СОПЛОВОЙ БЛОК ХИМИЧЕСКОГО КИСЛОРОД-ЙОДНОГО ЛАЗЕРА Российский патент 2006 года по МПК H01S3/953 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к конструкциям сопловых блоков для проточных газовых лазеров.

Известны различные конструкции сопловых блоков, представляющие собой набор лопаток, наружными боковыми стенками образующих несколько щелевых сопел или одно щелевое сопло (моносопло) для подачи первичного потока. Внутренние стенки лопаток образуют распределительные коллекторы, в которые поступает вторичный поток. В боковых стенках каждой лопатки выполнено два ряда отверстий (смещенных относительно друг друга или нет) для инжекции вторичного потока, содержащего буферный газ, например, гелий. Таким образом в сопловом блоке происходит процесс формирования сверхзвукового потока активной среды, состоящей из инжектируемых через отверстия в боковых стенках лопаток струй вторичного потока, смешанных в щелевых соплах с первичным потоком (см., например, 1. «Высокоэффективный сверхзвуковой химический кислородно-йодный лазер с расходом хлора 10 ммоль/с» М.В.Загидуллин, В.Д.Николаев, М.И.Свистун, Н.А.Хватов, Н.И.Уфимцев, Квантовая электроника, 24, №3, 1997 г. 2. D.Furman, E.Bruins, V.Rubalkin, B.D.Barmashenko and S.Rosenwaks, IEEE J. Quantum Electronics, 37, 174 (2001). 3. Timothy Madden and Gordon Hager, US Air Force Research Laboratory, Recent results from the AFRL COIL Modeling effort, COIL R&D Workshop, Prague, 2001).

Недостатком известных сопловых блоков является низкая интенсивность процесса смешивания первичного и вторичного потоков на минимальной длине смешивания при использовании двухрядной системы отверстий для инжекции вторичного потока, что снижает энергетическую характеристику активной среды соплового блока. Кроме того, при использовании в качестве буферного газа вторичного потока - гелия высока стоимость эксплуатации соплового блока и систем выхлопа.

Задача изобретения - повышение энергетической характеристики активной среды соплового блока за счет повышения эффективности смешивания газов на минимальной длине соплового блока путем оптимизации геометрических параметров элементов конструкции, а также снижение стоимости эксплуатации соплового блока и систем выхлопа применением в качестве буферного газа вторичного потока - азота (N₂).

Технический результат поставленной задачи достигается тем, что в сопловом блоке химического кислород-йодного лазера, содержащем корпус с распределительными коллекторами, снабженными на входе штуцерами для измерения давления и температуры вторичного потока и соединенными с распределительными коллекторами N сопловых лопаток, образованными внутренними стенками лопаток и размещенными в кассете, установленной в корпусе, причем каждая сопловая лопатка на боковых стенках имеет систему отверстий для инжекции вторичного потока в первичный, а наружные боковые стенки соседних лопаток образуют щелевые сопла для подачи первичного потока, предлагается систему отверстий для инжекции вторичного потока в первичный выполнить однорядной с заданным расстоянием между отверстиями α=h/2 (м), где h - высота критического сечения щелевого сопла (м); и заданными количеством отверстий для инжекции вторичного потока одной сопловой лопатки n=А/α и соотношением α/d=4, где А - ширина апертуры лазера, d - диаметр отверстия для инжекции, при количестве сопловых лопаток в сопловом блоке N=H/2h, где Н - длина соплового блока.

На фиг.1 представлен общий вид соплового блока химического кислород-йодного лазера.

На фиг.2 - сопловой блок (сечение и вид сбоку) с однорядной системой отверстий для инжекции вторичного потока.

На фиг.3 - зависимость приведенной дисперсии концентрации атомов йода по направлению оси «y» от расстояния от выходного сечения щелевого сопла для однорядной системы отверстий для инжекции (справа) и для двухрядной (известной) системы отверстий для инжекции (слева).

На фиг.4 - сравнительные характеристики выходной мощности активной среды для однорядной и двухрядной систем отверстий для инжекции в стенках сопловых лопаток.

Сопловой блок химического кислород-йодного лазера (фиг.1, 2) содержит корпус 1 с распределительными коллекторами 2, 3, снабженными на входе штуцерами 4 и 5 для измерения давления и температуры вторичного потока (стрелка «В») соответственно и соединенными с распределительными коллекторами 6 N сопловых лопаток 7, собранных в кассету 8, установленную в корпусе 1, при этом каждая сопловая лопатка 7 на обеих боковых стенках имеет однорядную систему отверстий 9 для инжекции вторичного потока в первичный. Наружные боковые стенки сопловых лопаток образуют щелевые сопла 10 для подачи первичного потока (стрелка «С»). Первичный поток включает в себя: О₂(¹ _Δ); О₂(³ _∑); О₂(¹ _∑); Н₂О, Cl₂, N₂.

Вторичный поток содержит: I₂, N₂.

При создании конструкции соплового блока с минимальной длиной смешения и максимально эффективным процессом смешения компонентов активной среды было произведено численное моделирование физических и химических процессов его работы.

В качестве критерия качества смешения потоков взята дисперсия концентрации атомов йода по поперечным сечениям потока активной среды (1). Дисперсия концентрации атомов йода по поперечным сечениям активной среды заявляемого соплового блока (однорядная система отверстий для инжекции) на оптической оси химического кислород-йодного лазера (ХКЙЛ) составляет 0.02, что в 15 раз меньше, чем для известной двухрядной системы отверстий для инжекции (фиг.3).

где С_I__{среднее} (y) - среднее значение концентрации атомов йода в рассматриваемом поперечном сечении по направлению «y» (фиг.3).

Смешение можно считать завершенным, если выполняется соотношение (2). Таким образом рассчитывается длина смешения потоков в щелевом сопле 10. В итоге длина смешения первичного и вторичного потоков в щелевом сопле 10 сокращена до 13 мм от его выходного сечения.

Для сохранения эффективности смешения и обеспечения минимальной длины смешения компонентов в сопловом блоке необходимо установить пропорции его геометрических параметров, что можно обеспечить выполнением представленных ниже соотношений. При выполнении этих условий удастся обеспечить неизменность удельных характеристик активной среды на выходе соплового блока. Если задать ширину апертуры («А») или, что то же самое, высоту распределительного коллектора 6 сопловой лопатки 7, то произведение числа (N) сопловых лопаток 7, составляющих сопловой блок, на ширину каждого распределительного коллектора 6 является определенным. Можно выбрать число сопловых лопаток 7 в блоке, если задать ширину каждого из них. Для достижения высокой скорости смешивания первичного и вторичного потоков необходимо минимизировать масштабы смешивающихся потоков. Но существуют технологические ограничения для этого способа улучшения смешения.

Основным технологическим ограничением является необходимость обеспечить равномерность расхода йода по всей высоте распределительного коллектора 6 (по всей апертуре) сопловой лопатки 7. Т.е. внутренняя площадь распределительного коллектора 6 должна обеспечивать равномерную раздачу йода по всем отверстиям 9 для инжекции. Ширина этой внутренней площади и определяет высоту критического сечения щелевого сопла при заданной степени расширения. Определим минимальную возможную площадь поперечного сечения распределительного коллектора 6 вторичного потока, например, для круглого сечения при заданных апертуре и расходе йода. Подача йода в распределительный коллектор 6 сопловой лопатки 7 осуществляется с двух сторон, т.е. каждый распределительный коллектор 6 должен обслуживать половину высоты распределительного коллектора 6 сопловой лопатки 7 (А/2). Следовательно, поток полностью затормозится на середине длины распределительного коллектора 6. Торможение приведет к увеличению давления в потоке до полного и расход на входе в распределительный коллектор 6 будет меньше, чем в середине пропорционально изменению давления. Изменение давления может быть рассчитано из уравнения Бернулли следующим образом:

- изменение давления из-за торможения потока в распределительном коллекторе 6.

После преобразования это уравнение может быть записано:

где G - суммарный расход вторичного потока;

Т - температура вторичного потока на входе в распределительный коллектор 6;

Р - давление на входе в распределительный коллектор 6;

N - количество распределительных коллекторов 6 в N сопловых лопатках 7 соплового блока;

D - диаметр распределительного коллектора 6.

С другой стороны, существуют потери давления в распределительном коллекторе 6, которые определяются как:

где ρ - плотность газа, R - газовая постоянная для вторичного потока.

Изменение расхода по длине распределительного коллектора 6 пропорционально изменению давления. Зададим допустимое изменение давления как «ε». Тогда:

Для реальных условий течения в распределительном коллекторе 6 допустимо изменение давления на величину не более 3%.

При увеличении апертуры «А» и при стремлении минимизировать щелевое сопло 10 поперечный размер «D» стремится к «h» (высота критического сечения сопла) и для лазеров большой мощности отношение D/h практически будет равно единице. Таким образом, представленные ограничения определяют высоту критического сечения щелевого сопла «h».

Ниже представлены соотношения, определяющие пропорции соплового блока для достижения эффективного смешения.

По заданной мощности излучения и химической эффективности определяется площадь блока, т.е. апертура «А» и длина блока «Н». Затем зададим соотношение как необходимое для хорошего смешения.

Такое соотношение геометрических размеров в сопле является оптимальным для обеспечения максимальной равномерности распределения первичного и вторичного потоков по поперечному сечению щелевого сопла 10 при обеспечении инжекции вторичного потока в первичный под углом 90°,

где а - расстояние между отверстиями 9 для инжекции вторичного потока [м];

h - высота критического сечения щелевого сопла 10 [м]

где n - количество отверстий 9 для инжекции вторичного потока одного распределительного коллектора 6 сопловой лопатки 7.

Затем задаем отношение , также необходимое для хорошего смешения.

Значение отношения расстояния между отверстиями 9 для инжекции к их диаметру определяется из требования к минимизации масштаба смешения, с одной стороны, и существования самостоятельных вихревых структур (симметричных вихрей) при истечении вторичного потока из каждого отверстия, с другой стороны. При уменьшении этого значения происходит слияние системы цилиндрических струй в одну плоскую струю на расстоянии нескольких калибров струи, что ухудшает процесс смешения,

где d - диаметр отверстия 9 для инжекции [м]

где N - количество распределительных коллекторов 6

где G - расход вторичного потока [кг/сек]

Р - полное давление вторичного потока в распределительном коллекторе 6 [Па];

Т - полная температура потока в распределительном коллекторе 6 [К];

μ - (равен 0,9) коэффициент расхода для отверстий 9 инжекции вторичного потока;

γ - (равен 1,4) показатель адиабаты.

Расход вторичного потока складывается из расхода йода и вторичного буферного газа. Расход йода определяется из заданного расхода хлора и эффективности генератора синглетного кислорода. Расход вторичного буферного газа определяется из расхода первичного потока. Например, для блока ХКЙЛ в случае использования азота в качестве буферного газа оптимальный расход вторичного буферного газа равен 1.1 от расхода хлора в ГСК.

Экспериментально удалось повысить выходную мощность излучения лазера до 13.8 кВт, что 1.17 раза выше, чем для базовой (известной двухрядной) схемы смешения (фиг.4).

По представленным уравнениям произведен расчет геометрических и расходных параметров соплового блока. Таким образом, конструкция соплового блока может иметь следующие фиксированные параметры и их соотношения, рассчитанные по представленным выше уравнениям:

1. Н=367 мм

2. А=60 мм

3. а=2 мм

4. d=0.5 мм

5. h=5 мм

6. n=30

7. N=40

8. Инжектор вторичного потока - однорядный

9. Угол инжекции по отношению к направлению вторичного потока - 90°

10. Область инжекции - трансзвуковая

Сопловой блок химического кислород-йодного лазера работает следующим образом.

Первичный поток подается в щелевые сопла 10 со стороны дозвуковой части сопла. Направление подачи первичного потока показано стрелкой «С» (фиг.1). Одновременно через четыре распределительных коллектора 2, 3 в распределительные коллекторы 6 сопловых лопаток 7 поступает вторичный поток (стрелка «В»), который через отверстия 9 под углом 90° инжектируется в первичный поток. Происходит процесс интенсивного смешивания первичного и вторичного потоков с одновременным расширением и ускорением. Химическая эффективность лазера составила 31.4%, что является рекордным мировым достижением на настоящий момент в этом классе лазеров. На выходе соплового блока получена высокоэнергетическая активная среда, позволяющая достичь высоких значений среднего по направлению оптической оси лазера коэффициента усиления слабого сигнала.

Изобретение относится к лазерной технике, к конструкциям сопловых блоков для проточных газовых лазеров. Сопловой блок содержит корпус с распределительными коллекторами. Распределительные коллекторы снабжены на входе штуцерами для отбора и измерения давления и температуры вторичного потока и соединены с распределительными коллекторами N сопловых лопаток. Коллекторы образованы внутренними стенками лопаток и размещены в кассете. Кассета установлена в корпусе. Каждая сопловая лопатка на боковых стенках имеет систему отверстий для инжекции вторичного потока в первичный. Наружные боковые стенки соседних лопаток образуют щелевые сопла для подачи первичного потока. Система отверстий для инжекции вторичного потока в первичный выполнена однорядной с заданным расстоянием между отверстиями α и заданными количеством отверстий для инжекции вторичного потока одной сопловой лопатки n и соотношением α/d=4, где d - диаметр отверстия для инжекции, при количестве сопловых лопаток в сопловом блоке N=H/2h, где h - высота критического сечения щелевого сопла, Н - длина соплового блока. Технический результат - повышение энергетической характеристики активной среды соплового блока, а также снижение стоимости эксплуатации соплового блока и систем выхлопа. 4 ил.

Сопловой блок химического кислород-йодного лазера, содержащий корпус с распределительными коллекторами, снабженными на входе штуцерами для отбора и измерения давления и температуры вторичного потока, и соединенными с распределительными коллекторами N сопловых лопаток, образованными внутренними стенками лопаток и размещенными в кассете, установленной в корпусе, причем каждая сопловая лопатка на боковых стенках имеет систему отверстий для инжекции вторичного потока в первичный, а наружные боковые стенки соседних лопаток образуют щелевые сопла для подачи первичного потока, отличающийся тем, что система отверстий для инжекции вторичного потока в первичный выполнена однорядной с заданным расстоянием между отверстиями α=h/2 (м), где h - высота критического сечения щелевого сопла (м), и заданными количеством отверстий для инжекции вторичного потока одной сопловой лопатки n=А/α и соотношением α/d=4, где А - ширина апертуры лазера, d - диаметр отверстия для инжекции, при количестве сопловых лопаток в сопловом блоке N=H/2h, где Н - длина соплового блока.