Сопловой блок смесевого газодинамического лазера Советский патент 2006 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к области газовых лазеров, в частности, к газодинамическому лазеру смесевого типа и может быть использовано при создании газовых лазеров высокой эффективности, в частности, газодинамического смесевого лазера (в дальнейшем тексте - смесевого ГДЛ).

Одним из основных узлов, определяющих эффективность смесевого ГДЛ, является смесевое сопло, включающее сверхзвуковое сопло для быстрого охлаждения первого газа, молекулы которого запасают колебательную энергию и инжектор для подмешивания в поток колебательно-возбужденного первого газа второй газовой компоненты, которая содержит, по крайней мере, один газ (в дальнейшем тексте мы будем называть вторую компоненту - "второй газ").

Имеющиеся конструкции смесевых сопл не удовлетворяют в полной мере основным требованиям, вытекающим из условия минимума потерь колебательной энергии в процессе перемешивания газов. Этими требованиями являются требования минимальности длины перемешивания и уровня газодинамических возмущений, возникающих при перемешивании.

В работе Bronfin B.R. Boedeker L.R., Cheyer G.P., опубликованной в журнале Appl. Phys. Letters 16, №5, 214 (1970), в которой впервые экспериментально реализована схема смесевого ГДЛ на азоте и углекислом газе, использовалось смесевое сопло, включающее в себя плоское сверхзвуковое сопло для расширения азота и расположенный ниже сопла по потоку инжектор, представляющий собой совокупность инжекционных отверстий в стенке газового канала, через которые смесь СО₂ и Не вдувалась в полностью сформированный сверхзвуковой поток азота перпендикулярно его направлению. Такая схема не удовлетворяет указанным выше требованиям. Во-первых, инжекция второго газа через отверстия, расположенные по периферии потока первого газа, требует значительного времени для проникновения второго газа в средние слои, т.е. велика длина перемешивания. Во-вторых, перпендикулярный вдув вносит большие газодинамические возмущения в поток. При малом давлении в инжекторе велика длина перемешивания, увеличение давления в инжекторе приводит к большим газодинамическим возмущениям в потоке. В результате, из-за значительной колебательной релаксации при перемешивании азота и углекислого газа эффективность данного устройства весьма низка, даже при малом давлении азота перед соплом. Достигнутый удельный энергосъем составляет 0,83 дж/г при температуре нагрева азота около 2000°К и давлении азота, равном одной атмосфере.

Значительно более эффективно смесевое сопло, предложенное в патенте Великобритании № 1432400, являющееся наиболее близким по технической сущности к заявляемому.

Смесевое сопло включает в себя плоское сверхзвуковое сопло с номинальной высотой критического сечения 2 мм, спрофилированное для разгона потока азота до числа Маха, по крайней мере, равного 4,5 и инжектор крыловидного профиля, расположенный в плоскости симметрии сопла в дозвуковой его части так, что концевая кромка инжектора размещается в сверхзвуковой области сопла между критическим сечением и сечением, имеющим высоту в 1,1 раза большую высоты критического сечения. Инжектор снабжен двумя каналами, один канал служит для охлаждения инжектора, второй - для подачи инжектируемого газа (СО₂+Не). Инжекция производится в область критического сечения сопла через совокупность отверстий в задней кромке инжектора, соединенных с основным каналом, в который подается инжектируемый газ.

Данное устройство имеет два основных недостатка. Во-первых, расположение инжекционных отверстий по линии симметрии поперечного сечения сопла приводит к распространению второго газа, в основном, в спутном следе от крыловидного инжектора, медленному проникновению в периферийные слои потока N₂ и, как следствие, к большой длине перемешивания. Во-вторых, расположение инжектора в области формирования сверхзвукового потока, т.е. в дозвуковой его части, близко к критическому сечению, искажает форму звуковой поверхности (т.е. поверхности перехода потока через скорость звука), что приводит к образованию сетки скачков уплотнения в сверхзвуковой части сопла, увеличению температуры и плотности в зоне смешения. Оба указанных недостатка увеличивают потери колебательной энергии на релаксацию и снижают, тем самым, КПД смесевого ГДЛ. В работе Taran G.P., Charpenel M, Borghi R. и "Jnvestigation of a mixing CO₂ GDZ", опубликованной в журнале AZZZ Paper N73-622 (1973) в устройстве, описанном в указанном выше патенте Великобритании №1432400, достигнут удельный энергосъем 20 дж/г при давлении 9 атм.

На предприятии был изготовлен смесевой ГДЛ по описанному выше патенту Великобритании. В условиях, близких к описанным в статье, удалось получить энергосъем более 20 дж/г, но при повышении давления выше 10 атм значение удельного энергосъема, а затем и мощности генерации падают. Ухудшение выходных характеристик ГДЛ при увеличении давления связано с проявлением указанных выше недостатков, приводящих к резкому росту релаксационных потерь при повышении давления.

Целью предлагаемого изобретения является повышение КПД смесевого газодинамического лазера путем уменьшения потерь колебательной энергии в смесевом сопле газодинамического лазера. Цель достигается тем, что инжектор отнесен далеко в дозвуковую область, где он не препятствует образованию однородного сверхзвукового потока первого газа; подача второго газа в область сверхзвукового потока выполняется через совокупность тонких трубок (типа шприцевых игл), расположенных равномерно в поперечном сечении сопла и изогнутых по линиям тока. Плоское сопло спрофилировано известным способом для получения сверхзвукового бесскачкового течения. На фиг.1 схематично изображен сопловой блок смесевого ГДЛ. На фиг.2 показан вид сбоку (в разрезе) соплового блока смесевого ГДЛ.

Сопловой блок смесевого ГДЛ, включающий двухмерное (плоское) сверхзвуковое сопло 1, спрофилированное известным методом (методом характеристик) для получения однородного сверхзвукового потока, и крыловидный инжектор 2, снабженный двумя каналами, один из которых 3 служит для охлаждения инжектора, а другой 4 - для подачи второго газа через инжекционные отверстия 5. Инжектор смещен в дозвуковую область сопла, так что концевая кромка инжектора 6 расположена на расстоянии не менее 15 h* от критического сечения 7, где h* - высота критического сечения сопла, а каждое инжекционное отверстие снабжено, по крайней мере, одной трубкой 8, причем трубки установлены так, что их инжектирующие концы 9 размещены не выше критического сечения сопла по потоку, а в поперечном сечении сопла трубки расположены равномерно, по крайней мере, в два ряда.

В продольном направлении трубки могут быть изогнуты, как показано на фиг.2, так, что в дозвуковой, критической и сверхзвуковой частях сопла их направление совпадает с направлением линий тока 10.

Сопловой блок, показанный на фиг.1, может рассматриваться как элемент сопловой решетки для смесевого ГДЛ.

Сопловой блок работает следующим образом: с помощью плоского сопла формируется однородный сверхзвуковой поток колебательно возбужденного первого газа (например, азота) до достижения числа Маха, по крайней мере, 4, 5; через трубки инжектора в сверхзвуковой области в поток первого газа подмешивается второй газ (например, смесь гелия и углекислого газа), после перемешивания, благодаря колебательному обмену, образуется инверсия населенностей на лазерных уровнях (например, между уровнями V=1 для ν₃ и V=1 для ν_I и V=2 для ν₂ молекулы СО₂), которая ниже сопла по потоку в лазерном резонаторе реализуется в лазерное излучение. На фиг.1 и 2 для простоты резонатор не показан. На чертежах не показаны по той же причине средство для нагрева первого газа и средства для подведения хладагента к каналу 3 и второго газа к каналу 4.

Расположение инжектора в области дозвуковых скоростей потока первого газа, расположение трубок инжектора в области критического сечения сопла по линиям тока, должная профилировка сопла, все это является легко выполнимым в предложенном сопловом блоке и позволяет значительно снизить газодинамические возмущения газового потока в смесевом сопле, по сравнению с имеющимися аналогами. Использование тонких трубок и равномерное распределение их по сечению сопла так же не представляет затруднений и позволяет уменьшить длину перемешивания потоков первого и второго газов. Указанные преимущества приводят к меньшим потерям запасенной лазерной энергии, а следовательно, к повышению КПД сопла и смесевого газодинамического лазера, в котором данное сопло используется.

Предварительные испытания экспериментального образца, проведенные на предприятии, позволили получить удельный энергосъем в полтора раза превышающий энергосъем, полученный с помощью прототипа, при вдвое более высоком давлении, что привело к увеличению мощности генерации в два-три раза по сравнению с прототипом при тех же размерах соплового блока.

Изобретение относится к области газовых лазеров и может быть использовано при создании газовых лазеров. Сопловой блок смесевого газодинамического лазера включает двухмерное сверхзвуковое сопло, крыловидный инжектор. Крыловидный инжектор снабжен двумя каналами. Один из каналов служит для охлаждения инжектора. Другой из каналов - для подачи одной из компонент смеси лазера через инжекционные отверстия. Инжектор смещен в дозвуковую область сопла. Концевая кромка инжектора расположена на расстоянии, превышающем высоту критического сечения сопла. Каждое инжекционное отверстие снабжено трубкой. Инжектирующие концы трубок размещены не выше по потоку, чем критическое сечение сопла. В поперечном сечении сопла трубки установлены равномерно. Технический результат - увеличение КПД смесевого газодинамического лазера. 1 н.п.ф., 1 з.п.ф., 2 ил.

1. Сопловой блок смесевого газодинамического лазера, содержащий двухмерное сверхзвуковое сопло и охлаждаемый крыловидный инжектор, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД лазера путем уменьшения потерь запасенной лазерной энергии, инжектор смещен в дозвуковую область сопла, причем расстояние от концевой кромки инжектора до критического сечения сопла превышает высоту последнего, по крайней мере, в 15 раз, а на концевой кромке инжектора установлены трубки для подачи одного из компонентов рабочей смеси газов, выходные отверстия которых равномерно размещены не выше по потоку газа, чем критическое сечение сопла, по крайней мере, в два раза.2. Сопловой блок смесевого газодинамического лазера по п.1, отличающийся тем, что трубки изогнуты вдоль линий тока рабочего газа.