ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР Российский патент 2001 года по МПК H01S3/953 H01S3/22 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к газовым лазерам, которые могут быть использованы в различных отраслях народного хозяйства для технологических целей.

Известен газодинамический лазер, содержащий камеру сгорания, сопловой блок, оптический резонатор, сверхзвуковой диффузор и систему охлаждения (см. Антропов Е. Т. и др. Газодинамический CO₂ лазер с высокотемпературным регенеративным теплообменным нагревателем рабочей смеси. М.: Препринт ИВТАН, N 5-39, 1979 /1/). Недостатком известного устройства является отсутствие мобильности, что связано с конструктивными особенностями лазера - баллонная система газоснабжения, сложная система охлаждения.

Известен газодинамический лазер, содержащий две камеры сгорания, сопловой блок, оптический резонатор, диффузор и систему охлаждения (см. описание к патенту РФ N 2069432, H 01 S 3/22, 1996 /2/). Недостатком известного устройства является сложность его конструкции, заключающаяся в наличии двух камер сгорания, сложность системы охлаждения, заключающаяся в наличии нескольких теплообменников и регулирующей аппаратуры, а также большой расход охлаждающей среды - жидкого азота и воды, что исключает возможность его использования в мобильном варианте.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является известный газодинамический лазер, содержащий турбореактивный двигатель с компрессором, источники рабочих газов в виде баллонов, камеру сгорания, сопловой блок, оптический резонатор, диффузор и систему охлаждения (см. описание к патенту США N 4320358, НКИ 372-90, 1982 /3/).

Недостатком известного устройства является отсутствие мобильности, что в первую очередь связано со сложностью системы охлаждения, в которой используется жидкий азот в качестве хладагента.

Заявляемый в качестве изобретения газодинамический лазер направлен на обеспечение его мобильности.

Указанный результат достигается тем, что газодинамический лазер содержит двигатель с компрессором, соединенным с входом камеры сгорания, сопловой блок, оптический резонатор, диффузор и систему охлаждения, при этом система охлаждения, выполненная в виде рубашек и/или каналов охлаждения камеры сгорания, соплового блока, стенок объема резонатора и диффузора, соединена с устройством вывода выхлопных газов двигателя в атмосферу.

Указанный результат достигается также тем, что в каналах, соединяющих устройство вывода выхлопных газов двигателя с рубашками и/или каналами охлаждения, установлены форсунки, соединенные с источником воды.

Указанный результат достигается также тем, что выходные каналы системы охлаждения соединены с каналом выброса выхлопных газов двигателя в атмосферу, с которым соединен выход диффузора.

Отличительными признаками заявляемого газодинамического лазера являются:
- соединение с устройством вывода выхлопных газов двигателя в атмосферу системы охлаждения, выполненной в виде рубашек и/или каналов охлаждения камеры сгорания, соплового блока, объема резонатора и диффузора;
- установление форсунок, соединенных с источником воды, в каналах, соединяющих устройство вывода выхлопных газов двигателя с рубашками и/или каналами охлаждения;
- соединение выходных каналов системы охлаждения с каналом выброса выхлопных газов двигателя в атмосферу, с которым соединен выход диффузора.

Соединение с устройством вывода выхлопных газов двигателя в атмосферу системы охлаждения, выполненной в виде рубашек и/или каналов охлаждения камеры сгорания, соплового блока, объема резонатора и диффузора, позволяет обеспечить мобильность лазерной технологической установки с использованием предлагаемого лазера.

Действительно, проблема термостабилизации основных узлов и систем является наиболее острой и от ее решения зависит работоспособность установки. Температура в камере сгорания, сопловом блоке, резонаторе и диффузоре без охлаждения может достигать 2000^oC и более, если использовать для охлаждения воду, то ее расход, обеспечивающий нормальную работу установки при мощности лазера 50 кВт, составит 15 - 25 т/час (в зависимости от температуры окружающей среды). Как показали опыты, если использовать в качестве хладагента выхлопные газы двигателя, имеющие температуру 500 - 700^oC, то, учитывая, что они выходят из двигателя с достаточно высоким давлением и обеспечивают быстрый проток по охлаждающим контурам, то температуру стенок охлаждаемых объектов (камера сгорания, сопловый блок и т.д.) можно снизить до 750^oC и таким образом отказаться от использования воды вообще, особенно если технологическая установка с предлагаемым лазером используется в высоких широтах в холодное время года.

В частных случаях, например, в жарких странах, когда температура воздуха превышает 40^oC в тени, использование в качестве хладагента выхлопных газов может быть недостаточно, поэтому в таких ситуациях целесообразно установить в каналах системы охлаждения, а именно в каналах, соединяющих устройство вывода выхлопных газов двигателя с рубашками и/или каналами охлаждения, форсунки для распыления воды. При взаимодействии распыляемой воды и нагретых выхлопных газов вода будет испаряться и существенно понижать температуру газов, а значит, более эффективно обеспечивать отвод тепла от охлаждаемых этими газами объектов. В этом случае расход воды составит 0,5-0,9 т/час.

Рубашки и/или каналы охлаждения могут быть соединены непосредственно с атмосферой. Но наиболее целесообразно соединять выходные каналы системы охлаждения с трактом выхлопных газов двигателя и трактом выхлопных газов лазера, т. е. с выходом диффузора с образованием единой системы выброса отработанных газов. В этом случае за счет истечения газов из диффузора и выхлопных газов двигателя происходит эжекция газов из системы охлаждения, что интенсифицирует их циркуляцию в системе охлаждения, а следовательно, и процесс теплообмена с ними охлаждаемых объектов, а также позволяет обеспечить выброс водяных паров из системы охлаждения на большую высоту для исключения их попадания на вход воздушного компрессора.

Сущность заявляемого газодинамического лазера поясняется примером его реализации и графическими материалами.

На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого лазера; на фиг. 2 схематично показана система выброса отработанных газов в атмосферу.

Газодинамический лазер содержит двигатель 1, который может быть выбран из числа известных. Это может быть турбореактивный двигатель, как в прототипе /3/, газотурбинный, дизельный и т.д. Выходной вал двигателя соединен с валом компрессора 2, который обеспечивает поступление в камеру сгорания 3 воздуха высокого давления. При этом воздух от компрессора в камеру сгорания может поступать как непосредственно (как в прототипе), так и через ресивер (не показан). За камерой сгорания последовательно, по ходу движения газового потока, установлены сопловой блок 4, оптический резонатор 5 и диффузор 6, которые размещены в общем корпусе. Лазер снабжен системой охлаждения 7, которая представляет собой известным образом выполненные рубашки и/или каналы охлаждения, охватывающие камеру сгорания, сопловой блок, резонатор и диффузор.

Вход системы охлаждения связан с устройством 8 вывода выхлопных газов, которое выполнено известным образом в зависимости от используемого типа двигателя. Например, в случае турбореактивного или турбопрямоточного двигателей это будет сопло, а в случае дизельного двигателя - выхлопная труба. Выход системы охлаждения в общем случае соединен с атмосферой. С камерой сгорания соединена топливная система 9, которая выполнена известным образом и обеспечивает подачу топлива, в качестве которого могут быть использованы авиационный керосин, толуол и другие жидкие или газообразные углеводороды и даже твердые в мелкодисперсном состоянии.

В частных случаях реализации в каналах, соединяющих устройство вывода выхлопных газов с рубашками охлаждения, могут быть установлены форсунки для распыления воды, которые соединены с соответствующим источником воды, например баком, и снабжены насосом, обеспечивающим распыление (не показаны в силу их общеизвестности).

В частном случае устройство вывода выхлопных газов, выходные каналы системы охлаждения и выход диффузора соединены так, что образуют единую систему выброса отработанных газов в атмосферу, как это указано в п.3 формулы изобретения и на фиг. 2. Это позволяет оптимизировать работу охлаждающей системы и всего лазера в целом.

Лазер снабжается системой формирования и вывода излучения, конструкция которой зависит от технологических задач, решаемых с помощью установки, в которой лазер используется. Это могут быть как уже известные устройства (см. , например, описание к патенту США N 5384802, НКИ 372-89, 1995), так и специально для этого разработанные.

Лазер работает следующим образом. В камеру сгорания 3 из топливной системы 9 подается топливо, а от компрессора 2, приводимого двигателем 1, - воздух с заданным давлением и расходом. Продукты сгорания проходят через сопловой блок 4, состоящий из сверхзвуковых сопел, где подвергаются адиабатическому расширению, в результате чего в газовом потоке создается инверсия населенности и из резонатора 5, поперек газового потока, выводится лазерное излучение, которое используется для технологических целей. Затем газ поступает в диффузор 6, где тормозится до дозвуковой скорости с повышением статического давления и выбрасывается в атмосферу. В процессе работы двигателя 1 его выхлопные газы через устройство 8 для вывода выхлопных газов по каналам поступают в систему охлаждения 7, проходят через рубашки и/или каналы охлаждения камеры сгорания 3, соплового блока 4, резонатора 5, диффузора 6 и выбрасываются в атмосферу.

В частных случаях реализации в каналах, по которым движутся выхлопные газы, включаются форсунки для распыления воды и соответственно охлаждения выхлопных газов.

Кроме того, в частных случаях выхлопные газы при выходе из устройства 8 для вывода выхлопных газов разделяют на два потока - один поток направляется в атмосферу, а второй - в систему охлаждения 7, после прохождения которой он возвращается в канал, по которому движутся выхлопные газы в атмосферу, но ниже по газовому потоку.

С этим же каналом, по которому движутся выхлопные газы, соединяют выход диффузора, и все выхлопные газы выбрасываются в атмосферу, при этом за счет движения потока выхлопных газов по основному каналу происходит эжекция газов из системы охлаждения и диффузора.

Таким образом, предлагаемый лазер за счет отказа от специальных охлаждающих сред и использования для этого выхлопных газов двигателя приобретает мобильность и может быть легко установлен на автомобильном шасси или в стандартном контейнере, который может перемещаться всеми видами транспорта, в том числе в отдаленные и труднодоступные районы.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к газовым лазерам, которые могут быть использованы в различных отраслях народного хозяйства для технологических целей. Газодинамический лазер содержит двигатель с компрессором, соединенным с входом камеры сгорания, сопловой блок, оптический резонатор, диффузор и систему охлаждения. Система охлаждения выполнена в виде рубашек и/или каналов охлаждения камеры сгорания, соплового блока, объема резонатора и диффузора. Она соединена с устройством вывода выхлопных газов двигателя в атмосферу. В каналах, соединяющих устройство вывода выхлопных газов двигателя с рубашками и/или каналами охлаждения, установлены форсунки, соединенные с источником воды. Выходные каналы системы охлаждения соединены с каналом выброса выхлопных газов двигателя в атмосферу, с которым соединен выход диффузора. Технический результат изобретения: обеспечение удобства использования газодинамического лазера. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газодинамический лазер, содержащий двигатель с компрессором, соединенным с входом камеры сгорания, сопловой блок, оптический резонатор, диффузор и систему охлаждения, отличающийся тем, что система охлаждения, выполненная в виде рубашек и/или каналов охлаждения камеры сгорания, соплового блока, объема резонатора и диффузора, соединена с устройством вывода выхлопных газов двигателя в атмосферу. 2. Газодинамический лазер по п.1, отличающийся тем, что в каналах, соединяющих устройство вывода выхлопных газов двигателя с рубашками и/или каналами охлаждения, установлены форсунки, соединенные с источником воды. 3. Газодинамический лазер по п.1, отличающийся тем, что выходные каналы системы охлаждения соединены с каналом выброса выхлопных газов двигателя в атмосферу, с которым соединен выход диффузора.