 11. В камере сгорания 18 топливную смесь закручивают и поджигают потоками сгоревшего газа, подаваемого вспомогательными газогенераторами 83. Продукты сгорания подают в ресивер 12 газодинамического тракта, откуда направляют с помощью цилиндрического блока сопл 13 в рабочую часть 14. Резонатор, образованный зеркалами 15, 16, обеспечивает съем лазерного излучения. Отработанный поток выбрасывают в выхлопной коллектор.

Эффективность предлагаемого способа подтверждена расчетами. На фиг. 1 представлено распределение безразмерной температуры насадки теплообменника по высоте (где X координата, отсчитанная от места ввода продуктов сгорания вспомогательного топлива, L полная высота теплоаккумулирующей насадки) для различных времен разогрева. В качестве безразмерной температуры насадки взята величина
где T_{насадки} температура насадки в некотором сечении;
T_min минимальная температура насадки (до начала разогрева);
T_max максимально возможная температура насадки, равная температуре продуктов сгорания вспомогательного горючего.

Кривые А-Д получены для времени разогрева t = (0,5-1,5)τ соответственно. В качестве времени прихода тепловой волны t при разогреве насадки к удаленному от газогенератора слою взято время, за которое температура насадки на выходе продуктов сгорания достигает температуры кипения хладагента (воды). Времени t = 0,5τ соответствует кривая А на фиг.1, времени t = 0,75τ кривая Б, t = τ кривая В, t = 1,25τ-Г и t = 1,5τ-Д.
На фиг.2 показано распределения безразмерной температуры насадки теплообменника по высоте для различных времен ее захолаживания при прокачке вспомогательного окислителя (воздуха). Кривая В начальное распределение температуры по высоте насадки по окончании разогрева в течение времени t = τ а кривыми Е, Ж, З представлены распределения температуры насадки по высоте для продолжительности захолаживания 0,1τ,0,2τ и 0,3τ соответственно. Из рассмотрения кривых В, Е, Ж, З видно, что захолаживание насадки позволяет перераспределить тепло по ее высоте, переместив максимум температуры насадки с ближайшей к газогенератору 11 точки вглубь насадки.

Благодаря перераспределению температуры по высоте насадки и уменьшению температуры ее верхних слоев при заполнении теплообменников в процессе запуска лазера первые порции рабочего газа на выходе теплообменников 28, 29 перед стабилизирующими патрубками 9, 10 будут холоднее, чем последующие, и их адиабатическое поджатие при повышении давления в теплообменнике от атмосферного до рабочего (на 2 порядка) лишь компенсируют уменьшение температуры при захолаживании, а температура рабочего газа на выходе будет практически постоянна. Это подтверждается графиками на фиг.3, где даны зависимости от времени t температуры T рабочего газа на выходе насадки теплообменника в процессе запуска лазера при различных временах ее захолаживания для продолжительности разогрева 1,5τ (кривая И без захолаживания, К захолаживание в течение t = 0,2τ Л захолаживание в течение t = 0,3τ Интервал времени 0 2 с соответствует заполнению теплообменника до рабочего давления, при этом за время испытания интервал 2 7 с температура газа изменится на 150К без захолаживания и на 10-40К при захолаживании. Комбинация разогрева и охлаждения насадки позволяет в принципе подобрать режим с практически постоянной температурой газа на выходе насадки. Это демонстрируют графики на фиг.4, где показана зависимость относительной неравномерности с температуры рабочего газа на выходе теплообменников от относительного времени t/τ захолаживания насадки теплообменников - абсолютная величина разности температур в начале эксперимента, когда теплообменник заполнен, т.е. t=2 c, и в конце эксперимента, т.е. t=7 c). Кривая Н соответствует времени разогрева t = τ кривая M-t = 1,5τ. Остальные представляющие практический интерес кривые расположены между ними (эта область заштрихована на фиг. 4). Из фиг.4 видно, что при времени захолаживания от 0,15τ до 0,3τ относительное изменение температуры заведомо не превысит 10% Захолаживание в течение времени t≥0,3τ нецелесообразно из-за снижения температуры рабочего газа ниже 600К, что может привести к уменьшению удельного энергосъема. Рекомендуемый диапазон времен захолаживания выделен жирной чертой на оси абсцисс на фиг.4.

Результаты, приведенные на фиг.1-4, получены при исследовании опытного образца мощного газодинамического CO₂-лазера.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет повысить стабильность параметров нагретого рабочего тела, а следовательно, и стабильность удельного энергосъема и повысить эксплуатационную надежность за счет устранения возможностей совпадения собственной частоты газодинамического тракта с резонансной частотой блока сопел.

Использование способа будет начато в IV квартале 1991 г. по плану НИР в НИИТП.

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для использования при эксплуатации мощных газодинамических лазерных установок. Способ включает подачу и сжигание вспомогательного топлива, в том числе горючего и окислителя, разогрев теплоаккумулирующей насадки регенеративных теплообменников балластного компонента и окислителя с помощью продуктов сгорания вспомогательного топлива, подачу компонентов рабочего тела в газогенератор с предварительным нагревом балластного компонента и окислителя в регенеративных теплообменниках. При этом по окончании разогрева насадки теплообменников отключают подачу вспомогательного горючего, а подачу вспомогательного окислителя отключают с задержкой относительно отключения вспомогательного горючего, при этом время задержки t задают из условия 0,15τ<t<0,30τ, где τ - время прихода тепловой волны при разогреве насадки к удаленному от газогенератора слою насадки. 5 ил.

Способ запуска газодинамического лазера, включающий подачу и сжигание вспомогательного топлива, в том числе горючего и окислителя, разогрев теплоаккумулирующей насадки регенеративных теплообменников балластного компонента и окислителя с помощью продуктов сгорания вспомогательного топлива, подачу компонентов рабочего тела в газогенератор с предварительным нагревом балластного компонента и окислителя в регенеративных теплообменниках, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности параметров выходного излучения лазера и эксплуатационной надежности, по окончании разогрева теплоаккумулирующей насадки теплообменников отключают подачу вспомогательного горючего, а подачу вспомогательного окислителя отключают с задержкой t относительно отключения вспомогательного горючего, величина которой удовлетворяет условию
0,15τ < t < 0,30τ,
где τ - время прихода тепловой волны при разогреве насадки к наиболее удаленному от газогенератора слою насадки.